Separasi Aliran dan Adverse Pressure Gradient

Pada aliran fluida nyata selalu menunjukkan adanya suatu daerah yang alirannya terhambat, yaitu daerah di dekat permukaan yang kecepatan relatif terhadap permukaan bervariasi antara nol hingga 99% kecepatan freestream. Daerah yang terhambat ini disebut lapisan batas (boundary layer). Konsep lapisan batas ini pertama kali diperkenalkan oleh Ludwig Prandtl dalam tahun 1904. Efek-efek viskositas akan terkonsentrasi dalam lapisan batas ini (viscous region) sedangkan di luar lapisan batas efek viskositas dapat diabaikan (nonviscous region).

Proses pembentukan lapisan batas dapat dilihat pada gambar 1. Ketika aliran melintasi pelat datar, pada bagian depan partikel-partikel fluida yang cukup dekat terhadap pelat dihambat oleh adanya tegangan geser yang besar. Lapisan batas menebal dalam arah yang sama dengan arah aliran. Pada lapisan batas ini terjadi perubahan kecepatan dari nol di permukaan pelat hingga kecepatan mendekati U pada jarak δ.

Lapisan batas dapat dibedakan menjadi dua bagian yaitu lapisan batas laminer dan lapisan batas turbulen yang tergantung pada besarnya harga bilangan Reynolds. Di dalam aliran fluida proses peralihan dari aliran laminer ke turbulen disebut sebagai keadaan transisi. Faktor yang mempengaruhi lamanya proses transisi adalah gradien tekanan, kekasaran permukaan, gaya bodi dan gangguan aliran bebas. Begitu lapisan batas mulai menebal, ketidakstabilan pun terjadi dan mengakibatkan percampuran partikel (gerak acak) dan perubahan momentum dalam fluida hingga menyebabkan terbentuknya lapisan batas turbulen. Pada lapisan batas turbulen, profil kecepatan yang terbentuk lebih tebal dengan gradien kecepatan di permukaan plat dan tegangan gesernya lebih tinggi daripada kondisi laminar maupun transisi.

Keberadaan pressure gradient di sepanjang permukaan benda padat mempunyai pengaruh yang sangat besar dan signifikan terhadap pertumbuhan boundary layer. Seperti aliran yang melintasi suatu silinder bulat (gambar 2). Gambar 2 menunjukkan pertumbuhan boundary  layer pada permukaan silinder bulat yang mana pertumbuhannya lebih banyak dipengaruhi oleh adanya pressure gradient akibat bentuk silinder. Pada gambar tersebut tiap titik digambarkan dengan sumbu x searah kecepatan tangensial dan sumbu y yang tegak lurus sumbu x. Dimana U adalah kecepatan fluida ideal di luar boundary layer.

Aliran viscous yang melewati bump berbentuk setengah lingkaran akan mengalami penurunan tekanan di sisi upstream dan kenaikan tekanan di sisi downstream. Saat momentum aliran fluida tidak dapat melawan kenaikan tekanan dan gesekan dengan permukaan maka aliran fluida akan terseparasi. Titik dimana mulai terjadi gejala separasi disebut titik separasi. Daerah setelah titik separasi mempunyai tekanan yang lebih kecil daripada daerah di sisi upstream sehingga mengakibatkan perbedaan tekanan yang besar. Akibat perbedaan tekanan ini maka akan terjadi gaya drag pada benda.

Kecepatan aliran fluida akan mencapai harga nol atau stagnasi di depan silinder, dan seiring  dengan pergerakan aliran, kecepatannya akan bertambah besar sehingga mencapai harga maksimum pada bagian atas dari silinder. Setelah mencapai harga maksimum, kecepatan fluida akan berangsur-angsur menurun saat fluida menuju ke daerah buritan (aft edge).

Seiring dengan kecepatan aliran fluida, tekanan pada permukaan benda padat juga akan mengalami perubahan yaitu berharga maksimum pada daerah depan dan berharga minimum pada daerah diatas silinder. Seperti yang ditunjukkan gambar 2. boundary layer mulai terjadi pada titik stagnasi depan, kemudian seiring dengan pergerakan aliran fluida, boundary layer mengalami pertumbuhan dimana ketebalannya akan semakin bertambah.

Pada saat bergerak ke bagian atas dari silinder, aliran fluida akan mengalami penurunan tekanan, atau pressure gradient lebih kecil dari nol (dp/dx < 0) dan disebut favourable pressure gradient. Dengan adanya favourable pressure gradient ini aliran fluida yang dekat dengan permukaan bergerak perlahan, dan terjadi kenaikan kecepatan.

Saat aliran fluida mencapai puncak silinder dan mulai bergerak turun ke daerah belakang silinder, aliran fluida akan mengalami kenaikan tekanan. Tekanan ini akan terus naik dan mencapai  harga maksimum tepat pada titik separasi dan kemudian tekanannya konstan. Pressure gradient yang terjadi mulai dari puncak silinder ke daerah belakang silinder, harganya lebih besar dari  nol (dp/dx > 0) dan disebut adverse pressure gradient. Pada suatu titik dimana aliran tidak sanggup  lagi mengatasi adverse pressure gradient bersama-sama dengan tegangan  geser, maka pada saat  itu aliran fluida di dalam boundary layer akan mengalami separasi dan titik tersebut dinamakan  titik separasi. Di belakang titik separasi, terdapat sebagian fluida yang mengalami aliran balik,  dan  aliran fluida tidak mengikuti lagi bentuk dari solid body. Aliran fluida mulai tidak stabil dan terjadi  pergolakan aliran. Daerah dimana terjadi pergolakan aliran disebut wake.

Kontributor: Feri Wijarnako (feriwidjarnako@gmail.com)

By Caesar Wiratama

aeroengineering.co.id merupakan jasa layanan dibawah CV. Markom dengan berbagai jenis solusi, mulai dari drafting CAD, pembuatan animasi, simulasi aliran dengan CFD dan simulasi struktur dengan FEA. Pelajari selengkapnya di sini.

Sumber:

SP, S. H. (2017). Studi Numerik Karakteristik Separasi dan Reattachment Aliran Di Belakang Gundukan (BUMP) Setengah Lingkaran. Jurnal Penelitian, 2(2), 100-109.

Author: admin