Post on 26-Oct-2015
description
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
°=
=
+°=°
+°=°+°=
°
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
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=
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).
POLA ALIRAN (Flow Patterns) : Streamlines
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
POLA ALIRAN (Flow Patterns) : Streamlines
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.
POLA ALIRAN (Flow Patterns) : Streamlines
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
19
VISKOSITASVISKOSITAS
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
VISKOSITASVISKOSITAS
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..