Finite Control Volume Analysis
Pendahuluan
Finite Control Volume Analysis. Ladang turbin angin (ini adalah Ladang Angin Lepas Pantai Middelgrunden di Denmark) menjadi semakin umum. Analisis volume kontrol terbatas dapat digunakan untuk memperkirakan jumlah energi yang ditransfer antara udara yang bergerak dan setiap rotor turbin. (Foto dengan izin dari Siemens Wind Power.)
Finite control volume analysis adalah metode penting dalam ilmu fluida. Metode ini mempelajari perilaku fluida dalam volume tertentu. Konsep prinsip kekekalan menjadi dasar analisis ini. Prinsip ini menyatakan jumlah massa, energi, atau momentum dalam sistem tetap konstan. Metode ini sering digunakan dalam pemodelan aliran fluida. Dalam pemodelan tersebut, gaya-gaya aerodinamis atau hidrodinamis diprediksi. Analisis volume kontrol terbatas membantu dalam perancangan struktur yang efisien. Pemahaman tentang interaksi fluida dengan objek sangat penting. Selain itu, analisis ini berperan dalam rekayasa energi dan lingkungan. Dalam aplikasinya, metode ini meningkatkan efisiensi dan kinerja sistem fluida. Secara keseluruhan, analisis volume kontrol terbatas adalah alat penting dalam pemahaman dan perancangan sistem fluida. Metode ini mendukung pemanfaatan sumber daya yang lebih efisien.
Tujuan
Objektif Pembelajaran
Setelah menyelesaikan bab ini, Anda seharusnya dapat:
■ Memilih volume kontrol terbatas yang sesuai untuk memecahkan masalah mekanika fluida.
■ Menerapkan hukum kekekalan massa dan energi serta hukum kedua Newton tentang gerak pada isi volume kontrol terbatas untuk mendapatkan jawaban penting.
■ Mengetahui bagaimana perubahan kecepatan dan transfer energi dalam aliran fluida berkaitan dengan gaya dan torsi.
■ Memahami mengapa merancang untuk minimum kerugian energi dalam aliran fluida sangat penting.
Untuk menyelesaikan banyak masalah praktis dalam mekanika fluida, pertanyaan tentang perilaku isi suatu wilayah terbatas dalam ruang 1volume kontrol terbatas2 dijawab. Misalnya, kita mungkin diminta untuk memperkirakan gaya penahan maksimum yang diperlukan untuk menjaga mesin turbojet tetap diam selama pengujian. Atau kita mungkin diminta untuk merancang baling-baling untuk memindahkan kapal maju dan mundur. Atau kita mungkin perlu menentukan berapa banyak daya yang dibutuhkan untuk memindahkan gas alam dari satu lokasi ke lokasi lain yang jauh.
Dasar
Dasar analisis volume kontrol terbatas adalah beberapa hukum dasar fisika, yaitu, kekekalan massa, hukum kedua Newton tentang gerak, dan hukum termodinamika pertama dan kedua. Meskipun beberapa aproksimasi penyederhanaan dilakukan untuk kepraktisan, jawaban rekayasa yang mungkin dengan perkiraan metode analisis yang kuat ini telah terbukti berharga dalam banyak kasus.
Kekekalan massa adalah kunci untuk melacak aliran fluida. Berapa banyak yang masuk dan keluar dari volume kontrol dapat ditentukan. Hukum kedua Newton tentang gerak mengarah pada kesimpulan bahwa gaya dapat timbul dari atau menyebabkan perubahan dalam magnitudo dan/atau arah kecepatan fluida yang mengalir. Momen gaya 1torsi2 dapat menghasilkan atau menyebabkan perubahan dalam momen kecepatan fluida yang mengalir. Gaya dan torsi ini dapat dikaitkan dengan transfer kerja dan daya.
Hukum pertama termodinamika adalah pernyataan tentang kekekalan energi. Hukum kedua termodinamika mengidentifikasi kerugian energi yang terkait dengan setiap proses nyata. Persamaan energi mekanik berdasarkan kedua hukum ini dapat digunakan untuk menganalisis berbagai aliran steady, incompressible dalam hal perubahan tekanan, ketinggian, kecepatan, dan kerja sumbu dan kerugian.
Diperlukan penilaian yang baik dalam mendefinisikan wilayah terbatas dalam ruang, yaitu volume kontrol, yang digunakan dalam menyelesaikan suatu masalah. Apa yang harus diabaikan dan apa yang harus diperhitungkan dalam volume kontrol adalah pertimbangan penting. Rumus-rumus yang dihasilkan dari penerapan hukum-hukum dasar terhadap isi volume kontrol mudah diinterpretasikan secara fisik dan tidak sulit untuk diolah dan digunakan.
Karena wilayah terbatas dalam ruang, yaitu volume kontrol, mengandung banyak partikel fluida dan bahkan lebih banyak molekul yang membentuk setiap partikel, sifat-sifat dan karakteristik fluida seringkali merupakan nilai rata-rata. Bab 6 menyajikan analisis aliran fluida berdasarkan apa yang terjadi pada isi suatu wilayah ruang infinitesimal atau volume kontrol di mana banyak molekul secara bersamaan mengalir (apa yang mungkin kita sebut sebagai titik dalam ruang).
Materi
Baca juga: Analisis Aliran Fluida Diferensial