Post on 20-Feb-2018
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
1/53
ALIRAN MELALUI PIPA
Ir. Suroso Dipl.HE, M.Eng
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
2/53
Aliran Melalui Pipa 2
Pendahuluan
Pipa adalah saluran tertutup yang biasanya
berpenampang lingkaran dan dipergunakan
untuk mengalirkan fluida dengan penampangaliran penuh.
Apabila zat cair tidak penuh,maka alirantermasuk dalam aliran saluran terbuka.
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
3/53
Aliran Melalui Pipa 3
Pendahuluan
Kecepatan rata-rata dalam pipa
Ingat karena kondisi tidak-slip, kecepatan aliran pada
dinding pipa adalah nol
Biasanya dipakai Vavg, yangsering hanya disebut V
Ingat bahwa kondisi tidak-
slip menyebabkan tegangangeser dan geseran (friction)
sepanjang dinding pipa
Gaya geser dinding pada fluida
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
4/53Aliran Melalui Pipa 4
Aliran Laminar dan Turbulen
Aliran laminar: karakteristiknya
garis arus lurus dan gerakan
teratur.Aliran turbulen: karakteristiknya
kecepatan fluktuasi dan gerakan
tidak teratur.Transisi dari aliran laminar ke
turbulen tidak terjadi tiba-tiba;
tetapi melalui daerah dimanaaliran fluktuasi antara aliran
laminar dan turbulen sebelum
menjadi turbulen.
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
5/53Aliran Melalui Pipa 5
Bilangan Reynolds
Pada prakteknya, aliran
dalam pipa bulat:
Dalam aliran transisi,
aliran berubah antaralaminar dan turbulen
secara acak.
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
6/53
Aliran Melalui Pipa 6
Daerah Entrance
Ditinjau fluida masuk pipa bulat dengankecepatan seragam.
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
7/53
Aliran Melalui Pipa 7
Daerah Entrance
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
8/53
Aliran Melalui Pipa 8
Panjang Entry
Panjang entry hidrodinamis biasanya diambil jarak dari
masuk pipa sampai dimana tegangan geser dinding
mencapai kira-kira 2 persen dari harga penuh (fully
developed value).
Dalam aliran laminar, panjang entry hidrodinamis
mendekati:
Dalam aliran turbulen, panjang entry hidrodinamis dapat
didekati:
Panjang entry jauh lebih pendek dalam aliran turbulen, dan
ketergantungan pada bilangan Reynolds lebih lemah.
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
9/53
Aliran Melalui Pipa 9
Panjang Entry
Dalam batas laminar dimana Re 2300, panjangentry hidrodinamis adalah 115D.
Dalam banyak aliran pipa, pengaruh entranceuntuk aliran turbulen menjadi tidak signifikandiluar panjang pipa 10 kali diameter, dan
panjang entry hidrodinamis didekati dengan:
Dalam aliran turbulen, cukup beralasan untukasumsi aliran fully developed untuk pipa yangpanjangnya beberapa kali lebih panjang dari
panjang daerah entrancenya.
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
10/53
Aliran Melalui Pipa 10
Profil Kecepatan
Tipikal profil kecepatan
untuk fully developed
aliran laminar danturbulen seperti
ditunjukkan dalam gambar.
Note: profil kecepatan
dalam aliran laminar
parabolik tetapi dalamaliran turbulen lebih
penuh dan berkurang
tajam dekat dinding pipa.
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
11/53
Aliran Melalui Pipa 11
Aliran Tetap melalui Pipa
fhg
vpz
g
vpz +++=++
22
2
222
2
111
Persamaan Bernoulli:
hf= kehilangan energi (energy losses)
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
12/53
Aliran Melalui Pipa 12
Kehilangan Energi (energy losses)
Kehilangan energi dalam aliran melalui pipa
dapat diklasifikasikan :
Major losses karena gesekan
Minor losses karena perubahan kecepatan
misalnya : perubahan diameter pipa, sambungan,belokan dll
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
13/53
Aliran Melalui Pipa 13
Kehilangan Energi Major hf
Menurut Darcy Weisbach
dimana: hf
= kehilangan energi/tinggi
f = faktor gesekan
L = panjang pipa
D = diameter pipav = kecepatan aliran
g = percepatan gravitasi
g
v
D
Lfh f
2..
2
=
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
14/53
Aliran Melalui Pipa 14
Faktor gesekan f
Faktor gesekan f tergantung pada:
kecepatan rata-rata v
diameter pipa D
kerapatan massa cairankekentalan
kekasaran dinding k
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
15/53
Aliran Melalui Pipa 15
( )
=
=
,....,..
,....,,,,
DkDvFf
kDvFf
Sehingga
dimana : . . .Re
Re Angka Reynolds
kekasaran relatif
v D v D
k
D
= =
=
=
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
16/53
Aliran Melalui Pipa 16
Tinggi kekasaran pipa k
Jenis pipa (baru) Nilai k (mm)
Kaca 0,0015
Besi lapis aspal 0,06 0,24
Besi tuang 0,18 0,90
Plester semen 0,27 1,20
Beton 0,30 3,00
Baja 0,03 0,09Baja dikeling 0,90 9,00
Pasangan batu 6
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
17/53
Aliran Melalui Pipa 17
Persamaan Faktor Gesekan f
Aliran LaminerKehilangan energi
aliran laminer melaluipipa lurus,
penampang
lingkaran:
Persamaan tsb dapatditulis dalam bentuk
Darcy-Weisbach:
g
v
D
Lh
gv
DL
vDh
gD
vLh
f
f
f
2..Re
64
2...64
.32
2
2
2
=
=
=
Re
64
2..
2
=
=
f
g
v
D
Lfh f
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
18/53
Aliran Melalui Pipa 18
Rumus empiris untuk Pipa Halus
Blasius
Rumus ini berlaku untuk 4000 < Re < 106
25,0Re316,0=f
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
19/53
Aliran Melalui Pipa 19
Rumus empiris untuk Pipa Kasar
Tahanan gesek pipa kasar > pipa halus
pipa halus : f = F(Re)
pipa kasar : f = F(Re, k/D)
Dalam praktek pada umumnya tidak halus
melainkan mempunyai kekasaran, seperti besi,beton dll.
Nikuradse melakukan percobaan pengaruhkekasaran pipa.
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
20/53
Aliran Melalui Pipa 20
Percobaan Nikuradse
Re
64=f
( )Blausius
Re 4/1kf =
Rough
Smooth
Umumnya, faktor gesekan
Fungsi Re dan roughness
Daerah laminar
Tak tergantung padaroughness
Daerah turbulen
Kurva pipa halusSemua kurva berimpit@ ~Re=2300
Zona pipa kasarKurva semua pipakasar datar danmenjadi tak tergantung
pada Re
)(Re,D
eFf =
Re
64=f
2
9.010 Re
74.5
7.3log
25.0
+
=
D
e
f
Blausius OK for smooth pipe
Laminar Transition Turbulent
H il P b Nik d
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
21/53
Aliran Melalui Pipa 21
Hasil Percobaan Nikuradse
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
22/53
Aliran Melalui Pipa 22
Hasil Percobaan Nikuradse
Dari hasil percobaan Nikuradse, gerak zat
cair dalam pipa halus dan kasar dapat
dibedakan dalam 5 daerah sbb:
Daerah I : Re < 2000 laminer
f = F(Re)
Daerah II : 2000 < Re < 4000 tdk stabil
f tidak dipengaruhi kekasaran
Daerah III
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
23/53
Aliran Melalui Pipa 23
Daerah III
a) Sub daerah pipa halus
f rumus Blasius
b) Sub daerah transisif F(Re, k/D)
c) Sub daerah pipa kasar
f F(k/D)
R i i i
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
24/53
Aliran Melalui Pipa 24
Rumus semi empiris
Faktor gesek f dihitung dengan menggunakan
persamaan Colebrook White sebagai berikut:
+= fRD
k
f e
512
732
1 .
.log
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
25/53
Aliran Melalui Pipa 25
BEBERAPA PERSAMAAN PENDEKATAN
MOODY
++=
3
1
6
1000020100550eRD
kf ..
010000000100004 ....
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
26/53
Aliran Melalui Pipa 26
Diagram Moody
Pada tahun 1939, Cyril F. Colebrook menggabungkan datayang ada untuk aliran transisi dan turbulen dalam pipa halusmaupun kasar kedalam persamaan Colebrook:
Pada tahun 1942, Hunter Rouse memverifikasi persamaanColebrook dan menghasilkan grafik plot dari f.
Pada tahun 1944, Lewis F. Moody menyederhanakan
prosedur perhitungan dengan membuat diagram/grafikberdasarkan persamaan Colebrook.
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
27/53
Aliran Melalui Pipa 27
Moody Diagram
Moody DiagramMoody DiagramMoody DiagramMoody Diagram
Moody Diagram
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
28/53
Aliran Melalui Pipa 28
Moody Diagram
Grafik Moody
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
29/53
Aliran Melalui Pipa 29
Grafik Moody
1 1 22
1 2.512log3.7 Re
k D
ff
= +
Tinggi kekasaran pipa baru
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
30/53
Aliran Melalui Pipa 30
Tinggi kekasaran pipa baru
Grafik Moody
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
31/53
Aliran Melalui Pipa 31
Grafik Moody
Dari grafik tersebut dapat dikelompokkan dalam
4 daerah:
Daerah pengaliran laminer
Daerah kritis nilainya tidak tetap, bisa laminer
/ turbulen
Daerah transisi f = F(Re, k/D)
Daerah turbulen sempurna f = F(k/D)
Nilai k
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
32/53
Aliran Melalui Pipa 32
Nilai k
Untuk menggunakan grafik Moody, nilai k
didapat dari tabel untuk pipa baru.
Untuk pipa lama menurut Colebrook-White
kt= k0+ .t
dimana :kt= kekasaran pipa setelah ttahun
k0= kekasaran pipa baru
= pertambahan kekasaran 0,0006 0,002 mm/th
t = umur pipa (tahun)
Rumus Empiris
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
33/53
Aliran Melalui Pipa 33
Rumus Empiris
Dalam praktek untuk menghitung debit, diperlukan
kecepatan aliran dan luas penampang.
Untuk menghitung kecepatan aliran banyak dipakairumus empiris
Secara umum rumus kecepatan:
2
2
2
2
x y
f
y
x
v a D I
h vI f
L gD
f vv a D
gD
=
= =
=
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
34/53
Aliran Melalui Pipa 34
Pipa halus rumus Blasius
Pipa di daerah transisi rumus Hazen-William
dimana CH = koef Hazen-William tergantung pada
kekasaran pipa
5 47 7
0,252 2
0,25
0,316
0,316Re 2 2
76
v v
I gD v D gD
v D I
= =
=
63,054,0
...354,0 DICv H=
K fi i H Willi
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
35/53
Aliran Melalui Pipa 35
Koefisien Hazen - William
Nilai CH Jenis Pipa
140 pipa sangat halus130 pipa halus,semen,besi tuang
baru
120 pipa baja dilas baru
110 pipa baja dikeling baru
100 pipa besi tuang tua95 pipa baja dikeling tua
60 - 80 pipa tua
Pipa di daerah Turbulen
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
36/53
Aliran Melalui Pipa 36
p
Rumus Manning
Rumus Chezy : v = C.(RI)dimana:
v= kecepatan rata-rata
C= koefisien ChezyR= jari-jari hidrolis = A/P
I = kemiringan garis energi
n = kekasaran Manning
21
32
2132
..397,0
4.
..
..1
24
1
IDn
v
D
D
D
P
AR
IRn
v
=
===
=
Angka Kekasaran Manning n
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
37/53
Aliran Melalui Pipa 37
g g
Tipe Pipa Koef Manning n
Kaca,kuningan/tembaga 0,009 0,013
Permukaan semen halus 0,010 0,013Kayu 0,010 0,013
Besi tuang 0,011 0,015
Beton precast 0,011 0,015Permukaan mortar semen 0,011 0,015
Pipa tanah dibakar 0,011 0,017
Besi 0,012 0,017
Batu dengan mortar semen 0,012 0,017
Baja dikeling 0,017 0,020
Kehilangan energi sekunder (minor losses)
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
38/53
Aliran Melalui Pipa 38
Kehilangan energi sekunder (minor losses)
Kehilangan energi sekunder (minor losses)disebabkan karena perubahan kecepatanaliran.
Perubahan kecepatan ini dapat disebabkanoleh: perubahan penampang, sambungan,
belokan dan katub.Major losses pada pipa panjang biasanya jauhlebih besar dibandingkan minor losses,
sehingga kehilangan energi minor dapatdiabaikan.
Secara umum kehilangan energi: hL = KL.v2/2g
Kehilangan energi pada inlet pipa
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
39/53
Aliran Melalui Pipa 39
Kehilangan energi pada inlet pipa
Kehilangan energi pada inlet pipa adalah
fungsi geometri. Untuk inlet yang
dibulatkan (KL = 0.03 untuk r/D = 0.2), KL=0.50 untuk inlet tajam
Kehilangan energi pada inlet pipa
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
40/53
Aliran Melalui Pipa 40
Kehilangan energi pada inlet pipa
Kehilangan energi pada inlet pipa
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
41/53
Aliran Melalui Pipa 41
Kehilangan energi pada inlet pipa
Kehilangan energi pada outlet pipa
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
42/53
Aliran Melalui Pipa 42
Kehilangan energi pada outlet pipa
Pembesaran dan pengecilan tiba-tiba
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
43/53
Aliran Melalui Pipa 43
p g
Pembesaran dan pengecilan gradual
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
44/53
Aliran Melalui Pipa 44
p g g
Ekspansi dan Kontraksi Gradual (berdasarkan pada kecepatan dalampipa diameter kecil)
Belokan Pipa
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
45/53
Aliran Melalui Pipa 45
p
Valve
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
46/53
Aliran Melalui Pipa 46
Garis Energi dan Garis Tekanan
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
47/53
Aliran Melalui Pipa 47
Garis Energi dan Garis Tekanan
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
48/53
Aliran Melalui Pipa 48
Garis Energi dan Garis Tekanan
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
49/53
Aliran Melalui Pipa 49
Garis Energi dan Garis Tekanan
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
50/53
Aliran Melalui Pipa 50
PERSAMAAN ENERGI
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
51/53
Aliran Melalui Pipa 51
Tipe Persoalan Aliran Fluida
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
52/53
Aliran Melalui Pipa 52
Dalam desain dan analisis sistem perpipaan, 3 tipepersoalan sering dijumpai:
Menentukan p (atau hL) diketahui L, D, V (atau debit)
Dapat diselesaikan langsung menggunakan grafik Moodydan persamaan Colebrook
Menentukan V, diketahui L, D, p
Menentukan D, diketahui L, p, V (atau debit)
Tipe 2 dan 3 sering persoalan engineering design,misalnya, pemilihan diameter pipa untukmeminimalkan biaya konstruksi dan pemompaan
Namun, diperlukan pendekatan iterative sepanjang Vdan D dalam bilangan Reynolds.
7/24/2019 09 Aliran melalui Pipa.pdf
53/53
Aliran Melalui Pipa 53