Bagian 1 Karakteristik Fluida

1

BabBab I I BesaranBesaran dandan KarakteristikKarakteristik FluidaFluida

SuprijantoSuprijanto

Definition of a FluidDefinition of a Fluid

When a shear stress is applied:When a shear stress is applied:•• Fluids continuously deform under shear stressFluids continuously deform under shear stress•• Solids deform or bendSolids deform or bend

2

Dimensions and UnitsDimensions and UnitsHistory : NASA Mars pathfinder crashed

-JPL engineer = meter

-Supplying Engineers = feet

Systems of UnitsSystems of Units•• MLtTMLtT

–– SI (kg, m, s, K)SI (kg, m, s, K)•• FLtTFLtT

–– British Gravitational (British Gravitational (lbflbf, ft, s, , ft, s, ooRR))•• FMLtTFMLtT

–– English Engineering (English Engineering (lbflbf, , lbmlbm, ft, s, , ft, s, ooRR))

Preferred Systems of UnitsPreferred Systems of Units•• SI (kg, m, s, K)SI (kg, m, s, K)

Dimensions and UnitsDimensions and Units

British Gravitational (lbf, ft, s, oR)

3

KARAKTERISTIK FLUIDAKARAKTERISTIK FLUIDA

TemperaturTemperaturTekananTekananDensityDensitySpecific GravitySpecific GravityViskositasViskositas

UNIT PENGUKURAN UNIT PENGUKURAN

–– SatuanSatuan SI : Kelvin (K) SI : Kelvin (K) dandan CelciusCelcius ((ooCC) )

–– SatuanSatuan British : British : RankineRankine ((ooRR) ) dandanFahrenheit (Fahrenheit (ooFF). ). SatuanSatuan lain : lain : ReamurReamur

–– PadaPada umumnyaumumnya kalkulasikalkulasi daridari aliranaliran gas gas menggunakanmenggunakan temperaturtemperatur absolutabsolut dalamdalampersamannyapersamannya (K)(K)

–– DiperlukanDiperlukan konversikonversi daridari satuansatuan lain lain kekeKelvin (Kelvin (temperaturtemperatur mutlakmutlak))

Persamaan antarasatuan temperatur :

( )

8.1)(

)(8.18.132

67.45915.273

RK

KR

FC

FRCK

°=

=

+°=°

+°=°+°=

°

4

UNIT PENGUKURAN : TEMPERATURUNIT PENGUKURAN : TEMPERATUR

5

TEMPERATURTEMPERATUR

ContohContoh•• JikaJika temperaturtemperatur fluidafluida padapada keadaankeadaan normal normal adalahadalah

2727oC, C, makamaka nilainilai temperaturtemperatur tersebuttersebut dalamdalam skalaskala Kelvin, Kelvin, Fahrenheit Fahrenheit dandan ReamurReamur dapatdapat dihitungdihitung sebagaisebagai berikutberikut::

–– Kelvin = Kelvin = oCC + 272 = 27+272 =299K+ 272 = 27+272 =299K

–– Fahrenheit = (1.8Fahrenheit = (1.8oC) + 32 = 80,6C) + 32 = 80,6oFF

–– ReamurReamur = 0.8= 0.8o C = 0.8 x 27 =21,6C = 0.8 x 27 =21,6oRR

TEKANANTEKANAN

–– DefinisiDefinisi : Gaya : Gaya dibagidibagi luasluas area, area, gayagaya terdistribusiterdistribusi secarasecarameratamerata

–– SatuanSatuan SI : Pascal (Pa, SI : Pascal (Pa, KPa,MPaKPa,MPa) ) –– SatuanSatuan British: lb/inBritish: lb/in2 2 gage(psiggage(psig), ), dandan lb/inlb/in2 2 absolutabsolut ((psiapsia))

–– JenisJenis--jenisjenis tekanantekanan ::TekananTekanan gagegage ((relatifrelatif terhadapterhadap tekanantekanan atmosfiratmosfir) ) TekananTekanan vakumvakum ((padapada kondisikondisi hampahampa udaraudara))TekananTekanan diferensialdiferensial

6

TEKANANTEKANAN

7

TEKANANTEKANAN

ContohContoh

•• JikaJika tekanantekanan yang yang terukurterukur padapada suatusuatu aliranaliran fluidafluida adalahadalah 20 20 psi psi daridari tekanantekanan atmosferatmosfer, , makamaka tekanantekanan tersebuttersebut dalamdalam psig psig dandan psiapsia adalahadalah: :

20 psi (20 psi (relatifrelatif terhadapterhadap tekanantekanan atmosferatmosfer) = 20 ) = 20 psiapsia20 psi = 20 20 psi = 20 psiapsia = (20 + 14,7)psig = 34,7 psig= (20 + 14,7)psig = 34,7 psig

DENSITASDENSITAS

–– DefinisiDefinisi : : massamassa fluidafluida per unit volumeper unit volume

–– Density Density bervariasibervariasi dengandengan temperaturtemperatur dandan tekanantekanan•• PengaruhPengaruh temperaturtemperatur lebihlebih tinggitinggi dibandingkandibandingkan tekanantekanan•• TemperaturTemperatur naiknaik volume volume naiknaik density density turunturun ((fluidafluida))

••DensitasDensitas ((ρρ) ) –– massamassa jenisjenis bahanbahan ((ρρ) = ) = massamassa per per satuansatuan volumevolume–– massamassa jenisjenis air air padapada 00°°C C dandan tekanantekanan 1 1 atmatm = 1 gr/cm= 1 gr/cm33 = 62,42 = 62,42

lbm/ftlbm/ft3 3 = 10= 1033 kg/mkg/m33

–– DensitasDensitas cairancairan berubahberubah terhadapterhadap temperaturtemperatur, , tetapitetapi tidaktidakterpengaruhterpengaruh padapada tekanantekanan ((kecualikecuali untukuntuk tekanantekanan tinggitinggi > 10> 1033 psi). psi). CairanCairan adalahadalah incompressibleincompressible

–– DensityDensity gas/gas/uapuap sangatsangat dipengaruhidipengaruhi oleholeh temperaturtemperatur dandan tekanantekanan

νρ /m=

8

DENSITASDENSITAS

9

DENSITASDENSITAS

–– Specific volumeSpecific volume•• Specific volume = Specific volume = VolumeVolume / Massa/ Massa•• British = ftBritish = ft33/lb, SI = m/lb, SI = m33/kg/kg

–– Specific gravitySpecific gravity•• UntukUntuk fluidafluida : : rasiorasio daridari density density fluidafluida padapada spesifikspesifik

temperaturtemperatur dengandengan densitydensity air air padapada spesifikspesifik temperaturtemperatur

VISKOSITASVISKOSITAS

–– ViskositasViskositas adalahadalah adalahadalah resistansiresistansi internal internal daridari fluidafluidauntukuntuk mengalirmengalir

–– ViskositasViskositas sangatsangat tergantungtergantung padapada temperaturtemperatur–– ViskositasViskositas dibedakandibedakan berdasarkanberdasarkan caracara pengukuranpengukuran ::

•• ViskositasViskositas absolut(dynamicabsolut(dynamic))•• ViskositasViskositas kinematikkinematik

–– SatuanSatuan•• SI : PaSI : Pa--sec =(msec =(m2/sec)(density /sec)(density dlmdlm kg/kg/ltlt))•• British : lb/ftBritish : lb/ft--sec = 0.000672(cP)sec = 0.000672(cP)•• centistokes (centistokes (cStcSt) = ft) = ft2/sec /sec •• cPcP = (= (cSt)(densitycSt)(density dlmdlm kg/kg/ltlt))

10

Chapter 2Fundamental Concepts

Fluid as a Continuum : -properties vary smoothly (define value at every point in space) from point to point-Density, temperature, velocity continous functions of position and time

Fluid as a Continuum

Scalar Function

11

Velocity Field

If we define a fluid particle as a small mass of fluid then the velocity at points C is define as the instantaneous velocity of

the fluid particle

Velocity Field

12

Velocity Field

POLA ALIRAN (Flow Patterns) : Streamlines, streaklines, and pathlines

Pola aliran dari suatu fluida dapat divisualisasikan dengan banyakcara.

Ada 4 cara yang biasa dipakai untuk menpresentasikan suatualiran yaitu

•streamlines•streak lines•path lines •timelines

13

POLA ALIRAN (Flow Patterns) : Streamlines

Streamlines adalah garis yang merupakan tangen dari vektorkecepatan pada setiap titik dari suatu aliran (sesaat).


Streamlines dapat kita nyatakan dengan persamaan berikut

Di mana u,v,w adalah fungsi dari posisi dan waktu. Dengan mengintegralkan persamaan (*) dapat diperoleh streamline yang

melalui (x0, y0, z0, t0).

Cukup sulit untuk mengintegrasikan persamaan tersebut.

14


Ada cara lain untuk menyelesaikannya yaitu dengan menggunakan parameter ds yang sama dengan perbandingan

pada persamaan sebelumnya.

Dengan mengintegrasikan persamaan (2) terhadap s, tanpa menghilangkan konstanta waktu, dengan kondisi awal

(x0, y0, z0, t0) pada s=0.


Streamlines dapat kita nyatakan dengan persamaan berikut

Di mana u,v,w adalah fungsi dari posisi dan waktu. Dengan mengintegralkan persamaan (*) dapat diperoleh streamline yang

melalui (x0, y0, z0, t0).

Cukup sulit untuk mengintegrasikan persamaan tersebut.

15

Pathlines

Pathline didefinisikan sebagai integral dari hubungan kecepatan dan posisi berikut

Lalu integrasikan persamaan terhadap t dengan menggunakan kondisi (x0, y0, z0, t0). Setelah itu kita eliminasi t. akhirnya kita akan mendapatkan fungsi pathline .

Pathline merupakan jalur yang dilalui oleh sebuah partikel fluida pada waktu tertentu seperti terlihat pada gambar.

Pathlines

16

Streamline and path-line Examples: see on the book pp.22

Given field : jAyiAxVwvv

−=

A=0.3 s-1 x dan y dalam meter

17

Forces in Fluid

Surface forces : a fluid particle lead to stresses

Stress Field

x

z

0Axz

x

y

0Axy

x

x

0Axx

AFlim

AF

lim

AFlim

x

x

x

∂∂

=τ

∂

∂=τ

∂∂

=σ

>−δ

>−δ

>−δ

18



19


FLUIDA NEWTONIANFLUIDA NEWTONIAN

ViskositasViskositas absolut(dynamicabsolut(dynamic))

FLUIDA NEWTONIAN FLUIDA NEWTONIAN

MempunyaiMempunyai rasiorasio tetap/tertentutetap/tertentu antaraantara shear stress shear stress dengandengan shear rateshear rate

UntukUntuk setiapsetiap temperaturtemperatur terdapatterdapat nilainilai viskositasviskositas tertentutertentu yang yang samasama untukuntuksetiapsetiap shear rateshear rate

ResistansiResistansi terhadapterhadap shear linear shear linear dandan menujumenuju nolnol propertiproperti fisikfisik==viskositasviskositas((μ)μ)

ViskositasViskositas = = viskositasviskositas absolutabsolut ((μμ) , ) , satuansatuan = poise= poise

ViskositasViskositas kinematikkinematik = = viskositasviskositas absolutabsolut /density (/density (satuansatuan = stokes)= stokes)

IndeksIndeks viskositasviskositas = = perubahanperubahan viskositasviskositas terhadapterhadap temperaturtemperatur

)kg/m(cP)()cS(

3ρμ

=v

20


FLUIDA NON NEWTONIANFLUIDA NON NEWTONIAN

PadaPada cairancairan : : kenaikankenaikan temperaturtemperatur penurunanpenurunan viskositasviskositas

PadaPada gas : gas : kenaikankenaikan temperaturtemperatur kenaikankenaikan viskositasviskositas kinematikkinematik

FluidaFluida viscoelasticviscoelastic : : ketikaketika tekanantekanan dihilangkandihilangkan, , makamaka bentuknyabentuknya tidaktidaklangsunglangsung kembalikembali padapada kondisikondisi saatsaat shear rate nol.shear rate nol.

MemilikiMemiliki nilainilai viskositasviskositas yang yang berbedaberbeda untukuntuk shear rate yang shear rate yang berbedaberbeda

FluidaFluida padapada umumnyaumumnya kentalkental dalamdalam bentukbentuk cairancairan, , contohcontoh : cat, pasta : cat, pasta gigigigi

HubunganHubungan antaraantara resistansiresistansi dandan shear shear tidaktidak linear linear menuju/tidakmenuju/tidak nolnol

FluidaFluida PowerPower--lawlaw : : ketikaketika hubunganhubungan antaraantara shear rate shear rate dandan deformasideformasirate rate tidaktidak linier. linier. TerbagiTerbagi atasatas: :

dilatantdilatant

pseudoplasticpseudoplastic

21

FLUIDA NON NEWTONIANFLUIDA NON NEWTONIAN

FluidaFluida Bingham PlasticBingham Plastic : : membutuhkanmembutuhkan nilainilai shear shear rate rate tertentutertentu sebelumsebelumdeformasideformasi

FluidaFluida ThixotropicThixotropic : : terjaditerjadi penurunanpenurunan apparentapparentviscosityviscosity terhadapterhadap waktuwaktu

FLUIDA NON NEWTONIANFLUIDA NON NEWTONIANFluidaFluida RheopecticRheopectic : : padapada suatusuatu batasbatas ((atasatas) ) terjaditerjadi kenaikankenaikan apparentapparentviskosityviskosity terhadapterhadap waktuwaktu

Apparent Apparent viskositasviskositas : : rasiorasio antaraantara shear stress shear stress terhadapterhadap shear rate shear rate padapadafluidafluida nonnon--newtoniannewtonianRasioRasio apparent apparent viskositasviskositasberubahberubah terhdapterhdaptekanantekanan, , untukuntuk yang yang timetime--dependent, dependent, makamakarasiorasio berubahberubah terhadapterhadapwaktuwaktu..

Documents

Bagian 1 Karakteristik Fluida