KONSEP DASAR FLUIDA

Fluida atau zat alir : merupakan zat yang mengalami perubahan bentuk atau deformasi secara kontinu, akibat pengaruh stress geser (shear stress).

Fluida dapat dibagi atas :

- Zat cair

- Udara

Shear stress atau stress geser ada bila ada gerakan fluida. Fluida diam tidak mampu mempertahankan stress geser sehingga dia bergerak. Adanya stress geser bergantung pada sifat kekentalan fluida (viskositas fluida). Untuk fluida yang encer (tak kental) atau nonviscous, stress geser tidak ada.

Mengapa timbul stress geser?

Stress geser ada bila terdapat kecepatan relatif antar lapisan fluida dan batas (boundary).

Stress geser ada bila ada gradien kecepatan.

		V1>V2>V3>V4 Ada shear stress

Fluida terbagi dua :

1) Fluida ideal (fluida nonviscous atau inviscid/tak kental).

2) Fluida riil (fluida viscous).

Aliran fluida dapat diklasifikasikan sebagai: aliran yang laminer dan aliran yang turbulen.

Aliran laminer: aliran yang teratur, partikel fluida bergerak dengan lintasan yang paralel dengan batas yang rigid (kaku).

Aliran turbulen : aliran sangat tidak teratur, fluida bergerak secara random.

Biasanya aliran turbulen ini dinyatakan dalam kondisi aliran rata-rata (mean flow).

Perbedaan antara aliran fluida ideal dengan fluida riil diberikan oleh gambar berikut:

		Aliran fluida ideal		Aliran fluida laminer

Fluida : fluida ideal ----> aliran tak berotasi (irotasional)

Fluida riil -----> aliran laminer

------> aliran turbulen

Aliran fluida dapat juga diklasifikasikan sebagai :

a. Aliran steady ( tunak / tidak berubah terhadap waktu ).

b. Aliran non steady (berubah dengan waktu)

c. Aliran uniform

d. Aliran non uniform

e. Aliran subkritis

f. Aliran super kritis

g. Aliran kompresibel ( dapat dimampatkan )

h. Aliran inkompresibel ( tak termampakan )

a) Aliran steady

Adalah aliran yang tidak berubah dengan waktu. Untuk kasus aliran yang turbulen, harga rata-rata dari keceatan dan standar deviasinya tidak berubah dengan waktu. Secara umum kecepatan fluida dapat dinyatakan sebagai :

bila aliran tersebut steady maka :

Dalam kondisi yang tunak ini kecepatan fluida hanya berubah dalam ruang.

A’

Misalkan : kecepatan di A>B>C. Untuk aliran yang steady kecepatan di A, B, C dan di tempat-tempat lain tidak berubah dengan waktu. Kecepatan aliran hanya bervariasi dari tempat ke tempat ( dari A ke B ke C ).

B’

C’

Gambar : Aliran sungai

Kita bisa melihat perubahan kecepatan dalam arah y ( tegak lurus aliran ). Untuk aliran yang tunak, kecepatan di A', B', C' dan juga di tempat-tempat lain dalam arah y tidak berubah dengan waktu. Perbedaan hanya terjadi di dalam ruang ( dalam arah y ).

b) Aliran nonsteady : aliran yang berubah dengan waktu

diuraikan :

Perubahan kecepatan total terhadap waktu dari aliran non steady

bila aliran steady : ; Perubahan lokal dari kecepatan tidak ada (=0)

Aliran steady uniform

Kecepatan aliran tidak berubah terhadap waktu dan ruang.

Aliran steady nonuniform

Aliran yang kecepatannya berubah terhadap ruang, tapi konstan terhadap waktu.

Aliran nonsteady terbagi atas:

Ø Gelombang pendek permukaan (short surface wave).

Contoh gelombang laut yang ditimbulkan oleh angin (wind wave).

Ø Gelombang panjang permukaan (long surface wave)

Contoh pasang surut (pasut).

c) Aliran Uniform

Aliran dimana kecepatannya konstan, tidak dipercepat (= konstan).

d) Aliran Nonuniform

Aliran yang dipercepat atau diperlambat, gerak fluida mengalami percepatan atau perlambatan.

e) Aliran Homogen

Densitas fluida konstan dalam ruang dan waktu.

f) Aliran Nonhomogen

Terdapat variasi densitas akibat pengaruh suhu dan salinitas

g) Aliran sub kritis

Kecepatan aliran lebih kecil daripada kecepatan gelombang permukaan

h) Aliran Super Kritis

Kecepatan aliran lebih besar daripada kecepatan gelombang permukaan.

Ø Kriteria aliran subkritis dan superkritis dinyatakan dengan bilangan Fraude (Fr), didefinisikan :

V = kecepatan aliran

C = kecepatan gelombang permukaan = (m/detik)

h = kedalaman kanal.

Ø Bila :

Fr <1 ---------> aliran subkritis.

Fr >1 ----------> aliran superkritis.

i) Aliran Inkompresibel (aliran tak mampat)

Aliran inkompresibel adalah Aliran fluida yang tidak bisa dimampatkan.

Fluida yang tidak dapat dimampatkan disebut fluida inkompresible contohnya air.

Pada air perubahan total densitas dalam gerakan fluida kecil sekali sehingga dapat diabaikan.

= 0

= + u + v + w

­

perubahan lokal perubahan advektif dari densitas

dari densitas. (densitas berubah akibat Gerakan fluida)

j) Aliran kompresible

Aliran kompresibel adalah aliran fluida yang dapat dimampatkan.

Udara fluida yang kompresible.

Pada Fluida kompresible

¹ 0

Aliran fluida dapat juga kita klasifikasikan sebagai :

1. Aliran 1 dimensi (1 D) sungai

2. Aliran 2 dimensi (2 D) laut dangkal

3. Aliran 3 dimensi (3 D) laut dalam

ALIRAN 1 DIMENSI

· Hanya ada 1 gradien dalam arah aliran

· Hanya fungsi dari 1 koordinat ruang dan waktu

· Aliran 1 dimensi steady : V = V (x)

Unsteady : V = V (x, t)

Aliran satu dimensi ;

V2

V1

Y hanya ada satu gradien

V2 > V1

dalam arah aliran (arah x)

x

Aliran sungai dianggap aliran 1 D variasi kecepatan dalam arah melintang dianggap konstan atau tidak ada.

Dalam kenyataan aliran 1D sebenarnya tidak ada, karena adanya pengaruh gesekan dibatas (boundary).

ALIRAN 2 DIMENSI

· Ada 2 gradien kecepatan

fungsi dari 2 koordinat ruang dan waktu

· Aliran 2D aliran 2D horizontal

aliran 2D vertikal

2D horizontal : V = V (x, y, t)

2D vertikal : V = V (x, z, t), V = (y, z, t)

Aliran 2D horizontal

ada variasi (gradien) baik arah x maupun arah y.

Contoh lain : gerakan arus di perairan dangkal

Pada aliran 2D horizontal kecepatan aliran konstan dalam arah vertikal.

Distribusi kecepatan arah vertikal untuk aliran 2 D horizontal diperlihatkan oleh gambar berikut :

Distribusi sebenarnya dalam arah vertikal :

Aliran 2 D vertikal : V=V (x, z, t)

Disini kecepatan dalam arah y adalah konstan

Contoh :

Aliran air laut memasuki muara sungai

Kita ingin melihat variasi kecepatan baik dalam arah aliran (x) maupun dalam arah vertikal (z). Dalam hal ini kita gunakan pendekatan aliran 2D vertikal V = V (x, z, t) dimana kecepatan dalam arah penampang melintang dianggap konstan.

Aliran 2D vertikal V = V (x, z, t)

Kecepatan dalam arah y = konstan

Ada variasi kecepatan baik dalam arah x maupun z

ALIRAN 3 DIMENSI

Fungsi dari 3 koordinat dan waktu

V = V (x, y, z, t)

Ada 3 gradien kecepatan : kecepatan berubah dalam arah x, arah y, dan arah z. Untuk mempelajari karakteristik aliran di laut dalam digunakan aliran 3 dimensi.