BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang
Pengukuran aliran fluida sangat penting dalam berbagai ragam penerapan, mulai dari pengukuran laju aliran darah di dalam pembuluh darah manusia sampai kepada pengukuran aliran oksigen cair di dalam roket.. banyak proses penelitian dan proses industri yang bergantung pada pengukuran aliran fluida untuk mendapatkan data-data penting untuk analisa. Dalam hal-hal tertentu, pengukuran aliran memerlukan ketepatan yang sangat tinggi, sedang dalam hal-hal lain mungkin pengukuran kasar saja sudah memadai. Pemilihan instrumen yang tepat untuk sesuatu penerapan tertentu bergantung pada berbagai variabel, termasuk diantaranya biaya. Pada berbagai operasi industri ketelitian pengukuran aliran fluida berhubungan langsung dengan laba usaha. Contohnya yang sederhana iyalah pompa bensin yang kita kunjungi sehari-hari atau meter air di rumah. Tidaklah sulit memahami betapa suatu kesalahan kecildalam pengukuran aliran pada pipa minyak atau pipa gas ukuran besar dapat berarti pebedaan ribuan dolar pada suatu waktu tertentu. Demikianlah, bukan saja para ahli di laboratorium saja yang berkepentingan dengan pengukuran aliran yang teliti, para insinyur di industri pun sangat berminat tentang hal itu, disebabkan besarnya dampak pengukuran aliran terhadap laba-rugi perusahaan. Peranti pengukuran laju aliran biasanya memerlukan pengukuran tekanan dan suhu secara teliti untuk menghitung keluaran instrumen itu. Laju aliran dapat dinyatakan baik dalam satuan volume ataupun dalam satuan massa. Dalam bab ini kita akan memberikan pembahasan umum mengenai pengukuran aliran dan menunjukkan prinsip-prinsip operasi berbagai peranti yang umum digunakan. Akan kita berikan pula metode-metode perhitungan yang berhubungan dengan beberapa diantara peranti itu dan akan kita bahas pula metode visualisasi aliran. B. Rumusan Masalah
1. Apa yang dimaksud metode anjakan positif? 2. Bagaimana metode rintangan aliran? 3. Bagaimana tijauan praktis tentang meter rintangan?
4. Apa itu nosel sonik? 5. Bagaimana pengukuran aliran dengan efek seret? 6. Bagaimana cara kerja anemometer kawat panas dan anemometer film panas? 7. Bagaimana cara kerja meter aliran magnetik? 8. Bagaimana metode-metode visualisasi aliran? 9. Apa itu shadowgraph? 10. Apa itu schlieren? 11. Apa itu interferometer? 12. Bagaimana prinsip kerja doppler loser (LDA)? 13. Apa itu metode asap? 14. Apa itu kuat tekanan? 15. Bagaimana tekanan dampak dalam aliran supersonik?
BAB II PEMBAHASAN
A. Metode Anjakan Positif
Laju aliran zat cair yang tak mudah menguap, seperti air umpamanya, dapat diukur dengan teknik penimbangan langsung, dimana bobot zat cair yang dikumpulkan diukur dengan teliti. Laju aliran rerata (average) lalu dapat dihitung dengan mudah. Ketelitian itu dapat ditingkatkan lagi dengan menggunakan waktu interval yang lebih lama atau lebih teliti., ataupun dengan penimbangan yang lebih tepat. Teknik penimbangan langsung biasa digunakan untuk kalibrasi meter aliran air atau zat cair lain, dan karena itu dapat dianggap sebagai suatu teknik kalibrasi yang standar. Metode ini tentu tidak cocok untuk pengukuran aliran transien. Meter aliran anjakan positif ( positoive displacement flowmeter) pada umunya dipakai dalam penerapan yang memerlukan ketelitian tinggi pada kondisi aliran stedi (tunak). Contoh peranti anjakan positif ini ialah meter air rumah tangga, yang skemanya terlihat pada Gambar II.1.
Gambar II.1 Skema meter piring-angguk Meter ini bekerja dengan prinsip pring-angguk (nutating-disk). Air masuk pada bagian kiri meter itu dan menekan piring yang terpasang secara eksentrik. Agar zat cair dapat mengalir melalui meter itu, pring itu harus menganggukngangguk di seputar sumbu vertikal karena bagian atas dan bagian bawah piring selalu dalam kontak dengan ruang tempat piring itu terpasang. Ruang masuk dan keluar piring itu terpisah oleh suatu dinding sekat . volume zat cair yang mengalir melalui meter itu terlihat dari jumlah anggukan piring. Penunjukan aliran
volumetrik diberikan melalui suatu sususnan roda gigi dan pencatat yang dihubungkan dengan pring angguk. Meter piring angguka dapat digunakan untuk pengukuran aliran dengan ketelitian 1 persen. B. Metode Rintangan Aliran
Beberapa jenis meter aliran termasuk dalam kategori peranti rintangan atau obstruksi (obstruction device). Peranti demikian sering disebut meter tinggi tekan (head meter) karena disini dsebagai petunjuk tentang laju aliran digunakan pengukuran kehilangan tinggi (head loss) atau penurunan tekanan (pressure drop). Sekarang baiklah kita tinjau beberapa persamaan umum mengenai meter rintangan.
Gambar II.2 Skema aliransatu dimensi Perhatikan sistem aliran satu dimensi seerti terlihan pada gambar II.2. hubungan kontinuitas untuk situasi ini adalah: m = ρ1 A1u1 = ρ2 A2u2
(2.1)
dimana u ialah kecepatan. Jika aliran itu adiabatik atau tanpa gesek (frictionless) dan fluida itu tak mampu mampat (incompressible), maka persamaan bernoulli yang kita kenal dapat kita tuliskan, p1 / ρ1 + u12 /2g c = p2 / ρ2 + u22 /2g c
(2.2)
dimana sekarang ρ1 = ρ2. Bila persamaan (2.1) dan (2.2) diselesaikan secara serentak kita dapatkan sebagai penurunan tekanan, p1 - p2 = u22 ρ /2g c [1- (A1 A2 )2 ]
(2.3)
dan laju alira volumetrik dapat kita tuliskan, Q = A2U 2 = A2 / √1 (2/1) 2 √ 2 / 2 (1 2) Dimana Q = ft3/s atau m3/s A = ft2 atau m2 ρ = lbm/ ft3 atau kg/m3 p = lbf/ft2 atau N/m2
(2.4)
gc = 32,17 lbm . ft/lbf . s 2 atau 1,0 kg . m/N . s 2 jadi, kita lihat bahwa saluran seperti pada Gambar II.2 dapat kita gunakan untuk pengukuran aliran, dimana kta hanya perlu mengukur penurunan tekanan (p 1 – p 2) dan lalu menghitung aliran dari persamaan (2.4). namun tidak ada saluran demikian yang tanpa gesek sama sekali, dan selalu saja ada kehilangan tekanan dalam aliran itu. Laju aliran volumetrik yang dihitung dari persamaan (2.4) ialah nilai ideal , dan biasanya behubungan dengan laju aliran nyata dan suatu koefisien buang C oleh hubungan sebagai berikut. Qnyata/Qideal = C
(2.5)
Pada gambar II.3 terlihat tiga macam meter rintangan. Jenis venturi mempunyai keunggulan dalam ketelitiannya yang tinggi dan penurunan tekanannya yang kecil, akan tetapi dari segi biaya orifi s (orifice) jauh lebih murah. Baik nosel aliran (flow aliran) maupun orifis mempunyai penurunan tekanan permanen yang relatif tinggi. Perhitungan laju aliran untuk ketiga jenis peranti dapat dilakukan atas dasar persamaan (2.4) dengan menggunakan konstanta empirik yang didefinisikan sebagai berikut. M = faktor kecepatan masuk = 1/ √ 1 (2/1) 2
(2.6)
K = koefisien aliran = CM
(2.7)
β=
rasio diameter = d/D =
√ 2/1
(2.7)
dengan demikian kita mempunyai persamaan semiempirik berikut, yang secara konvensional berlaku untuk venturi, nosel atau orifis.
Venturi, aliran tak mampu mampat Qnyata = CMA2 √ 2/
√ 12
(2.8)
Nosel dan orifis, aliran tak mampu mampat Qnyata = KA2
√ 2/ √ 12
Dimana, Q = laju aliran volume, ft3/s atau m3/s A = luas, ft2 atau m2 gc = 32,17 lbm . ft/lbf . s 2 atau 1,0 kg . m/N . s 2 ρ =densitas, lbm/ ft3 atau kg/m3 p = tekanan, lbf/ft2 atau N/m2
(2.9)
C. Tinjauan Praktis Tentang Meter Rintangan
Konstruksi meter rintangan sudah dibakukan oleh American of mechanical engineers. Bagian-bagian tabung venturi yang disarankan terlihat pada gambar II.3. perhatikan bahwa titik pengambilan tekanan dihubungkan dengan manipol atau bahulipat yang mengelilingi bagian hulu dan bagian leher tabung itu. Manipol ini menerima cuplikan tekanan dari sekeliling bagian itu sehingga di dapatkan nilai rata-rata. Nilai-nilai yang lebih tepat untuk venturi bisa didapatkan dengan jalan kalibrasi langsung, dalam hal ini ketelitian +-0,5 % dapat dengan mudah dicapai.
Gambar II.3 Perbandingan ukuran-ukuran yang disarankan untuk tabung venturi. D. Nosel Sonik
Meter rintangan yang dibahas di atas dpat digunakan untuk gas. Bila laju aliran cukup tinggi, diferensial tekanan menjadi sangat besar dan akhirnya kita akan mendapat kondisi aliran sonik (sonic flow) pada luas aliran minimum. Pada kondisi ini aliran kita katakan ‘tercekik’ (‘choked’) , dan laju aliran mencapai nilai maksimumnya pada kondisi masuk tertentu. Untuk gas ideal dengan kalor spesifik konstan dapat dibuktikan bahwa rasio tekanan untuk kondisi cekik tersebut, andaikan aliran isentropik, ialah:
(p1/p2)kritis = (2/γ + 1)γ/(γ-1)
(2.10)
Rasio ini dinamakan rasio tekanan kritis (critical pressure ratio). E. Pengukuran Aliran Dengan Efek Seret
Rotameter merupakan peranti pengukuran aliran lang palim lazim dipakai, skemanya terlihat pada Gambar II.4.
Gambar II.4 Skema Rotameter Aliran masuk melalui bagian bawah tabung vertiksl tirus (tapered) dan menyebabkan bob atau ‘apung’ (float ) bergerak ke atas. Bob itu akan naik ke dalam tabung sampai pada titik di mana gaya seret (drag force) seimbang dengan gaya bobot dan gaya apung ( buoyancy). Posisi bob didalam tabung lalu diambil sebagai penunjuk laju aliran. Peranti ini kadang dinamakan area meter karena letak ketinggisn bob itu bergantung pada luas bidang anulus di antara bob dengan tabung gelas tirus itu, akan tetapi meter itu sesungguhnya beroperasi atas dasar prinsip fisik seret, dan karena itu meter ini kita masukkan dalam kategori ini. F. Anemometer Kawat-Panas Dan Anemometer Film-Panas
Anemometer kawat-panas (hot wire anemometer) iyalah suatu peranti yang banyak digunakan dalam penelitian untuk mempelajari aliran yang berubah cepat. Sebuah kawat halus yang dipanaskan dengan listrik ditempatkan di dalam arus
aliran, dan karya king menunjukkan bahwa laju perpindahan kalor dari kawat iti dinyatakan dalam bentuk: q = (a + bu 0,5 )(T w - T ∞ )
(2.11)
dimana Tw = suhu kawat T∞ = suhu arus beban fluida itu u = kecepatan fluida a,b = konstanta yang di dapatkan dari kalibrasi peranti it u Pada waktu pengukuran, kawat panas itu dihubungkan dengan rangkaian jembatan seperti pada gambar II.5.
Gambar II.5 Skema rangkaian pengukur aliran kawat panas Arus ditentukan dengan mengukur penurunan tegangan melintas tahanan standar R s, dan tahana kawat ditentukan dari rangkaian jembatan. Untuk pengukuran keadaan stedi boleh digunakan kondisi nol, sedang untuk pengukuran transien dapat digunakan keluaran osolograf. Jika i dan R w telah ditentukan, kecepatan aliran dapat dihitung dengan persamaan (2.11). Kuar (probe) kawat panas banyak digunakan untuk pengukuran aliran transie, lebih-lebih pengukuran fluktuasi turbulen. Konstanta waktu 1 ms bisa di dapatkan dengan kawat platina atau wolfram dengan diameter 0,0001 in, beroperasi di dalam udara. Bila kawat panas digunakan untuk pengukuran pola aliran yang berubah cepat, respon transien daripada tahanan termal dan tahanan listrik kawat itu harus diperhitungkan semuanya. Ada dua jenis kompensasi listrik yang digunakan dalam praktek: (1) susunan arus tetap, dimana suatu tahanan besar dihubungkan secar seri dengan kawat panas itu, dan rangkaian kompensasi termal dihubungkan dengan teegangan arus bolak balik keluaran, dan (2) susunan suhu tetap, dimana
rangkaian kendali arus bolak balik ditambahkan untuk mengubah-ubah aru sehingga suhu kawat hampir konstan selalu. Respon kawat itu bergantung pada suhu
yang
dibuat
kecepatan
aliran
dengan
poros
kawat
dan
untuk
memprhitungkan efek ini sudah ada teknik yang dikembangkan. Rasio panjang dan diameter kawat (L/d) penting pula pengaruhnya pada prestasi kerja pengukuran. L/d mempunyai kira-kira 50 untuk kawat panas yang khas. Modifikasi metode kawat panas menyangkut penggunaan silinder-isolasi kecil yang dilapisi dengan film logam tipis. Peranti ini di sebut kuar film panas (hot-film probe) dan contoh skema kuar (tidak menurut skala) dutunjukkan pada gambar II.6.
Gambar II.6 Konstruksi kuar film-panas khas Unsur-unsur kuar yang ditunjukkan dalam gambar di atas, yaitu: a.Kaki logam pemegang pengindra, yang berfungsi sebagai terminal listrik. b.Lapisan epoksi c.Ikatan emas untuk penghubung-penghubung listrik dan mekanik d.Lapisan emas sepuh listrik, tebal kira- kira 5 µm e.Tabung gelas, diameter kira-kira 25-100 µm Kuar film panas sangat peka terhadap turun naiknya kecepatan fluida dan sudah digunakan untuk pengukuran yang menyangkut frekuensi tinggi sampai 50.000 Hz. Untuk pengukuran seperti itu, diperlukan instrumentasi elektronik yamg canggih. G. Meter-Aliran Magnetik
Perhatikan aliran suatu fluida yang bersifat menghantar melalui medan magnet seperti terlihat pada Gambar II.7.
Gambar II.7 Aliran fluida penghantar melalui medan magnet Oleh karena fluida itu merupakan suatu konduktor yang bergerak di dalam medan, akan terjadilah tegangan induksi sesuai dengan, E = Blu x 10-8 V
(2.12)
Dimana, B = densitas fluks magnet, gauss U = kecepatan konduktor, cm/s L = panjang konduktor, cm Panjang konduktor sebanding dengan diameter tabung dan kecepatannya sebanding dengan kecepatan aliran purata. Tegangan induksi dideteksi dengan dua buah elektrode, dan dapat dianggap sebagai petunjuk langsung mengenai kecepatan aliran. Ada dua jenis meter-aliran magnetik yang dipergunakan secara komersial. Jenis pertama menggunakan pelapis pipa yang bersifat tak menghantar dan digunakan untuk fluida berkonduktivitas rendah, seperti air. Elektrodenya dipasang sedemikian rupa sehingga rata dengan pelapis tak menghantar itu dan bersentuhan dengan fluida. Meter ini biasa menggunakan medan magnet bolak balik karena kluarannya rendah dan memerlukan penguatan. Meter aliran jenis kedua iyalah digunakan untuk fluida berkonduktivitas tinggi terutama logam cair. Dlam hal ini digunakan pipa besi anti karat dengan elektrode yang dipasang langsung dengan elektrode yang dipasang langsung di luar pipa dan berhadapan secara diametris satu sama lain. Keluaran meter jenis ini sangat tinggi sehungga dapat digunakan untuk memberikan bacaan langsung. H. Metode-Metode Visualisasi Aliran
Visualisasi aliran dengan cara-cara optik memberikan keuntungan bahwa bila hal itu dilaksanakan dengan baik, tidak terjadi perubahan arus aliran, dan
dengan demikian merupakan suatu alat tambahan bagi para pelaku eksperimen, untuk digunakan bersama peranti pengukuran lainnya. Perhatikan medan aliran gas dalam gambar II.8.
Gambar II.8 Evek optik dasar yang digunakan untuk visualisasi aliran Aliran itu tegak lurus terhadap gambar itu, artinya dalam arah z. Akibat adanya gradien atau landaian densitas, bekas sinar yang masuk dibelokkan menurut sudut ɛ. Dapat dibuktikan bahwa sudut defleksi bila gradien densitas kecil ialah: ɛ = L/n1 (dn/dy) y=y1 = Lβ/ρ s (dρ/dy) y=y1
(2.13)
diman L ialah lebar medan aliran, ρ densitas fluida setempat, ρs densitas rujukan yang biasanya diambil pada kondisi standar dan n indeks refraksi. I. Shadowgraph
Teknik bayangan merupakan suatu metode untuk melihat fenomena aliran secara langsung. Bayangan suatu medan aliran seperti pada Gambar II.9 dengan landaian densitas pada arah y.
Gambar II.9 Peranti visualisasi aliran shadowgraph Berkas cahaya sejajar masuk bagian uji seperti pada gambar. Dalam daerah dimana tidak terdapat gradien densitas, berkas cahaya itu akan berjalan lurus melalui bagian uji atanpa ada defleksi (pembelokan). Untuk bagian-bagian dimana terdapat landaian, berkas itu akan mengalami defleksi. Efek akhirnya ialh bahwa berkas itu akan bergabung-gabung setelah meninggalkan bagian uji dan membentuk bagian-bagian tereang dan gelap. Penerangan (iluminasi) bergantung pada defleksi relatif (relative deflection) berkas cahaya itu, dɛ/dy, dan karena itu pada d2ρ/dy2. Penerangan pada layar yang diletakkan di luar bagian uji, oleh karena itu, bergantung pada turunan kedua densitas pada titik itu. Shadowgraph ialh suatu alat optik yang sangat sederhana dan efeknya terlihat pada berbagai fenomena sehari-hari dengsn mata telanjang dan penerangan kamar. Lapisan-batas konveksi-bebas. Diatas plat panas tungku listrik horizontal jelas terlihaat bila dilihat dari samping. Fenomena ini jelas kelihatan karena gradien densitas yang terjadi karena pemanasan udara di dekat permukaan panas. Pemotretan bayangan yang tidak dapat digukan untuk mengevaluasi densitas lokal, akan tetapi shadowgraph sangat bermanfaat untuk melihat daerah aliran turbulen, dan metode ini dapat digunakan untuk mendapatkan lokasi gelombang kejutan dengan ketepatan tinggi.
J. Schlieren
Gambar II.10 (a) Skema visualisasi aliran dengan schlieren, (b) perincian mata pisau jika densitas pad bagian uji seragam sama sekali, berkas halus cahaya terlihat pada Gambar II.10, berkas halus yang berasal dari c mengalami defleksi yang sama seperti bekas yang berasal dari d. Hal ini sesuai dengan pengamatan bahwa semua berkas halus yang berasl dari bidang cd mengisi penuh bidang bayangan b’a’. Sekarang perahtikan efek daripada suatu rintagan yang ditempatkan pada bidang b’a’ dalam kondisi ini. Kita daapat langsung menyimpulkan bahwa rintangan itu akan menyebabkan layar berkurang terang dengan suatu faktor yang sebanding dengan luas bidang yang dipotong b’a’. Umpamakan bahwa terdapat gradien densitas pada bagian uji bidang fokus cd. Hal ini berarti bahwa semua berkas halus cahaya yang berasal dari bidang ini tidak lagi akan mengisi penuh bidang bayangan b’a’. Jika, sekarang, kita tempatkan suatu rintangan pada bidang b’a’, rintangan itu akan memotong sinar yang berasal dari tempat-tempat tertentu lebih daripada dari tempat yang lain, sehingga menimbulkan bagian-bagian terang dan gelap pada layar pada bidang 3. Rintangan itu disebut mata pisau (knife edge), dan variasi iluminasi yang terjadi pada layar disebut efek schlieren (schlieren effect).
K. Interferometer
Interferometer Mach-Zehnder adalah instrumen presisi dengan ketepatan tinggi yang digunakan untuk visualisasi aliran. Perhatikan skema pada Gambar II.11.
Gambar II.11 Skema interferometer Mach-Zhender Sumber cahaya dikolimasi melalui lensa L1 ke plat pembelah S1. Plat ini memungkinkan separuh dari cahaya itu di transmisi ke cermin M 2, sedang yang separuh lagi dipantulkan ke cermin M 1. Berkas 1 lewat melalui bagian uji, sedang berkas 2 menempuh lintas lain yang hampir sama panjangnya. Kedua berkas itu disatukan lagi dengan bantuan plat pembelah S 2 dan akhirnya difokuskan pada layar. Sekarnag jika kedua berkas itu menempuh lintas yang tidak sama panjang optiknya., baik karena geometri sistem ataupun karena sifat refraksi unsur-unsur pada lintas optik itu, kedua berkas itu akan berbeda fase satu sama lain dan akan terjadi interferensi pada waktu keduanya bergabung kembali pada S 2. Akan terjadi bagian-bagian terang dan gelap yang disebut jumbai (fringe). Banyaknya jumbai itu merupakan fungsi dari perbedaan panjang lintas optikkedua berkas, jika perbedaan panjang lintas itu satu panjang gelombang akan terdapat satu jumbai dan demikian seterusnya. Interferometer digunakan untuk mendapatkan pengukuran langsung variasi densitas dalam bagian uji. Jika dnsitas dalam bagian uji (yaitu
berkas 1)
berbeda dari berkas 2 maka akan terjadi perubahan dalam sifat-sifat refraksi medium fluida itu. Jika medium dalam medium uji mempunyai sifat-sifat optik yang sma dengan medium dalamberkas 2, tidak akan ada pergeseran jumbai yang
terjadi, kecuali yang disebabkan oleh susunan geometri alat itu. Pergeseran jumbai ini dapat dinetralisasi dengan menggerakkan cermin dan plat pembelah dengan tepat. Selajutnya, penampilan jumbai-jumbai pada layar dapat dihubungkan langsung dengan perubahan densitas di dalam medan aliran yang trdapat di dalam bagian uji dengan menggunakan analisa berikut ini. Perubahan lintas optik di dalam bagian uji sebagai akibat perubahan indeks refraksi ialah: Δ L = L(n – n0 )
(2.14)
Dimana L ialah tebal medan aliran di dalam bagian uji. Perubahan lintas optik dapat dihubungkan dengan perubahan densitas gas oleh: ΔL =β L. ρ – ρo/ ρ s
(2.15)
Banyaknya pergeseran jumbai N lalu di berikan oleh: N = ΔL/λ = β L/λ. ρ – ρo/ ρ s
(2.16)
Dimana λ ialah panjang gelombang cahaya. Dalam persamaan (2.16) perlu dicatat bahwa ρ – ρo menunjukkan perubahan densitas dari kondisi tanpa. Interferometer
memberikan
indikasi
kuantitatif
langsung
mengenai
perubahan densitas dalam bagian uji, tetapi perubahan ini ditunjukkan sebagai nilai yang diintegrasikan di seluruh tebal medan aliran. Alat ini dpat digunakan jalam jangkau kondisi operasi yang luas mulai dari aliran kecepatan rendah (~30 cm/s) dalam lapisan-lapisan konveksi bebas sampai fenomena-fenomena gelombang-kejutan dalam aliran supersonik. Keterangan gambar-gambar irtu menjelaskan fenomena aliran. Karakteristik frekuensi beberapa sumber cahaya monokromatik khas telah kita berikan dalam tabel 5.1. raksa merupakan salah satu sumber yang biasa digunakan untuk pekerjaan dengan interverometer L. Anemometer Doppler Laser (LDA)
Salah satu skema yang mungkin digunakan untuk LDA terlihat pada Gambar II.12 (a).
Gambar II.12 (a) Skema sistem prngukuran aliran anemometer laser Berkas laser difokuskan pada suatu unsur volume kecil dalam aliran itu melalui lensa L1 agar peranti ini dapat berfungsi, aliran harus mengandung sesuatu jenis partikel kecil yang dapat menyebabkan penghambura (scatter ) cahaya, tetapi konsentrasi partikel yang diperlukan itu sangat kecil air keran biasa, umpamanya mengadung cukup banyak ketakmurnian yang dapat menyebabkan terhamburnya berkas cahaya masuk. Dua buah lensa lain, L2 dan L3, ditempatkan sedemikian rupa untuk menerima berkas laser yang melalui fluida itu (lensa L 3) dan bagian dari berkas yang dihamburkan dengan sudut
(lensa L2). Cahaya yang terhambur
itu mengalami pergeseran doppler (dopler shift ). Dalam frekuensi, yang berbanding lurus dengan kecepatan aliran. Bagian berkas yang tak terhambur diturunkan intensitasnya dengan penyaring ( filter) densitas yang netral dan digambungkan kembali dengan berkas yang terhambur melalui pembelah berkas. Peranti anemometer-laser harus dikonstruksi sedemikian rupa sehingga berkas langsung dan berkas hambur berjalan melalui lintas optik yang sama, sehingga pada tabung multiplikator foto ( photomultiplier ) akan terlihat adanya interferensi yang sebanding dengan geser frekuensi. Geser ini lalu memberikan indikasi mengenai kecepatan aliran. Untuk dapat mengambil kembali data kecepatan dari multiplikator foto, diperlukan teknik elektronik yang canggih untuk pengolahan sinyal. Untuk menetukan kecepatan dalam aliran laminar yang stedi, demikian juga kecepatan kurata dan intensitas keturbulenan dalam aliran turbulen, dapat digunakan penganalisa spektrum (spectrum analyzer).
Skema lain untuk penghamburan cahaya dan proses pengukuran terlihat pada Gambar II.12 (b) dan II.12 (c).
(b)
(c) Pada b berkasa laser dibelah diluar bagian uji dan kedua berkas itu dapat difokuskan benar-benar pada titk yang akan dikaji dalam medan aliran. Tingkat berfungsi sebagai perisai bagi cahaya hambur yang tidak koheren dan cahaya latar belakang sistem pada gambar 2.16 c merupakan modifikasi lanjut sistem dam memungkinkan [engaturan panjang lintas dengan mudah. Yang paling sering digunakan untuk pekerjaan LDA ialah laser He-Ne, walaupun laser ion argon memberikan keluaran berkas yang lebih kuat. Laser He-Ne beroperasi panjang gelombang 632,8 nm ( ~ 5 x 10 14 Hz) dengan lebar pita kira-kira 10 Hz walaupun geser dopler yang disebabkan oleh pemindahan pusat pusat tebaran itu kecil dibandingkan dengan lebar pita dan dapat dideteksi dengan teknik-teknik heterodyne. Dalam prosedur ini foto katode mencampur berkas bertebar dengan berkas rujukan untuk membangkitkan arus dengan frekuensi
sama dengan perbedaan frekuensi kedua berkas. Pengolahan elektronik memerlukan anaklisa spektrum arus multiplikator foto untuk menentukan frekuensi dopler, dan selanjunya kecepatan aliran. Bahwa LDA mengukur kecepatan partikel penebar sudah jelas. Jika partikel partikel itu cukup kecil, kecepatan gelincir (slip) anyata partikel dan fluida akan kecil, sehingga kita akan mendapat petunjuk yang memadai mengenai kecepatan fluida. Anemometer-laser yang mengukur lebih baik dari satu komponen kecepatan secara serentak telah dikembangkan, tetapi teknik-teknik pengolahan sinyal elektronik dan optik dapat menjadi sangan kompleks dan mahal. Walaupun demikian, teknik ini memberikan kemungkinan luar biasa untuk penelitian rinci tentang fenomena turbulen dan fenomena aliran lainnya yang tidak mungkin dilakukan dengan cara lain. M. Metoe Asap
Metode fisualisasi aliran yang sangat sederhana ialah dengan menggunakan suntikan runutan asap dalam arus gas untuk mengikuti garis-garis aliran. Metode ini pada dasarnya mempunyai penggunaan kualitatif karena pengukuran langsung sulit
dilaksanakan
kecuali
untuk
fenomena-fenomena
khusus
tertentu
Gambar II.13 menunjukkan suatu contoh sistem aliran dimana fisualisasi dengan asap digunakan untuk memeriksa hasil perhitungan analitik. Dalam hal ini, asap digunakan untuk melihat pola aliran yang rumit didalam saluran dimana terdapat aliran raksa bersama sama dengan gelombang bunyi yang ada.
Gambar II.13 Garis arus aliran untuk sistem dalam Agar garis-garis aliran asap itu dapat menunjukkan garis arus aliran, partikel-partikel asap itu harus sedemikian kecil massanya sehingga terbawa
bebas oleh kecaptan aliran. Asap yang berasal dari pembkaran kayu lapuk atau cerutu, sudah disaring, biasanya memadai untuk kajian asap ini, demikian pula asap kimia dari titanium tetra clorida. Ketika bereaksi dengan uap air diudara membentuk asam hidroklorida dan titanum oksida. Tetapi, zat yang tersebut terakhir diatas bersifat korosi terhadap banyak bahan yang digunakan untuk membuat bejana bahan bakar ini mempunyai suhu didih disekitar 530 oF (276oC), mengandung hidrokarbon minyak bumi dan biasnya didapatkan dari toko-toko yang menjual perlengkapan pentas. N. Kuar Tekanan
Kebanyakan penerapan dinamik fluida menyangkut pengukuran laju aliran total dengan satu atau beberapa metode yang dibahas dalam bagian bagian terdahulu. Pengukuran-pengukuran ini mengabaikan variasi setempat kecepatan dan tekanan didalam saluran aliran dan menunjukkan hanya aliran total memalui penampang tertentu. Dalam penerapan yang menyangkut situasi aliran diluar saluran, seperti pada pesawat terbang, atau hal-hal demikian, kedalam aliran itu perlu disisipkan kuar dalam (probe) untuk mengukur tekanan statik lokal dan tekanan stagnasi. Dari pengukuran pengukuran ini didapatlah dihitung kecepatan aliran total. Tekanan total untk stagnasi isentropik gas ideal diberikan oleh: − = ( 1 + + ∞2 )γ/(γ-1)
(2.17)
Dimana po adalah tekanan stagnasi, p∞ tekanan statik arus bebas, dan M ∞ angka Mach aru bebas, yang diberikan oleh, M ∞ = u∞ /a
(2.18)
a adalah kecepatn akustik yang dihitung dengan. a = √
(2.19)
unttuk gas ideal. Untuk memudahkan, persamaan (2.17) dapat dituliskan dengan menggunakan tekanan dinamik q yang didefinisikan oleh, q = ρu∞2 = γpM ∞2
(2.20)
Kuar tekanan total dasar dapat dibuat menurut berbagai cara seperti terlihat pada Gambar II.14. Dalam setiap hal bukan kura itu berorientasi ke arah yang sejajar benar dengan aliran bila kita memang ingin melakukan pengukuran
tekanan arus total. Jika kuar itu dimiringkan sehingga membuat sudut θ terhadap kecepatan arus bebas, akan terlihat tekanannya lebih rendah. Penurunan tekanan ini ditunjukkan dalam Gambar II.14.
Gambar II.14 Respon tekanan stagnasi berbagai kuar terhadapperubahan sudut rewang; (a) Tabung terbuka-ujung; (b) tabung saluran; (c) tabung bukaan bersudut; (d) tabung dengan orifis pada sisi Konfigurasi
a menunjukkan Tbung yang ujungnya terbuka yang
ditempatkan didalam aliran. Konfigurasi b tersebut disebut kuar berverisai ( shielde probe) dan terdiri dari tabung berbentuk venturi yang ditempatkan dalam aliran dengan tabung yang terbuka ujunya pada leher bagian itu, untuk mengidera tekanan stagnasi. Patut dicatat bahwa kuar ini kurang peka terhadap arah aliran. Konfigurasi c menunjukkan tabung yang terbuka ujung dengan bukaan mempunyai bentuk bersudut. Sudut itu kira kira 15 o, dan rasio diameter luar dan diameter dalam tabung itu kira-kira lima. Konfigurasi D menunjukkan tabung yang mempunyai sebuah lubang kecil yang dibuat pada sisinya, tegak lurus terhadap arah aliran. Kuar jenis ini, sebagaimana dapat diharapkan, paling peka terhadap perubahan sudut rewang ( yaw angel ). Pada Gambar II.14 juga terlihat sebagian dari kurva untuk kuar kiel yang konstruksinya serupa dengan konfigurasi b, kecuali bentuk venturinya lebih halus, seperti terlihat pada Gambar II.15. kuar kiel paling tidak peka terhadap sudut rewang.
Gambar II.15 Kuar kiel untuk pengukkuran tekanan stagnasi Pengukuran trkanan statik dalam arus aliran jauh lebih sulit dari pengukuran tekanan stagnasi kuar yang biasa dipakai untuk pengukuran tekanan statik dan tekanan stagnasi ialah tabung pitot (pitot tube) yang terlihat pada Gambar II.16. Bukaan di sebelah depan kuar itu mengindera tekanan statik. Pengukuran tekanan statik dengan peranti ini sangat bergantung pada jarak bukaan keliling itu dari bukaan ujung, serta juga dari sudut rewang.
Gambar II.16 Skema tabung pitot Gambar II.17 menunjukkan ketergantungan penunjukan tekanan statik pada jarak dari ujung depan kuar, baik untuk konfigurasi subsonik tumpul, maupun untuk konfigurasi supersonik bentuk kerucut. Untuk menghindarkan kondisi ini, lubang-lubang tekanan statik biasanya ditempatkaan paling sedikit 8 diameter ke arah hilir dari ujung depan kuar itu.
Gambar II.17 Variasi tekanan statik di sepanjang kar s tandar jenis subsonik dan supersonik Ketergantungan tekanan statik dan tekanan stagnasi pada sudut rewang untuk tabung pitot konvensional ditunjukkan pada Gambar II.18. peranti ini sangat peka terhadap arah aliran. Kuar pada Gambar II.16 kadang-kadang dinamakan tabung statik pitot karena mengukur baik tekanan statik maupun tekanan stagnasi.
Gambar II.18 Variasi tekanan statik, tekanan stagnasi dan tekanan dinamik dengan sudut rewang tabung pitot.
Gambar II.19 Karakteristik sudut rewang berbagai kuar tekanan satik
Karakteristik tekanan statik tiga jenis terlihat pada Gambar II.19 dan II.20 sebagai fungsi angka mach dan sudut rawang. Perlu dicatat bahwa baik baji (widge) maupun tabung prandtl menunjukkan nilai-nilai tekanan statik yang terlalu rendah, sedang kerucut menunjukkan nilai yang terlalu tinggi. Baju sedoikitnya peka terhadap sudut rewang.
Gambar II.20 Karakteristik angka Mach berbagai kuar tekanan statik Ketiga kuar itu mempunyai dua buah lubang tekanan statik yang terletak pada jarak 180o satu sama lain.
O. Tekanan Dampak Dalam Aliran Supersonik
Perhatikan kuar dampak (impact probe) yang terlihat pada Gambar II.21 yang di tempatkan di dalam arus beban aliran super sonik; artinya M 1 > 1.
Gambar II.21 Tabung dampak dalam aliarn supersonik Pada bagian depan kuar itu akan terbentuk gelombang kejutan seperti pada gambar, dan tekanan total yang diukur dengan kuar itu bukanlah tekanan total arrus bebas di depan gelombang kejutan. Akan tetapi tekanan dampak pada kuaar dapat dinyatakan dengan tekanan statik arus bebas dan angka Mach aarus bebas. Pernyataan yang dihasilkan ialah, = {[2γ/(γ +1)]M 12 – (γ – 1)/(γ +1)}1/(γ-1) / {[(γ+1)/2] M 12 }1/(γ-1)
(2.21)
Dimana p∞ ialah tekanan statik arus bebas dan p o2 merupakan tekanan dampak di belakang gelombang kejutan normal. Persamaan ini berlaku untuk angka Reynolds yang didasarkan atas diameter kuar yang lebih besar dari 400. Persamaaan (2.21) dinamakan rumus Pitot supersonik Rayleigh (Rayleigh supersonic Pitot formula). Kiat lihat bahwa untuk menentukan nilai angka mach kita perlu mempunyai suatu ukuran tentang tekanan statik arus bebas. Pengukuran ini dapat dilakukan dengan kuar khas yang dikalibrasi.
