Kategori Aliran Kompresibel
Kategori Aliran Kompresibel. Pada Bagian 3.8.1, kita mempelajari bahwa efek kompresibilitas menjadi lebih signifikan saat nomor Mach meningkat. Sebagai contoh, kesalahan yang terkait dengan penggunaan ρV^2 /2 dalam menghitung tekanan stagnasi dari gas ideal meningkat pada nomor Mach yang lebih besar. Dari Fig. 3.24, kita dapat menyimpulkan bahwa aliran tak terkompresibel hanya dapat terjadi pada nomor Mach rendah.
Pengalaman juga telah menunjukkan bahwa kompresibilitas dapat memiliki pengaruh besar terhadap variabel aliran penting lainnya. Sebagai contoh, pada Fig. 11.2, variasi koefisien drag dengan Reynolds
Jumlah Reynolds dan nomor Mach ditunjukkan untuk aliran udara di sekitar sebuah bola. Efek kompresibilitas bisa sangat penting.
Untuk lebih mengilustrasikan beberapa fitur menarik dari aliran yang dapat dikompres, sebuah contoh sederhana dipertimbangkan. Bayangkan emisi gelombang tekanan lemah dari sumber titik. Gelombang tekanan ini bersifat sferis dan membesar radial keluar dari sumber titik pada kecepatan suara, c. Jika gelombang tekanan dipancarkan pada waktu yang berbeda, t wave , kita dapat menentukan di mana beberapa gelombang akan berada pada waktu tertentu, t, dengan menggunakan hubungan
di mana r adalah radius dari gelombang berbentuk bola yang dipancarkan pada waktu = t wave . Untuk sumber titik diam, pola gelombang simetris yang ditunjukkan dalam Gambar 11.3a terlibat.
Ketika sumber titik bergerak ke kiri dengan kecepatan konstan, V, pola gelombang tidak lagi simetris. Pada Gambar 11.3b, 11.3c, dan 11.3d diilustrasikan pola gelombang pada t=3 s untuk nilai V yang berbeda. Juga ditunjukkan dengan "+" adalah posisi sumber titik bergerak pada nilai waktu, t, yang sama dengan 0 s, 1 s, 2 s, dan 3 s. Mengetahui di mana sumber titik telah berada pada instansi yang berbeda penting karena itu mengindikasikan kepada kita di mana gelombang yang berbeda berasal.
Dari pola gelombang tekanan pada Gambar 11.3, kita dapat menarik beberapa kesimpulan yang berguna. Sebelum melakukannya, kita harus mengakui bahwa jika alih-alih memindahkan sumber titik ke kiri, kita menahan sumber titik diam dan memindahkan fluida ke kanan dengan kecepatan V, pola gelombang tekanan yang dihasilkan akan identik dengan yang ditunjukkan dalam Gambar 11.3.
Ketika sumber titik dan fluida diam, pola gelombang tekanan adalah simetris (Gambar 11.3a), dan pengamat di mana pun dalam medan tekanan akan mendengar frekuensi suara yang sama dari sumber titik. Ketika kecepatan sumber titik (atau fluida) sangat kecil dibandingkan dengan kecepatan suara, pola gelombang tekanan masih akan hampir simetris. Kecepatan suara dalam fluida tak terkompresi adalah tak terhingga besar. Oleh karena itu, situasi sumber titik diam dan fluida diam mewakili aliran tak terkompresibel. Untuk aliran yang benar-benar tak terkompresibel, komunikasi informasi tekanan di seluruh medan aliran tidak terbatas dan instan (𝑐 = ∞).
Ketika sumber titik bergerak dalam fluida diam (atau saat fluida bergerak melewati sumber titik diam), pola gelombang tekanan bervariasi dalam ketidaksimetrian, dengan tingkat ketidaksimetrian tergantung pada rasio kecepatan sumber titik (atau fluida) dan kecepatan suara. Saat V/ c < 1, pola gelombang mirip dengan yang ditunjukkan dalam Gambar 11.3b. Aliran ini dianggap subsonik dan dapat terkompresi. Pengamat diam akan mendengar frekuensi suara yang berbeda dari sumber titik tergantung pada posisi pengamat relatif terhadap sumber karena pola gelombang bersifat tidak simetris. Fenomena ini disebut efek Doppler. Informasi tekanan masih dapat bergerak secara tidak terbatas di seluruh medan aliran, tetapi tidak simetris atau instan.
Ketika V/c = 1, gelombang tekanan tidak hadir di depan sumber titik yang bergerak. Aliran ini adalah suara. Jika Anda berada di sebelah kiri sumber titik yang bergerak, Anda tidak akan mendengar sumber titik hingga bersamaan dengan lokasi Anda. Untuk aliran yang bergerak melewati sumber titik diam pada kecepatan suara (V/ c = 1), gelombang tekanan semuanya tegak lurus terhadap bidang yang tegak lurus terhadap aliran dan melalui sumber titik. Konsentrasi gelombang tekanan di bidang tangent ini menunjukkan pembentukan variasi tekanan yang signifikan di sepanjang bidang. Bidang tangent ini sering disebut gelombang Mach. Perlu diketahui bahwa komunikasi informasi tekanan terbatas pada wilayah aliran di hilir gelombang Mach. Wilayah aliran di hulu gelombang Mach disebut zona keheningan, dan wilayah aliran di hilir bidang tangent disebut zona tindakan.
Ketika V > c, aliran tersebut adalah supersonik, dan pola gelombang tekanan mirip dengan yang digambarkan pada Gambar 11.3d. Sebuah kerucut (kerucut Mach) yang menyentuh gelombang tekanan dapat dibangun untuk mewakili gelombang Mach yang memisahkan zona keheningan dari zona tindakan dalam kasus ini. Komunikasi informasi tekanan dibatasi pada zona tindakan. Dari sketsa Gambar 11.3d, kita dapat melihat bahwa sudut dari kerucut ini, a, diberikan oleh
hubungannya antara nomor Mach, Ma, dan sudut kerucut Mach, a, yang ditunjukkan oleh gambar di pinggiran, berlaku untuk V/c ≥ 1 saja. Konsentrasi gelombang tekanan di permukaan kerucut Mach menunjukkan variasi tekanan yang signifikan, dan karenanya, kerapatan, di sepanjang permukaan kerucut. (Lihat foto di awal bab ini.) Perubahan kerapatan tiba-tiba dapat divisualisasikan dalam medan aliran dengan menggunakan optik khusus. Contoh metode visualisasi aliran meliputi teknik schlieren, shadowgraph, dan interferometer (lihat Ref. 42). Foto schlieren dari aliran untuk yang V > c ditunjukkan pada Gambar 11.4. Aliran udara melalui baris profil udara bilah kompresor seperti yang ditunjukkan dengan panah. Aliran masuk secara supersonik (Ma1 = 1.142) dan
Airfoil di tengah memiliki selang tekanan terpasang di kedua sisi. Daerah perubahan kerapatan fluida yang signifikan terlihat pada bagian aliran supersonik. Selain itu, daerah aliran yang terpisah pada setiap airfoil juga terlihat.
Ini membahas tentang pola gelombang tekanan menunjukkan kategori aliran fluida berikut:
1. Aliran tak terkompresi: Ma ≤ 0.3. Komunikasi tekanan hampir simetris dan instan yang tidak terbatas.
2. Aliran kompresibel subsonik: 0.3 ≤ Ma ≤ 1.0. Komunikasi tekanan tidak terbatas namun jelas asimetris.
3. Aliran kompresibel supersonik: Ma ≥ 1.0. Pembentukan gelombang Mach; komunikasi tekanan terbatas pada zona aksi.
Selain dari kategori aliran yang disebutkan di atas, ada dua rezim lain yang sering disebut: yaitu, aliran transonik (0.9 ≤ Ma ≤ 1.2) dan aliran hipersonik (Ma ≥ 5). Pesawat modern sebagian besar didukung oleh mesin turbin gas yang melibatkan aliran transonik. Ketika pesawat ulang-alik memasuki atmosfer Bumi kembali, aliran adalah hipersonik. Pesawat masa depan dapat diharapkan beroperasi dari kondisi aliran subsonik hingga hipersonik.
