VISUALISASI ALIRAN FLUID (FLUID FLOW VISUALIZATION)

Anda pasti pernah mendengar ungkapan “satu gambar bisa bernilai seribu kata”. Hal ini nampaknya juga berlaku untuk dunia mekanika fluida. Jika kita berbicara masalah mekanika benda padat, kita dapat dengan mudah menggambarkanya dengan hukum newton yang relatif sederhana dan dapat dengan cepat diintepretasikan datanya. Namun, jika kita berbicara masalah mekanika fluida, persamaan-persamaanya terkadang sangat sulit atau bahkan tidak dapat diselesaikan secara analitis sehingga tidak feasible untuk menyelesaikan permasalahan yang kita hadapi. Salah satu metode yang paling ampuh dalam menganalisis karakteristik aliran fluida adalah membuat visualisasinya.

Tidak hanya untuk permasalahan eksperimen, visualisasi fluida juga sangat penting dalam pengembangan solusi numerik fluida (computational fluid dynamics/CFD). Bahkan, faktanya adalah pada awal pengembangan CFD, para insinyur setelah mendapatkan solusi dari persamaan numerik adalah membuat viasualisasi nya sehingga mereka dapat melihat keseluruhan “gambar” dari aliran fluida dibandingkan dengan membuat list angka-angka dan hasil kualitatif.

visualisasi aliran bola baseball yang berputar

Berikut akan kita bahas satu persatu teknik visualisasi aliran fluida

STREAMLINES AND STREAMTUBE

Definisi: “Streamline adalah kurva yang selalu tangensial terhadap vektor kecepatan lokal”.

Konsep streamline sangatlah penting untuk menganalisis arah aliran fluida sesaat (pada waktu tertentu) pada ruang (field) tertentu. “gambar” pola streamline tidak dapat diperoleh secara langsung dari hasil eksperimen, kecuali pada aliran yang tidak berubah terhadap waktu (steady). Jika aliran dalam kondisi steady, maka pola streamline akan sama dengan pola pathline dan streakline yang akan kita bahas pada bab selanjutnya. Secara matematis, berdasarkan definisinya kita dapat mendefinisikan streamline dengan hubungan berikut ini:

dx/u = dy/v = dz/w

dengan x,y,z adalah sumbu koordinat dan u,v,w adalah kecepatan ke arah x,y dan z secara berturut-turut.

definisi persamaan streamline

Menggunakan persamaan diatas, kita dapat dengan mudah menggambar pola vektor aliran dari garis-garis streamline atau sebaliknya.

Gambar pola streamline (garis hitam) dan pola vektor (anak panah ungu) pada ruang dan waktu tertentu

Kemudian, setelah kita memahami streamline, konsep visualisasi selanjutnya adalah streamtube, yaitu sekumpulan streamline yang membentuk sebuah “bundle” yang tidak saling berpotongan satu sama lainya pada waktu sesaat tertentu seperti divisualisasikan pada gambar berikut:

visualisasi streamtube

PATHLINE

Definisi: “Sebuah pathline adalah jalur aktual yang dilalui oleh partikel fluida pada periode waktu tertentu”.

Konsep pathline sangatlah sederhana, bayangkan anda menjatuhkan daun kering ke permukaan sungai, dan anda membuat track jalur (path) dari daun tersebut pada waktu tertentu, itulah yang kita definisikan sebagai pathline. Jika anda sedikit jeli, maka anda akan menyadari jika aliran unsteady (berubah terhadap waktu) maka pathline dari partikel yang “dijatuhkan ke sungai” akan berbeda-beda, namun jika aliran steady maka pathline nya akan selalu sama. Konsep tracking partikel pada dunia mekanika fluida dikenal juga dengan istilah Lagrangian concept, sedangkan jika kita menganggap aliran adalah suatu kontinuum (bukan kumpulan partikel) konsep tersebut dikenal dengan eulerian.

visualisasi pathline

Metode eksperimen moderen yang biasa digunakan untuk analisis pathline ini adalah dengan particle image velocimetry (PIV) menggunakan konsep pathline untuk mengukur kecepatan.

penggunaan PIV untuk analisis aliran sekitar mobil

STREAKLINE

Definisi: “Streakline adalah lokasi sekumpulan partikel fluida yang melalui lokasi tertentu pada suatu aliran fluida secara sekuensial”

Cara ini adalah yang paling mudah digunakan dalam ekspiremen wind tunnel, water tunnel atau sejenisnya, yaitu dengan cara menginjeksikan asap (smoke) jika fluida adalah udara, serta tinta atau gelembung-gelembung halus jika fluida adalah air. Injeksi-injeksi ini akan menghasilkan pola-pola yang merepresentasikan aliran fluida atau didefinisikan sebagai streakline.

pola streakline yang dibuat menggunakan fluida berwarna

Terkadang streakline tertukar dengan streamline atau pathline. Pada aliran yang steady, ketiga pola aliran ini akan identik, namun untuk aliran unsteady, streamline merepresentasikan “kejadian” aliran pada detik tersebut saja, sedangkan streakline dan pathline ditentukan oleh waktu partikel atau injeksi tersebut dimasukkan dalam aliran.

TIMELINES

Definisi: “Timeline adalah satu set partikel fluida yang memiliki waktu injeksi ke dalam aliran yang sama”

Pembentukan pola timelines yang paling umum adalah untuk membuat pola distribusi kecepatan menggunakan bubble wire pada fluida air sehingga membentuk profil sepanjang diameter pipa seperti pada contoh berikut:

pola timeline untuk visualisasi distribusi kecepatan pada pipa air

Konsep visualisasi aliran fluida ini sangatlah penting baik untuk mekanika fluida eksperimental maupun analisis numerik menggunakan CFD. Berikut adalah contoh hasil visualisasi aliran menggunakan software CFD (dokumentasi pribadi velocity):

pola streamline pada valve menggunakan software openFOAM CFD
plot distribusi tekanan pada permukaan pesawat terbang menggunakan software openFOAM CFD
Plot vektor pada ejektor menggunakan software openFOAM CFD

Untuk mempelajari lebih lanjut tentang CFD, klik di sini.

Untuk mempelajari artikel-artikel lain terkait mekanika fluida, klik di sini

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.

Sebagian besar definis dan gambar diambil dari:

Cengel Y.A, Cimbala J.M. Fluid Mechanics: Fundamental and Applications. 2006. McGraw-Hill. ISBN 0-07-247236-7.

Author: Caesar Wiratama

caesar@aeroengineering.co.id 0815-4806-5205

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *