Berdasarkan sifat alirannya, pada umumnya terdapat tiga jenis aliran fluida: laminar, transisi, dan turbulen. Pada aliran laminar, fluida mengalir tenang tanpa diiringi oleh pusaran (vortek) meskipun terdapat gangguan di sepanjang aliran fluida. Sebaliknya, pada aliran turbulen, aliran fluida bersifatchaos (terlihat tak beraturan) yang dicirikan dengan keberadaan pusaran-pusaran (vortek) fluida. Kondisi transisi merupakan daerah peralihan antara laminar dan turbulen; daerah ini merupakan wilayah aliran yang tidak stabil sehingga sering digambarkan sebagai garis putus-putus dalam diagram alir fluida.

Pusaran-pusaran dalam aliran turbulen dikenal dengan sebutan eddy. Eddy ini memiliki ukuran yang bervariasi, dari orde kilometer, misalnya eddy pada pergerakan atmosfer atau debu antar-galaksi, hingga yang berorde mikron, misalnya yang terjadi pada aliran turbulen di dalam pipa. Keberadaan eddy tentu saja mengkonsumsi energi aliran; pada skala makro hal tersebut dicirikan dengan tingginya koefisien gesek pada aliran turbulen (dibandingkan dengan aliran laminar pada bilangan Reynolds yang sama). Tingginya koefisien gesek berpengaruh secara langsung kepada besarnya penurunan tekanan dan pada akhirnya kepada besarnya energi yang diperlukan untuk mengalirkan fluida.

Dalam beberapa hal, aliran turbulen diharapkan terjadi; misalnya pada proses pencampuran (mixing). Pencampuran bahan-bakar dan udara di dalam silinder motor bakar, pencampuran zat pewarna dalam suatu larutan, dsb., akan sangat diuntungkan bila aliran bersifat turbulen. Karena komponen kecepatan arah normal pada aliran turbulen juga cukup besar, maka perpindahan panas pada jenis aliran ini juga sangat tinggi. Di sisi lain, untuk keperluan transportasi fluida, aliran turbulen tidak diharapkan karena berkorelasi dengan tingginya energi pengaliran.

Penurunan gaya drag (Drag Reduction = DR) pada aliran turbulen adalah fenomena turun drastisnya gesekan permukaan (skin friction) pada suatu fluida akibat penambahan sejumlah kecil aditif pada fluida tersebut. Fenomena ini ditemukan secara terpisah oleh Toms pada tahun 1949, dan Mysels juga pada tahun 1949, pada masa Perang Dunia II (Denn, 2004). Sekitar sepuluh tahun kemudian, fenomena DR mendapatkan perhatian dari berbagai peneliti di seluruh dunia karena kemampuannya dalam menghemat energi. DR didefinisikan oleh Savin pada tahun 1961 sebagai berikut (Shenoy, 1984):

(1)dengan delta pN adalah penurunan tekanan per-satuan panjang pipa pada solven/pelarut (tanpa aditif) akibat gesekan, sedangkan delta pS adalah penurunan tekanan per-satuan panjang pipa pada larutan (solven dan aditif) akibat gesekan. Harga DR bisa mencapai 80% yang mengindikasikan sangat besarnya potensi penghematan energi yang dihasilkannya. Untuk kecepatan alir yang sama, efek DR akan menurunkan penggunaan energi secara signifikan; sedangkan bila daya pemompaan adalah tetap, maka efek DR akan menghasilkan peningkatan kecepatan yang signifikan.

Terdapat beberapa jenis aditif yang memiliki efek DR signifikan. Aditif-aditif tersebut bisa diklasifikasikan dalam beberapa jenis berikut ini (Shenoy, 1984): (1) Polimer, (2) Suspensi partikel padat, (3) Aditif biologis, dan (4) Surfaktan. Namun demikian, hanya polimer dan surfaktan yang mendapatkan perhatian luas dari peneliti karena tingginya DR yang bisa dihasilkan keduanya (bisa mencapai lebih dari 80%), juga karena keduanya mudah didapat. Selain menggunakan aditif, beberapa peneliti menyelidiki fenomena DR pasif, seperti riblets, kekasaran permukaan tertentu, dinding aktif dan pasif, dsb. Namun bila dibandingkan dengan aditif, DR pasif memiliki kemampuan yang jauh lebih rendah.

DR pada larutan polimer dan surfaktan

Polimer merupakan aditif yang sangat menarik, karena hanya dengan beberapa ppm (part per million – bagian per sejuta) polimer ber-berat molekul tinggi, aditif ini bisa menimbulkan DR yang sangat besar. Banyak sekali penelitian yang telah didedikasikan untuk menyelidiki fenomena DR pada larutan polimer (baik pada larutan aqueous ataupun organik) dan juga keterkaitan antara sifat larutan dengan DR nya. Aplikasi DR menggunakan polimer yang paling berhasil adalah transportasi minyak mentah melalui jalur pemipaan. Pada tahun 1979, Alyeska Pipeline Service Company memulai penggunaan aditif polimer sebagai penurun gaya drag di dalam pipa ber-diameter 1,2 m sepanjang 1.287 km pada Trans Alaskan Pipeline System (TAPS). Dua belas stasiun pemompaan semula direncanakan pada sistem tersebut, sebelum dipertimbangkannya penggunaan aditif polimer untuk menimbulkan efek DR di dalam jalur pemipaan. Pada tahun

1980 – 1981 Perusahaan Alyeska membatalkan pembangunan dua stasiun pemompaan karena aditif polimer ternyata mampu menggantikan peran kedua stasiun pemompaan tersebut (Motier dkk., 1996). Namun perlu dicatat bahwa aditif polimer akan mengalami degradasi permanen akibat tegangan geser yang tinggi, oleh karena itu, aditif ini tidak cocok digunakan dalam sirkulasi aliran tertutup.

Virk dkk. (1970) mempostulasikan keberadaan tiga zona pada profil kecepatan rata-rata untuk larutan aditif polimer. Dimulai dari dinding pipa menuju sumbunya, zona aliran tersebut adalah: (1) Zona viskos, (2) Zona interaktif, yang kemudian disebut sebagai sub-lapisan elastik (Virk, 1975), dan (3) Zona turbulen Newtonian. Berdasar sembilan hasil pengujian pada saat itu, Virk dkk. (1970) mendefinisikan sebuah asimptot DR maksimum (Maximum Drag Reduction Asymptote = MDRA) untuk larutan polimer sebagai berikut:

(2)Bentuk pangkat untuk persamaan di atas adalah:

(3)Persamaan ini telah dikonfirmasi oleh banyak sekali pengujian menggunakan larutan polimer encer (dilute), dan benar bahwa koefisien gesek di atas tidak bergantung kepada diameter pipa, konsentrasi polimer, berat molekul polimer, ukuran koil polimer, dsb. (Aguilar dkk., 2001).

Surfaktan adalah singkatan dari “surface-active agent”. Kata tersebut merujuk pada molekul organik atau senyawa yang belum diformulasikan yang memiliki sifat surface-active (Shenoy, 1984). Molekul surfaktan selalu terdiri dari kombinasi bagian yang larut ke dalam air (hidrofilik) dan bagian yang tak larut ke dalam air (hidrofobik). Bagian hidrofobik sangat sulit larut dalam pelarut polar (seperti air); hal ini dikompensasi oleh bagian head-group hidrofiliknya. Berdasarkan sifat ion head-groupnya, surfaktan dibedakan dalam jenis nonionik, anionik, dan kationik (Bewersdorff, 1966).

Salah satu keunggulan utama surfaktan kationik dibandingkan dengan anionik adalah bahwa surfaktan kationik tidak mengalami presipitasi akibat keberadaan ion kalsium (Shenoy, 1984). Chou dkk. (1989) menunjukkan bahwa berbagai jenis surfaktan kationik bisa bekerja pada rentang temperatur yang luas, mulai dari sekitar 2 hingga 110oC. Surfaktan nonionik stabil secara secara mekanik ataupun kimiawi. Surfaktan ini juga tidak mengalami presipitasi akibat keberadaan ion kalsium sehingga bisa digunakan dalam air yang tidak murni, air laut, brackish water, atau larutan brine pekat (Shenoy, 1984). Namun, surfaktan nonionik hanya efektif pada rentang temperatur yang sempit. Oleh karena itu, Zakin dkk. (Nguyen, 2005) menyimpulkan bahwa surfaktan kationiklah yang memiliki potensi yang baik untuk diterapkan dalam sistem pendinginan dan pemanasan distrik (district heating and cooling systems).

Di atas kosentrasi kritik, molekul surfaktan terlarut akan mulai membentuk agregat, yang disebut sebagai micelle. Bila konsentrasinya ditingkatkan, micelle akan tumbuh sampai seluruh volumenya diisi oleh rantai hidrokarbon. Dengan menambahkan beberapa jenis garam (elektrolit), atau menggunakan counter-ion kuat yang sesuai, gaya tolak elektrolitik dari head group bisa ditekan, dan molekul-molekul surfaktan akan tersusun lebih rapat hingga membentuk micelle berbentuk semacam tongkat (rod-like) atau semacam disk (disc-like) (Gyr and Bewersdorff, 1995). Banyak peneliti mempercayai bahwa rod-like (atau thread-like) micelle merupakan penyebab utama munculnya fenomena DR pada larutan surfaktan. Struktur mikro thread-like micelle yang langsung diamati menggunakan cryo-TEM dalam larutan ethylene glycol / water bisa dikaitkan dengan efek DR yang terjadi pada larutan tersebut (Zhang dkk., 2005).

Surfaktan tidak mengalami degradasi permanen akibat tegangan geser yang tinggi. Pada saat dikenai tegangan geser yang tinggi, surfaktan hanya mengalami degradasi sementara untuk selanjutnya kembali ke dalam bentuknya yang semula. Pengujian menggunakan small angle neutron scatteringdi dalam aliran turbulen menunjukkan bahwa micelle tidak rusak akibat tegangan geser dinding kritik yang berlebihan, namun mengalami perubahan orientasi dan superstructure (Bewersdorff and Ohlendorf, 1988). Orientasi dan superstructure tersebut segera pulih manakala tegangan geser yang tinggi tadi dihilangkan. Hal ini merupakan keunggulan utama surfaktan terhadap polimer dalam hal penggunaannya di dalam sirkulasi aliran tertutup. Selain itu, beberapa studi sistematik yang dilakukan oleh industri kimia, dan didokumentasikan di

dalam beberapa paten Eropa dan Amerika, telah menuntun kepada penemuan bahwa surfaktan dengan konsentrasi di bawah 100 ppm mampu menghasilkan DR (Gyr and Bewersdorff, 1995).

Terdapat konsensus bahwa MDRA surfaktan lebih tinggi dibandingkan dengan polimer (Aguilar dkk., 2001). Zakin dkk. (1996), mengajukan MDRA baru untuk surfaktan. MDRA ini valid dalam rentang :

(4)Virk dkk. (1996) juga mencatat bahwa larutan surfaktan yang memiliki bilangan Reynolds yang tinggi,

memiliki harga

yang secara signifikan lebih tinggi dibandingkan MDRA polimer. Hal ini berarti bahwa MDRA surfaktan bisa lebih tinggi dibandingkan dengan polimer.Gambar 1 di bawah ini menunjukkan koefisien friksi larutan polimer (polyethyleneoxide (PEO) 50 ppm) dan surfaktan (Ethoquad O/12 900 ppm) bersama dengan MDRA dari Virk dan Zakin.

Gambar 1 DR larutan polimer (polyethyleneoxide (PEO) 50 ppm) dan surfaktan (Ethoquad O/12 (EO/12) 900 ppm). Data PEO didapatkan dari Usui (1974), sedangkan data EO/12 dari Indartono dkk. (2005)

Gambar 1 menunjukkan lebih rendahnya koefisien friksi larutan polimer dan surfaktan dibandingkan dengan pelarutnya (fluida Newtonian). Selisih antara koefisien friksi fluida pelarut (solvent) dan larutan yang mengalami DR; dibandingkan dengan koefisien friksi fluida pelarut, didefinisikan sebagai besarnya DR serupa dengan yang ditunjukkan oleh Persamaan (1). Bilangan Reynolds pada Gambar 1 di atas dihitung menggunakan viskositas air, bukan viskositas masing-masing larutan. Hal ini dilatarbelakangi oleh dua hal: (1) Rendahnya konsentrasi polimer menyebabkan viskositas larutan polimer tidak berbeda signifikan terhadap viskositas air, (2) Sulitnya mendapatkan harga viskositas surfaktan yang bisa digunakan dalam perhitungan bilangan Reynolds karena adanya fenomena SIS (Shear Induce Structure) dan karena viskositas surfaktan umumnya dipengaruhi oleh jarak celah antar plat rheometer. Meski menggunakan viskositas fluida Newtonian, DR tetap bisa dihitung dengan cara seperti pada Persamaan (1).

Dapat dilihat pada Gambar 1 di atas bahwa koefisien friksi terendah larutan polimer nampak menyentuh garis MDRA Virk. Sedangkan koefisien friksi terendah larutan surfaktan tidak bersentuhan dengan garis MDRA Zakin. Hal ini disebabkan karena jarak masuk hidrodinamik (hydrodynamics entrance length) larutan surfaktan hingga mencapai kondisi berkembang mantap (fully developed)

sangat besar; bisa mencapai lebih dari 1000 L/D (L adalah panjang aliran yang tidak mengalami gangguan alir, dan D adalah diameter pipa). Sedangkan panjang pipa yang dipergunakan untuk pengukuran koefisien friksi larutan surfaktan pada Gambar 1 di atas hanya memiliki harga L/Dsekitar 300. Karena koefisien friksi memiliki harga yang lebih tinggi pada daerah aliran berkembang (developing flow), maka seperti dapat kita saksikan pada Gambar 1, koefisien friksi larutan surfaktan tidak sampai menyentuh MDRA Zakin.

Tingginya konsentrasi surfaktan yang digunakan pada Gambar 1 di atas diprediksikan akan menyebabkan lebih tingginya harga viskositas larutan surfaktan dibandingkan dengan larutan polimer. Perhitungan bilangan Reynolds menggunakan viskositas air menyebabkan koefisien friksi larutan surfaktan berposisi di sebelah kanan larutan polimer. Bisa disaksikan juga dalam Gambar 1 keberadaan fenomena efek diameter pada koefisien friksi polimer dan surfaktan. Fenomena ini merupakan salah satu ciri khas fluida yang mengalami DR (terutama bila bilangan Reynolds nya dihitung menggunakan viskositas fluida Newtonian).

Perbedaan karakteristik antara koefisien friksi larutan polimer dan surfaktan, seperti dapat dilihat di Gambar 1, adalah adanya kenaikan koefisien friksi larutan surfaktan pada bilangan Reynolds yang tinggi; hal ini tidak terjadi pada larutan polimer. Larutan polimer dialirkan di dalam one-through system (tanpa sirkulasi), karena larutan polimer akan mengalami degradasi permanen bila dikenai tegangan geser yang tinggi. Maka di atas bilangan Reynolds kritiknya, larutan polimer tidak lagi memberikan efek DR. Larutan surfaktan dialirkan di dalam sistem tersirkulasi menggunakan pompa. Di dalam pompa, larutan surfaktan mengalami tegangan geser yang sangat tinggi, namun demikian, larutan surfaktan tetap menunjukkan kemampuan DR. Hal ini membuktikan bahwa micelle di dalam larutan surfaktan berkemampuan melakukan self-recovery – hal yang tidak dimiliki oleh molekul polimer. Kenaikan koefisien friksi larutan surfaktan secara bertahap di atas bilangan Reynolds kritiknya menunjukkan bahwa degradasi (temporal) yang dialami oleh micelle di dalam larutan surfaktan berlangsung secara bertahap, tidak sekaligus dialami oleh seluruh micelle.

Dalam Gambar 1 juga bisa diamati bahwa DR larutan surfaktan pada pipa ber-diameter 25 mm nampak lebih rendah dibandingkan dengan pipa ber-diameter 13 mm. Hal ini disebabkan pendeknya L/D pipa ber-diameter 25 mm dibandingkan dengan pipa ber-diameter 13 mm. Dengan demikian, kondisi hidrodinamik aliran

di dalam pipa ber-diameter 13 mm lebih mendekati kondisi berkembang mantap bila dibandingkan dengan yang terjadi di dalam pipa ber-diameter 25 mm.

Di samping tulisan ini, diulas pula mekanisme terjadinya DR dan aplikasi fenomena DR ini di berbagai bidang pada tulisan yang lain.