BAB I

JENIS - JENIS ALIRAN UDARA

1. Pengantar. Pada bab ini akan dibahas tentang macam-macam aliran udara

dalam pembahasan aerodinamika antara lain aliran udara kontinum, aliran udara

malekul bebas, aliran kompresibel dan imkompresibel serta jenis-jenis aliran

berdasarkan kecepatannya. Setiap aliran mempunyai sifat-sifat yang tidak selalu sama.

2. Aliran Udara Kontinu Terhadap Aliran Molekul Bebas. Ditentukan aliran

pada benda misalnya tabung silinder yang mempunyai diameter d. Juga ditentukan

aliran bahwa aliran terdiri atas satu molekul tunggal yang mana bergerak secara

random. Jarak rata-rata antara molekul dengan benturan molekul terdekatnya

didefinisikan rata-rata arus bebas (mean free path), . Jika mempunyai panjang lebih

kecil dibanding dengan ukuran benda, d maka aliran udara akan kelihatan tak terputus

(mengalir secara terus menerus). Tekanan molekul yang sama pada permukaan benda

secara terus menerus sehingga benda tidak dapat membedakan benturan dari tiap

molekul atau permukaan benda merasakan benturan fluida yang sama secara terus

menerus. Untuk type aliran ini disebut aliran kontinu. Sebaliknya jika sama dengan

ukuran benda dimana molekul udara/gas mempunyai jarak yang cukup jauh (relatif

terhadap d) sehingga benturan antara permukaan benda dengan molekul hanya

berkala (tidak terus menerus) dan permukan benda dapat membedakan benturan dari

tiap molekul, aliran ini disebut aliran molekul bebas (free nolekul flow). Biasanya dalam

penerbangan benda-benda terbang seperti pesawat luar angkasa menjumpai aliran

molekul bebas pada daerah di luar angkasa, di mana kerapatan udara sangat rendah

sehingga besar. Masalah dari keduanya adalah aliran menunjukan beberapa sifat

kontinu dan aliran udara bebas sehingga aliran secara umum untuk aliran kecepatan

rendah berbeda dengan aliran kontinu. Aliran kontinu merupakan bagian dari

penggunaan aerodinamika yang sederhana. Untuk pembahasan selanjutnya dalam

buku ini aliran diasumsikan aliran kontinu.

3. Aliran Inviscid Terhadap Aliran Viscous. Bagian utama dari gas atau fluida

adalah kemampuan molekul untuk bergerak secara bebas. Molekul yang bergerak

rata-rata secara random, dalam pergerakanya molekul membawa massa, momentum

dan energi dari satu tempat ke tempat yang laindalam fluida tersebut. Pergerakan

molekul membawa peningkatan difusi massa, viskositas (gaya gesekan) dan konduksi

panas. Bila aliran udara mengakibatkan perubahan sifat-sifat di atas maka aliran

tersebut di sebut aliran viscous. Sebaliknya bila aliran yang dalam pergerakkannya

tidak menyebabkan gaya gesekan, konduksi panas dan difusi thermal maka aliran ini

disebut aliran inviscid. Aliran inviscid tidak mungkin terjadi pada alam tetapi untuk

penyederhanaan pembahasan aerodinamika karena perubahan yang terjadi sangat

kecil sehingga bisa kita anggap aliran inviscid. Secara teori aliran inviscid didekati

dalam batasan dengan angka Reynolds yang menuju tak terbatas. Tetapi untuk

masalah sederhana beberapa aliran dengan angka Reynolds tinggi tetapi terbatas

dapat diasumsikan inviscid. Untuk aliran yang dipengaruhi oleh gaya gesekan,

konduksi panas dan difusi massa adalah daerah dekat permukaan yang sangat tipis

(lapisan batas) dan sisanya diluar daerah ini adalah inviscid. Pembagian kedua aliran

ini ditunjukkan dalam gambar 1.1. Untuk aliran pada benda langsing (tipis) seperti

pada gambar 1.1 teori inviscid cukup untuk memprediksi distribusi tekanan dan gaya

angkat benda dandapat memberikan gambaran yang tepat mengenai streamline dan

medan aliran seluruh benda. Karena gaya gesekan dan tegangan geser adalah

penyebab utama dari gaya hambat pergerakan udara teori inviscid tidak mencukupi

dalam memyelesaikan total gaya hambat.

Gambar 1.1 : Pembagian aliran udara dalam dua daerah inviscid dan viscous

4. Hampir semua aliran udar menyebabkan pengaruh viscous, sebagai contoh jika

airfoil gambar 1.1 dimiringkan dengan sudut incidence yang tinggi (sudut serang yang

tinggi) maka lapisan batas akan cenderung terpisah di permukaan atas dan timbul wake

yang besar pada belakang airfoil ke arah bawah (downstream). Pemisahan aliran

ditunjukkan pada gambar 1.2 bagian atas, sifat medan aliran ini disebut “stalled” airfoil.

Pemisahan aliran juga terjadi pada benda tumpul seperti silinder pada gambar 1.2

2

bagian bawah, di sini aliran menyebar ke bagian atas dan bawah silinder membentuk

wake di belakang silinder. Type aliran seperti gambar 1.2 menunjukan adanya

pengaruh viscous.

Gambar 1.2 : Aliran viscous pada benda

5. Aliran inkompresibel terhadap aliran komprsibel. Aliran uadara di mana

kerapatan udara, adalah konstan disebut aliran inkompresibel. Kebalikannya aliran

bila kerapatan udara berubah disebut aliran kompresibel. Untuk lebih memahami

tentang kompresibilitas akan dibahas pada bab selanjutnya. Perlu diperhatikan dalam

menentukan apakah aliran kompresibel atau inkompresibel dengan melihat perubahan

kerapatan udara, hal ini tidak sesuai dengan keadaan alam. Tetapi untuk penyamaan

pembahasan tentang aliran inviscid terdapat masalah aerodinamika bahwa dapat

dimodelkan aliran inkompresibel tanpa adanya kesalahan ketepatannya. Sebagai

contoh aliran pada fluida homogen dinyatakan sebagai inkompresibel dan terdapat

beberapa masalah penyelesaian hidrodinamika dengan asumsi adalah konstan.

Demikian juga aliran gas dengan angka Mach yang sangat kecil adalah inkompresibel

untuk M < 0,3, untuk hal ini diasumsikan konstan. Untuk aliran udara kecepatan

tinggi (Angka Mach mendekati satu atau lebih) adalah aliran kompresibel.

3

6. Kecepatan Aliran Udara berdasarkan Angka Mach. Pembagian aliran

udara berdasarkan angka Mach adalah lebih sering digunakan. Jika M adalah angka

Mach lokal pada sembarang titik dalam medan aliran udara maka didefinisikan aliran

secara lokal adalah :

a. Subsonik jika M < 1

b. Sonik Jika M = 1

c. Supersonik jika M > 1

Dengan melihat seluruh medan aliran secara bersama-sama, terdapat 4 perbedaan

berdasarkan pada kecepatan yang dapat diindentifikasikan menggunakan angka Mach

dengan ketentuan sebagai berikut :

a. Aliran Subsonik (M < 1 di semua titik). Medan aliran didefinisikan

sebagai aliran subsonik jika angka Mach kurang dari 1 di semua titik. Aliran

subsonik ditunjukkan dengan streamline yang halus (tidak ada yang terputus

dalam kurva) seperti ditunjukkan dalam gambar 1.3a. Karena kecepatan aliran

di mana saja kurang dari kecepatan suara gangguan dalam aliran udara

menyebar ke atas dan ke bawah airfoil dan dapat dirasakan seluruh medan

aliran. Angka Mach di freestream kurang dari satu tidak menjamin semua aliran

subsonik pada benda. Untuk bentuk benda yang melebar kecepatan aliran

udara akan bertambah di atas nilai di freestream, dan jika M mendekati satu

maka lokal angka Mach bisa menjadi supersonik didalam medan aliran udara.

Untuk benda tipis seperti airfoil angka Mach di freestream M < 0,8 mungkin

belum menyebabkan aliran supersonik di lokal angka Mach tetapi bila benda

yang lebih tebal bisa menyebabkan aliran supersonik.

b. Aliran transonik (Daerah campuran di mana M < 1 dan M > 1). Jika M

adalah subsonik tetapi mendekati 1 maka aliran lokal dapat menjadi supersonik,

seperti ditunjukan pada gambar 1.3b, yang mana ditunjukan aliran supersonik

pada bagian atas dan bawah permukaan airfoil, dengan adanya weak shock

wave dibelakangnya dan aliran menjadi subsonik kembali. Tetapi jika M

ditambah melebihi/di atas 1 maka akan terbentuk Bow shock wave di depan

airfoil, kemudian aliran lokal dibelakang Bow shock wave adalah subsonik seperti

pada gambar 1.3c. Aliran subsonik ini menjadi bagian dalam nilai supersonik

4

rendah pada airfoil. Weak shock wave selalu terjadi di daerah trailing edge,

kadang-kadang membentuk seperti ekor ikan seperti pada gambar 1.3c. Medan

aliran yang ditunjukan pada gambar 1.3b dan 1.3c mempunyai sifat gabungan

antara aliran subsonik dan supersonik dan hal ini sering terjadi pada kenyatan

aliran udara. Aliran seperti ini disebut dengan aliran transonik. Aliran transonik

pada benda tipis bisa terjadi bila angka Mach aliran udara pada freestream

mempunyai nilai : 0,8 < M < 1,2.

Gambar 1.3 : Perbedaan daerah aliran udara

5

c. Aliran supersonik (M > 1 di semua titik). Mwedan aliran didefinisikan

sebagai aliran supersonik jika angka Mach lebih besar dari satu di semua titik.

Aliran supersonik kadang-kadang ditentukan dengan munculnya gelombang

kejut (shock wave) dalam alirannya dan streamline berubah menjadi diskontinu.

Hal ini ditunjukan dalam gambar 1.3d untuk aliran supersonik pada benda yang

lancip, aliran tetap supersonik dibelakang gelombang kejut miring (oblique shock

wave) dari ujung depan. Dalam aliran supersonik karena lokal kecepatan aliran

udara lebih besar dari kecepatan suara, gangguan yang ditimbulkan pada

beberapa titik dalam aliran tidak dapat diteruskan .

d. Aliran hipersonik (M > 5 di semua titik). Tinjau kembali benda pada

gambar 1.3d. Asumsikan diketahui dengan nilai yang tetap. Untuk M

bertambah di atas 1 shock wave bergerak menutupi permukaan benda. Juga

kekuatan shock wave bertambah, leading edge lebih tinggi temperaturnya dalam

daerah antara shock dengan benda (lapisan shock). Jika M lebih besar lapisan

shock menjadi sangat tipis dan terjadi hubungan antara shock wave dengan

lapisan batas viscous di permukaan. Juga temperatur lapisan shock menjadi

cukup tinggi hal ini karena adanya reaksi kimia pada udara. Ketika M menjadi

cukup besar lagi sehingga hubungan viscous dan atau reaksi kimia sangat

mempengaruhi aliran (gambar 1.3e), medan aliran ini disebut hipersonik.

7. Latihan soal.

a. Sebutkan aliran udara berdasarkan perbedaan jenis kecepatan ?

b. Gambar dan jelaskan pengertian aliran subsonik dan transonik ?

c. Gambar dan jelaskan pengertian aliran supersonik ?

d. Bagaimana besarnya sudut oblique shock wave bila sudut benda tetap

dan kecepatannya bertambah besar ?

e. Jelaskan pengertian aliran viscous dan inviscid ?

f. Jelaskan pengertian aliran udara inkompresibel dan kompresibel ?

6