Comparison of Laminar or Turbulent Pressure Drop

Studi kasus dan Terjemahannya

(Ref. Fundamentals of fluid mechanics, Munson et. al., 6th ed., John Wiley & Sons)

Terjemahan

Diketahui Udara dalam kondisi standar mengalir melewati pipa berdiameter 4.0 mm dengan kecepatan rata-rata V=50m/s. Untuk kondisi seperti ini, normalnya terjadi aliran turbulen. Namun, jika dilakukan upaya pencegahan untuk menghilangkan gangguan terhadap aliran (jalan masuk menuju pipa sangat halus, udara yang ada merupakan udara yang jernih, pipa tidak mengalami getaran, dll) ada kemungkinan untuk tetap mempertahankan keadaan aliran laminar.

Ditanyakan

(a) Tentukan rugi tekanan pada bagian 0,1 m dalam pipa jika aliranyang mengalir aliran laminar.

(b) Ulangi perhitungan jika aliran yang mengalir adalah aliran turbulen

Artikel 1 hasil diskusi : Pengaruh Aliran Laminer dan Turbulen terhadap Pressure Drop pada Aliran Fluida

Konsep yang digunakan pada soal ini adalah pengaruh dari aliran laminer dan turbulen terhadap pressure drop. Aliran laminer merupakan aliran teratur yang mana setiap partikel fluidanya tidak terjadi gesekan sehingga tegangan yang ditimbulkan hanya diakibatkan oleh viskositasnya. Sedangkan aliran turbulen merupakan aliran yang tidak teratur yang mana setiap partikel fluidanya saling bergesekan sehingga tegangan yang terjadi pada aliran ini ditimbulkan selain oleh viskositasnya, diakibatkan juga akibat gesekan antar partikelnya. Pada fluida sendiri terdapat 3 jenis tekanan, yaitu:

Tekanan Statik => tekanan yang diberikan oleh partikel fluida saat dalam kondisi diam atau statis ke segala arah.

Tekanan Dinamis => tekanan yang diakibatkan oleh pergerakan dari partikel fluida yang dipengaruhi oleh kecepatan dari partikel fluida itu sendiri.

Tekanan Hydrostatik => tekanan yang diakibatkan dari ketinggian fluida dari fluida terhadap titik steady statenya.

Dari pernyataan-pernyataan di atas dapat kita simpulkan bahwa pressure drop pada aliran turbulen akan lebih besar dibandingkan dengan pada aliran laminer. Hal ini dapat kita lihat dari tegangan yang terjadi pada kedua aliran tersebut. Pada aliran laminer hanya terjadi tegangan viskos, sedangkan pada aliran turbulen terjadi tegangan viskos dan tegangan gesek partikel sehingga tegangan yang terjadi pada aliran turbulen akan lebih besar dibanding tegangan pada aliran laminer. Tegangan pada kedua aliran tersebut dapat menyebabkan penurunan kecepan dari partikelnya sehingga tekanan dinamis pada aliran fluidanya akan turun dam penurunan tekanan dinamis ini akan lebih besar terjadi pada aliran turbulen.

Aplikasi dari konsep ini adalah, dalam perancangan pemasangan pipa kita dapat merekayasa aliran dalan pipa tersebut dengan menurunkan tingkat turbulensinya sehingga pompa yang dibutuhkan dapat lebih murah.

Ahmad Mohammad Fahmi (1806181836)

Artikel 2 Perbandingan Pressure Drop pada Aliran Turbulen dan Laminar Dalam Distribusi Fluida Pada Sistem Pipa Melintang Panjang

Pada aliran laminar di soal nomor 4 dengan diameter pipa 25cm. kecepatan aliran adalah 3.84 x 10-4 m/s dan viskositas dinamik 7.87 x 〖10〗^(-3) m/s menghasilkan pressure drop sebesar 0.161 Pa. Akan tetapi pada dunia nyata kecepatan aliran tersebut sangat kecil, Jika kita asumsikan kecepatan aliran pada kehidupan sehari – hari adala 1 m/smaka bagaimana pressure dropnya.

Pertama harus dicari Reynold Number dahulu.

Dapat dilihat jika perbandingan reynold number sangat signifikan.

ReLaminar : Re Turbulen (Perbandingan Re soal nomor 4 dan nomor 6)

2400 : 304878.05 atau setara 1 : 127. 03

Maka Kita dapat menghitung pressure dropnya dengan cara:

Dilihat dari hasilnya pressure drop sangat tinggi sampai 13kPa. Biasanya dalam kehidupan sehari – hari untuk menyalurkanfluida tersebut sejauh 1 kilo meter dengan membutuhkan flow rate yang stabil maka pasti di antara 1 – 1000 m akan diberikan tambahan pompa untuk menjaga agar tekanan fluida tidak turun dengan besar sehingga fluida tetap bisa mengalir.

Dari perbandingan soal nomor 4 dan soal nomor 6 dapat disimpulkan hanya dengan memvariasi kecepatan aliran dari laminar menjadi turbulen, tekanan jatuhnya sangat berbeda jauh.

Gandes Satria Pratama

1906435492

= Artikel 3 hasil diskusi : Rugi-rugi Tekanan pada Laminer dan Turbulen

Sering disebutkan bahwa aliran laminer merupakan aliran fluida yang dianggap ideal. Sedangkan aliran turbulen adalah aliran non-ideal yang banyak ditemui di kehidupan sehari-hari.

Aliran laminer dianggap sebagai aliran fluida ideal, salah satu nya adalah karena pressure drop atau rugi-rugi tekanan yang terjadi pada aliran ini sangat kecil. Untuk suatu kondisi yang sama, rugi-rugi tekanan pada aliran turbulen dapat meningkat tajam jika dibandingkan dengan laminer.

Hal ini disebabkan karena adanya pengaruh dari friction force yang terjadi. Pada aliran turbulen, nilai friction force ini sangat besar disebabkan oleh karakteristik aliran tersebut yang cenderung acak. Semakin meningkatnya friction force, maka rugi-rugi tekanan yang didapatkan akan semakin besar.

Rugi-rugi tekanan pada aliran turbulen juga dapat disimpulkan sangat bergantung pada panjang dari pipa. Semakin panjang suatu pipa, maka daerah yang berkontak akan semakin tinggi, dengan demikian meningkatkan friction factor nya.

Perlu diperhatikan bahwa, friction factor untuk aliran Laminer dan Turbulen sangat berbeda. Untuk mendapatkan nilai friction factor laminer, parameter yang digunakan hanya Reynolds Number. Sedangkan, pada aliran turbulen, friction factor didapatkan dengan menggunakan formula Colebrook (yang merupakan representasi untuk bagian non-laminer Moody Chart) ataupun menggunakan formula Haaland.

Dengan penjelasan tersebut, pada kehidupan sehari-hari, sudah menjadi hal yang umum untuk membuat aliran mendekati kondisi laminer (sedekat yang dimungkinkan) salah satunya adalah untuk menekan terjadinya rugi-rugi tekanan yang terlalu tinggi.

-Elita Kabayeva, 1906435486-

Artikel 4 hasil diskusi : Pengaruh Jenis Aliran terhadap Pressure Drop

Pressure drop adalah penurunan tekanan yang terjadi akibat adanya gesekan pada fluida yang mengalir. Pressure drop akan menyebabkan panas, karena energi tekanan berubah menjadi panas. Pressure drop didapatkan dari selisih antar tekanan total inlet dan tekanan total outlet.

Pressure drop pada aliran turbulen akan lebih besar dibandingkan dengan aliran laminer. Hal itu disebabkan karena aliran laminer hanya ada tegangan viscous, sementara aliran turbulen ada tegangan viscous dan tegangan gesek antar partikel. Tegangan gesek ini akan menyebabkan penurunan kecepatan aliran, sehingga tekanan dinamisnya berkurang.

Pressure drop juga dipengaruhi oleh gravitasi, yaitu saat perubahan ketinggian pipa. Selain, pressure drop dipengaruhi oleh arah pipa dan katup. Sambungan pipa dengan arah yang berbeda dan katup akan menghasilkan gesekan dan menyebabkan pressure drop. Ukuran diameter pipa juga berpengaruh. Bila diameter pipa besar maka pressure drop kecil. Faktor tersebut selalu ada secara konstan. Ada faktor yang semakin memburuk seiring berjalannya umur pipa, yaitu kekasaran pipa dan korosi yang menyebabkan gesekan semakin besar.

Aplikasi dari konsep pressure drop adalah analisis aliran dalam pemasangan pipa. Dari analisis tersebut kita dapat memprediksi pressure drop aliran, sehingga dapat dilakukan pemilihan bentuk dan material pipa yang paling efektif untuk aliran tersebut sehingga lebih hemat untuk jangka waktu yang panjang dan meminimalisir kerusakan pipa karena aliran turbulen.

Raditya Aryaputra Adityawarman (1806181691)

Artikel 05 hasil diskusi : Penerapan Segmented Baffles pada pressure drop

Pada penerapan Segmented Baffles dalam penurunan tekanan pipa secara signifikan meningkat dibandingkan dengan pipa lurus. Tekanan dinamis meningkat seiring dengan meningkatnya bilangan Reynolds tetapi jika dibandingkan dengan tekanan dinamis pipa lurus lebih signifikan pada baffle. Koefisien gesekan kulit meningkat dengan meningkatnya jumlah Reynolds dan gesekan kulit lebih penting pada pipa yang membingungkan. Dalam aliran laminar kehadiran baffle menciptakan turbulensi. Pada peningkatan bilangan Reynolds intensitas turbulen meningkat secara linear. Mempertimbangkan suhu mempengaruhi baffle memberikan keuntungan dalam meningkatkan kinerja termo-hidrodinamik. Tegangan geser dinding secara drastis meningkatkan kebingungan saat jumlah Reynolds meningkat. Karena adanya turbulensi dalam faktor gesekan pipa meningkat secara linear seiring dengan jumlah Reynolds. Mengintegrasikan permukaan yang diperluas dalam pipa dan saluran meningkatkan karakteristik perpindahan panas seiring dengan meningkatnya faktor gesekan. Oleh karena itu, banyak digunakan dalam desain penukar panas.

Oleh : Hans Thiery T (1806233341)

Artikel 06 hasil diskusi : Pengaruh Kekasaran Dinding Aliran pada Aliran Turbulen dan Laminer

Pada dasarnya pressure drop adalah penurunan tekanan yang terjadi karena adanya gesekan fluida dengan dinding fluida. Pada aliran laminer pressure drop yang terjadi berhubungan dengan kekasaran pipa, sedangkan pada aliran turbulen, pressure drop erat kaitannya dengan viskos sub-layer. Viskos sub-layer adalah lapisan tipis dekat dinding fuida dengan turbulensi minimal yang nantinya energi turbulen itu berubah menjadi energi panas. Sifat dan struktur dari viskos sub-layer tersebut dipengaruhi oleh kekasaran pipa. Dengan demikian pressure drop pada aliran turbulen juga dipengaruhi oleh kekasaran dari pipa tersebut. Pada aliran laminer tidak ada viskos sub-layer dikarenakan efek viskos tersebut terjadi sepanjang aliran sehingga menutupi fluktuasi turbulen.

Oleh : Ikhsanul Fikri Fakhrurrozi (1906435510)

Artikel 07 hasil diskusi : Pendekatan Analisis Dimensional terhadap Penurunan Tekanan pada Aliran Turbulen

Example 8.5 membahas mengenai perbandingan pressure drop pada aliran laminar dengan aliran turbulen. Pada kasus tersebut, aliran terjadi merupakan aliran turbulen. Pada kasus sebelumnya, digunakan pendekatan dengan Hukum II Newton untuk menganalisis aliran laminar fluida. Namun, jika pendekatan ini diterapkan pada aliran turbulen, perhitungan menjadi sangat sulit, bahkan tidak mungkin. Maka untuk menganalisis aliran turbulen, dapat digunakan Analisis Dimensional (Dimensional Analysis). Dengan pendekatan analisis dimensional, kita dapat mengukur perubahan tekanan pada aliran fluida dalam sebuah pipa, baik itu aliran laminar ataupun aliran turbulen. Perhitungan dengan menggunakan analisis dimensional bergantung dengnan friction factor atau faktor friksi, dinotasikan dengan f, yaitu sebuah konstanta yang dependen pada bilangan Reynold dan/atau kekasaran relatif (relative roughness). Untuk aliran laminar, nilai f adalah 64/Re, independen terhadap kekasaran relatif. Sedangkan untuk aliran turbulen, nilai f tidak dapat dihitung secara teoritis, namun dengan menggunakan tabel yaitu moody chart, yaitu tabel yang menunjukkan nilai f berdasarkan bilangan Reynolds dan kekasaran relatif. Nilai dari tabel ini didapat melalui hasil eksperimen, bukan melalui perhitungan teoritis. Selain Moody Chart, metode alternative untuk mendapatkan nilai f adalah dengan menggunakan Colebrook Formula. Selain itu, untuk aliran turbulen pada pipa halus dengan bilangan Reynolds dibawah 100 000, dapat digunakan Blasius Formula untuk memperoleh nilai f.

Oleh: Edward Joshua Patrianus Mendrofa (1806233354)

Artikel 8 hasil diskusi: Pengaruh Aliran Laminar dan Turbulen terhadap Pressure Drop pada Aliran Fluida

Aliran laminer merupakan aliran teratur yang mana setiap partikel fluidanya tidak terjadi gesekan sehingga tegangan yang ditimbulkan hanya diakibatkan oleh viskositasnya. Sedangkan aliran turbulen merupakan aliran yang tidak teratur yang mana setiap partikel fluidanya saling bergesekan sehingga tegangan yang terjadi pada aliran ini ditimbulkan selain oleh viskositasnya, diakibatkan juga akibat gesekan antar partikelnya. Pada fluida sendiri terdapat 3 jenis tekananyang sudah dibahas di soal no 4.

Pressure drop pada aliran turbulen akan lebih besar dibandingkan dengan pada aliran laminer. Hal ini dapat kita lihat dari tegangan yang terjadi pada kedua aliran tersebut. Pada aliran laminer hanya terjadi tegangan viskos, sedangkan pada aliran turbulen terjadi tegangan viskos dan tegangan gesek partikel sehingga tegangan yang terjadi pada aliran turbulen akan lebih besar dibanding tegangan pada aliran laminer. Tegangan pada kedua aliran tersebut dapat menyebabkan penurunan kecepan dari partikelnya sehingga tekanan dinamis pada aliran fluidanya akan turun dam penurunan tekanan dinamis ini akan lebih besar terjadi pada aliran turbulen.

Oleh: Muhammad Fairuz Daffa (1806181716)

Artikel 9 :Penerapan Navier-Stokes pada Aliran Fluida Laminer Pipa Tidak Horizontal

Persamaan Navier-Stokes merupakan bentuk diferensial dari hukum kedua Newton tentang pergerakan dari suatu fluida. Persamaan ini menyatakan bahwa perubahan dalam momentum partikel fluida hanya bergantung pada gaya viskos internal dan gaya viskos tekanan eksternal /menjelaskan kesetimbangan gaya-gaya yang bekerja pada fluida .Persamaan Navier-Stokes memiliki banyak aplikasi yang berhubungan dengan mekanika fluida. Fluida diterapkan dalam meteorologi, hidrologi, oseanografi, dan penelitian medis pada pernapasan dan sirkulasi darah. Penerapan persamaan Navier-Stokes pada kasus aliran fluida laminer di pipa tidak horizontal. Jika alirannya tidak berkembang penuh, sehingga analisis teoretis menjadi jauh lebih kompleks. Untuk itu digunakan batasan-batasan yang tepat selama proses penyelesaian untuk memperoleh kecepatan rata-rata fluida, laju aliran volume fluida, serta laju aliran massa fluida. Persamaan Navier-Stokes diselesaikan secara teoritik. Analisis persamaan NavierStokes dalam persamaan diferensial untuk gerak fluida dibatasi pada, (1) aliran laminar yaitu gerak partikel atau distribusi fluida yang kecepatannya seragam, lurus, dan sejajar, (2) aliran tunak berkembang penuh yaitu kondisi dimana komponen aliran tidak berubah terhadap waktu, dan (3) inkompresibel (tak mampu-mampat) yaitu kondisi aliran dimana rapat massa fluidanya tidak berubah Persamaan Navier-Stokes diselesaikan untuk geometri tertentu dari aliran laminar berkembang penuh di dalam sebuah pipa bundar yang tidak horizontal. Gerakan umum dari sebuah fluida Newtonian tak mampu-mampat diatur oleh persamaan kontinuitas (kekekalan massa) dan persamaan momentum

Oleh : LAKSITA AJI SAFITRI (1906435523)

Artikel 10 hasil diskusi: Perbandingan Pressure Drop pada Aliran Laminar dan Turbulen

Pressure drop pada aliran turbulen lebih besar dibandingkan pada aliran laminar. Nilai pressure drop ini dikarenakan aliran turbulen memiliki tegangan gesek dan viscous, sementara pada aliran laminar hanya didominasi oleh tegangan viscous. Selain itu dipengaruhi juga oleh friction factornya, dimana pada aliran laminar menggunakan rumus yang dipengaruhi oleh Re saja dan pada aliran turbulen friction factor ditentukan berdasarkan formula ColeBrook

Oleh: Virsya Pramesti Salsabila - 1806181760

Artikel 11 hasil diskusi : Perbandingan Pressure Drop pada aliran laminar dan turbulent

Pressure drop ada kehilangannya tekanan yang diakibatkan adanya gesekan antar fluida dengan permukaan. Dimana pressure drop adalah perbedaan antar tekanan total di awal dengan tekanan total di akhir. Tekanan total ini adalah akumulasi dari tekanan statis dengan tekanan dinamis dan juga tekanan hidro statis. Pressure drop juga dipengaruhi oleh besar nya kecepatan pada aliran sehingga semakin besar kecepatan aliran maka pressure drop akan semakin besar. Hal ini berarti pressure drop pada aliran turbulent akan lebih besar daripada aliran laminar karena kecepatan pada lairan turbulen lebih besar dari aliran laminar. Hal ini sejalan dengan hasil perhitungan pada contoh soal diatas.

Oleh : Muhammad Bagir Alaydrus (1806233373)

Artikel 12 hasil diskusi : Diagram Moody

Diagram Moody

Grafik atau diagram diatas merupakan diagram Moody. Diagram ini menunjukkan jenis suatu aliran dengan membaca angka–angka yang telah diketahui. Diagram ini memudahkan analisis jenis-jenis aliran dalam pipa. Diagram ini menunjukkan bahwa di bagian kanan atas aliran turbulen dan bagian atas kiri adalah laminar. Cara membacanya adalah, pertama-tama untuk menentukan faktor gesekan, nilai kekasaran relatif dari pipa dapat dilihat di sebelah kanan. Kemudian cari Reynolds number di bagian bawah, tarik keatas sampai memotong, sebelah kiri akan didapatkan nilai faktor gesekan dan jenis aliran apakah turbulen ataukah laminar.

Oleh: Mizan Eryandhika Guntorozi - 1806181823

Pada soal nomor 6, yaitu Example 8.5. Soal ini menanyakan tenang pressure drop pada aliran laminar dan aliran turbulent. Konsep untuk soal ini bisa diawali dengan memahami apa itu pressure drop. Pressure drop merupakan hilangnya tekanan yang dikarenakan adanya gesekan fluida dengan permukaan. Tekananan pada fluida ada 3 jenis, yaitu tekanan statik, tekanan dinamis, dan tekanan hidrostatis yang merupakan tekanan total dari pressure drop itu sendiri. Lalu, pressure drop ini merupakan perbedaan antara tekanan total diawal dan total tekanan diakhir. Jika ditinjau dari jenis alirannya, dimana aliran laminar merupakan aliran yang lebih teratur dibandingkan dengan aliran turbulen maka pressure drop yang terjadi pada aliran turbulent akan cenderung lebih besar. Hal ini juga bisa dilihat dari friction force suatu aliran. Dimana pada aliran laminar friction force nya cenderung lebih kecil dibanding aliran turbulen. Selain itu, panjang suatu pipa juga dapat mengakibatkan meningkatnya friction force, dimana semakin tinggi friction force maka semakin besar juga pressure drop pada aliran tersebut. Aplikasi pada kasus ini adalah pada proses pemilihan pipa suatu fluida, untuk bisa mendapatkan hasil ataupun proses yang lebih efisien dan efektif lebih baik kita lebih mempertimbangkan pemilihan pipa dari ukuran dan jenis pipa tersebut.