Aliran Laminar atau Turbulen
Aliran laminar atau turbulen. Aliran fluida dalam pipa dapat berupa aliran laminar atau aliran turbulen. Osborne Reynolds 11842–19122, seorang ilmuwan dan matematikawan Inggris, adalah yang pertama membedakan perbedaan antara kedua klasifikasi aliran ini dengan menggunakan sebuah alat sederhana seperti yang ditunjukkan oleh gambar di sisi margin, yang merupakan sketsa dari eksperimen pewarnaan Reynolds. Reynolds menyuntikkan pewarna ke dalam pipa di mana air mengalir karena gravitasi. Daerah masuk pipa digambarkan dalam Gambar 8.3a. Jika air mengalir melalui pipa berdiameter D dengan kecepatan rata-rata V, karakteristik berikut diamati dengan menyuntikkan pewarna netral yang seimbang seperti yang ditunjukkan. Untuk "aliran yang cukup kecil", garis pewarna akan tetap sebagai garis yang terdefinisi dengan baik saat mengalir, hanya dengan sedikit kabur karena difusi molekuler pewarna ke dalam air sekitarnya. Untuk "aliran yang agak besar", jejak pewarna berfluktuasi dari waktu ke waktu dan ruang, dan ledakan intermiten perilaku tidak teratur muncul di sepanjang jejak. Di sisi lain, untuk "aliran yang cukup besar", jejak pewarna hampir segera menjadi kabur dan menyebar di seluruh pipa secara acak. Tiga karakteristik ini, yang ditandai sebagai aliran laminar, transisi, dan turbulen, masing-masing diilustrasikan dalam Gambar 8.3b.
Garis-garis yang ditunjukkan dalam Gambar 8.4 mewakili komponen x dari kecepatan sebagai fungsi waktu di titik A dalam aliran. Fluktuasi acak dari aliran turbulen (dengan pencampuran partikel terkait) adalah yang menyebarkan pewarna di seluruh pipa dan menyebabkan penampilan yang kabur seperti yang diilustrasikan dalam Gambar 8.3b. Untuk aliran laminar dalam pipa, hanya ada satu komponen kecepatan,
V = ui Untuk aliran turbulen, komponen utama dari kecepatan juga sejajar dengan pipa, tetapi tidak stabil (acak) dan disertai dengan komponen acak yang normal terhadap sumbu pipa, V=ui+vj+wk. Gerakan seperti ini dalam aliran tipikal terjadi terlalu cepat untuk mata kita mengikuti. Gambar-gambar gerakan lambat dari aliran dapat lebih jelas menunjukkan sifat turbulen yang tidak teratur dan acak dari aliran tersebut.
Seperti yang dibahas dalam Bab 7, kita seharusnya tidak memberi label pada kuantitas dimensional sebagai "besar" atau "kecil," seperti "laju aliran yang cukup kecil" dalam paragraf sebelumnya. Sebaliknya, parameter tak berdimensi yang tepat harus diidentifikasi dan karakter "kecil" atau "besar" dilekatkan padanya. Sebuah kuantitas dianggap "besar" atau "kecil" hanya relatif terhadap kuantitas referensi. Rasio dari kedua kuantitas tersebut menghasilkan sebuah kuantitas tak berdimensi. Untuk aliran dalam pipa, parameter tak berdimensi paling penting adalah nomor Reynolds, Re—rasio antara efek inersia dan efek viscous dalam aliran. Oleh karena itu, dalam paragraf sebelumnya, istilah laju aliran harus diganti dengan nomor Reynolds, Re= ρVD/𝜇 , di mana V adalah kecepatan rata-rata dalam pipa. Dengan demikian, aliran dalam pipa bersifat laminar, transisi, atau turbulen jika nomor Reynolds-nya "cukup kecil," "intermediate," atau "cukup besar." Bukan hanya kecepatan fluida yang menentukan karakter aliran—densitasnya, viskositasnya, dan ukuran pipa sama pentingnya. Parameter-parameter ini digabungkan untuk menghasilkan nomor Reynolds. Perbedaan antara aliran pipa laminar dan turbulen serta ketergantungannya pada kuantitas tak berdimensi yang tepat pertama kali ditunjukkan oleh Osborne Reynolds pada tahun 1883.
Rentang nomor Reynolds di mana aliran pipa laminar, transisi, atau turbulen terjadi tidak dapat diberikan secara tepat. Transisi sebenarnya dari aliran laminar ke turbulen dapat terjadi pada berbagai nomor Reynolds, tergantung pada seberapa banyak aliran terganggu oleh getaran pipa, kekasaran wilayah masuk, dan sebagainya. Untuk tujuan rekayasa umum (yaitu, tanpa tindakan pencegahan yang berlebihan untuk menghilangkan gangguan semacam itu), nilai-nilai berikut adalah yang tepat: Aliran dalam pipa bundar adalah laminar jika nomor Reynoldsnya kurang dari sekitar 2100. Aliran dalam pipa bundar adalah turbulen jika nomor Reynoldsnya lebih dari sekitar 4000. Untuk nomor Reynolds di antara dua batas ini, aliran dapat beralih antara kondisi laminar dan turbulen secara tampak acak (aliran transisi).
