External flow (aliran luar)

Pada pembahasan yang lalu kita telah melakukan simulasi dan analisis untuk aliran dalam seperti aliran dalam pipa, kita telah mempelajari sifat dan karakteristik alirannya seperti sifat laminar, turbulent, losses, dll. Pada pembahasan kali ini kita akan melanjutkan tentang aliran luar / external flow fluida.

Aliran luar contohnya adalah aliran udara yang terjadi pada mobil yang sedang berjalan, aliran udara di sekitar pesawat, aliran air pada kapal yang sedang berlayar. Karakteristik aliran luar agak sedikit berbeda dengan aliran dalam dimana dalam aliran luar ini terdapat sifat gaya hambat/ drag dan gaya angkat / lift pada aliran yang melalui sebuah benda. Drag adalah gaya hambat yang terjadi searah dengan kecepatan aliran, sedangakan gaya angkat/lift tegak lurus terhadap arah aliran. Dari drag dan lift akan didapatkan gaya resultan. besarnya drag dan lift ini ditentukan oleh koefisien drag Cd dan koefisien lift Cl. Besaran-besaran yang mempengaruhi adalah massa jenis fluida, kecepatan aliran, luas penampang.

hubungan drag dan kecepatan aliran adalah berupa grafik exponensial, pressure drag banyak dipengaruhi oleh sudut dan geometri benda, sedangkan friction drag dipengaruhi oleh bentuk streamline benda. pada aliran laminar dengan Re kecil drag koefisien lebih dominan, sedangkan pada aliran turbulen dengan Re besar friction koefisien banyak mempengaruhi besarnya drag, hal ini sama dengan aliran dalam pipa.

Pada gambar dibawah ini kita akan melihat grafik hubungan aliran luar pada smooth cylinder dengan smooth sphere. Aliran ini dipengaruhi oleh Reynold number dan koefisien drag. Pada A Re kecil dibawah 1adalah aliran laminar drag koefisien sangat berpengaruh pada nilai drag. Pada B, C, D, adalah transisi dimana mulai terjadi wake dan aliran berbalik arah. Pada D-E terjadi aliran turbulen dimana banyak terjadi olakan dan friction koeffisien yang banyak mempengaruhi Drag, sedangkan drag koeffisien semakin turun.

keadaan aliran di titik A, aliran laminar, aliran simetri (belum ada pengurangan energi).
Pada titik B, C, D, aliran laminar-transisi, mulai terjadi aliran berbalik arah, karena energinya tidak cukup untuk mencapai aliran simetri seperti pada titik A,
Pada titik D, aliran mulai turbulen tapi drag koefisien masih besar
Pada titik E aliran turbulen dengan drag koefisien kecil karena wake yang terjadi makin kecil seiring makin besarnya Re.

Pada gambar dibawah ini memperlihatkan profil aliran turbulen yang melalui cyrcular cylinder dimana terjadi boundary layer separation. pada titik inilah terjadi pemisahan aliran yang melalui dinding karena energi tidak cukup untuk meneruskan aliran untuk mencapai keadaan simetry, sehingga terjadilah wake region dengan aliran berbalik arah. semakin besar wake region maka drag yang terjadi makin besar pula. pada Re besar justru wake region yang terjadi cenderung kecil karena faktor kekasaran juga mempengaruhi. Sehingga pada aliran turbulen nilai dragnya justru makin kecil

Pada contoh dibawah ini kita akan melihat dua benda dengan diameter berbeda sepuluh kali lebih besar dan dengan Cd sepuluh kali lebih kecil memiliki gaya drag yang sama. hal ini terjadi karena faktor streamline benda sehingga berpengaruh pada lebar wake region yang terjadi. Semakin kecil wake maka drag yang terjadi makin kecil.