LAPORAN PRAKTIKUMMEKANIKA FLUIDA

PENENTUAN KEHILANGAN HEAD ALIRAN DALAM PIPA LURUS(hf)

Oleh:Ambar LiatiNIM A1H012018

KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAANUNIVERSITAS JENDERAL SOEDIRMANFAKULTASPERTANIANPURWOKWRTO2013I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Perubahan tekanan dalam aliran fluida terjadi karena adanya perubahan ketinggian, perubahan kecepatan akibat perubahan penampang dan gesekan fluida. Pada aliran tanpa gesekan perubahan tekanan dapat dianalisa dengan persamaan Bernoulli yang memperhitungkan perubahan tekanan ke dalam perubahan ketinggian dan perubahan kecepatan. Sehingga perhatian utama dalam menganalisa kondisi aliran nyata adalah pengaruh dari gesekan. Gesekan akan menimbulkan penurunan tekanan atau kehilangan tekanan dibandingkan dengan aliran tanpa gesekan. Berdasarkan lokasi timbulnya kehilangan, secara umum kehilangan tekanan akibat gesekan atau kerugian ini dapat digolongkan menjadi 2 yaitu: kerugian mayor dan kerugian minor.Kerugian mayor adalah kehilangan tekanan akibat gesekan aliran fluida pada sistem aliran penampang tetap atau konstan. Kerugian mayor ini terjadi pada sebagian besar penampang sistem aliran makanya dipergunakan istilah mayor. Sedangkan kerugian minor adalah kehilangan tekanan akibat gesekan yang terjadi pada katup-katup, sambungan T, sambungan L dan pada penampang yang tidak konstan. Kerugian minor meliputi sebagian kecil penampang sistem aliran, sehingga dipergunakan istilah minor. Kerugian ini untuk selanjutnya akan disebutkan sebagai head loss.Persamaan momentum aliran fluida ( visvous & compressible) dianalisa dengan mempergunakan persamaan Navier Stokes. Bila persamaan ini diterapkan pada aliran tanpa gesekan (nonviscous / inviscid) diperoleh persamaan Euler.

B. TUJUAN

Tujuan praktikum ini adalah menghitung kehilangan head pada pipa (hf).

II. TINJAUAN PUSTAKA

Kerugian head akan menjadi semakin tinggi akibat adanya separasi dan turbulensi yang aktif, akan tetapi untuk aliran kurva linier tanpa separasi seperti pada peralihan batas saluran yang tidak mendadak atau pada aliran di sebuah bendungan atau air terjun, maka rugi head kecil dapat diabaikan. Oleh manning telah dibuat rumus untuk menentukan kerugian head, yaitu: Hf = 10,29 n2 Q2 / d5,333(1)Dimana penentuan harga n Manning yang teliti tergolong sangat sulit karena harga itu bergantung pada kekasaran permukaan, tumbuhan di dasar saluran, ketidakteraturan saluran, kelurusan saluran pengendapan dan pengikisan, obstruksi, ukuran dan bentuk saluran, tinggi permukaan air dan debitnya, perubahan-perubahan musiman serta bahan endapan yang dibawa oleh arus. Head kerugian yaitu head untuk mengatasi kerugian-kerugian terdiri atas head kerugian gesek di dalam pipa-pipa, dan head kerugian di dalam belokan-belokan, reduser, katup-katup. Dalam keadaan turbulen, peralihan atau laminar untuk aliran dalam pipa (saluran tertutup), telah dikembangkan rumus Darcy Weisbach yaitu :

(2)Keterangan :hf= kehilangan energi akibat gesekanf= faktor gesekan

= panjang pipa (m)v= kecepatan aliran (m/s)g= percepatan gravitasi (m/s2)D= diameter pipa(m)Nilai f dipengaruhi bilangan Reynolds (Re) dan kekasaran relatif dinding pipa (e/d). Untuk menetapkan nilai f, harus diperhatikan kondisi berikut:1. Kalau Re < 2100, aliran disebut aliran laminar dan nilai f ditetapkan dengan persamaan Hagen-Poiseulle f = 64/Re.2. Kalau e/d kecil (dinding pipa licin) tetapi Re > 2100, alirannya disebut hydraulically smooth atau turbulent smooth.3. Kalau Re > 4000 atau e/d besar, alirannya disebut aliran turbulent rought.4. Kalau aliran berada antara kondisi 2 dan 3, maka aliran tersebut disebut aliran transisi.Berdasarkan kondisi di atas, nilai f ditetapkan dengan rumus yang sesuai dengan jenis aliran pada tabel berikut:Tabel 1. Rumus penetapan f berdasarkan jenis aliran fluidaJenis AliranRumus Penetapan fKisaran Re

1. Laminar64/ReRe < 2100

2. a. Hydraulically smooth b. Turbulent smoothf = 0,361/Re0,25

1/f = 2 log10 (Re) 0.8Re > 4000

3. Transisi1/f = 1,14 - Re > 4000

4. Hydraulically rough atau wholly rough1/f = 1,14 + 2 log10(D/e)Re > 4000

Nilai koefisien f juga dapat diperoleh dengan menggunakan diagram Moody atau secara empiris dengan formula Darcy dan Hazen William.Persamaan Manning

(3)Persamaan Hazen-William

(4)

Keterangan : n = koefisien Manning CHW = koefisien Hazen William Nilai untuk jenis pipa PVC koefisien Hazen-William sebesar 150 dan koefisien Manning sebesar 0,008.Perubahan tekanan dalam aliran fluida terjadi karena adanya perubahan ketinggian, perubahan kecepatan akibat perubahan penampang dan gesekan fluida. Pada aliran tanpa gesekan perubahan tekanan dapat dianalisa dengan persamaan Bernoulli yang memperhitungkan perubahan tekanan ke dalam perubahan ketinggian dan perubahan kecepatan. Sehingga perhatian utama dalam menganalisa kondisi aliran nyata adalah pengaruh dari gesekan. Gesekan akan menimbulkan penurunan tekanan atau kehilangan tekanan dibandingkan dengan aliran tanpa gesekan. Berdasarkan lokasi timbulnya kehilangan, secara umum kehilangan tekanan akibat gesekan atau kerugian ini dapat digolongkan menjadi 2, yaitu kerugian mayor dan kerugian minor.Kerugian mayor adalah kehilangan tekanan akibat gesekan aliran fluida pada sistem aliran penampang tetap atau konstan. Kerugian mayor ini terjadi pada sebagian besar penampang sistem aliran sehingga dipergunakan istilah mayor sedangkan kerugian minor adalah kehilangan tekanan akibat gesekan yang terjadi pada katup-katup, sambungan T, sambungan L dan pada penampang yang tidak konstan. Kerugian minor meliputi sebagian kecil penampang sistem aliran, sehingga dipergunakan istilah minor. Kerugian ini untuk selanjutnya akan disebutkan sebagai head loss.Istilah Head Loss muncul sejak diawalinya percobaan-percobaan hidrolika abad ke-19, yang sama dengan energi persatuan berat fluida. Namun perlu diingat bahwa arti fisik dari head loss adalah kehilangan energi mekanik persatuan massa fluida sehingga satuan head loss adalah satuan panjang yang setara dengan satu satuan energi yang dibutuhkan untuk memindahkan satu satuan massa fluida tinggi satu satuan panjang yang bersesuaian.

Perhitungan Head loss mayorDengan mempergunakan persamaan keseimbangan energi dan asumsi aliran berkembang penuh (fully developed) sehingga koefisien energi kinetik 1 = 2 dan penampang konstan maka :

(5)Keterangan : hl : head loss mayorJika pipa horisontal, maka z2 = z1 , maka :

atau p / = hl(6)Jadi head loss mayor dapat dinyatakan sebagai kerugian tekanan aliran fluida berkembang penuh melalui pipa penampang konstan.Aliran laminar pada pipa, berkembang penuh, pada pipa horisontal, penurunan tekanan dapat dihitung secara analitis, diperoleh:

(7)Keterangan : : kekentalan atau viskositas fluidasehingga dengan memasukkan konsep angka Reynold maka head loss menjadi :

(8)Pipa aliran turbulen, penurunan tekanan tidak dapat dihitung secara analitis karena pengaruh turbulensi yang menimbulkan perubahan keacakan sifat fluida. Perubahan sifat fluida yang acak tersebut belum dapat didekati dengan fungsi matematis yang ada saat ini. Perhitungan head loss didasarkan pada hasil percobaan dan analisa dimensi. Penurunan tekanan untuk aliran turbulen adalah fungsi dari angka Reynold (Re), perbandingan panjang dan diameter pipa, L/D serta kekasaran relatif pipa, e/D.

Head loss mayor dihitung dari persamaan Darcy-Weisbach :

(9)Keterangan : f : koefisien gesekPenggunaan dari hasil percobaan L.F. Moody yang memperkenalkan Diagram Moody, yaitu diagram koefisien gesek fungsi angka Reynold dan kekasaran relatif pipa.Membandingkan antara persamaan 8 dengan persamaan 9, maka untuk aliran laminar nilai koefisien gesek hanya fungsi angka Reynold, tidak dipengaruhi oleh kekasaran permukaan pipa. Namun dengan semakin tingginya angka Reynold koefisien gesekan hanya merupakan fungsi dari kekasaran relatif saja. Pada kondisi ini medan aliran dikatakan mencapai kekasaran penuh. Mengingat perhitungan head loss adalah perhitungan yang cukup panjang dan kenyataan aplikasi program komputer telah digunakan pada perencanaan suatu sistem perpipaan maka dibutuhkan persamaan matematika untuk menentukan koefisien gesek sebagai fungsi dari angka Reynold dan kekasaran relatif. Salah satunya adalah persamaan Blasius yang dapat digunakan pada aliran turbulen, pipa halus dengan angka Reynold, Re < 105 yaitu :

(10)Perhitungan Head loss minorHead loss minor dapat dihitung secara empiris dari persamaan di bawah ini :

(11)Keterangan :K : koefisien head loss minor.Nilai K tergantung pada jenis komponen sistem aliran. Untuk sambungan penampang berubah nilai K merupakan fungsi aspek rasio. Aspek rasio adalah perbandingan penampang yang lebih kecil dengan penampang yang lebih besar.Head loss minor dapat pula dihitung dengan persamaan :

(12)Keterangan :Le /D : panjang ekuivalen dari komponen. Persamaan ini umumnya dipergunakan untuk perhitungan head loss pada belokan dan katup. Nilai Le/D untuk beberapa jenis sambungan dan katup ditampilkan pada tabel 1. Nilai panjang equivalen pada tabel tersebut adalah untuk kondisi katup terbuka penuh. Koefisien tersebut akan bertambah secara signifikan pada kondisi katup setengah terbuka atau terbuka sebagian. Tabel 1. Panjang equivalen dari katup dan sambungan Jenis sambunganPanjang equivalen, Le /D

Katup (terbuka)

Katup gerbang (gate valve)8

Katup globe (globe valve)340

Katup sudut (angle valve)150

Katup bola (ball valve)3

Katup pengendali : jenis globe600

: jenis sudut55

Foot valve dengan saringan : poppet disk420

: hinged disk75

Belokan standar (standar elbow) : 90030

: 45016

Return bend, close pattern50

Standar Tee : flow through run20

: flow through branch60

Aliran fluida pada belokan atau elbow atau bend menimbulkan head loss yang lebih daripada aliran pada pipa lurus. Hal ini terutama karena timbulnya aliran sekunder akibat perubahan orientasi penampang pada belokan. Koefisien lossesnya dipengaruhi oleh radius kelengkungan kurva belokan. Untuk sambungan yang kelengkungannya halus, koefisien lossesnya akan lebih kecil namun pembuatannya akan lebih sulit sehingga harganya akan lebih mahal sedangkan belokan yang kelengkungannya dibentuk dari penyambungan pipa lurus, koefisien lossesnya akan lebih tinggi. Namun proses pembuatan yang lebih mudah membuat harganya jauh lebih murah.Sambungan dipasang pada sistem perpipaan dengan ulir atau sambungan flens. Ulir umumnya dipakai pada sambungan pipa diameter yang kecil sedangkan untuk diameter yang besar, sambungan pipa mempergunakan flens dengan mur dan baut atau yang dilas. Pemilihan sambungan sangat dipengaruhi oleh jenis fluida, beracun atau tidak, tekanan dan suhu kerja dari sistem dan faktor keamanan yang diharapkan. Istilah minor, tidak berkonotasi dengan kecilnya nilai losses, namun pada lokasi timbulnya losses tersebut. Pada kasus tertentu head loss minor nilainya lebih besar daripada head loss mayor.

III. METODOLOGIA. Alat dan Bahan1. Alat a. Selangb. Penggarisc. Stopwocthd. Alat pengujie. Tempat penampungan air2. Bahana. Airb. Tinta

B. Prosedur KerjaLangkah kerja dalam praktikun ini adalah:1. Menghitung factor gesekan (f) pada masing-masing aliran.2. Dengan menggunakan hasil praktikum acara II,menghitung kerugian head aliran pada pipa lurus(hf)