Aliran Turbulensi

Aliran turbulen adalah salah satu fenomena fisik yang komplek dan menarik minat banyak peneliti. Leonardo da Vinci (1800 an) menggambarkan pusaran aliran air yang melalui suatu konfigurasi akan menghasilkan pusaran yang bersifat acak tetapi juga memiliki pola tertentu (Gambar 10. 1). Suatu aliran turbulen jika diberi injeksi (misalnya aliran udara yang diinjeksi asap, atau aliran air yang diinjeksi tinta) akan menunjukkan adanya pusaran yang kemudian dikenal sebagai Eddy. (Gambar 10. 2). Ukuran Eddy sangat bervariasi, mulai dari yang besar (large scale Eddy) sampai yang berukuran kecil (small scale Eddy).

Gambar 10. 1 Lukisan Leonardo da Vinci yang menggambarkan aliran turbulen

Munculnya large scale Eddy dalam aliran menandakan bahwa aliran bersifat turbulen, tetapi tidak semua aliran turbulen menunjukkan adanya eddy. Small scale Eddy dalam aliran turbulen tidak dapat dilihat dengan mata telanjang.

Gambar 10. 2 Visualisasi ‘olakan Eddy’ dengan menggunakan asap

Dalam proses pembakaran fenomena-fenomena yang terjadi antara lain interaksi proses-proses kimia dan fisika, pelepasan panas yang berasal dari energi ikatan-ikatan kimia, proses perpindahan panas, proses perpindahan massa, dan gerakan fluida.

Pada temperatur yang sangat tinggi gas-gas pecah atau terdisosiasi menjadi gas-gas yang tak sederhana, dan molekul-molekul dari gas dasar akan terpecah menjadi atom-atom yang membutuhkan panas dan menyebabkan kenaikan temperatur. Reaksi akan bersifat endotermik dan disosiasi tergantung pada temperatur dan waktu kontak.

Heksana dari kanal sempit yang melewati a dan b mempunyai tekanan aliran lebih rendah (terjadinya aliran turbulen yang menabrak antara dinding a dan b sehingga aliran yg melewati lubang a dan b mempunyai aliran rendah, “ kemungkinan dapat terjadi udara dari pipa ikut masuk melalui lubang a dan b”) dari cde sehingga udara pada dalam pipa terhisap keluar dari a dan b. adanya udara yang ikut masuk dari a dan b menyebabkan terjadinya aliran turbulen. Tennekes dan Lumley

(1972) menyatakan bahwa aliran turbulen tidak dapat didefinisikan, tetapi dapat diidentifikasi berdasarkan sifat-sifat turbulensi. Beberapa sifat itu adalah:

• Tidak beraturan Salah satu sifat aliran turbulen adalah tidak beraturan (random). Karena itu analisa aliran turbulen selalu menggunakan metode statistik.

• Dispersif Aliran turbulen akan cenderung menyebar (dispersif). Sifat ini menyebabkan aliran turbulen memiliki kemampuan yang tinggi dalam proses pencampuran (mixing), perpindahan panas, perpindahan momentum dan perpindahan massa.

• Disipatif Turbulen memiliki energi internal berupa pusaran besar (large scale Eddy) dan pusaran kecil (small scale Eddy). Energi pusaran besar didapat dari aliran utama (free stream) dan energi pusar kecil ditransfer dari pusaran besar. Proses ini dikenal sebagai energy cascade. Energi yang dikandung pusararan kecil akan melemah karena efek gesekan fluida akibat viskositas fluida. Untuk mempertahankan turbulensi, dibutuhkan suplai energi dari aliran utama. Hal ini yang menjelaskan kenapa kehilangan energi akibat gesekan pada aliran turbulen jauh lebih besar daripada aliran laminer.

• Vortisitas tiga-dimensi Apapun konfigurasinya, aliran turbulen selalu memiliki vortisitas/ pusaran tiga dimensi. Pembentukan lapisan batas antara aliran dan dinding selalu berawal pada kondisi laminer. Vortisitas aliran laminer bersifat dua dimensi dari dinding ke arah freestream. Semakin ke arah hilir (down stream) lapisan batas akan mengalami transisi dan berubah menjadi turbulen. Transisi dari laminer ke turbulen merupakan mekanisme kompleks yang mengubah vortisitas laminer (dua dimensi) menjadi vortisitas turbulen (tiga dimensi).

• Aliran turbulen adalah suatu aliran. Karakter aliran turbulen tidak ditentukan oleh jenis fluida tetapi oleh karakter aliran itu sendiri. Turbulensi aliran pada fluida air dengan udara akan memiliki karakter yang sama jika memiliki bilangan Reynolds yang sama. Tegangan geser yang terjadi pada lapisan batas turbulen berasal dari viskositas fluida/viskositas molekuler (sifat molekuler fluida) dan viskositas turbulensi (sifat aliran). Viskositas turbulensi adalah efek viskositas yang ditimbulkan oleh Eddy dan pengaruhnya lebih dominan daripada viskositas molekuler.

Aliran yang lebih turbulen akan memiliki koefisien perpindahan panas konveksi lebih tinggi seperti pada Gambar dibawah.

Aliran melalui seluruh silinder

Pada aliran fluida turbulen, gradien kecepatan antara aliran di bagian bulk terhadap sublapisan viscous yang tipis yang berada dekat dinding sangat tinggi. Dalam hal ini, perpindahan panas konduksi timbul dengan perbedaan suhu yang tinggi yaitu dari T2 ke T3 ( bagian fluida panas ). Setelah jauh melewati dinding, dan mendekati bagian turbulen, suhu menjadi berkurang dan perbedaan T1 dan T2 menjadi kecil sebab timbul gerakan gaya Eddy. Suhu rata-rata lapisan film fluida air panas lebih kecil daripada suhu di bagian bulk T1. Hal ini juga dapat dijelaskan untuk profil suhu pada air dingin.

Tipe aliran fluida, laminar atau turbulen mempunyai pengaruh yang besar terhaadap koefisien perpindahan panas konveksi (h), di mana hambatan perpindahan panas terdapat di dalam lapisan film tipis dekat dengan dinding. Semakin turbulen aliran, semakin besar koefisien perpindahan panas konveksinya. Korelasi untuk memprediksi harga koefisien film (h) dipengaruhi oleh sifat fisik fluida, tipe dan kecepatan aliran, perbedaan suhu dan geometri dari system fisika (Geankoplis, 1983)

Pola Aliran dan Perpidahan Panas pada Saluran dengan Belokan 900 Gambar dibawah menunjukkan aliran fluida yang sedang melewati daerah belokan 900 dalam sebuah pipa dan saluran persegi. Dari gambar dapat dilihat bahwa pada saluran persegi terjadi resirkulasi dan pemisahan aliran

Aliran panas pada belokan 900 (a) pipa (b) saluran persegi empat

Pergerakan fluida ketika melewati belokan tajam 1800