Konveksi paksa internal: Aliran dalam pipa

Konveksi paksa internal terjadi pada aliran fluida yang mengalir di sebuah saluran seperti ducting atau pipa. Oleh karena itu pemahaman tentang aliran fluida dalam pipa perlu dibahas terlebih darhulu.

Aliran Turbulen dan Laminar

Ada dua jenis tipe aliran dalam pipa yaitu: laminar dan turbulen. Pada aliran laminar, pergerakan molekul fluida terjadi secara teratur. Sebaliknya, aliran fluida menjadi acak pada aliran turbulen. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar di bawah ini..

Aliran laminar dan turbulen (sumber gambar: https://www.cfdsupport.com/)

Terjadinya kedua tipe aliran ini dikarenakan banyak faktor antara lain geometri pipa, viskositas fluida, kecepatan fluida, jenis fluida, dan lain-lain. Bilangan Reynold sering kali digunakan untuk menntukan apakah aliran dalam pipa menjadi turbulen atau laminar. Bilangan Reynold sendiri adalah sebuah bilangan tak berdimensi yang merupakan rasio antara gaya inersia dang gaya viskos, yaitu:

Untuk saluran yang bernampang tidak bulat (contoh: ducting), maka besarnya diameter hidrolik adalah:

Dengan A adalah luas penampang saluran dan p adalah keliling penampang pipa.

Hampir semua kondisi aliran dalam pipa berlaku bahwa bilangan Reynold kritisnya adalah 2300. Artinya jika sebuah aliran memiliki bilangag Reynold kurang dari 2300, maka aliran tersebut menjadi laminar. Sebaliknya, jika aliran fluida memiliki bilangan Reynold lebih dari 2300, maka di anggap turbulen.

Daerah masukkan (Entrance Region)

Pada saat aliran fluida memasuki pipa, maka profil kecepatannya tidak langsung terbentuk. Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini. Ketika aliran fluida memasuki pipa, kecepatan aliran sepanjang sumbu arah jari-jari adalah sama. Maksudnya adalah kecepatan aliran di tengah pipa maupun di dekat dengan dinding pipa masih sama. Namun, seiring bergeraknya fluida di sepanjang pipa maka profil kecepatan mulai berubah. Jarak yang diperlukan fluida dari saat masuk ke pipa hingga terbentuk profil kecepatan tidak berubah dinamakan daerah masukkan (entrance region). Daerah setelah profol kecepatan tidak berubah dinamakan daerah terbangun penuh (fully developed region). Tidak hanya kecepatan, profil temperatur juga memiliki entrance region dan fully developed region.  

Aliran dalam pipa (sumber gambar: Wikipedia.org & researchgate.net)

Panjang entrance region ini secara empiris dapat ditentukan dengan rumus berikut:

Untuk lebih jelasnya mari kita bahas contoh soal berikut:

Air mengalir dalam sebuah pipa berdiameter 2 inci dengan kecepatan 5 m/s. Jika bilangan Prandtl  air adalah 6.14, massa jenis air 1000 kg/m³ dan viskositas dinamisnya 0.891 x 10^-3 kg/m.s, Tentukan

1. Bilangan Reynold
2. Jarak yang dibutuhkan untuk menjadi fully developed region untuk kecepatan fluida
3. Jarak yang dibutuhkan untuk menjadi fully developed region untuk temperatur

(Tri Ayodha Ajiwiguna)