lampiran a - institutional repository undip (undip-ir)eprints.undip.ac.id/41428/6/lampiran_a.pdf ·...

17
82 LAMPIRAN A A.1. Penurunan Rumus Navier Slip 2 Dimensi 2 Slip Persamaan Reynold Isoviskos 2-D diturunkan dari bentuk sederhana persamaan Navier-Stokes yang mengasumsikan sebuah aliran laminar dengan mengabaikan efek inersia pada lapisan film: 0 p u x z z p v y z z p z (1) Persamaan pertama harus di integrasi untuk mendapatkan kecepatan fluida. Sebelum di integrasi, dilakukan pendefinisian kondisi batas. Slip hanya akan terjadi pada area dimana permukaan housing ataupun poros (shaft) yang telah diperlakukan dan ketika tegangan geser melebihi tegangan geser kritis . Ketika kedua persyaratan ini dipenuhi maka dihasilkan kecepatan slip yang perbedaannya proporsional antara nilai tegangan geser dan tegeangan geser kritis, dengan faktor proporsionalitas h untuk housing dan s untuk poros. Dengan menganggap bahwa tegangan geser kritis adalah nol, maka kondisi batasnya adalah: 0 0 0, ; , ; s s z z h h z h z h u v pada z u U v z z u v pada z h u v z z (2)

Upload: others

Post on 26-Jan-2020

4 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: LAMPIRAN A - Institutional Repository Undip (Undip-IR)eprints.undip.ac.id/41428/6/LAMPIRAN_A.pdf · 2014-01-21 · Penurunan rumus untuk arah x 2 2 up1 zxP ww ww 2 12 ... Substitusi

82

LAMPIRAN A

A.1. Penurunan Rumus Navier Slip 2 Dimensi – 2 Slip

Persamaan Reynold Isoviskos 2-D diturunkan dari bentuk sederhana

persamaan Navier-Stokes yang mengasumsikan sebuah aliran laminar dengan

mengabaikan efek inersia pada lapisan film:

     

   

 0

p u

x z z

p v

y z z

p

z

(1)

Persamaan pertama harus di integrasi untuk mendapatkan kecepatan

fluida. Sebelum di integrasi, dilakukan pendefinisian kondisi batas. Slip hanya

akan terjadi pada area dimana permukaan housing ataupun poros (shaft) yang

telah diperlakukan dan ketika tegangan geser melebihi tegangan geser kritis .

Ketika kedua persyaratan ini dipenuhi maka dihasilkan kecepatan slip yang

perbedaannya proporsional antara nilai tegangan geser dan tegeangan geser kritis,

dengan faktor proporsionalitas h untuk housing dan s untuk poros. Dengan

menganggap bahwa tegangan geser kritis adalah nol, maka kondisi batasnya

adalah:

  0   0

   

     0,              ;    

      ,              ;      

s s

z z

h h

z h z h

u vpada z u U v

z z

u vpada z h u v

z z

(2)

Page 2: LAMPIRAN A - Institutional Repository Undip (Undip-IR)eprints.undip.ac.id/41428/6/LAMPIRAN_A.pdf · 2014-01-21 · Penurunan rumus untuk arah x 2 2 up1 zxP ww ww 2 12 ... Substitusi

83

Penurunan rumus untuk arah x

2

2

1u p

z x

2

1 2

1    2

pu Z C Z C

x

(a)

Pemasukan kondisi batas

pada 0,z

  0

  s

z

uu U

z

2

1 2

1   2

s

u pU Z C Z C

z x

2

1 1 2

1 1   2

s

p pU Z C Z C Z C

x x

2

1 1 2

1   2

s s

p pU Z C Z C Z C

x x

2

1 1 2

1.(0)   0   (0)

2s s

p pU C C C

x x

1 2  sU C C

pada ,z h

 

  h

z h

uu

z

2

1 2

1   

2h

u pz C Z C

z x

2

1 1 2

1 1   

2h

p pZ C Z C Z C

x x

2

1 1 2

1     

2h h

p pZ C Z C Z C

x x

Page 3: LAMPIRAN A - Institutional Repository Undip (Undip-IR)eprints.undip.ac.id/41428/6/LAMPIRAN_A.pdf · 2014-01-21 · Penurunan rumus untuk arah x 2 2 up1 zxP ww ww 2 12 ... Substitusi

84

2

1 1 1   2

h h s

hp ph C C h U C

x x

2

1 1 12

h s h

h pC hC C h U

x

2

12

h s h

h ph C h U

x

2

1

2 1.

2

h

h s h s

h h p UC

x h h

1

2

2

h

h s h s

hh p UC

x h h

(b)

Mencari nilai 2C

2 1sC U C

2

2

hs

h s h s

hh p UC U

x h h

2

2

s h s

h s h s

h Uh pU

x h h

2

2

h s s s h

h s h s

U h U hh p

h x h

2

2

s hh s s

h s h s

hUh U U U h p

h x h

2

2

s hh

h s h s

hUh U h p

h x h

2

2

2

s hh

h s h s

hh h pC U

h x h

(c)

Page 4: LAMPIRAN A - Institutional Repository Undip (Undip-IR)eprints.undip.ac.id/41428/6/LAMPIRAN_A.pdf · 2014-01-21 · Penurunan rumus untuk arah x 2 2 up1 zxP ww ww 2 12 ... Substitusi

85

Substitusi pers (b) dan (c) ke (a) sehingga didapat kecepatan aliran pada

arah x yaitu

2 21

   2 2

h h

h s h s h s

h hp U h pu z z U

x h x h h

( 2 )

2

s h

h s

hh p

x h

(3)

Page 5: LAMPIRAN A - Institutional Repository Undip (Undip-IR)eprints.undip.ac.id/41428/6/LAMPIRAN_A.pdf · 2014-01-21 · Penurunan rumus untuk arah x 2 2 up1 zxP ww ww 2 12 ... Substitusi

86

Penurunan rumus untuk arah y

2

2

1v p

z y

2

1 2

1      2

pv Z C Z C

y

(d)

Pemasukan kondisi batas

pada 0,z

  0

  s

z

vv

z

2

1 2

1   2

s

v pZ C Z C

z y

2

1 1 2

1 1   2

s

p pZ C Z C Z C

y y

2

1 1 2

1   2

s s

p pZ C Z C Z C

y y

2

1 1 2

1.(0)   0   (0)

2s s

p pC C C

y y

1 2  s C C

pada ,z h

 

  h

z h

vv

z

2

1 2

1   

2h

v pz C Z C

z y

2

1 1 2

1 1   

2h

p pZ C Z C Z C

y y

2

1 1 2

1     

2h h

p pZ C Z C Z C

y y

Page 6: LAMPIRAN A - Institutional Repository Undip (Undip-IR)eprints.undip.ac.id/41428/6/LAMPIRAN_A.pdf · 2014-01-21 · Penurunan rumus untuk arah x 2 2 up1 zxP ww ww 2 12 ... Substitusi

87

2

1 1 1   2

h h s

hp ph C C h C

y y

2

1 1 12

h s h

h pC hC C h

y

2

12

h s h

h ph C h

y

2

1

2 1.

2

h

h s

h h pC

y h

1

2

2

h

h s

hh pC

y h

(e)

Mencari nilai 2C

2 1sC C

2

2

hs

h s

hh pC

y h

2

2

2

s h

h s

hh pC

y h

(f)

Substitusi pers (e) dan (f) ke (d) sehingga didapat kecepatan aliran pada

arah y yaitu

2

221

2 2 2

s hh

h s h s

hhp h p h pv Z Z

y y h y h

(4)

Page 7: LAMPIRAN A - Institutional Repository Undip (Undip-IR)eprints.undip.ac.id/41428/6/LAMPIRAN_A.pdf · 2014-01-21 · Penurunan rumus untuk arah x 2 2 up1 zxP ww ww 2 12 ... Substitusi

88

Jika masa jenis fluida diasumsikan konstan, maka kekekalan massa yang

dibutuhkan

(5)

Maka flow rate/laju aliran pada arah x adalah

0

    ( )

h

x

dhq u dz u h

dx (6)

Untuk 0

   

h

xq u dz

2

0

21   

2 2

h

h h

h s h s h s

h hp h p UZ Z U

x x h h h

2

2

s h

h s

hh pdz

x h

23 221

6 2 4

h h

h s h s h s

h hp U Z h pZ Z U Z

x h x h h

0

2

2

hs h

h s

hh pZ

x h

3 3 2 22

6 4 2

s hh

h s h s

hhh p h p h p

x x h x h

2 2

2

h

h s h s

h h U hU

h h

0

    ( )

h

u dz a b , dimana

3 3 2 222 3 6( )

12 12 12

s hh

h s h s

hhh h h pa

h h x

2 2

2

h

h s h s

h h U hUb

h h

Page 8: LAMPIRAN A - Institutional Repository Undip (Undip-IR)eprints.undip.ac.id/41428/6/LAMPIRAN_A.pdf · 2014-01-21 · Penurunan rumus untuk arah x 2 2 up1 zxP ww ww 2 12 ... Substitusi

89

Mencari ( )a

3 3 2 6 22

12 ( )

h s h

h s h s

h hh p

x h h h

3 2 3 2 6 2

12 ( )

h s h s h

h s

h h h h hh p

x h h

2 2 23 2 2 2 3 6 6 12

12 ( )

h s h s h s

h s

h h h h h hh p

x h h

2 23 4 4 12

12 ( )

h s h s

h s

h h hh p

x h h

2 23 4 12( )

12 ( )

h s h s

h s

h hh pa

x h h

Mencari ( )b

2 2

2( )

h

h s h s

h h hU

h h

2 22 2

2

h

h s

h h hU

h

2 2

2

h

h s

h hU

hb

0

   

h

u dz a b

2 2 23

0

4 12 2   

12 2

h

h s h s h

h sh s

h h h hh p Uu dz

x x x hh h

(7)

Page 9: LAMPIRAN A - Institutional Repository Undip (Undip-IR)eprints.undip.ac.id/41428/6/LAMPIRAN_A.pdf · 2014-01-21 · Penurunan rumus untuk arah x 2 2 up1 zxP ww ww 2 12 ... Substitusi

90

Untuk   ( )x

hq u h

x

2 21

( )2 2

h h

h s h s h s

h hp h p Uu h h h U

x x h h h

2

2

s h

h s

hh p

x h

2 21

( )2 2

h h

h s h s h s

h hh p h p Uu h h h U

x x x h h h

2

2

s h

h s

hh p

x h

( ) ( ) ( )h

u h c dx

, dimana

2 2 22( )

2 2 2

s hh

h s h s

hhh p h p h pc

x x h x h

( ) h

h s h s

hUhd U

h h

Mencari ( )c

2 3 2 2 22 2

2

h s h s h s

h s

h h h h h h p

xh

2 2 3 2 2 23 2 2

2

h s h s h s

h s

h h h h h h h p

xh

2 22

2

h h s

h s

h h p

xh

22

2

h h s

h s

hh p

xc

h

Page 10: LAMPIRAN A - Institutional Repository Undip (Undip-IR)eprints.undip.ac.id/41428/6/LAMPIRAN_A.pdf · 2014-01-21 · Penurunan rumus untuk arah x 2 2 up1 zxP ww ww 2 12 ... Substitusi

91

Mencari ( )d

h

h s h s h s

UUh Uh

h h h

h

h s

Uh

d

( ) ( ) ( )h

u h c dx

22( )

2

h h s h

h s h s

hh h p h hu h U

x x x h h x

(8)

  (7) (8)xq

2 2 23

2

4 12 2   

12 2 2

2

2

h s h s hx

h s h s

h h s h

h s h s

h h h hh p Uq

x x xh h h

hh p h hU

x x h h x

(9)

Page 11: LAMPIRAN A - Institutional Repository Undip (Undip-IR)eprints.undip.ac.id/41428/6/LAMPIRAN_A.pdf · 2014-01-21 · Penurunan rumus untuk arah x 2 2 up1 zxP ww ww 2 12 ... Substitusi

92

Laju aliran pada arah y adalah

2

221

2 2 2

s hh

h s h s

hhp h p h pv Z Z

y y h y h

0

    ( )

h

y

hq vdz v h

y

(10)

Untuk 0

   

h

yq v dz

2

0

221   

2 2 2

h

s hh

h s h s

hhp h p h pZ Z dz

y y h y h

3 2

0

221 

6 4 2

h

s hh

h s h s

hhp h p h pZ Z

y y h y h

3 3 2 22

6 4 2

s hh

h s h s

hhh p h p h p

y y h y h

3 3 2 222 3 6

12 12 12

s hh

h s h s

hhh h h p

h h y

3 3 2 6 22

12 ( )

h s h

h s h s

h hh p

y h h h

3 2 3 2 6 2

12 ( )

h s h s h

h s

h h h h hh p

y h h

2 2 23 2 2 2 3 6 6 12

12 ( )

h s h s h s

h s

h h h h h hh p

y h h

2 23 4 4 12

12 ( )

h s h s

h s

h h hh p

y h h

2 23 4 12

12

h s h s

y

h s

h hh pq

y h h

(11)

Page 12: LAMPIRAN A - Institutional Repository Undip (Undip-IR)eprints.undip.ac.id/41428/6/LAMPIRAN_A.pdf · 2014-01-21 · Penurunan rumus untuk arah x 2 2 up1 zxP ww ww 2 12 ... Substitusi

93

Untuk   ( )y

hq v h

y

2

221( )

2 2 2

s hh

h s h s

hhp h p h pv h h h

y y h y h

2

221( )

2 2 2

s hh

h s h s

hhh p h p h pv h h h

y y y h y h

2 3 2 2 22 2

2

h s h s h s

h s

h h h h h h p

yh

2 2 3 2 2 23 2 2

2

h s h s h s

h s

h h h h h h h p

yh

2 22

2

h h s

h s

h h p

yh

22( )

2

h h s

h s

hh h p hv h

y y y h

(12)

  (9) (10)yq

2 2 23 4 12 2   

12 2

h s h s h h sy

h sh s

h h hh p h p hq

y y y y hh h

Persamaan Navier Slip dua dimensi dengan dua slip yaitu

2 2 2 23 3

2 2

4 12 4 12   

12 12

2 2

2 2

h s h s h s h s

h s h s

h h h h s

h s h s h s

h h h hh p h p

x x y yh h h h

h h hU h h p h p h hU

x h h x h x x y y

t

Page 13: LAMPIRAN A - Institutional Repository Undip (Undip-IR)eprints.undip.ac.id/41428/6/LAMPIRAN_A.pdf · 2014-01-21 · Penurunan rumus untuk arah x 2 2 up1 zxP ww ww 2 12 ... Substitusi

94

A. 2. Diskretisasi Navier Slip 2D – 2 Slip tanpa Efek

Squeeze

Persamaan Navier Slip dua dimensi dengan dua slip yaitu

2 23

2 23

2

2

4 12   

12

4 12

12

2

2

2

2

h s h s

h s

h s h s

h s

h h

h s h s

h h s

h s

h hh p

x x h h

h hh p

y y h h

h hU hU

x h h x

hh p h p h h

h x x y y

t

(1)

Navier slip tanpa efek squeeze yaitu

2 23

2 2 23

4 12   

12

4 12 2

12 2

h s h s

h s

h s h s h

h sh s

h hh p

x x h h

h h h hh p U

y y x hh h

(2)

Dengan asumsi slip terjadi pada kedua bagian yaitu shaft dan housing.

2 2

3

2 2 23

4 12   

126

4 2

h s h s

h s

h s h s h

h sh s

h hph

x x h h

h h h hph

y y x hhU

h

(3)

Page 14: LAMPIRAN A - Institutional Repository Undip (Undip-IR)eprints.undip.ac.id/41428/6/LAMPIRAN_A.pdf · 2014-01-21 · Penurunan rumus untuk arah x 2 2 up1 zxP ww ww 2 12 ... Substitusi

95

Persamaan umum sesuai dengan persamaan yang didapat sebelumnya,

persamaan (3). Persamaan umum diintegralkan seluruh control volume.

3

2 2

2 2

2

3

4 12

4 2

26

1

h s h s

h s

n w

s e

n w

s e

n

h s h s

h s

h

h

w

s se

ph dxdy

x x

ph dxdy

h h

h h

h h

h h

h h

y y

U dxdyx h

6

n w n w n w

s e s e s e

p pK dxdy K dxdy U dxdy

x x y y xC

(4)

Dimana K dan C adalah variabel untuk menyederhanakan persamaan (4)

dan didefinisikan sebagai berikut:

3

2 24 12h s h s

h s

h h

hK

hh

(5)

2 h

h shh

hC

(6)

Sehingga integral persamaan umum menjadi:

6

e w n s

e w

p p p pK y K y K x K x

x x y y

U C y C y

(7)

3

P W N P P SE Pe w n s

E W

p p p p p pp pK y K y K x K x

x x y y

U C y C y

(8)

Page 15: LAMPIRAN A - Institutional Repository Undip (Undip-IR)eprints.undip.ac.id/41428/6/LAMPIRAN_A.pdf · 2014-01-21 · Penurunan rumus untuk arah x 2 2 up1 zxP ww ww 2 12 ... Substitusi

96

Diskretisasi akhir

P P E E W W N N S S ca P a P a P a P a P S (9)

Dengan koefisien

eE

ka y

x

2 E P

e

E P

K Kk

K K

wW

ka y

x

2 W P

w

W P

K Kk

K K

nN

ka x

y

2 N P

n

N P

K Kk

K K

sS

ka x

y

2 S P

s

S P

K Kk

K K

P E W N Sa a a a a (10)

3c W ES U C C y (11)

Page 16: LAMPIRAN A - Institutional Repository Undip (Undip-IR)eprints.undip.ac.id/41428/6/LAMPIRAN_A.pdf · 2014-01-21 · Penurunan rumus untuk arah x 2 2 up1 zxP ww ww 2 12 ... Substitusi

97

Jika slip hanya terjadi pada bagian housing, maka persamaan (2) akan

tereduksi menjadi

23 34 4 2   

12 12 2

h h h

h h h

h h h hh p h p U

x x h y y h x h

(12)

Kemudian

23 34 4 2

  6  h h h

h h h

h h h hU

p ph h

x x h y y h x h

(13)

Persamaan umum sesuai dengan persamaan yang didapat sebelumnya,

persamaan (13). Persamaan umum diintegralkan seluruh control volume.

2

3 3

6

4 4

2

n w n w

s e s e

n w

s e

h h

h h

h

h

h h

h h

p ph dxdy h dxdy

x x y y

U dxdyx

h h

h

(14)

6

n w n w n w

s e s e s e

p pK dxdy K dxdy U dxdy

x x y y xC

(15)

Dimana K dan C adalah variabel untuk menyederhanakan persamaan (15)

dan didefinisikan sebagai berikut:

3 4 h

h

h

hK h

(16)

2 h

hhh

hC

(17)

Sehingga integral persamaan umum menjadi:

6

e w n s

e w

p p p pK y K y K x K x

x x y y

U C y C y

(18)

Page 17: LAMPIRAN A - Institutional Repository Undip (Undip-IR)eprints.undip.ac.id/41428/6/LAMPIRAN_A.pdf · 2014-01-21 · Penurunan rumus untuk arah x 2 2 up1 zxP ww ww 2 12 ... Substitusi

98

3

P W N P P SE Pe w n s

E W

p p p p p pp pK y K y K x K x

x x y y

U C y C y

(19)

Diskretisasi akhir

P P E E W W N N S S ca P a P a P a P a P S (20)

Dengan koefisien

eE

ka y

x

2 E P

e

E P

K Kk

K K

wW

ka y

x

2 W P

w

W P

K Kk

K K

nN

ka x

y

2 N P

n

N P

K Kk

K K

sS

ka x

y

2 S P

s

S P

K Kk

K K

P E W N Sa a a a a (21)

3c W ES U C C y (22)