Aliran laminar terjadi ketika partikel dalam fluida bergerak ke satu arah dengan sedikit atau tanpa gerakan yang tegak lurus terhadap arah aliran. Sebaliknya, aliran turbulen terjadi ketika partikel fluida bergerak tegak lurus terhadap arah aliran, biasanya membentuk pusaran yang disebut eddies. Karakteristik fluida, seperti laju aliran, densitas, dan viskositas, serta bentuk geometris objek yang dilalui fluida, menentukan kapan aliran beralih dari laminar ke turbulen dan seberapa kacau kondisi aliran turbulen tersebut.
Karakteristik aliran fluida yang penting ini memengaruhi berbagai hal, mulai dari tingkat kebisingan yang dihasilkan mobil, efisiensi bahan bakar pesawat terbang, hingga kecepatan pencampuran bahan kimia. Meskipun aliran laminar sepenuhnya mungkin terjadi secara teoretis, kondisi ini relatif jarang ditemukan dalam aplikasi dunia nyata. Oleh karena itu, para insinyur harus mampu memprediksi dan mengelola aliran laminar maupun turbulen di dalam atau di sekitar objek yang mereka rancang.
Istilah Penting dalam Karakterisasi Aliran
Poin awal yang baik untuk memahami perbedaan antara aliran laminar dan turbulen adalah dengan menjelaskan beberapa istilah utama yang digunakan para insinyur untuk mendeskripsikan karakterisasi aliran.
Lapisan Batas (Boundary Layer)
Lapisan batas adalah lapisan tipis fluida yang berada di dekat permukaan tempat fluida mengalir, di mana kecepatan fluida bervariasi dari nol pada permukaan hingga mencapai kecepatan aliran bebas (free-stream velocity). Viskositas fluida menciptakan kondisi batas tanpa slip (no-slip boundary condition) pada permukaan tersebut. Kecepatan aliran bebas, panjang lintasan, viskositas, dan tingkat turbulensi dalam lapisan batas menentukan ketebalan lapisan batas ini.
Kecepatan Bulk (Bulk Velocity)
Istilah kecepatan bulk merujuk pada kecepatan rata-rata keseluruhan dari sebuah fluida. Kecepatan ini dihitung dengan membagi laju aliran volumetrik dengan luas penampang pada bidang pengukuran.
Pusaran (Eddy)
Pusaran adalah pergerakan partikel fluida yang menyimpang dari arah aliran utama fluida. Pusaran dapat berupa gerakan berputar, vortex, atau fluktuasi sederhana di sekitar arah aliran dominan.
Pemisahan Aliran atau Pemisahan Lapisan Batas (Flow Separation or Boundary Layer Separation)
Pemisahan aliran terjadi ketika aliran lapisan batas menjauh dari permukaan karena kecepatan di dekat permukaan berbalik arah akibat adanya gradien tekanan yang merugikan (adverse pressure gradient).
Aliran Bebas (Free Stream)
Aliran bebas adalah area aliran yang berada di luar lapisan batas.
Aliran Internal dan Eksternal (Internal and External Flow)
- Aliran internal menggambarkan kondisi di mana fluida dibatasi oleh permukaan padat di semua sisi yang tegak lurus terhadap arah aliran, seperti aliran dalam pipa.
- Aliran eksternal
menggambarkan fluida yang mengalir di sekitar suatu objek, seperti aliran di sekitar sayap pesawat. Perilaku fluida berbeda tergantung pada apakah fluida mengalir di dalam suatu benda atau di sekitar suatu benda.
Persamaan Navier-Stokes (Navier-Stokes Equations)
Persamaan Navier-Stokes adalah sekumpulan persamaan yang menjelaskan aliran fluida kental (viscous fluids). Program dinamika fluida komputasi (Computational Fluid Dynamics, CFD) menggabungkan persamaan Navier-Stokes dengan persamaan tambahan untuk memprediksi perilaku sebagian besar situasi aliran fluida.
Rezim Aliran (Flow Regime)
Rezim aliran, atau pola aliran (flow pattern), adalah deskripsi struktur dan perilaku aliran. Rezim aliran ditentukan oleh karakteristik seperti kecepatan, viskositas, fase fluida, serta jenis aliran laminar atau turbulen.
Bilangan Reynolds (Reynolds Number, Re)
Bilangan Reynolds adalah nilai tak berdimensi yang mencirikan rasio antara gaya inersia dan gaya viskos dalam aliran fluida. Nilai ini berasal dari eksperimen Osborne Reynolds untuk memahami bagaimana air mengalir dalam pipa dan kapan aliran beralih dari laminar menjadi turbulen. Rasio antara gaya inersia dan gaya viskos sangat menentukan kapan aliran akan mengalami transisi.
Persamaan Bilangan Reynolds:
- ρ = densitas fluida (kg/m³)
- u = kecepatan aliran (m/s)
- L = dimensi karakteristik, seperti diameter pipa atau panjang chord pada airfoil (m)
- μ = viskositas dinamis fluida (Pa·s)
- v = viskositas kinematik (m²/s)
Profil Kecepatan (Velocity Profile)
Profil kecepatan adalah distribusi kecepatan aliran fluida di sepanjang garis lurus atau bidang datar arbitrer, biasanya sejajar dengan arah aliran bulk atau permukaan. Profil kecepatan menunjukkan gradien kecepatan dalam lapisan batas dan digunakan untuk menghitung laju aliran massa.
Viskositas (Viscosity)
Viskositas fluida adalah ukuran resistensi terhadap deformasi pada laju tertentu. Viskositas mencirikan gaya gesekan internal antara lapisan fluida yang sejajar.
Apa itu Aliran Laminar?
Aliran laminar adalah kondisi aliran di mana partikel fluida mengikuti garis aliran yang halus dan stabil dengan sedikit pergerakan partikel antara lapisan yang berdekatan. Aliran laminar ditandai dengan bilangan Reynolds yang relatif rendah karena gaya viskositas jauh lebih besar daripada gaya kecepatan. Jenis fluida dan sifat-sifat fluida, bersama dengan geometri dan kekasaran permukaan objek padat yang dilalui atau sekitar aliran fluida, memengaruhi seberapa lama aliran tersebut akan tetap laminar. Profil kecepatan aliran laminar meningkat secara monoton dari nol hingga kecepatan aliran bebas melalui lapisan batas.
Apa itu Aliran Turbulen?
Aliran Turbulen
Aliran turbulen ditandai dengan variasi kacau dalam besaran dan arah kecepatan partikel fluida serta amplitudo tekanan. Aliran turbulen memiliki bilangan Reynolds yang tinggi, di mana kecepatan dan dimensi karakteristik jauh lebih tinggi dibandingkan dengan peredaman viskositas fluida. Seberapa tinggi bilangan Reynolds tersebut tergantung pada sifat fluida dan objek yang dilalui atau sekitar fluida. Aliran turbulen sangat tidak teratur dan hampir tidak mungkin diprediksi atau diukur secara rinci. Oleh karena itu, para insinyur menangani turbulensi dari perspektif statistik.
Mengapa Penting untuk Memahami Aliran Laminar dan Turbulen?
Para insinyur peduli dengan aliran laminar dan turbulen karena setiap rezim aliran memengaruhi fisika fluida yang mereka kerjakan. Terkadang, Anda mungkin ingin mempertahankan aliran laminar selama mungkin, dan di lain waktu, Anda mungkin menginginkan turbulensi. Berikut beberapa situasi yang perlu diperhatikan oleh insinyur dan peran yang dimainkan oleh pola aliran yang berbeda.
Transfer Panas
Perpindahan panas dari suatu objek ke fluida sangat bergantung pada kecepatan aliran baik yang sejajar maupun tegak lurus terhadap permukaan. Kecepatan tinggi dan turbulensi meningkatkan fluks panas dari objek ke fluida di sekitarnya. Para insinyur sering merancang sistem untuk meningkatkan turbulensi dalam situasi pemanasan dan pendinginan untuk memaksimalkan transfer panas antara objek dan fluida.
Gaya Angkat (Lift)
Gaya angkat adalah gaya bersih pada satu sisi objek padat yang dikelilingi aliran fluida, yang disebabkan oleh kenaikan tekanan di satu sisi dan penurunan tekanan di sisi lainnya. Turbulensi dalam lapisan batas dapat meningkatkan perbedaan tekanan, tetapi tingkat turbulensi yang tinggi dalam aliran bebas dapat menurunkan gaya angkat atau menyebabkan gaya osilasi yang tidak diinginkan pada objek yang menghasilkan gaya angkat.
Gaya Gesek (Drag)
Gesekan adalah gaya yang diberikan oleh fluida yang mengalir di sekitar atau melewati objek, diterapkan searah dengan aliran. Dalam banyak kasus, turbulensi dalam lapisan batas meningkatkan gaya gesek pada objek. Para desainer menghabiskan banyak waktu dengan simulasi dan terowongan angin, menyempurnakan aerodinamika kendaraan dan pesawat untuk meminimalkan gesekan.
Kebisingan
Ketika aliran udara di sekitar suatu objek beralih menjadi turbulen, pusaran-pusaran dapat menghasilkan gelombang suara dalam rentang frekuensi yang dapat didengar. Kebisingan bukan hanya energi yang terbuang, tetapi juga bisa cukup keras hingga menjadi mengganggu atau bahkan tidak sehat.
Pencampuran
Salah satu area di mana turbulensi bisa menjadi hal yang positif adalah dalam pencampuran. Dalam pembakaran, pengolahan air, dan manufaktur kimia, para insinyur merancang sistem di mana aliran kacau akibat turbulensi mencampurkan fluida yang berbeda untuk meningkatkan kecepatan dan efisiensi reaksi kimia.
Pemodelan Aliran Laminar dan Turbulen dalam Simulasi
Aliran laminar dapat dipahami dengan baik melalui penyelesaian persamaan Navier-Stokes menggunakan alat CFD serbaguna seperti perangkat lunak simulasi fluida Ansys Fluent atau alat yang difokuskan pada mesin rotasi seperti perangkat lunak Ansys CFX. Persamaan yang sama dapat digunakan untuk memprediksi aliran turbulen, tetapi persyaratan komputasi untuk simulasi numerik langsung aliran turbulen tidak praktis. Jumlah persamaan yang diperlukan untuk memodelkan pusaran dengan akurat sebanding dengan kubus dari bilangan Reynolds. Karena itu, pengguna menambahkan persamaan tambahan ke model yang mendekati perilaku turbulen dengan akurasi cukup untuk menjawab pertanyaan rekayasa.
Ansys menawarkan berbagai sumber daya, termasuk kursus online gratis tentang pemodelan aliran laminar dan turbulen yang tepat. Berikut adalah beberapa pedoman dasar untuk membangun fondasi yang kuat:
Pemodelan Aliran Laminar dalam CFD
Pemodelan aliran laminar cukup sederhana di alat CFD. Tugas paling penting dalam pemodelan aliran laminar adalah memiliki akurasi yang cukup untuk memprediksi kapan aliran akan bertransisi menjadi aliran turbulen. Jaring-jaring mesh Anda harus memiliki resolusi yang cukup di lapisan batas untuk menangkap profil kecepatan dengan akurat. Penting juga untuk menentukan kekasaran dinding yang akurat dan menangkap geometri permukaan dengan resolusi yang cukup.
Memprediksi Transisi Aliran Laminar-Turbulen dalam CFD
Meskipun melihat rentang bilangan Reynolds dalam sebuah model dapat membantu Anda memutuskan di mana transisi aliran terjadi, rentang yang disarankan mengacu pada kasus ideal yang jarang terjadi dalam aplikasi dunia nyata. Jika Anda mengasumsikan aliran turbulen sepanjang panjang model, Anda bisa memprediksi tegangan geser pada dinding secara berlebihan. Itulah sebabnya Ansys telah mempelopori prediksi numerik dari aliran transisi berdasarkan konsep model transisi berbasis korelasi lokal (Local-Correlation-Based Transition Modeling, LCTM). Untuk memperoleh hasil yang tepat, gunakan model turbulensi yang mencakup persamaan yang memprediksi aliran transisi dengan akurat.
Model RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) untuk Turbulensi
Ada dua kelas persamaan yang disederhanakan untuk aliran turbulen. Kelas pertama adalah model RANS. Pendekatan ini mendekomposisi kuantitas aliran menjadi komponen fluktuasi dan rata-rata waktu mereka. Model RANS adalah pendekatan perkiraan berdasarkan studi empiris. Beberapa model RANS yang umum digunakan antara lain:
- Spalart-Almaras (SA): Model persamaan tunggal sederhana yang digunakan dalam aerodinamika eksternal.
- Model Dua Persamaan: Keluarga model RANS berdasarkan formulasi k-ε dan k-⍵ yang lebih lama. Model shear stress transport (SST), baseline (BSL), dan generalized k-⍵ (GEKO) digunakan secara terpisah atau digabungkan untuk memprediksi aliran turbulen dalam aplikasi industri dengan akurat.
Beberapa praktik terbaik dalam menggunakan model RANS adalah:
- Representasikan geometri seakurat mungkin.
- Tempatkan inlet dan outlet di area dengan aliran yang terdefinisi dengan baik.
- Pastikan sifat fluida seperti densitas dan viskositas akurat.
- Tempatkan resolusi halus di lapisan batas dan transisi secara bertahap ke daerah mesh yang lebih kasar.
- Gunakan pemurnian mesh iteratif untuk mencapai grid yang akurat.
- Gunakan kondisi batas yang akurat.
- Gunakan numerik orde kedua jika memungkinkan.
- Iterasi pada model RANS yang berbeda atau parameter dalam suatu model untuk mencocokkan data eksperimen.
Model Simulasi Resolusi Skala (SRS) untuk Turbulensi
Kelas kedua pemodelan turbulensi, simulasi resolusi skala (SRS), menyelesaikan aliran fluida turbulen seiring waktu dan ruang, daripada rata-rata sepanjang waktu. Sebagian besar aplikasi SRS menggunakan model Large Eddy Simulation (LES) untuk menyelesaikan pusaran besar sementara memodelkan pusaran kecil. Model LES telah diperbaiki dan divalidasi selama beberapa waktu. Mereka membutuhkan lebih banyak sel dan waktu komputasi lebih lama dibandingkan model RANS.
Peningkatan kemampuan komputasi, terutama penggunaan GPU, memungkinkan penggunaan model SRS untuk aliran industri dengan berbagai model hibrida SRS/RANS, termasuk:
- Scale-adaptive simulation (SAS)
- Detached eddy simulation (DES)
- Shielded detached eddy simulation (SDES)
- Stress-blended eddy simulation (SBES)
- Embedded LES (ELES)
Praktik terbaik untuk menggunakan model SRS dengan benar, terutama model LES, sangat berbeda dari model RANS. Terutama penting untuk menjaga sel dengan rasio aspek rendah karena pusaran turbulen perlu diselesaikan di semua arah ruang. Selain itu, pembatasan langkah waktu yang ketat diterapkan untuk memastikan resolusi waktu yang tepat pada bidang turbulensi. Akhirnya, kualitas LES sangat bergantung pada ketersediaan perlakuan numerik khusus untuk meminimalkan dampak disipasi numerik.
