Teori Fluida Internal Flow Internal Flow adalah aliran fluida yang

Teori Fluida
1. Internal Flow
Internal Flow adalah aliran fluida yang dibatasi oleh permukaan benda atau cassing. Oleh karena
itu lapisan batas tidak dapat berkembang tanpa dibatasi oleh permukaan. Seperti yang kita
ketahui, permukaan benda bermacam-macam, ada yang berbentuk kotak, bulat, segitiga, ataupun
tidak teratur. Dengan begitu, akan terdapat lekukan-lekukan benda yang dapat menghambat
aliran fluida. Contoh yang paling mudah adalah aliran fluida dalam pipa. Aliran fluida tersebut
dibatasi oleh permukaan atau cassing pipa, oleh karen itu aliran fluida dalam pipa
disebut Internal Flow.
1.1.Aliran Turbulen dan Laminar
Aliran laminar adalah aliran dengan fluida yang bergerak dalam lapisan – lapisan, atau
lamina – lamina dengan satu lapisan meluncur secara lancar dimana arah dari laju aliran
pada setiap titik tetap konstan. Sedangkan aliran turbulen adalah aliran dimana
pergerakan dari partikel – partikel fluida sangat tidak menentu karena mengalami
percampuran serta putaran partikel antar lapisan, yang mengakibatkan saling tukar
momentum dari satu bagian fluida kebagian fluida yang lain dalam skala yang besar.
Dalam keadaan aliran turbulen maka turbulensi yang terjadi membangkitkan tegangan
geser yang merata diseluruh fluida sehingga menghasilkan kerugian – kerugian aliran.
Melalui metode analitik, suatu aliran dapat dikatakan laminar dengan bilangan Reynold.
Bilangan Reynold dirumuskan dalam persamaan berikut:
VD
Re 

Dimana Re adalah bilangan Reynold,  adalah massa jenis fluida, V adalah kecepatan
rata-rata fluida, D adalah diameter dalam pipa, dan  adalah viskositas fluida.
Bila bilangan Reynoldnya kurang dari 2100, bila bilangan Reynoldnya lebih dari 4000,
maka aliran dapat dinyatakan sebagai aliran turbulen, sedangkan bila bilangan
Reynoldnya berada diantara kedua batas, maka aliran tersebut adalah aliran transien.
Untuk gambaran aliran laminar, turbulen, dan transien dapat dilihat pada gambar berikut:
Gambar 1(a) Eksperimen untuk mengilustrasikan laju aliran (b) aliran tinta dalam pipa
1.2.Fully Developed Flow dan Developing Flow
Gambar 2 Enterance region, developing flow, dan fully developed flow pada sistem pipo
2. External Flow
External flow adalah aliran fluida yang tidak dibatasi oleh permukaan benda, namun
seakan-akan permukaan benda lah yang dibatasi oleh aliran fluida tersebut. Dengan tidak
dibatasi tersebut, aliran fluida dapat bergerak lurus tanpa terhalangi oleh permukaan benda.
Hal ini berkebalikan dengan yang terjadi pada Internal Flow yang sudah dijelaskan di atas.
Contoh dari External Flow adalah gerakan fluida melewati airfoil, mobil balap, badan
pesawat, badan kapal, dan turbin.
2.1.
Airfoil adalah suatu bentuk bodi aerodinamika sederhana yang bergguna untuk
dapat memberikan gaya angkat tertentu terhadap suatu bodi lainnya dan dengan bantuan
penyelesaian matematis sangat memungkinkan untuk memprediksi berapa besarnya gaya
angkat yang dihasilkan oleh bodi airfoil (yudiansyah, 2003)
Menurut National Advisory Committee for Aeronautis (NACA), airfoil dalam bahasa
ingrris adalah suatu bentuk sayap atau pisau (dari baling-baling, rotor, atau turbin). Salah
satu bidang yang dikembangkan NACA adalah bentuk-bentuk dari airfoil.
Gambar 3 Geometri pada NACA
Gambar 1. Geometri pada NACA
Gambar 4 Nomenklatur Airfoil
Gambar 2. Nomenklatur Airfoil
Berdasarkan standar data NACA, airfoil tersebut mempunyai data-data teknis tiap
bentuknya seperti terlihat pada Gambar 2. Dengan pengertian variabel geometris airfoil
sebagai berikut :
- Leading Edge (LE) adalah ujung depan dari airfoil
- Trailing Edge (TE) adalah ujung belakang airfoil
- Chord (c) adalah jarak antara leading edge dengan trailing edge
- Chord line adalah garis lurus yang menghubungkan leading edge dengan trailing
edge
- Chamber line adalah garis yang mmebagi sama besar antara permukaan atas dan
permukaan bawah dari airfoil
- Maksimum Chamber adalah jarak maksimum antara mean chamber line dan
chord line. Posisi maksimum chamber diukur dari leading edge dalam bentuk
presentase chord
- Maksimum Thickness adalah jarak maksimum antara permukaan atas dan
permukaan bawah airfoil yang juga diukur tegak lurus terhadap chord line.
Untuk Airfoil NACA, telah dikeluarkan standar data beserta karakteristik
aerodinamikanya yang dinyatakan dalam betuk serial number yang terdiri dari 4
digit angka, yang mana setiap angkanya memiliki arti sebagai berikut
- Angka pertama menunjukkan harga maksimum chamber dalam prosentase
terhadap chord
- Angka kedua menunjukkan lokasi dari maksimum chamber dalam persepuluh
chord
- Dua angka terakhir menunjukkan maksimum thickness dalam presentasi chord.
Gambar 5 Bentuk NACA airfoil
Gambar 3. Bentuk NACA airfoil
Sebagai contoh, berdasarkan bentuk serial number dari NACA tersebut,maka untuk airfoil
simetris, dua angka pertama adalah sama dengan nol, karena bentuk dari airfoil simetris tersebut
tidak memiliki chamber, dalam artian harga nya selalu nol.
Desain bentuk airfoil akan dapat memprediksi besarnya gaya momen dan distribusi tekanan
pada permukaan airfoil. Bentuk distribusi tekanan ini dapat menunjukkan asal-usul kerugian dari
kondisi Kutta dan juga sirkulasi dari airfoil yang berupa isapan dari leading edge (leading edge
suction) tersebut.
Beberapa aplikasi yang menggunakan airfoil adah sebagai berikut :
Gambar 6 Sayap Pesawat
Gambar 4. Sayap Pesawat
Gambar 7 Turbin
Gambar 5. Turbin
2.2.Gaya-gaya pada Airfoil
Seperti halnya pada aliran internal, pada aliran external juga didapati beberapa gaya pada
benda, dalam hal ini airfoil sebagai konsekuensi dari aliran fluida yang melewati airfoil
tersebut. Adapun gaya-gaya yang pada umumnya terjadi pada airfoil adalah:
Gambar 8 Gaya-gaya pada Airfoil
Gambar 9 Gaya lift dan drag
2.2.1. Drag
Gaya drag adalah gaya hambat secara umum dibagi menjadi dua berdasarkan
penyebabnya yaitu friction drag dan pressure drag.
a. Friction Drag
Friction Drag adalah gaya hambat yang timbul karena adanya pergesekan fluida
dengan permukaan benda (shear stress). Jenis drag ini akan dipengaruhi oleh luas
daerah yang dilewati oleh aliran udara. Kehalusan permukaan juga berpengaruh
pada Friction drag.
b. Pressure Drag
Pressure drag adalah gaya hambat yang diakibatkan sehubungan dengan tekanan
yang dialami oleh beda. Pressure Drag sering dikatakan sebagai form drag karena
ketergantungannya terhadap bentuk dari objek (airfoil) tersebut. Pressure drag
adalah fungsi dari besarnya tekanan yang dialami dan kemiringan dari elemen
permukaan pada gaya tekan bekerja. Untuk analisis yang lebih sederhana, dapat
digunakan nilai koefisien drag untuk menentukan pendekatan gaya hambat
dengan koefisien tak berdimensi Drag coefficient:
2.2.2. Lift
Lift atau gaya angkat adalah gaya pada airfoil akibat perbedaan laju aliran di sisi
bawah dan atas airfoil yang mengakibatkan perbedaan tekanan antara sisi atas dan
bawah airfoil sehingga menciptakan gaya angkat. Untuk analisis yang lebih
sederhana, dapat digunakan nilai koefisien drag untuk menentukan pendekatan gaya
angkat dengan koefisien tak berdimensi lift coefficient:
2.3. Aplikasi External Flow
Dalam kehidupan sehari-hari, salah satu manfaat analisis external flow digunakan untuk
memprediksi dan melakukan simulasi terhadap alat-alat transportasi seperti pesawat,
mobil, kapal, dan kereta.
Gambar 10 Simulasi airfoil dengan metode CFD
Gambar 11 Contoh Aplikasi Industri