Transisi dari Aliran Laminar ke Aliran Turbulen - infistream

Transisi dari Aliran Laminar ke Aliran Turbulen

Aliran diklasifikasikan sebagai laminar atau turbulent. Untuk setiap geometri aliran, ada satu (atau lebih) parameter tak berdimensi sehingga dengan nilai parameter ini di bawah nilai tertentu, aliran adalah laminar, sedangkan dengan nilai parameter yang lebih besar dari nilai tertentu, aliran adalah turbulent. Parameter penting yang terlibat (yaitu, nomor Reynolds, nomor Mach) dan nilai kritis mereka tergantung pada situasi aliran spesifik yang terlibat. Sebagai contoh, aliran dalam pipa dan aliran sepanjang plat datar (aliran lapisan batas, seperti yang dibahas di Bagian 9.2.4) dapat menjadi laminar atau turbulent, tergantung pada nilai nomor Reynolds yang terlibat. Sebagai aturan umum untuk aliran pipa, nilai nomor Reynolds harus kurang dari sekitar 2100 untuk aliran laminar dan lebih besar dari sekitar 4000 untuk aliran turbulent. Untuk aliran sepanjang plat datar, transisi antara aliran laminar dan turbulent terjadi pada nomor Reynolds sekitar 500.000 1lihat Bagian 9.2.42, di mana istilah panjang dalam nomor Reynolds adalah jarak yang diukur dari ujung depan plat.

Pertimbangkan sebuah bagian panjang pipa yang awalnya diisi dengan fluida diam. Saat katup dibuka untuk memulai aliran, kecepatan aliran dan, oleh karena itu, nomor Reynolds meningkat dari nol (tanpa aliran) hingga mencapai nilai aliran keadaan mantap maksimum mereka, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8.11. Anggaplah proses transien ini cukup lambat sehingga efek tidak stabil dapat diabaikan (aliran semi-stabil). Untuk periode waktu awal, nomor Reynolds cukup kecil sehingga aliran laminar terjadi. Pada suatu waktu, nomor Reynolds mencapai 2100, dan aliran mulai beralih ke kondisi turbulent. Titik-titik atau lonjakan turbulensi terjadi secara intermiten. Saat nomor Reynolds ditingkatkan, seluruh medan aliran menjadi turbulent. Aliran tetap turbulent selama nomor Reynolds melebihi sekitar 4000.

Jejak tipikal dari komponen aksial kecepatan yang diukur pada lokasi tertentu dalam aliran, u = u(t), ditunjukkan dalam Gambar 8.12. Sifatnya yang tidak teratur, acak adalah fitur membedakan dari aliran turbulent. Karakteristik banyak sifat penting aliran (penurunan tekanan, transfer panas, dll.) sangat bergantung pada adanya dan sifat fluktuasi turbulen atau keacakan.

Dalam pertimbangan sebelumnya yang melibatkan aliran inviskid, nomor Reynoldsnya (secara ketat) tak terbatas (karena viskositasnya nol), dan aliran pasti akan turbulent. Namun, hasil yang wajar diperoleh dengan menggunakan persamaan Bernoulli inviskid sebagai persamaan yang mengatur. Alasan mengapa analisis inviskid yang disederhanakan memberikan hasil yang wajar adalah bahwa efek viskos tidak terlalu penting dan kecepatan yang digunakan dalam perhitungan sebenarnya adalah kecepatan yang diukur rata-rata dari waktu, u, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8.12. Perhitungan transfer panas, penurunan tekanan, dan banyak parameter lainnya tidak akan mungkin dilakukan tanpa memasukkan efek yang tampaknya kecil, tetapi sangat penting, yang terkait dengan keacakan aliran.

Pertimbangkan aliran dalam panci air yang diletakkan di atas kompor. Dengan kompor dimatikan, cairan diam. Gelombang awal telah padam karena dissipasi viskos dalam air. Dengan kompor dinyalakan, gradien suhu dalam arah vertikal, 𝜕𝑇/𝜕𝑧, dihasilkan. Suhu air paling tinggi di dekat dasar panci dan berkurang ke arah atas lapisan fluida. Jika perbedaan suhu sangat kecil, air akan tetap diam, meskipun kerapatannya paling kecil di dekat dasar panci karena penurunan kerapatan dengan peningkatan suhu. Peningkatan lebih lanjut dalam gradien suhu akan menyebabkan kestabilan yang didorong oleh daya apung yang mengakibatkan gerakan fluida—air hangat dan ringan naik ke atas, dan air dingin dan berat tenggelam ke dasar.

"Pembalikan" lambat dan teratur ini meningkatkan transfer panas dari panci ke air dan mempromosikan pencampuran dalam panci. Saat gradien suhu semakin meningkat, gerakan fluida menjadi lebih energik dan akhirnya berubah menjadi aliran turbulent acak dengan pencampuran yang signifikan, penguapan (penyulingan) dan laju transfer panas yang jauh lebih tinggi. Aliran telah berkembang dari fluida diam, ke aliran laminar, dan akhirnya ke aliran turbulent, multiphase (cairan dan uap).

Proses pencampuran dan proses transfer panas dan massa secara signifikan ditingkatkan dalam aliran turbulen dibandingkan dengan aliran laminar. Hal ini disebabkan oleh skala makroskopis dari keacakan dalam aliran turbulen. Kita semua familiar dengan gerakan berputar, berenergi seperti pusaran air dalam panci yang dipanaskan di atas kompor (meskipun tidak dipanaskan sampai mendidih). Pencampuran acak dengan ukuran terbatas seperti ini sangat efektif dalam mengangkut energi dan massa di seluruh lapangan aliran, sehingga meningkatkan berbagai proses laju yang terlibat. Di sisi lain, aliran laminar dapat dianggap sebagai partikel fluida dengan ukuran sangat kecil namun terbatas yang mengalir dengan lancar dalam lapisan-lapisan, satu di atas yang lain. Keacakan dan pencampuran hanya terjadi pada skala molekuler dan menghasilkan laju transfer panas, massa, dan momentum yang relatif kecil.

Tanpa turbulensi, akan sangat sulit untuk menjalani kehidupan seperti yang kita kenal sekarang. Pencampuran adalah salah satu aplikasi positif dari turbulensi, seperti yang dibahas di atas, tetapi ada situasi lain di mana aliran turbulen diinginkan. Untuk mentransfer panas yang diperlukan antara padat dan fluida yang berdekatan (seperti pada kumparan pendingin udara atau boiler pembangkit listrik) akan memerlukan pertukaran panas yang sangat besar jika alirannya laminar. Demikian pula, transfer massa yang diperlukan dari keadaan cair ke keadaan uap (seperti yang dibutuhkan dalam sistem pendinginan penguapan yang terkait dengan keringat) akan memerlukan permukaan yang sangat besar jika fluida yang mengalir melewati permukaan tersebut bersifat turbulent.aliran laminar daripada turbulen. Seperti yang ditunjukkan dalam Bab 9, turbulensi juga dapat membantu dalam menunda pemisahan aliran.

Turbulensi juga penting dalam pencampuran cecair. Asap dari cerobong akan terus berlanjut selama berbagai mil sebagai pita pencemar tanpa dispersi cepat dalam udara sekitarnya jika aliran adalah laminar daripada turbulen. Di bawah kondisi atmosfer tertentu, hal ini teramati terjadi. Meskipun ada pencampuran pada skala molekuler (aliran laminar), pencampurannya jauh lebih lambat dan kurang efektif dibandingkan dengan pencampuran pada skala makroskopis (aliran turbulen). Jauh lebih mudah untuk mencampur krim ke dalam secangkir kopi (aliran turbulen) daripada mencampur dua warna cat kental (aliran laminar) secara menyeluruh.

Dalam situasi lain, aliran laminar (daripada turbulen) diinginkan. Penurunan tekanan dalam pipa (dan oleh karena itu, kebutuhan daya untuk pemompaan) bisa jauh lebih rendah jika aliran adalah laminar daripada turbulen. Untungnya, aliran darah melalui arteri seseorang biasanya laminar, kecuali di arteri terbesar dengan laju aliran darah tinggi. Gesekan aerodinamis pada sayap pesawat terbang bisa jauh lebih kecil dengan aliran laminar melewati daripada aliran turbulen.

Turbulensi juga penting dalam pencampuran cecair. Asap dari cerobong akan terus berlanjut selama berbagai mil sebagai pita pencemar tanpa dispersi cepat dalam udara sekitarnya jika aliran adalah laminar daripada turbulen. Di bawah kondisi atmosfer tertentu, hal ini teramati terjadi. Meskipun ada pencampuran pada skala molekuler (aliran laminar), pencampurannya jauh lebih lambat dan kurang efektif dibandingkan dengan pencampuran pada skala makroskopis (aliran turbulen). Jauh lebih mudah untuk mencampur krim ke dalam secangkir kopi (aliran turbulen) daripada mencampur dua warna cat kental (aliran laminar) secara menyeluruh.

Dalam situasi lain, aliran laminar (daripada turbulen) diinginkan. Penurunan tekanan dalam pipa (dan oleh karena itu, kebutuhan daya untuk pemompaan) bisa jauh lebih rendah jika aliran adalah laminar daripada turbulen. Untungnya, aliran darah melalui arteri seseorang biasanya laminar, kecuali di arteri terbesar dengan laju aliran darah tinggi. Gesekan aerodinamis pada sayap pesawat terbang bisa jauh lebih kecil dengan aliran laminar melewati daripada aliran turbulen.

Open chat

Hello 👋
Thank you for text me
Can we help you?