Ringkasan_Teknik_Fluida.pdf

Mathias Jatiworo 2014-041-115

1

TEKNIK FLUIDA

Sub pokok bahasan:

Pengenalan aplikasi teknik fluida dalam kehidupan sehari-hari

Pengenalan parameter densitas dan viskositas dan sifat aliran laminar & turbulen

6 . 1 O V E R V I E W Studi tentang fluida, yang diklasifikasikan baik sebagai cairan atau gas, selanjutnya dipecah menjadi bidang fluida statik dan dinamika. Insinyur mekanik menerapkan prinsip-prinsip dari fluida statik untuk menghitung tekanan dan daya apung yang bekerja pada benda diam, termasuk kapal, tank, dan bendungan. Dinamika fluida mengacu pada perilaku cairan atau gas ketika mereka bergerak atau ketika suatu objek bergerak melalui cairan jika tidak stasioner.

Hidrodinamika dan aerodinamika berfokus pada gerakan air dan udara, yang merupakan fluida yang paling umum ditemui di bidang teknik. Bukan hanya mencakup desain kecepatan tinggi kendaraan tetapi juga gerakan lautan dan atmosfer. Beberapa insinyur dan ilmuwan menerapkan model komputasi canggih untuk mensimulasikan dan memahami interaksi antara atmosfer, lautan, dan iklim global seperti pada (Gambar 6.1).

Gerakan partikel polutan di udara, meningkatkan peramalan cuaca, dan pengendapan air hujan dan hujan es yang beberapa isu utama yang dibahas.

Teknik fluida dalam konteks yang lebih luas dari teknik mesin. Topik tersebut ditunjukkan pada Gambar (Gambar 6.2).


2

6 . 2 P R O P E R T I E S O F F L U I D S

Apa sebenarnya fluida?

Ilmuwan mengkategorikan komposisi materi dengan cara yang berbeda:

Seorang ahli kimia Klasifikasi bahan sesuai dengan struktur atom dan kimia dalam konteks tabel

periodik unsur.

Seorang insinyur listrik mengelompokkan bahan kekuatan menurut cara di mana mereka merespon

listrik sebagai konduktor, isolator, atau semikonduktor.

Insinyur mekanik sering mengkategorikan zat sebagai padatan atau fluida.

Sebuah fluida, di sisi lain adalah zat yang tidak mampu menahan kekuatan geser tanpa terus bergerak

(gaya geser dan tegangan). Tidak peduli seberapa kecil, setiap jumlah tegangan geser diterapkan pada

fluida akan menyebabkan pergerakan, dan itu akan terus mengalir sampai gaya dihentikan.


3

Fluida lebih dikategorikan sebagai cairan atau gas, dan perbedaan di sini tergantung pada apakah

cairan mudah dapat dikompresi (Gambar 6.4).

Ketika gaya diterapkan pada cairan, volume tidak berubah banyak, bahkan meskipun cairan ini dapat

bergerak dan berubah bentuk.

Gas, kategori kedua fluida, memiliki molekul yang terpisah satu sama lain secara luas. Suatu gas dapat

dengan mudah dikompresi, dan ketika dikompresi, kerapatannya dan tekanan meningkat.

Perbedaan utama antara solid dan fluida adalah cara masing-masing perilaku ketika mengalami gaya

geser.

Gambar 6.5 (a) Sebuah fluida merespon tegangan geser oleh gerakan terus menerus yang disebut

aliran fluida. Sebagai analogi, setumpuk kartu di atas meja, dan ketika Anda menekan tangan Anda

terhadap bagian atas, juga geser tangan Anda secara horizontal [Gambar 6.5 (b)]. Paling atas Kartu

bergerak dengan tangan Anda, dan berlanjut pada kartu paling bawah ke meja


4

Hukum kedua Newton :

Newtonian fluids :

6.3 PRESSURE AND BUOYANCY FORCE Sebuah kendaraan bisa dipindahkan melalui fluida (sebagai pesawat bergerak melalui udara, misalnya)

atau fluida dapat mengalir di sekitar struktur (seperti embusan angin menimpa gedung pencakar

langit). Namun, kekuatan antara fluida dan benda padat dapat muncul bahkan jika tidak ada gerakan

relatif. Kekuatan yang berkembang ketika objek hanya direndam dalam fluida disebut daya apung, dan


5

hal itu berkaitan dengan berat fluida yang dipindahkan. Berat kuantitas cairan ditentukan oleh densitas

(yang huruf kecil Yunani rho karakter) dan volume.

Tabel 6.1 daftar nilai densitas beberapa gas dan cairan dalam SI dan USCS. Berat dari V volume cairan

diberikan oleh ekspresi:

Ketika Anda berenang ke dasar kolam atau melakukan perjalanan di pegunungan, tekanan perubahan

dalam air atau udara yang mengelilingi Anda, dan telinga Anda menyesuaikan diri dengan tekanan naik

atau turun. Pengalaman kami adalah bahwa tekanan dalam cair atau gas meningkat dengan

kedalaman. Mengacu pada gelas cairan ditunjukkan pada Gambar 6.10, perbedaan tekanan p antara

tingkat 0 dan 1 muncul karena berat cairan itu. Dengan menggunakan diagram benda bebas dari

Gambar 6.10, keseimbangan keseimbangan kekuatan- kolom cair menunjukkan bahwa tekanan pada

kedalaman 1 adalah:

Tekanan tumbuh dalam proporsi langsung dengan kedalaman dan kepadatan fluida. Dalam baris

pertama tabel, misalnya, kita melihat bahwa pascal tersebut terkait dengan tiga lainnya dimensi sbb:


6

Ketika kapal berlabuh di pelabuhan dan balon udara panas melayang-layang di atas tanah, mereka

tunduk pada kekuatan daya apung yang dibuat oleh sekitar cairan.

Seperti ditunjukkan dalam Gambar 6.11, saat kapal selam terendam dan terapung pada kedalaman

stabil, gaya total pada itu adalah nol sejak (atas) kekuatan daya apung menyeimbangkan berat badan

kapal selam. Gaya apung sama dengan berat cairan yang dipindahkan oleh benda menurut

persamaan:

6.4 LAMINAR AND TURBULENT FLUID FLOWS

Jika Anda pernah bepergian dengan pesawat terbang, Anda mungkin ingat pilot menginstruksikan Anda

untuk kencangkan sabuk pengaman Anda karena turbulensi yang terkait dengan cuaca buruk pola atau

airflow diatas pegunungan. Cobalah membuka katup pada selang taman (tanpa nozzle) dengan hanya

sejumlah kecil, dan melihat bagaimana air sungai dari itu secara teratur. Bentuk aliran air tidak banyak

berubah dari waktu ke waktu, yang merupakan contoh klasik dari Air laminar flow. Secara bertahap

Anda membuka katup, Anda akhirnya akan mencapai titik di mana aliran kelancaran air mulai

berosilasi, putus, dan menjadi bergolak. Apa yang dulunya air kaca tampak sekarang terganggu dan


7

tidak merata. Secara umum, perlahan-lahan karena fluida muncul laminar dan halus, namun, pada

kecepatan cukup tinggi, pola aliran fluida menjadi bergolak dan acak.

Ketika fluida mengalir lancar di sekitar obyek, seperti dalam sketsa airflow sekitar bola pada Gambar

6.14 (a), fluida dikatakan bergerak secara laminar.

Laminar terjadi ketika cairan bergerak relatif lambat (dalam definisi yang tepat "relatif" yang diberikan

tidak lama). Sebagai cairan bergerak cepat melewati bola, Pola aliran yang mulai pecah dan menjadi

acak, terutama pada trailing edge bola. Pola aliran yang tidak teratur yang ditunjukkan pada Gambar

6.14 (b) adalah dikatakan Turbulent.

Kriteria untuk menentukan apakah suatu gerakan fluida dalam laminar atau turbulen tergantung pada

beberapa faktor: ukuran objek bergerak melalui cairan (atau ukuran pipa atau saluran); kecepatan dari

objek (atau dari fluida); dan kepadatan dan viskositas sifat cairan.

Hubungan yang tepat antara variabel-variabel yang ditemukan di paruh kedua abad kesembilan belas

oleh seorang insinyur Inggris bernama Osborne Reynolds, yang melakukan percobaan pada transisi

antara laminar dan turbulent melalui pipa.

Bilangan Reynolds (Re) adalah didefinisikan oleh persamaan:

I N P I P E S

Sebuah aplikasi praktis untuk konsep tekanan, viskositas, dan Reynolds number adalah aliran dari

fluida melalui pipa, selang, dan saluran. Sebagai tambahan mendistribusikan air, bensin, gas alam,

udara, dan fluida lainnya, pipa aliran juga merupakan topik penting untuk studi biomedis dari sistem

peredaran darah manusia (Gambar 6.15). Darah mengalir melalui arteri dan vena dalam tubuh Anda

Untuk mengangkut oksigen dan nutrisi ke jaringan dan untuk menghilangkan karbon dioksida dan


8

produk-produk limbah lainnya. Sistem vaskular terdiri arteri dan vena besar yang keluar ke banyak,

kapiler jauh lebih kecil memperluas ke seluruh tubuh. Dalam beberapa hal, aliran darah melalui kapal-

kapal ini mirip dengan yang ditemui dalam aplikasi teknik seperti

sebagai hidrolik dan pneumatik.


9

Cairan cenderung mengalir dari lokasi tekanan tinggi ke salah satu yang lebih rendah. Perubahan

tekanan sepanjang pipa, selang, atau saluran disebut penurunan tekanan, dilambangkan dengan Dp.

Semakin kental suatu fluida maka semakin besar tekanan diferensial yang diperlukan untuk

menghasilkan gerak.

Gambar 6.16 menggambarkan diagram benda bebas dari volume cairan yang telah dihapus secara

konseptual dari pipa. Karena penurunan tekanan terkait dengan tegangan geser, kami berharap bahwa

p akan meningkat dengan viskositas dan kecepatan cairan itu.

Dalam bagian pipa yang jauh dari gangguan (seperti inlet, pompa, valve, atau sudut) dan nilai-nilai yang

cukup rendah Reynolds numbernya, yang mengalir dalam pipa adalah laminar. Oleh prinsip simetri,

fluida akan bergerak tercepat sepanjang tengah pipa itu, dan menurun menjadi kecepatan nol pada

pipa yang jari-jari R (Gambar 6.17). Bahkan, distribusi kecepatan dalam laminar aliran adalah fungsi

parabola dari jari-jari, seperti yang diberikan dengan persamaan:

dimana r diukur keluar dari tengah pipa itu. Maksimum kecepatan fluida:

kecepatan maksimum terjadi pada tengah pipa itu, dan itu tergantung pada penurunan tekanan.

Selain kecepatan fluida, kita sering lebih tertarik untuk mengetahui Volume V dari cairan yang

mengalir melalui pipa selama interval waktu tertentu At. Dalam hal itu, kuantitas:


10

disebut volumetrik aliran tingkat, dan memiliki dimensi / m3 s atau L / s dalam SI dan ft3 / s atau gal / s

di USCS. Faktor konversi antara mereka dimensi diberikan dalam Tabel 6.3. Kita dapat membaca dari

faktor konversi untuk yang m3 dimensi / s dari baris pertama dari tabel ini:

Tingkat aliran volumetrik berkaitan dengan diameter pipa dan kecepatan dari fluida yang mengalir

melalui itu. Gambar 6.18 menggambarkan silinder unsur cairan yang memiliki luas penampang A dan

panjang x karena melalui pipa. Dalam waktu interval At, volume cairan yang mengalir melewati

penampang setiap pipa diberikan oleh . Karena kecepatan rata-rata fluida di pipa

tingkat aliran volumetrik juga diberikan oleh:


11

Ketika aliran adalah laminar, kecepatan rata-rata cairan dan maksimal kecepatan dalam Persamaan

(6.8) terkait dengan:

seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.17 (b). Dalam menghitung bilangan Reynolds untuk cairan

aliran dalam pipa, rata-rata kecepatan vavg dan pipa yang berdiameter d harus digunakan dalam

Persamaan (6.6).

Menggabungkan Persamaan (6.8), (6.10), dan (6.11), volumetrik aliran tingkat di pipa untuk stabil,

mampat, laminar yaitu :

Ini disebut hukum Poiseuille, dan seperti Persamaan (6.7), (6.8), dan (6.11), maka terbatas kondisi

laminar . Yang diukur dengan volume, laju fluida karena dalam pipa tumbuh dengan kekuatan keempat

diameternya, langsung sebanding dengan penurunan tekanan, dan berbanding terbalik dengan

panjang pipa itu. Hukum Poiseuille dapat digunakan untuk menentukan tingkat aliran volumetrik ketika

panjang, diameter, dan penurunan tekanan pipa itu diketahui; untuk Penurunan tekanan; atau untuk

menentukan diameter pipa yang diperlukan untuk saat q, L, dan D p diberikan.

Pada Gambar 6.19, luas penampang pipa menurun antara bagian 1 dan 2. Untuk volume yang sama

dari cairan dari penyempitan per satuan waktu sebagai aliran ke dalamnya, kecepatan cairan yang

dalam bagian 2 harus lebih tinggi. Dengan menerapkan Persamaan (6.10), kecepatan rata-rata dari

fluida yang karena perubahan cairan menurut persamaan:


12

Jika luas penampang pipa, selang, atau saluran menjadi lebih kecil, fluida mengalir lebih cepat, dan

sebaliknya. Anda mungkin telah bereksperimen dengan volumetric Tingkat aliran tanpa disadari ketika

Anda menempatkan tangan Anda di akhir selang taman yang menyebabkan air untuk menyemprot

jauh.

6 . 6 D R A G F O R C E

Perilaku umum pergerakan fluida dan gerakan benda-benda melalui mereka didefinisikan pada

lapangan dari teknik mesin yang dikenal sebagai dinamika fluida.

Untuk nilai-nilai bilangan Reynolds yang dapat mencakup baik laminar atau turbulent, besarnya gaya

drag ditentukan oleh persamaan:

Secara umum, besarnya gaya drag meningkat dengan daerah yang impinges pada fluida. Hambatan

kekuatan juga meningkat dengan densitas fluida (misalnya, udara terhadap air), dan tumbuh dengan

kuadrat kecepatan.

Persamaan (6.14) berlaku untuk objek apapun, terlepas apakah aliran fluida adalah laminar atau

turbulen, asalkan ada yang tahu nilai numerik untuk efisien drag:


13

Ketika dikombinasikan dengan Gambar 6.22, Persamaan (6.14) dapat digunakan untuk menghitung

gaya drag yang bekerja pada bola.

Hasil ini ditampilkan sebagai garis putus-putus dalam representasi logaritmik dari

Gambar 6.22. Anda dapat melihat bahwa hasil dari Persamaan (6.15) setuju dengan CD kurva yang

lebih umum hanya bila bilangan Reynolds kurang dari satu. Substitusi Persamaan (6.15) ke dalam

persamaan (6.14) memberikan kecepatan rendah pendekatan untuk gaya drag bola dunia


14

Percobaan menunjukkan bahwa Persamaan (6.16) mulai meremehkan gaya drag sebagai bilangan

Reynolds. Karena dasar karakter pola aliran suatu fluida yang berubah dari laminar menjadi turbulen

dengan Re (Gambar 6.14), Persamaan (6.15) dan (6.16) hanya berlaku ketika Re adalah

kurang dari satu dan aliran fluida adalah laminar salah lagi. Ketika orang-persamaan digunakan dalam

perhitungan apapun, Anda harus yakin untuk memverifikasi bahwa kondisi Re, 1 terpenuhi.

Serupa dengan menyeret, gaya angkat juga diproduksi oleh gerakan relatif antara benda padat dan

fluida. Sementara gaya drag bertindak secara paralel untuk arah dari aliran cairan itu , tindakan gaya

angkat di tegak lurus itu.

Misalnya, dalam konteks pesawat ditunjukkan pada Gambar 6.26, yang berkecepatan tinggi aliran

udara sekitar sayap menghasilkan gaya angkat FL vertikal yang menyeimbangkan pesawat itu. Gaya

angkat penting tidak hanya untuk sayap pesawat dan permukaan kontrol fl ight lainnya, tetapi juga

untuk desain baling-baling, kompresor, dan turbin pisau; hydrofoils kapal; dan tubuh kontur mobil

komersial dan balap.


15

Bidang teknik mesin yang meliputi interaksi antara struktur dan udara karena di sekitar mereka disebut

aerodinamis.


16

Insinyur mekanik sering menggunakan terowongan angin, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.27,

untuk melakukan percobaan untuk memahami dan mengukur kekuatan dihasilkan ketika udara

mengalir di sekitar benda padat.

Terowongan angin mengaktifkan insinyur untuk mengoptimalkan kinerja pesawat, pesawat ruang

angkasa, rudal, dan roket pada kecepatan yang berbeda dan kondisi ight fl. Dalam tes tersebut, model

skala objek dibuat dan melekat pada fi xture khusus untuk mengukur drag dan pasukan angkat

dikembangkan oleh aliran udara (Gambar 1.13). Angin terowongan dengan Kecepatan rendah bahkan

diterapkan dalam bidang olahraga Olimpiade untuk membantu jumper ski meningkatkan bentuk, dan

membantu insinyur mendesain sepeda, helm bersepeda, dan pakaian olahraga yang memiliki

meningkatkan kinerja aerodinamis.


17


18

Selain kecepatan, besarnya gaya angkat yang dihasilkan oleh sayap pesawat (lebih umum dikenal

sebagai airfoil) tergantung pada bentuk dan memiringkan relatif terhadap aliran udara (Gambar 6.29).

Bahkan, airfoil dirancang untuk mengambil keuntungan dari trade-off antara tekanan, kecepatan, dan

ketinggian karena cairan, hasil yang dikaitkan dengan matematikawan abad kedelapan belas dan

fisikawan Daniel Bernoulli. Ini Prinsip ini didasarkan pada asumsi bahwa tidak ada energi yang hilang

karena viskositas fluida, tidak ada pekerjaan dilakukan pada fluida, dan tidak panas Transfer terjadi.

Bersama-sama, karena cairan sebagai sistem energi konservatif, dan persamaan Bernoulli menjadi:

Dalam cara yang mirip dengan perlakuan kita terhadap gaya drag pada persamaan (6.14),

gaya angkat yang diciptakan oleh akting fluida pada airfoil:

Gambar 6.32 menggambarkan ketergantungan CL pada angle of attack untuk jenis airfoil yang bisa

digunakan dalam pesawat bermesin tunggal yang kecil. Sayap pesawat umumnya memiliki beberapa

Jumlah camber yang tengah airfoil adalah melengkung sedikit dengan

Bentuk bawah cekung. Dengan cara ini, airfoil mampu mengembangkan berhingga

mengangkat efisien bahkan dengan nol angle of attack.

Ringkasan_Teknik_Fluida.pdf

Documents

Transcript of Ringkasan_Teknik_Fluida.pdf