Fluida Dinamis

Fluida dinamis adalah fluida (bisa berupa zat cair, gas) yang bergerak. Untuk memudahkan dalam mempelajari, fluida disini dianggap :

• Tidak kompresibel artinya bahwa dengan adanya perubhana tekanan ,volume fluida tidak berubah.
• Tidak memngalami gesekan, artinya bahwa pada saat fluida mengalir,gesekan antara fluida dengan dinding tempat mengalir dapat diabaikan.
• Aliran stasioner, artinya tiap partikel fluida mempunyai garis alir tertentu dan untuk luas penampang yang sama mempunyai laju aliran yang sama.

Susu, minyak pelumas, dan air merupakan contoh zat cair. dan Semua zat cair itu dapat dikelompokan ke dalam fluida karena sifatnya yang dapat mengalir dari satu tempat ke tempat yang lain. Selain zat cair, zat gas juga termasuk fluida. Zat gas juga dapat mengalir dari satu satu tempat ke tempat lain. Hembusan angin merupakan contoh udara yang berpindah dari satu tempat ke tempat lain. 

Aliran Fluida Dinamis:

1. Aliran 1D, 2D, dan 3D: Aliran 1 D artinya aliran hanya terjadi pada satu dimensi saja. Aliran 2D hanya terjadi pada bidang 2 dimensi saja. Sedangkan aliran 3D terjadi pada ruang 3 dimensi.
2. Compressible vs incompressible flow: Compressible flow adalah aliran dimana densitas fluidanya tidak berubah didalam medan aliran (flow field), misalnya aliran air. Sedangkan incompressible flow adalah aliran dimana densitas fluidanya berubah didalam medan aliran, misalnya aliran udara.
3. Steady vs unsteady flow: Steady flow adalah aliran yang mana kondisi alirannya (kecepatan, tekanan, densitas, dsb) tidak berubah dengan waktu. Sebaliknya, unsteady flow adalah aliran dimana kondisi alirannya berubah dengan waktu. Sebagai contoh, pada saat kita memutar penutup kran maka air yang mengalir adalah unsteady flow. Namun ketika bukaan kran tidak berubah maka alirannya adalah steady flow.Definisi yang lebih sempit adalah dengan membatasi kondisi aliran pada kecepatan. Dengan demikian, steady flow adalah aliran yang kecepatannya tidak berubah dengan waktu, sedangkan unsteady flow adalah aliran yang kecepatannya berubah dengan waktu.
4. Laminar vs turbulent flow: Aliran viscous fluid bisa dibedakan menjadi aliran laminar dan aliran turbulent. Pada aliran laminar, partikel-partikel fluida mengalir lembut bagikan lapisan-lapisan laminar. Sebaliknya, pada aliran turbulen, partikel-partikel fluida saling bercampur dan mengalir secara tidak beraturan. Untuk menyatakan besaran-besaran seperti kecepatan, tekanan, dsb pada aliran turbulent, biasanya dipakai statistical average. Kecepatan fluida pada saat terjadi transisi antara laminer dan turbulent disebut dengan kecepatan kritis.

Gambar berikut ini menunjukkan profil kecepatan (u) terhadap waktu (t) pada aliran (A) steady laminar, (B) unsteady laminar, dan (C) steady turbulent.

Dan dibawah ini profil kecepatan fluida laminar dan turbulent yang mengalir pada sebuah sisi papan dan sebuah pipa.

5. Fully developed flow: adalah aliran yang vektor kecepatannya tidak lagi berubah terhadap koordinat.

Persamaan Kontinuitas

Aliran fluida pada sebuah pipa yang mempunyai diameter berbeda, seperti tampak pada gambar di bawah.

Gambar ini menujukan aliran fluida dari kiri ke kanan (fluida mengalir dari pipa yang diameternya besar menuju diameter yang kecil). Garis putus-putus merupakan garis arus.

Keterangan gambar : A1 = luas penampang bagian pipa yang berdiameter besar, A2 = luas penampang bagian pipa yang berdiameter kecil, v1 = laju aliran fluida pada bagian pipa yang berdiameter besar, v2 = laju aliran fluida pada bagian pipa yang berdiameter kecil, L

= jarak tempuh fluida.

Pada aliran tunak, kecepatan aliran partikel fluida di suatu titik sama dengan kecepatan  aliran partikel fluida lain yang melewati titik itu. Aliran fluida juga tidak salingberpotongan (garis arusnya sejajar). Karenanya massa fluida yang masuk ke salah satu ujung pipa harus sama dengan massa fluida yang keluar di ujung lainnya. Jika fluida memiliki massa tertentu masuk pada pipa yang diameternya besar, maka fluida tersebut akan keluar pada pipa yang diameternya kecil dengan massa yang tetap. Kita tinjau bagian pipa yang diameternya besar dan bagian pipa yang diameternya kecil.

Selama selang waktu tertentu, sejumlah fluida mengalir melalui bagian pipa yang diameternya besar (A1) sejauh L1 (L1 = v1t). Volume fluida yang mengalir adalah V1 = A1L1 = A1v1t. Nah, Selama selang waktu yang sama, sejumlah fluida yang lain mengalir melalui bagian pipa yang diameternya kecil (A2) sejauh L2 (L2 = v2t). Volume fluida yang mengalir adalah V2 = A2L2 = A2v2t. (sambil lihat gambar di atas).

Hukum Bernoulli

Hukum Bernoulli adalah hukum yang berlandaskan pada hukum kekekalan energi yang dialami oleh aliran fluida. Hukum ini menyatakan bahwa jumlah tekanan (p), energi kinetik per satuan volume, dan energi potensial per satuan volume memiliki nilai yang sama pada setiap titik sepanjang suatu garis arus. Jika dinyatakan dalam persamaan menjadi :

Keterangan:

p   = tekanan air (Pa)

v    = kecepatan air (m/s)

g   = percepatan gravitasi

h    = ketinggian air

Venturimeter

Pipa venturi merupakan sebuah pipa yang memiliki penampang bagian tengahnya lebih sempit dan diletakkan mendatar dengan dilengkapi dengan pipa pengendali untuk mengetahui permukaan air yang ada sehingga besarnya tekanan dapat diperhitungkan. Dalam pipa venturi ini luas penampang pipa bagian tepi memiliki penampang yang lebih luas daripada bagian tengahnya atau diameter pipa bagian tepi lebih besar daripada bagian tengahnya. Zat cair dialirkan melalui pipa yang penampangnya lebih besar lalu akan mengalir melalui pipa yang memiliki penampang yang lebih sempit, dengan demikian maka akan terjadi perubahan kecepatan. Apabila kecepatan aliran yang melalui penampang lebih besar adalah v₁ dan kecepatan aliran yang melalui pipa sempit adalah v₂, maka kecepatan yang lewat pipa sempit akan memiliki laju yang lebih besar (v₁ < v₂). Dengan cara demikian tekanan yang ada pada bagian pipa lebih sempit akan menjadi lebih kecil daripada tekanan pada bagian pipa yang berpenampang lebih besar. Lihat gambar di bawah ini.

Gambar 16. Venturimeter 

Dalam aliran seperti yang digambarkan di atas akan berlaku Hukum Bernoulli sebagai berikut:

P₁ + ρ gh₁ + ½ ρ v²₁ = P₂ + ρ gh₂ + ½ ρ v²₂

pipa dalam keadaan mendatar h₁ = h₂

ρ gh₁ + ρ gh₂

sehingga:

Ø  P₁ + ½ ρ v²₁ = P₂ + ½ ρ v²₂

di sini v₁ > v₂ maka p₂ < p₁

akibatnya P₁ – P₂ = ½ ρ (v²₂ - v²₁)

padahal :  P₁ = P_b + ρ gh_a

P₂ = P_b = ρ gh_b

selanjutnya didapat:

Ø  P₁ – P₂ = ρ g (h_a - h_b)

Apabila h_a - h_b = h yakni selisih tinggi antara permukaan zat cair bagian kiri dan kanan, maka akan didapat:

Ø  P₁ – P₂ = ρ gh

Dengan mengetahui selisih tinggi permukaan zat cair pada pipa pengendalli akan dapat diketahui perubahan tekanannya yang selanjutnya perubahan kecepatan dapat juga diketahui. Oleh sebab itu pipa venturi ini akan sangat berguna untuk pengaturan aliran bensin dalam sistem pengapian pada kendaraan bermotor.