Bab 2 Osborn Reynold

BAB II

PERCOBAAN OSBORNE – REYNOLDS

II.1 TUJUAN PERCOBAAN

1. Menghitung besarnya bilangan Reynolds (Re) untuk menentukan macam aliran yang (laminer, transisi atau turbulen) dalam pipa percobaan.

2. Mengamati profil kecepatan (berbentuk parabola) pada aliran dalam pipa percobaan.

II.2 ALAT-ALAT YANG DIGUNAKAN

1. Pesawat Osborne – Reynolds (O – R)

SKET PESAWAT PERCOBAAN OSBORNE – REYNOLDS

Gelas Tinta

Bola Pemecah

Energi

Stop Kran

Gelas Ukur

Over Flow

Pengurasan

2. Termometer 3. Stopwatch 4. Gelas ukur

6. Cairan berwarna yang berat jenisnya kurang lebih sama dengan berat jenis air dalam pesawat O–R.

II.3 TEORI

1. Macam Aliran

a. Aliran Laminer

Adalah suatu aliran dimana gaya kekentalan relatif sangat besar dibanding dengan gaya kelembaman, sehingga aliran dipengaruhi oleh kekentalan. Dalam aliran ini, partikel-partikel cairan bergerak secara teratur menurut lintasan-lintasan arusnya dan berlapis-lapis seolah-olah lapisan yang satu menggelincir di atas lapisan yang lainnya. Pada aliran laminer bila kecepatan aliran dipercepat dengan memperbesar debit air yang mengalir, maka aliran akan berangsur bersifat turbulen. Distribusi kecepatan akan mengikuti bentuk parabolik dengan kecepatan maksimum terjadi pada sumbu pipa yang besarnya dua kali lebih besar dari kecepatan rata-rata.

b. Aliran Turbulen

Adalah suatu aliran dimana gaya kelembaman relatif sangat besar dibanding dengan gaya kekentalan sehingga aliran dipengaruhi oleh kelembaman. Dalam aliran ini, partikel-partikel cairan bergerak pada lintasan yang tidak teratur atau pada lintasan sembarang. Pada aliran turbulen terjadi pusaran-pusaran sehingga aliran mendapatkan hambatan dari gesekan dan tumbukan antar partikel cairan itu sendiri. Distribusi kecepatannya lebih uniform daripada aliran laminer. Tegangan geser pada aliran turbulen dipengaruhi oleh viskositas dan gerak turbulensinya.

c. Aliran transisi

Adalah aliran yang berada diantara aliran laminer dan turbulen yang merupakan suatu aliran peralihan yang biasanya sulit untuk diamati kelakuannya.

2. Bilangan Reynolds (Re)

Adalah suatu bilangan/angka untuk menunjukkan perbedaan antara aliran laminer dan turbulen yang didapat dari suatu percobaan dengan menggunakan

bermacam-macam jenis aliran dan bermacam-macam diameter pipa yang dilakukan oleh Reynolds, yaitu :

 d v. Re atau v d Q . . . 4 Re   Dimana: Re = Bilangan Reynolds Q = Debit (m3_/s) d = Diameter pipa (m) v = Kecepatan rata2 (m/s2₎  = Viskositas kinematik (m2_/s)

Menurut hasil percobaan yang dilakukan oleh Reynolds menunjukkan : Re < 2000  adalah aliran laminer

Re > 2800  adalah aliran turbulen 2000 ≤ Re ≤ 2800  adalah aliran transisi

3. Faktor Geseran (f )

Geseran yang dimaksud adalah geseran antara cairan dan dinding pipa atau saluran yang menyebabkan kehilangan energi pada aliran tersebut. Harga faktor geseran berbeda menurut jenis alirannya.

Untuk aliran laminer (Re < 2000)

Re 64  f Dimana: f = Faktor gesek Re = Bilangan Reynold

Untuk aliran turbulen (Re > 2800), pipa licin :

25 , 0 Re 316 , 0  f

Untuk aliran transisi (2000 ≤ Re ≤2800) :            f d f Re. 51 , 2 . 7 , 3 log 2 1  atau 2 9 , 0 Re 74 , 5 . 7 , 3 ln 325 , 1                     D f  Dimana:

ε = Tinggi kekasaran dinding pipa (m)

4. Hubungan antara Faktor Gesek dengan Tegangan Geser 2 . . 8 v f    Dimana:

τ

= Tegangan geser (N/m)

ρ

= Kerapatan air (kg/m3₎

v = Kecepatan rata-rata dalam aliran (m/s)

5. Profil Kecepatan

Profil kecepatan aliran adalah arus u yang terjadi pada suatu aliran. Kecepatan garis arus terbesar umax pada pipa terjadi pada sumbunya.

a. Aliran Laminer 7 / 1 0 max         r r r u u umax = 2v b. Aliran Turbulen         r r r v f v f u 0 0 log . . 04 , 2 ). 33 , 1 1 ( v f umax (11,33 ).

II.4 PROSEDUR PELAKSANAAN

1. Untuk pengamatan aliran maka pesawat O-R dibuat mendatar posisinya sehingga pipa percobaan dalam posisi vertikal.

2. Alirkan debit dalam pipa percobaan O-R dengan mengatur stopkran yang menghubungkan pesawat O-R dengan tampungan air.

3. Jaga permukaan air dalam pesawat O-R tetap konstan dengan memasang pipa pembuang kelebihan air.

4. Tabung zat warna diisi dan selanjutnya ujung injector diturunkan sampai mulut genta bagian atas.

5. Diamkan air dalam pesawat O-R selama 5 menit kemudian ukur temperatur air dalam pesawat O-R tersebut.

6. Buka stopkran pada pesawat O-R dengan mengatur besarnya aliran (debit) yang dikehendaki dalam pipa percobaan.

7. Pengukuran debit yang lewat dalam pipa percobaan dilakukan dengan mengukur volume aliran (m3_{) yang terjadi dengan menampung air yang mengalir ke dalam} gelas ukur selama selang waktu tertentu (detik) dengan menggunakan stop watch.

8. Alirkan zat warna lewat jarum injector sehingga tampak macam aliran yang terjadi dalam pipa.

9. Amati dan catat macam aliran yang tejadi dengan indikasi garis arus yang tebentuk oleh zat warna dalam pipa percobaan (aliran laminar atau turbulen). 10. Ulangi percobaan di atas dengan variasi debit (paling sedikit 15 kali) sehingga

akan terlihat macam aliran mulai laminer sampai turbulen.

11. Untuk pengamatan profil kecepatan maka tutup stopkran pengatur aliran pada pipa percobaaan. Keluarkan zat warna pada mulut genta sampai terjadi tetesan bola zat warna .

12. Keluarkan injector dari mulut genta kemudian buka stopkran pengatur aliran dalam pipa percobaan .

13. Amati tetesan bola zat warna dalam pipa percobaan yang mengalami perubahan bentuk menjadi profil paraboloida.

14. Lakukan pengamatan profil kecepatan ini dengan mengatur bukaan stopkran pengatur aliran dalam pipa sehingga diperoleh aliran laminer atau turbulen.

SKET DISTRIBUSI KECEPATAN ALIRAN DALAM PIPA

Aliran

Laminer

Transisi

Aliran

Turbulen

Aliran

II.5 TUGAS

1. Menyatakan jenis aliran yang diamati terhadap besaran bilangan Reynolds dari hasil pengukuran yang dilakukan.

Catatan: teoritis menyatakan bahwa untuk aliran laminer besaran Re < 2000 dan turbulen Re > 2800.

2. Menyatakan hubungan antara bilangan Reynolds dengan faktor gesek (f) dan bilangan Reynolds dengan tegangan geser (τ). Menggambarkan kedua grafik hubungan tersebut.

3. Menyatakan hubungan antara debit (Q) dengan tegangan geser (τ) dan menggambarkan grafik hubungan tersebut.

4. Membuat perkiraan profil kecepatan aliran dari hasil percobaan yang dilakukan pada debit-debit yang menyebabkan aliran laminer dan turbulen dengan memakai persamaan-persamaan teoritis.

5. Beri kesimpulan hasil percobaan yang saudara lakukan

II.6 DATA PERCOBAAN DAN PERHITUNGAN

Suhu air = 28°C, didapat  ρ = 996,0261 kg/m3

 = 0,8412.10-6 _m2_/s D = 0,013 m

1. Pengamatan macam aliran terhadap besaran Bilangan Reynolds          3 3 2 2 v v v v t v Q No suhu(⁰C) V(cm3 ) t (s) volume rata2 (m3) debit (m3/s) kecepatan (m/s) jenis aliran pengamatan Re jenis aliran teori f  I 28 65 10 0,000062 0,0000062 0,04671 laminer 721,870 laminer 0,089 0,024 28 61 10 28 ₆₀ 10 II 28 ₈₁ 10 0,000082 0,0000082 0,06203 laminer 958,613 laminer 0,067 0,032 28 ₈₆ 10 28 ₈₀ 10 III 28 ₁₃₀ 10 0,000126 0,0000126 0,09518 laminer 1470,908 laminer 0,044 0,049 28 ₁₂₅ 10 28 ₁₂₄ 10 IV 28 ₁₆₂ 10 0,000160 0,0000160 0,12029 laminer 1859,010 laminer 0,034 0,062 28 ₁₆₀ 10 28 ₁₅₇ 10 V 28 ₂₆₅ 10 0,000262 0,0000262 0,19764 laminer 3054,365 turbulen 0,043 0,207 28 ₂₆₂ 10 28 ₂₆₀ 10 VI 28 ₃₄₅ 10 0,000346 0,0000346 0,26042 transisi 4024,621 turbulen 0,040 0,335 28 ₃₄₀ 10 28 ₃₅₂ 10 VII 28 ₃₅₅ 10 0,000357 0,0000357 0,26871 transisi 4152,695 turbulen 0,039 0,354 28 ₃₆₀ 10 28 355 10 VIII 28 ₃₈₀ 10 0,000383 0,0000383 0,28880 transisi 4463,177 turbulen 0,039 0,402 28 ₃₉₀ 10 28 ₃₈₀ 10 IX 28 ₄₄₀ 10 0,000437 0,0000437 0,32898 transisi 5084,140 turbulen 0,037 0,504 28 ₄₃₅ 10 28 ₄₃₅ 10 X 28 ₄₆₀ 10 0,000452 0,0000452 0,34028 transisi 5258,787 turbulen 0,037 0,535 28 ₄₅₀ 10 28 ₄₄₅ 10 XI 28 ₄₇₀ 10 0,000473 0,0000473 0,35661 transisi 5511,053 turbulen 0,037 0,581 28 ₄₈₀ 10 28 ₄₇₀ 10

XII 28 ₇₃₂ 10 0,000731 0,0000731 0,55048 turbulen 8507,203 turbulen 0,033 1,242 28 725 10

28 ₇₃₅ 10 XIII 28 ₇₄₀ 10 0,000739 0,0000739 0,55701 turbulen 8608,110 turbulen 0,033 1,268 28 ₇₃₆ 10 28 742 10 XIV 28 745 10 0,000763 0,0000763 0,57509 turbulen 8887,543 turbulen 0,033 1,340 28 760 10 28 785 10 XV 28 782 10 0,000778 0,0000778 0,58614 turbulen 9058,308 turbulen 0,032 1,386 28 777 10 28 775 10 XVI 28 805 10 0,000794 0,0000794 0,59845 turbulen 9248,478 turbulen 0,032 1,437 28 778 10 28 800 10 XVII 28 377 5 0,000379 0,0000758 0,57107 turbulen 8825,447 turbulen 0,033 1,324 28 375 5 28 385 5 XVII I 28 400 5 0,000404 0,0000808 0,60874 turbulen 9407,600 turbulen 0,032 1,481 28 405 5 28 407 5

2. Hubungan antara Bilangan Reynolds dan Faktor Gesek, dan Tegangan Geser a. Bilangan Reynolds dan Faktor Gesek

Re f 721,870 0,089 958,613 0,067 1470,908 0,044 1859,010 0,034 3054,365 0,043 4024,621 0,040 4152,695 0,039 4463,177 0,039 5084,140 0,037 5258,787 0,037 5511,053 0,037 8507,203 0,033 8608,110 0,033 8887,543 0,033 9058,308 0,032 9248,478 0,032 8825,447 0,033 9407,600 0,032

Re  721,870 0,024 958,613 0,032 1470,908 0,049 1859,010 0,062 3054,365 0,207 4024,621 0,335 4152,695 0,354 4463,177 0,402 5084,140 0,504 5258,787 0,535 5511,053 0,581 8507,203 1,242 8608,110 1,268 8887,543 1,340 9058,308 1,386 9248,478 1,437 8825,447 1,324 9407,600 1,481

3. Hubungan antara Debit dan Tegangan Geser

Q  0,0000062 0,024 0,0000082 0,032 0,0000126 0,049 0,0000160 0,062 0,0000262 0,207 0,0000346 0,335 0,0000357 0,354 0,0000383 0,402 0,0000437 0,504 0,0000452 0,535 0,0000473 0,581 0,0000731 1,242 0,0000739 1,268 0,0000763 1,340 0,0000778 1,386 0,0000794 1,437 0,0000758 1,324 0,0000808 1,481

4. Perkiraan Profil Kecepatan Aliran a. Aliran Laminer

08105 , 0 4 12029 , 0 09518 , 0 06203 , 0 04671 , 0 min            er la v m/s 1621 , 0 08105 , 0 . 2 . 2 min max  vla er   u m/s Dimana : 7 / 1 0 max         r r r u u Maka : max 7 / 1 0 _.u r r r u         ro = ½ d = ½ . 0,013 m = 6,5.10-3 m Pias r

(m) Faktor ru/umax u max (m/s) _{(faktor r.u} u di pias r max) -0,0065 0 0,1621 0,000 -0,006 0,6932 0,1621 0,112 -0,005 0,8110 0,1621 0,131 -0,004 0,8724 0,1621 0,141 -0,003 0,9154 0,1621 0,148 -0,002 0,9488 0,1621 0,154 -0,001 0,9764 0,1621 0,158 0 1,0207 0,1621 0,162 0,001 1,0000 0,1621 0,158 0,002 0,9764 0,1621 0,154 0,003 0,9488 0,1621 0,148 0,004 0,9154 0,1621 0,141 0,005 0,8724 0,1621 0,131 0,006 0,8110 0,1621 0,112 0,0065 0,6932 0,1621 0,000

b. Aliran Turbulen 435 , 0 14 088 , 6 tan      pengama turbulen turbulen u u _m/s turbulen u f umax (11,33. ). Dimana : 0,036 14 499 , 0 tan               pengama rata rata f f Maka : umax (11,33 0.036).0.4350,544 m/s ro = ½ d = ½ . 0,013 m = 6,5.10-3 m Dimana kecepatan pada pias r:

        r r r v f v f u 0 0 log . . 04 , 2 ). 33 , 1 1 ( Pias r

(m) Faktor ru/umax u max (m/s)

u di pias r (faktor r x u max) -0,0065 0 0,5441 #DIV/0! -0,006 0,6932 0,5441 0,3575 -0,005 0,8110 0,5441 0,4374 -0,004 0,8724 0,5441 0,4746 -0,003 0,9154 0,5441 0,4991

-0,002 0,9488 0,5441 0,5173 -0,001 0,9764 0,5441 0,5319 0 1,0207 0,5441 0,5441 0,001 1,0000 0,5441 0,5319 0,002 0,9764 0,5441 0,5173 0,003 0,9488 0,5441 0,4991 0,004 0,9154 0,5441 0,4746 0,005 0,8724 0,5441 0,4374 0,006 0,8110 0,5441 0,3575 0,0065 0,6932 0,5441 #DIV/0!

KESIMPULAN

1. Berdasarkan hasil perhitungan bilangan Re, diperoleh kategori jenis aliran yang berbeda dari hasil pengamatan percobaan pada waktu pelaksanaan praktikum. Hal ini dimungkinkan karena adanya kesalahan pembacaan jenis aliran yang ditunjukkan oleh zat warna pada pesawat Osborne-Reynolds.

2. Geseran (ƒ) terhadap kekasaran dinding pipa mempengaruhi kecepatan aliran sehingga aliran yang berada di tepi (bersentuhan langsung dengan dinding pipa) mempunyai kecepatan yang lebih kecil dibandingkan dengan aliran yang berada di tengah.

3. Semakin besar kecepatan aliran maka bentuk diagram alirannya semakin tumpul. Hal ini berarti kecepatannya makin mendekati merata.