Penuntun Praktikum Hidrolika PENUNTUN PRAKTIKUM HIDRAULIKA

Transkripsi

1 PENUNTUN PRAKTIKUM HIDRAULIKA JURUSAN SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SILIWANGI TASIKMALAYA 2012

2 Percobaan-1 OSBORNE REYNOLDS 1.1. Pendahuluan Percobaan Osborne Reynolds merupakan suatu eksperimen untuk menentukan sifat aliran, yakni aliran laminer, transisi dan turbulen Penentuan sifat aliran dapat dilakukan melalui pengamatan pada Osborne Reynolds apparatus berdasarkan pada pola gerakan dari zat warna dalam aliran. Zat warna yang dipakai adalah tinta. Jika tinta tersebut bergerak secara teratur dan mempunyai garis alur yang sejajar dan bergerak secara berlapis-lapis maka aliran tersebut adalah aliran laminer. Kemudian jika tinta tersebut bergerak menyebar atau bergalau, maka aliran tersebut adalah aliran transisi atau aliran turbulen. Kemudian dari percobaan ini dihitung debit dan kecepatan luida, yang selanjutnya akan digunakan dalam penghitungan bilangan Reynolds (Re). Berdasarkan bilangan Reynolds (Re) tersebut dapat diklasifikasikan sifat-sifat aliran yang telah diamati, baik secara teoritis maupun secara pengamatan (visualisasi). I.2. Tujuan Percobaan Mengamati dan mengklasifikasi sifat aliran secara visualisasi berdasarkan pola gerak zat warna tinta dalam aliran. Menghitung dan mengklasifikasikan sifat aliran secara teoritis Berdasarkan bilangan Reynolds (Re). Membandingkan apakah sifat aliran fluida terdapat kecocokkan I kesesuaian antara pengamatan secara visual dengan pengklasifikasian secara perhitungan (teoritis). I.3. Peralatan a. Osborne Reynolds aparatus. b. Stop watch. c. Gelas Ukur. Laboratorium Teknik Sipil 1

3 DYE Reservoir Capacity 20 Cu DYS INJECTOR COVER PLATE WITH TUBE VERTICAL THIS SURFACE MUST BE HORIZONTAL WITH IN 0 <I -r. --1! "u I 1 STILLING TANK BELL MOUIH' DYE INJECTOR IU3E 0 7 mm 1/D Serial no.on Underside of this flange above opening 12 mm 1/D Sight Tube Td Water Supply 12 mm 1/D Hose x 2 m Long Supplied TankStand 10 mm 1/D Hose x 2 m Long Supplied 4 Feet 57 mm DIA Gambaran Umum Peralatan Osborn Reynolds Laboratorium Teknik Sipil 2

4 d. Thermometer. e. Tinta 1.4. Teori Dasar dan Rumus Debit Air Perhitungan besarnya debit yang mengalir adalah dengan menggunakan gelas ukur, dalam selang waktu tertertu: Q = v.t Dimana Q = debit aliran (m 3 /s) V = Volume Air (m 3 ) t = waktu pengukuran (s) Bilangan Reynolds (Re) Bilangan reynolds adalab suatu bilangan tak berdimensi yang menunjukan sifat suatu aliran, dimana bilangan tersebut merupakan kelompok tak berdimensi dari parameter - parameter fluida yaitu kecepatan karakteristik, panjang karakteristik, dan viskositas kinematik. Hubungan dari parameter tersebut adalah v.l Re=v Dimana: v = kecepatan (mm/s) v = viskositas kinematik (mm 2 /s) L = panjang karakteristik (mm) Untuk aliran dalam pipa diambil kecepatan rata-rata, sebagai kecepatan karakteristik Reynolds dan garis tengah pipa D sebagai panjang karakteristik pipa, sehingga didapat hubungan : Penuntun Praktikum Hidrolika 3

5 Dimana: Re = Bilangan reynods v.d Re=v V = Kecepatan aliran mm/s) D = Diameter pipa (mm) v = Viskositas kinematik (mm 2 /s) Bilangan reynolds mempunyai makna antara lain sebagai perangkat untuk membedakan sifat aliran laminer, transisi atau turbulen. Aliran larniner didefinisikan sebagai aliran dengan fluida yang bergerak dalam lapisan-lapisan atau lamina-lamina dengan satu lapisan meluncur secara lancar pada lapisan yang bersebelahan dimana pertukaran momentum terjadi akibat difusi molekular saja. Kecendrungan ke arah ketakstabilan dan turbulensi diredam habis oleh ga.ya-gaya geser viskos yang memberikan tahanan terhadap gerakan relatif lapisan-lapisan fluida yang bersebelahan. Namun, aliran turbulen mempunyai gerakan partikel- pertikel fluida yang sangat tak menentu, dimana pertukaran momentum dalam arah melintang menjadi besar sebagai akibat difusi turbulen. Sifat pokok aliran yakni sifat Laminer, Turbulen serta posisi relatifnya pada skala yang menunjukkan pentingnya secara relatif kecendrungan turbulens terhadap kecendnmgan laminar ditunjukkan oleh bilangan Reynolds. Dengan klafikasi nilai sebagai berikut: R > < R < R < Sifat aliran turbulen Sifat aliran transisi Si fat ali ran I ami ner Faktor Gesekan Akibat adanya gesekan antara fluida dan dinding fluida akibat aliran fluida maka akan terjadi kehilangan energi, yang disebut sebagai kehilangan tinggi tekan yang besamya dinyatakan dalam persamaan Darcy-Weisbanch: Penuntun Praktikum Hidrolika 4

6 Dimana: hf = kehilangan tinggi tekan (m) f = faktor gesekan L = panjang pipa (m) D = diameter pipa (m) v = kecepatan aliran (m/s) g = percepatan grafitasi (m/s 2 ) Harga faktor gesekan (f) berbeda-beda untuk setiap jenis aliran yaitu: a. Untuk aliran laminer menurut Hagen-poiseulle dan Darcy-wcisbach: f = 64 Re b. Uatuk aliran turbulen menurut Blassius : f= 0,316 Re- 0,25 Kehilangan energi akibat friksi pada aliran laminer adalah linier terhadap kecepatan, sedangkan pada aliran turbulen kehilangan energi s-:banding dengan eksponcnsial keccpatan Viskositas Di antara semua sifat-sifat fluida, viskositas memerlukan perhatian yang terbesar dalam telaahan tentang aliran fluida. Sifat serta ciri-ciri viskositas dibahas dalam pasal ini, juga dimensi dan faktor konversi bagi viskositas mutlak. maupun viskositas kinernatik. Viskositas adalah sifat fluida yang menda...'2.ri diberikannya tahanan terhadap tegangan geser oleh fluida tersebul Hukum viskositas Newton menyatakan bahwa untuk laju perubahan bentuk sudut fluida yang tertentu maka tegangan gesek berbanding lurus dngan viskositas. Gu\a tetes dan ter merupakan contoh cairan yang sangat viskos, air dan udara mempunyai viskositas yang kecil. Penuntun Praktikum Hidrolika 5

7 Viskositas kinematik Viskositas ( Jl) seringkali disebut dengan viskositas mutlak atau viskositas dinamik agar tidak rancu pengertiannya dengan viskositas kinematik ( v ), yang merupakan perbandingan viskositas terhadap kerapatan massa. Untuk menaksir kerapatan massa dan viskositas terhadap temperatur dapat dilihat pada tabel-1. 1 dan tabel-1.2 berikut ini. Tabel- 1.1 : Kerapatan Massa I T o C ρ 998,15 999, ,73 998,23 992,25 998,07 958,4 kg/m3 Tabel 1.2 : Viskositas Kinematik T o C ρ 1,794 1,519 1,31 1,01 0,897 0,804 0,659 0,3 x10 0,2 mm 1.5 Prosedur Percobaan I. Air dialirkan dengan debit tertetu = Q 2. Amati profil pada pipa kaca alat Osborne Reynolds, dengan cara mengamati bentuk gerakan dari zat warna (tinta). Atur bukaan kran sehingga diperoleh jenis aliran laminer, aliran transisi dan aliran turbulen. 3. Menghitung debit air yang mengalir dari alat Osborne Reynolds, dengan cara mengukur volume air di dalam gelas ukur pada selang waktu tertentu. 4. Percobaaan diulang minimal 15 kali dengan mengambil data untuk masing-masing sifat aliran : Penuntun Praktikum Hidrolika 6

8 Aliran Laminer 5 kali Aliran Transisi 5 kali Aliran Turbulen 5 kali 5. Membaca suhu air dalam alat Osborne Reynolds. L6. Prosedur Perhitungan 1. Hitung debit (Q) yang mengalir. 2. Hitung kecepatan aliran (v). 3. Hitung besamya bilangan Reynolds (Re). 4. Hitung faktor gesekan untukje11is aliran tersebut 5. Bandingkan hasil klasifikasi berdasarkan pengamatan dan teori. I.7. Lembar Pengamatan Data dan Perhitungan Perhitungan selmuh tahapan percobaan dilakukan dengan memberikan 1 contoh perhitungan dan penggunaan rumus tersebut untuk tiap jenis aliran, kemudian perhitungan dilakukan secara tabelaris sesuai tabel I.8. Grafik dan Kesimpulan I.8.1 Buat Grafik Hubungan Antara l. f Vs Re 2. log f Vs log Re L8.2 Analisa Grafik dan Kesimpulan Buatlah analisa tentang hasil dari analisa grafik pada sub bab diatas dan berdasarkan gambar grafik dan hasil analisa grafik tersebur buatlah suatu kesimpulan secara singkat dan terperinci. Penuntun Praktikum Hidrolika 7

9 Percobaan - II ALIRAN PADA TATA PIPA KECIL 2.1 Pendahuluan Fluida yang mengalir memiliki energi, dan saat fluida tersebut mengalir dalam pipa, energi total yang dimilikinya selama pengaliran cenderung berkurang dan dapat hilang. Gejala ini disebut kehilangan energi (energy losse.,) atau kehilangan tinggi tekan. Ada da macam dari kehilangan energi, yaitu: a. Mayor losses, yaitu kehilangantinggi tekan akibat gesekan antara aliran air dengan dinding pipa. b.minor Losses, yaitu kehilangan tinggi tekan akibat bentuk geometri pipa, misalnya : Penyempitan penampang pipa Pembesaran penampang pipa Tikungan pipa Sambungan pipa. perubahan 2.2. Tujuan Percobaan Tujuan percobaan adalah untuk mengetahui besamya kehilangan tinggi tckan akibat: a. Gesekan pada pipa (lurus) b. Perubahan bentuk geometri ekspansi, kontraksi, tikungan p1pa katup. dan 2.3. Peralatan Percobaan Peralatan pcrcobaan yang digunakan pada tata pipa berlobang kecil ini terdiri dari susunan pipa dengan berbagai tipe dan bentuk sebagai berikut: V 1 :Katup sa luran pembuang tanki air. V 2 : Katup pengatur aliran masuk Penuntun Praktikum Hidrolika 8

10 V 3: Katup pembuangan udara V: Katup isolasi V 5: Katup kontrol aliran keluar (fine) V 6: Katup kontrol aliran keluar (coarse) V 7: Katup manometer 1. Pipa hcin 0 6 mm 2. Pipa licin 0 10 mm 3. Pipa kasar 4. Pipa licin mm 5. Pengecilan penampang tiba-tiba 6. Pembesaran penampang tiba-tiba 7. Katub bola 8. Elbow Sambungan "Y" Katub gerbang 11. Katub bulat 12. In-line Strainer 13. Elbow Bend 90!5. Sambungan T Tabung pitot static 17. Venturimeter 18. Orifismeter 19. Sampe1 pipa uji 20. Manometer air raksa 1 meter 21. Manometer air 1 meter 22. Tanki pengukur volume 23. Tanki penampung 24. Pompa service 25. Tabung lndikator 26. Switch Power 27. Skrup pengukur volume tanki Penuntun Praktikum Hidrolika 9

11 Penuntun Praktikum Hidrolika 10

12 28. Silinder pengukur 29. Katup pembuang 2.4. Teori Dasar dan Formula Kehilangan Tinggi Tekan Akibat Gesekan pada Pipa Lurus Gambar: Gradien hidraulik pada pipa Iurus Pada hakekatnya energi dalam saluran terbuka adalah tetap dengan anggapan, bahwa tidak ada energi yang hilang sepanjang saluran. Akan tetapi pada keadaan sebenarnya sulit diperoleh, hal ini disebabkan karena adanya gesekan antara air dengan dinding pipa yang menimbulkan gaya gesek dan energi tahanan. Untuk pipa lurus dengan diameter D yang tetap, kehilangan tinggi tekan akibat gesekan antara aliran dan dinding pipa sepanjang L adalah: D 2g Dimana: hl = kehilangan tinggi tekan akibat gesekan (m) f L D V = koefisien gesekan = panjang pipa (m) =diameter pipa (m) = kecepatan aliran (m/s) Penuntun Praktikum Hidrolika 11

13 g = pcrcepatan grafitasi (m/s 2 ) Persamaan di atas dikenal dengan nama persamaan Darcy- Weisbach, dimana f adalah konstanta yang tidak berdimensi yang merupakan fungsi dari bilangan Reynolds (Re) dari aliran dan kekasaran permukaan dalam pipa Perbedaan Tinggi Tekan Akibat Ekspansi Tiba-tiba Pada bagian ini tinggi tekan akan dianalisa akibat pelebaran dari saluran secara tiba-tiba. Dimana kondisinya ada dua kemungkinan yakni; dengan kehilangan tinggi tekan dan tanpa kehilangan tinggi tekan. a.dengan kehilangan tinggi tekan ( he :t: 0 ) Penuntun Praktikum Hidrolika 12

14 dimana: Pt = tekanan pada piezometer l P2 = tekanan pada piezometer 2 Yt = kecepatan pada titik tinjau 1 D1 = diameter pipa pada titik tinjau 1 D2 = diameter pipa pada titik tinjau 2 g = percepatan gravitasi Y = specific gravity Perbedaan Tinggi Tekan Akibat Kontraksi Tiba-tiba Penuntun Praktikum Hidrolika 13

15 b. Tanpa kehilangan tinggi tekan (He= 0) :. -2, Gambar : Garis energi pada pipa kontraksi tiba-tiba dengan he= 0 dimana: 2 1 P 1 = tekanan pada piezometer 1 P2 = tekanan pada piezometer V 1 = kecepatan pada titik tinjau 1 D 1 = diameter pipa pada titik tinjau 1 02 = diameter pipa pada titik tinjau 2 g = percepatan gravitasi Cc =koefisien kontraksi y = specific gravity Penuntun Praktikum Hidrolika 14

16 Kehilangan Tinggi Tekan Akibat Tikungan pada Pipa Kehilangan tinggi tekan yang timbul pada aliran dalam pipa akibat tikungan dibedakan atas dua macam : a. Kehilangan tinggi tekan akibat perubahan geometri pipa (htb ) dengan koefisien kehilangan tinggi tekan K8. b. Kehilangan tinggi tekan akibat perubahan geometri pipa dan gesekan pacta tikungan lingkaran (hll) dengan koefisien kehilangan tinggi tekan K1.. Secara umum rumus kehilangan energi : dimana: ht = kehilangan energi akibat tikungan K = koefisien kehilangan tinggi tekan g = percepatan gravitasi V = k.ecepatan aliran Kehilangan tinggi tekan total akibat gsekan dalam pipa ditikungan dan sepanjang pipa yang diamati : h,. = hul + hr dimana: ht 8= kehilangan tinggi tekan akibat perubahan geometris ptpa yang diamati (sama dengan hr pacta pipa lurus) hr = kehilangan tinggi tekan akibat gesekan pacta pipa yang diamati. Koefisien Kehilangan Tinggi Tekan Akibat Tikungan Dari rumus umum diatas maka dapat diperoleh hubungan: a. Koefisien kehilangan tinggi tekan akibat perubahan geometri pipa (tikungan) (K B) dapat dinyatakan dalam bentuk: Penuntun Praktikum Hidrolika 15

17 Kehilangan Tinggi Tekan Akibat Tikungan pada Pipa Kehilangan tinggi tekan yang timbul pacta aliran dalam pipa akibat tikungan dibedakan atas dua macam : a. Kehilangan tinggi tekan akibat perubahan geometri pipa (hls ) dengan koefisien kehilangan tinggi tekan K 8. b. Kehilangan tinggi tekan akibat perubahan geometri pipa dan gesekan pacta tikungan lingkaran (hld dengan koefisien kehilangan tinggi tekan KL. Secara umum rumus kehilangan energi : dimana: h K g V = kehilangan energi akibat tikungan = koefisien kehilangan tinggi tekan = percepatan gravitasi = kecepatan ali ran Kehilangan tinggi tekan total akibat gsekan dalam pipa ditikungan sepanjang pipa yang diamati : dan ht = hlb +hi" dimana: ht8 = kehilangan tinggi tekan akibat perubahan geometris ptpa yang diamati (sama dengan hr pada pipa lurus) hr = kehilangan tinggi tekan akibat gesekan pacta pipa yang diamati. Koefisien Kehilangan Tinggi Tekan Akibat Tikungan Dari rumus umum diatas maka dapat diperoleh hubungan : a. Koefisien kehilangan tinggi tekan akibat perubahan geometri pipa (tikungan) (K n) dapat dinyatakan dalam bentuk: Penuntun Praktikum Hidrolika 16

18 b. Koefisien kehilangan tinggi tekan akibat perubahan geometri pipa (tikungan) dan gesekan (KL) pada tikungan pipa dapat dinyatakan dalam bentuk : dimana: R =jari-jari tikungan L = panjang lintasan 2.5. Prosedur Percobaan a. Pada saat tidak ada aliran ketinggian catran dalam piezometer dikalibrasi agar sama tinggi. b. Mengalirkan air ke sirkuit dengan bukaan maksimum. c. Baca dan ukur ketinggian zat cair pada manometer. d. Atur bukaan sirkuit, minimal 5 kali percobaan untuk setiap pemantauan Prosedur Perhitungan a. Hitungan besar debit b. Kehilangan tinggi tekan akibat gesekan pada pipa lurus 1. Hitung h1(selisih bacaan piezometer), yaitu kehilangan tinggi tekan akibat gesekan pada pipa lurus. 2. Hitung besamya bilangan Reynolds (Re) 3. Hitung besarnya koefisien gesek menurut Balssius 4. Hitung besarnya koefisien gesek menurut Darcy-Weiscbach c. Kehilangan tinggi tekan akibat ekspansi tiba-tiba I. Hitung kecepatan pada titik tinjau 2. Hitung perbedaan tinggi hasil pengukuran 3. Hitung perbedaan tinggi tekan hasil perhitungan dengan adanya kehilangan tinggi tekan (hl 10) Penuntun Praktikum Hidrolika 17

19 4. Hitung perbedaan tinggi tekan hasil perhitungan tanpa adanya kehilangan tinggi tekan (hl=o). d. Kehilangan tinggi tekan akibat kontraksi tiba-tiba l.hitung kecepatan pada titik tinjau 2.Hitung perbedaan tinggi tekan hasil pengukuran 3.Cari harga koefisien kontraksi (Cc) 4.Hitung perbedaan tinggi tekan hasil perhitungan dengan adanya kehilangan tinggi tekan 5.Hitung perbedaan tinggi tekan hasil perhitungan tanpa adanya kehilangan tinggi tekan (hl=o). e. Kehilangan tinggi tekan akibat tikungan: 1. Hitung kecepatan aliran (V) pada tikungan 2. Hitung bilangan Reynolds (Re) 3. Hitung koefisien gesek (f) rnenurut Balssius 4. Hitung kehilangan tinggi tekan total h T (dari selisih bacaan manometer) 5. Hitung kehilangan tinggi tekan akibat gesekan (hf) 6. Hitung kehilangan tinggi tekan akibat perubahan geometri yaitu hlb 7. Hitung K Hitung KL 2.7 Lembar Pengamatan Data Pcrhitungan seluruh tahapan percobaan dilakukan dengan rnemberikan satu ccntoh perhitungan dan penggunaan urnus tersebut dari setiap objek percobaan, kemudian perhitungan dilakukan secara tabelaris sesuai dengan data pengamatan. 2.8 Grafik dan Kesimpulan Penuntun Praktikum Hidrolika 18

20 2.8.1 Gambar dan Grafik Buat Grafik : 1. Log hfvs log Q (untuk percobaan pipa lurus) 2. f vs Re (buat untuk f blassius dan fdarcy-weisbach (untuk percobaan pipa lurus). 3. Dengan menggunakan diagram mody cari harga kekasaran relatif dari pipa tersebut (t::/d). (untuk percobaan pipa lurus). 4. Perbedaan tinggi tekan: Perhitungan vs pengukuran akibat ekspansi tiba- tiba dan akibat kontraksi tiba-tiba (dengan adanya kehilangan tinggi tekan. dan tanpa kehilangan tinggi tekan, cantumkanlah kondisi ideal) 5. Untuk tikungan: k vs RID (cantumkan kurva untuk KB dan KL dalam satu grafik) Analisa Graf!k dan Kesimpulan Buatlah uraian tentang hasil dari analisa grafik pada sub Bab diatas dan b rdasarkan gambar grafik serta analisa grafik tersebut buatlah suatu kesimpulan secara singkat dan terperinci. Penuntun Praktikum Hidrolika 19

21 DATA PERCOBAAN OSBORNE REYNOLDS No t1 (dt) t2 (dt) 13 (dt) 1 ratarata (d ) Volum e ( l Temperatu r (o Jenis Aliran Penuntun Praktikum Hidrolika 20

22 Penuntun Praktikum Hidrolika 21

23 Penuntun Praktikum Hidrolika 22

24 Penuntun Praktikum Hidrolika 23

25 Penuntun Praktikum Hidrolika 24

26 Penuntun Praktikum Hidrolika 25