Jalur Energi dan Jalur Kelas Hidraulik
Jalur energi dan jalur kelas hidraulik. Seperti yang dibahas dalam Bagian 3.4, persamaan Bernoulli sebenarnya adalah persamaan energi yang mewakili pembagian energi untuk aliran yang tak kental, tak dapat dimampatkan, dan tetap. Jumlah berbagai energi fluida tetap konstan saat fluida mengalir dari satu bagian ke bagian lainnya. Interpretasi yang berguna dari persamaan Bernoulli dapat diperoleh melalui penggunaan konsep garis grade hidrolik (HGL) dan garis energi (EL). Ide-ide ini mewakili interpretasi geometris dari aliran dan seringkali dapat digunakan secara efektif untuk lebih memahami proses fundamental yang terlibat.
Untuk aliran tetap, tak kental, tak dapat dimampatkan, total energi tetap konstan sepanjang garis aliran. Konsep “head” diperkenalkan dengan membagi setiap istilah dalam Persamaan 3.7 dengan berat jenis, γ=ρg, untuk memberikan persamaan Bernoulli dalam bentuk berikut:
Setiap istilah dalam persamaan ini memiliki satuan panjang (kaki atau meter) dan mewakili jenis tertentu dari head. Persamaan Bernoulli menyatakan bahwa jumlah dari head tekanan, head kecepatan, dan head elevasi konstan sepanjang garis aliran. Konstanta ini disebut sebagai total head, H<, dan ditunjukkan dalam gambar di pinggir.
Garis energi adalah garis yang mewakili total head yang tersedia untuk fluida. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3.21, elevasi dari garis energi dapat diperoleh dengan mengukur tekanan stagnasi dengan menggunakan tabung Pitot. Tabung Pitot merupakan bagian dari tabung Pitot-statis yang mengukur tekanan stagnasi. Lihat Bagian 3.5.2. Titik stagnasi di ujung tabung Pitot memberikan pengukuran total head (atau energi) dari aliran. Di sisi lain, lubang tekanan statis yang terhubung ke tabung piezometer yang ditunjukkan, mengukur jumlah dari head tekanan dan head elevasi, p/y + z. Jumlah ini sering disebut sebagai head piezometrik. Lubang tekanan statis tidak mengukur head kecepatan.
Menurut Persamaan 3.22, total head tetap konstan sepanjang garis aliran (asumsi persamaan Bernoulli berlaku). Dengan demikian, tabung Pitot di lokasi lain dalam aliran akan mengukur total head yang sama, seperti yang ditunjukkan dalam gambar. Namun, head elevasi, head kecepatan, dan head tekanan dapat bervariasi sepanjang garis aliran.
Lokus elevasi yang disediakan oleh serangkaian tabung Pitot disebut garis energi, EL. Lokus yang diberikan oleh serangkaian lubang tekanan statis disebut garis grade hidrolik, HGL. Dalam asumsi persamaan Bernoulli, garis energi adalah horizontal. Jika kecepatan fluida berubah sepanjang garis aliran, garis grade hidrolik tidak akan horizontal. Jika efek viscous penting (seperti yang sering terjadi dalam aliran pipa), total head tidak tetap konstan karena terjadi kerugian energi saat fluida mengalir sepanjang garis alirannya. Ini berarti bahwa garis energi tidak lagi horizontal. Efek viscous seperti ini dibahas dalam Bab 5 dan 8.
Garis energi dan garis grade hidrolik untuk aliran dari tangki besar ditunjukkan dalam Gambar 3.22. Jika aliran adalah steady, tak dapat dimampatkan, dan tak kental, garis energi adalah horizontal dan berada pada elevasi cairan di dalam tangki (karena kecepatan fluida di tangki dan tekanan di permukaan air)
Nilai-nilai tersebut adalah nol. Garis grade hidrolik terletak pada jarak satu velocity head, V2/2g, di bawah garis energi. Oleh karena itu, perubahan dalam kecepatan fluida akibat perubahan diameter pipa mengakibatkan perubahan elevasi dari garis grade hidrolik. Pada ujung pipa, head tekanan adalah nol (gauge), sehingga elevasi pipa dan garis grade hidrolik bersamaan.
Jarak dari pipa ke garis grade hidrolik menunjukkan tekanan dalam pipa, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3.23. Jika pipa berada di bawah garis grade hidrolik, tekanan dalam pipa adalah positif (di atas atmosfer). Jika pipa berada di atas garis grade hidrolik, tekanannya negatif (di bawah atmosfer). Dengan demikian, gambar skala dari pipa dan garis grade hidrolik dapat digunakan untuk dengan mudah menunjukkan wilayah tekanan positif atau negatif dalam pipa.
Diskusi mengenai garis grade hidrolik dan garis energi di atas terbatas pada situasi ideal yang melibatkan aliran tak kental dan tak dapat dimampatkan. Pembatasan lainnya adalah bahwa tidak ada “sumber” atau “penyerap” energi dalam medan aliran. Artinya, tidak ada pompa atau turbin yang terlibat. Perubahan dalam konsep garis energi dan garis grade hidrolik akibat perangkat ini dibahas dalam Bab 5 dan 8.