MODUL PRAKTIKUM MEKANIKA FLUIDA

Transkripsi

1 MODUL PRAKTIKUM MEKANIKA FLUIDA LABORATORIUM TEKNIK SUMBERDAYA ALAM dan LINGKUNGAN JURUSAN KETEKNIKAN PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN UNIVERSITAS BRAWIJAYA MALANG 2013

2 MATERI I KALIBRASI SEKAT UKUR I. Pendahuluan Debit aliran fluida/air digunakan untuk mengetahui berapa volume dalam aliran tersebut persatuan waktu. Metode- metode yang digunakan untuk mengukur debit air saluran antara lain: 1. Berdasarkan Perbedaan Tekanan 2. Current Meter 3. Pelampung 4. Ambang Pelimpah Pada praktikum ini menggunakan Metode Ambang Pelimpah, menggunakan alat yang ada di laboratorium Teknik Tanah dan Air, jurusan Teknik Pertanian Unibraw. Pada alat tersebut digunakan sekat sekat yang berfungsi untuk membuat aliran yang konstan pada saat melalui sekat ukur (segi empat, segi tiga, dan trapesium), sehingga diperoleh tinggi muka air yang relative tetap. Debit aliran melalui sekat ukur secara umum dapat dinyatakan sebagai berikut: Q = k. (1.1) Dimana : k = konstanta dari ukuran dan bentuk sekat n = koefisien yang besarnya bergantung dari bentuk sekat Untuk mengkalibrasi sekat ukur diperlukan penentuan nilai k dan n k Sekat Segi Empat Sekat Segi Tiga (V90 ) Sekat Trapesium

3 n Apabila persamaan (1.1) dilogaritmakan maka diperoleh: Log Q = Log k Log h Dimana antara Log G dan Log h mempunyai hubungan linier. Oleh karena itu dengan mudah nilai k dan Log k dapat dihitung dengan rumus : n = dan Log k = Log Q n. Log h II. Tujuan Praktikum Tujuan dari praktikum ini adalah mengkalibrasi sekat ukur untuk penentuan debit aliran. III. Alat dan Bahan Saluran air Sekat ukur segitiga, segi empat, dan trapezium Penggaris Tangki penentu debit aliran Stopwatch IV. Cara Kerja a. Siapkan semua alat yang akan digunakan b. Pasang sekat ukur sesuai yang dikehendaki c. Alirkan air ke debit yang rendah d. Catat tinggi permukaan air dari bagian bawah sekat ukur e. Dalam waktu bersamaan hitung kenaikan permukaan air pada tangki penentu debit

4 f. Ulangi langkah (b) sampai (e) sebanyak lima kali dengan debit yang ditingkatkan g. Ulangi prosedur diatas dengan sekat ukur yang berbeda KALIBRASI SEKAT UKUR Data Pengamatan No Sekat Tinggi Tinggi Air h 1 (cm) h 2 (cm) Pair (bar) t (s). Sekat (cm) Sekat (cm) 1. Trapesium 2. Segitiga 3. Segiempat Keterangan : h 1 = Air Tumpahan Perhitungan h 2 = Tinggi Air Pada Sekat Tinggi Sekat A1 = ¼ d1 atau A2 = ¼ d2 dimana, A 1 = Luas Tabung Kecil (m 2 ) d 1 = Diameter Tabung Kecil (m) 0,008 m Tabel Perhitungan Untuk Sekat Trapesium, Segitiga dan Segiempat No. V (m3) Q (m3/s) Log Q h 2 Log h 2 Log Q * log (log h 2 ) h 2

5 Jumlah Rata-rata Keterangan : V = (A 1 -A 2 ). h 1 Q = V. t n = dan Log k = Log Q n * Log h 2 Perhitungan Teoritis : K = Q = k (h 2 ) n

6 MATERI II BOUYANCY I. Pendahuluan Menurut Archimides, besarnya tekanan ke atas fluida terhadap benda, ekuivalen dengan berat benda yang dipindahkan oleh fluida tersebut seperti terlihat pada gambar berikut: F A = =. g.( h1 h2 ). g. h a a.g. V = (Berat volume fluida yang dipindahkan) Sedangkan kerapatan massa dari fluida didasarkan pada rumus: m V (density fluida) dalam kg/m 3 atau g/cm 3

7 II. III. IV. Tujuan Praktikum - Untuk mempelajari tekanan ke atas fluida terhadap benda terapung - Untuk menentukan kerapatan (density) dari bermacam fluida Alat dan Bahan 1. Alat - Tangki atau wadah untuk menampung fluida - Gelas ukur dalam berbagai ukuran - Piknometer untuk mengukur density dari fluida - Timbangan digital 2. Bahan - Air - Bahan-bahan lain yang ditetapkan asisten Cara Kerja a. Menentukan tekanan ke atas fluida terhadap pengaruh benda - Timbang dan tentukan volume benda yang akan diamati - Isi tangki dengan air sampai mencapai batas maksimum - Tampung air yang tumpah dari tngki dan tentukan volumenya - Ulangi langkah diatas untuk jenis benda yang berbeda b. Menentukan density dari fluida - Timbang berat piknometer - Isi piknometer dengan air sampai penuh, kemudian timbang beratnya - Berat air dapat dihitung dari selisih antara berat piknometer plus air dikurang berat piknometer - Dari perbandingan antara berat air dengan volume air, maka didapat density dari air tersebut Nb: ulangi langkah diatas untuk jenis fluida lainnya.

8 BOUYANCY Data Hasil Pengamatan No Nama Benda Massa (kg) h 1 h 2 Keterangan : Diameter tabung kecil (d 1 ) = 0,008 m Diameter tabung besar (d 2 ) = 0,2 m Perhitungan a. Volume benda tenggelam = h 1. A 1 + h 1. A 2 b. Massa jenis benda, m V air c. Gaya apung (GA) = x g x V total d. Berat benda (W) = m x g e. Kerapatan relatif (KR) = m.g GA f. Berat besi yang ditambahkan Tomat tenggelam m. g V - BJ besi = x g besi - Volume besi yang ditambahkan w V tomat. + V besi. = ( h 2 (A 1 +A 2 ). g besi)tomat + ( airh 2 (A 1 + A 2 ) ) besi - Berat besi yang ditambahkan, w = BJ x V besi - Massa besi (m) = w/g - Volume air minimum besi untuk mengapung, V= air Gabus tenggelam tomat

9 . w - BJ besi = x g. g - Volume besi yang ditambahkan V tomat. + V besi. tomat = ( air h 2 (A 1 +A 2 ) )tomat + ( h 2 (A 1 + A 2 ) ) air besi - Berat besi yang ditambahkan, w = BJ x V besi - Massa besi (m) = w/g - Volume air minimum besi untuk mengapung, V= w. g besi Gabus plastic tenggelam - BJ besi = tomat x g - Volume besi yang ditambahkan m g V tomat. + V besi. besi = ( h 2 (A 1 +A 2 ) air)tomat + ( besi V airh 2 (A 1 + A 2 ) ) besi - Berat besi yang ditambahkan, w = BJ x V besi - Massa besi (m) = w/g m. g - Volume air minimum besi untuk mengapung, V= V besi

10 g. Density Data Hasil Percobaan No Berat fluida + piknometer Berat Fluida T(0C) Keterangan: Berat fluida = (berat fluida + piknometer) (berat piknometer) Data Hasil Perhitungan Jenis Fluida Berat fluida (kg) Volume Fluida (m 3 ) m/ v MATERI III

11 KEHILANGAN HEAD PADA BERBAGAI PERLAKUAN I. Pendahuluan Suatu zat cair dengan kekentalan tertentu, akan mengalami kehilangan tenaga pada saat zat cair tersebut mengalir dalam pipa. Kehilangan tenaga tersebut disebabkan oleh terjadinya gesekan antara zat cair dengan dinding pipa serta gesekan antara partikel-partikel fluida tersebut. Kehilangan tenaga tersebut berbanding langsung dengan tinggi kecepatan sehingga dirumuskan : h L = K L.(V 2 /2g).. (4.1) dimana : h L = tinggi tenaga yang hilang K L = koefisien kecepatan V 2 /2g = tinggi kecepatan (velocity head) Beberapa kehilangan tenaga ini antara lain : 1. Kehilangan tenaga pada pipa lurus dengan diameter konstan. Besarnya kehilangan tenaga yang terjadi akibat gesekan antara zat cair dengan dinding pipa, berbanding lurus dengan faktor gesekan f dan panjang pipa l, serta berbanding terbalik dengan diameter pipa d, sehingga dapat dituliskan : n L = f. (l/d). V 2 /2g (4.2) Sedangkan faktor gesekan tersebut tergantung pada besarnya bilangan Reynold dan kekasaran relative pada permukaan pipa. F = fungsi (Re, /d)......(4.3)

12 Hubungan antara Re dan Moody, seperti pada gambar 1. /d dengan f dapat dilihat pada diagram 2. Kehilangan tenaga pada pipa yang mengalami perubahan penampang. Beberapa perubahan penampang pipa dapat terjadi pada sambungan pipa dengan variasi : sambungan mengecil siku-siku (menyudut dan tanpa menyudut), sambungan membesar siku-siku (menyudut dan tanpa menyudut). Kehilangan tenaga yang terjadi pada perubahan penampang pipa yang berdiameter besar (d 1 ) ke pipa yang berdiameter kecil (d 2 ) pada sambungan siku-siku (tanpa menyudut) akan terjadi kontraksi, dengan koefisien kontraksi Cc tergantung pada nisbah A 2 /A 1 dan harga koefisien kehilangan K L dapat dilihat pada table 4.1. Tebel 4.1. : Besarnya Cc dan K L pada berbagai nisbah A 2 /A 1 A 2 /A 1 Cc K L 0,0 0,671 0,50 0,1 0,624 0,46 0,2 0,632 0,41 0,3 0,643 0,36 0,4 0,659 0,30 0,5 0,681 0,24 0,6 0,712 0,18 0,7 0,755 0,12 0,8 0,813 0,06 0,9 0,892 0,02 1,0 1,000 0,00

13 Gambar 1. Diagram MOODY Kehilangan tenaga yang terjadi pada perubahan penampang pipa yang berdiameter kecil (d 1 ) ke pipa berdiameter besar (d 2 ) pada sambungan sikusiku (tanpa membentuk sudut) adalah : h L = K L. (v 1 -v 2 ) 2 /2g... (4.4) Pada perubahan pipa dari pipa berdiameter kecil (d 1 ) ke pipa berdiameter besar (d 2 ) yang membentuk sudut, maka besarnya kehilangan tenaga dapat menggunakan persamaan 4.4 dengan nilai K L dapat dicari dari grafik pada gambar 2.

14 Untuk penyempitan yang berbentuk sudut, seperti pada gambar 3, dengan penyempitan yang mulus, maka besarnya kehilangan energy yang terjadi secara teknis dapat diabaikan. 3. Kehilangan tenaga pada belokan pipa

15 Apabila pipa dengan diameter d, mengalami belokan dengan sudut belok dan jari-jari pembelokan R, maka besarnya koefisien kehilangan K L dapat dicari dengan menggunakan gambar 3. Belokan yang membentuk sudut 90 0 secara kasar dapat menggunakan koefisien kehilangan K L sebesar 0,2 (lihat gambar 4.5) II. Tujuan Praktikum Tujuan praktikum ini adalah untuk mengetahui besarnya kehilangan head (head loses) pada aliran zat cair dalam pipa. III. Alat dan Bahan Rangkaian pipa Pompa Pipa kaca IV. Cara Kerja a. Periksa alat-alat yang akan dipakai, apakah sudah dalam keadaan siap b. Berikan power pada pompa listrik, bacalah besarnya kehilangan tenaga (head loses) dengan berbagai perlakuan pada perangkat alat yang telah terpasang c. Besarnya kehilangan tenaga (head loses) tersebut dicatat dan cocokkan dengan acuan yang telah ada. d. Bahaslah hasil pengamatan tersebut V. Tabel Pengamatan

16 No Perlakuan Kehilangan Head (mmhg) 1. Sambungan Mengecil Lurus (2 /1 ) 2. Sambungan Membesar Lurus (1 /2 ) 3. Sambungan Mengecil Menyudut (2 /1 ) 4. Sambungan Membesar Menyudut (1 /2 ) 5. Sprinkler Besar 6. Sprinkler Kecil 7. Belokan 90 0 (pipa 2 ) 8. Seluruh Rangkaian

17 KEHILANGAN TEKANAN PADA BERBAGAI PERLAKUAN Data Pengamatan No Perlakuan Sambungan Mengecil Lurus 2. Sambungan Membesar Lurus 3. Sambungan Mengecil Menyudut 4. Sambungan Membesar Menyudut 5. Sprinkler Besar 6. Sprinkler Kecil 7. Belokan 90 0 Total Piezometer Keterangan : P = 1330 Pa d 2 = 2,54 x 10-2 P = 1000 kg/m 3 g = 9,8 m/g 2 d 1 = 5,08 x cmhg = 13,56 x 10-2 m air Perhitungan

18

19

20 MATERI IV GESEKAN ALIRAN MELALUI PIPA

21 I. Pendahuluan Bilangan Reynold (Re) merupakan perbandingan antara inersia dan viskositas yang merupakan faktor alami dari aliran. Untuk kondisi normal, aliran, akan laminar untuk Re < 2000, turbulen untuk Re > 2500 dan transisi untuk 2000 < Re < Kehilangan head persatuan panjang dalam aliran laminar sebanding dengan kecepatannya dan dalam aliran turbulen sebanding dengan kuadrat kecepatannya. Jadi : = k. U n (2.1) dimana: U = Kecepatan aliran. n = 1 untuk aliran laminar, dan 2 untuk aliran turbulen. Apabila persamaan (2.1) di atas dilogaritmakan maka akan didapat persamaan sebagai berikut: Log.{ } = Log. K + n x Log. U Apabila diplotkan pada kertas grafik double log akan menghasilkan garis lurus untuk kedua keadaan tersebut, dengan kemiringan yang berbeda. Suatu aliran, baik itu aliran laminar atau turbulen kehilangan headnya adalah : hf = Dalam menentukan faktor gesekan (f), kita perlu mengukur kehilangan (hf), kecepatan (U), diameter pipa (d) dan jarak antara piezometer pada pipa (l). Diketahui bahwa : f =, untuk aliran laminar, dan f =, untuk aliran turbule. Bila diplotkan pada kertas grafik double log antar f dan Re kemiringan untuk aliran laminar dan turbulen masing-masing adalah sebesar -1 dan. II. Tujuan Praktikum

22 Tujuan praktikum ini adalah untuk mempelajari karakteristik aliran laminar dan aliran turbulen. III. Alat dan Bahan Peralatan yang digunakan pada praktikum ini adalah sejumlah pipa horizontal dengan diameter berbeda-beda. IV. Cara Kerja a. Sediakan peralatan yang dipergunakan. b. Pilih pipa yang sesuai dengan fluida yang dipakai untuk percobaan. c. Isi tangki A dengan fluida. d. Buka kran untuk menghasilkan kecepatan U tertentu. e. Dalam selang waktu tertentu amati dan catat beda tinggi fluida dalam piezometer serta naiknya muka air dalam tangki penentu debit B. f. Lakukan berulang-ulang sesuai dengan bukaan kran pada butir d dan e dengan bukaan kran yang bervariasi untuk mendapatkan U yang berbeda-beda. GESEKAN ALIRAN MELALUI PIPA

23 Data Pengamatan No. Waktu (s) H air raksa (cmhg) Volume (m3) Dst. Keterangan : µ = 1.002* 10-3 kg m/s L pipa = 8.05 m d pipa = 1.25* 10-2 m p air = 1000 kg/m 3 p Hg = 13.57* 10 3 kg/m3 Perhitungan 1. Debit (Q) Q = 2. Kecepatan Aliran (U) U = ; dimana A = π (d pipa ) 2 3. Gesekan dalam pipa (H f air) H f = { Hraksa - } 2 {0.2*( )} 4. Faktor gesekan (f) f = 5. Bilangan Reynolds (Re) Re = Tabel Perhitungan No. H Q V Log Hf f Log Re Hf/L Log Log

24 1. 2. Dst (cmhg) (m 3 /s) (m 3 ) U (air) f Hf/L Re Tabel Regresi Linier Log V dan Log Hf/L No. Log V (X) Log H f /L (Y) X 2 X*Y Dst Jumlah Rata2 Tabel regresi Linier Log f dan Log Re No. Log V (X) Log Re (Y) X 2 X*Y Dst Jumlah Rata2 Keterangan : b = a = Y = a*x + b