Mekanika Fluida Dasar: Tekanan, Aliran & Head
Semua rotating equipment memindahkan fluida, jadi mekanika fluida adalah fondasi wajib: kontinuitas, Bernoulli dalam bentuk head, Reynolds, dan rugi head mayor-minor. Modul ini menutup dengan perhitungan head pompa transfer — soal paling sering di lapangan.
Mengapa fluida dulu
Pompa, kompresor, turbin, dan fan semuanya adalah turbomachinery: mesin yang menukar energi dengan fluida lewat sudu berputar. Tanpa intuisi tekanan-kecepatan-elevasi, kurva pompa terlihat seperti garis misterius. Modul ini membangun intuisi itu dalam satuan head (meter) — bahasa yang dipakai semua datasheet rotating equipment.
Kontinuitas: yang masuk = yang keluar
Untuk fluida incompressible (air, oli) dalam aliran tunak:
A1·V1 = A2·V2 = Q (konstan)
Pipa menyempit setengah diameter → luas jadi seperempat → kecepatan naik 4 kali. Inilah alasan nozzle discharge pompa kecil: menaikkan kecepatan (yang lalu diubah jadi tekanan di sistem).
Bernoulli dalam bentuk head
P/ρg + V²/2g + z = H (konstan di satu streamline, tanpa rugi)
P/ρg= pressure head — dibaca langsung di pressure gauge (bagi dengan ρg).V²/2g= velocity head — kecil di pipa (orde cm), besar di nozzle.z= elevation head — tiap meter beda tinggi = 1 m head.
Pompa menambah H ke sistem; turbin mengambil H dari fluida.
Reynolds: laminar vs turbulen
Re = ρ·V·D / μ
Re < 2300: laminar — tenang, rugi bisa dihitung analitik.Re > 4000: turbulen — pencampuran kuat, rugi ikut Moody chart.- Di plant, hampir semua aliran air/oli di pipa adalah turbulen.
Rugi head: mayor dan minor
hf = f·(L/D)·(V²/2g) (gesek sepanjang pipa)
hm = K·(V²/2g) (katup, belokan, entrance, exit)
Kedua suku sebanding V² — inilah alasan kurva sistem berbentuk parabola. Buka throttle (K turun) → kurva melandai → titik operasi bergeser ke debit besar.
Daya hidrolik dan efisiensi
P_fluida = ρ·g·Q·H P_poros = P_fluida / η
Selisihnya adalah rugi di impeller, seal, bearing, dan motor. Pompa bagus η = 0,7–0,85 di BEP (best efficiency point). Beli pompa = cocokkan duty point (Q, H) ke dekat BEP, bukan ke ujung kurva.
Langkah penyelesaian soal head
- Sketsa sistem: tandai tangki, pompa, pipa, katup, beda tinggi.
- Hitung V dan Re — pastikan rezim aliran.
- Jumlahkan head: Δz + ΔP/ρg + Σhf + Σhm.
- Hitung daya, bagi dengan efisiensi untuk daya poros.
- Cek kewajaran: kecepatan air di pipa 1–3 m/s; head transfer plant orde meter–puluhan meter.
Ringkasan rumus
| Konsep | Rumus | Keterangan |
|---|---|---|
| Kontinuitas | A1·V1 = A2·V2 |
Q konstan |
| Bernoulli | P/ρg + V²/2g + z = H |
head konstan tanpa rugi |
| Reynolds | Re = ρVD/μ |
batas laminar 2300 |
| Darcy-Weisbach | hf = f(L/D)(V²/2g) |
rugi mayor |
| Minor loss | hm = K(V²/2g) |
katup & fitting |
| Daya hidrolik | P = ρgQH |
bagi η untuk daya poros |
Rumus kunci
Semua rumus inti modul ini dalam satu tempat — hafalkan maknanya, bukan hurufnya.
Kontinuitas (incompressible)
A1·V1 = A2·V2
Pipa menyempit, kecepatan naik. Fondasi semua analisis pompa dan fan.
Bernoulli (head)
P/ρg + V²/2g + z = H konstan
Energi per satuan berat. Tiga suku: tekanan, kecepatan, elevasi.
Bilangan Reynolds
Re = ρ·V·D / μ
Re < 2300 laminar, Re > 4000 turbulen. Menentukan faktor gesek.
Head loss mayor (Darcy-Weisbach)
hf = f·(L/D)·(V²/2g)
Rugi gesek pipa. f dari Moody chart berdasarkan Re dan kekasaran.
Head loss minor
hm = K·(V²/2g)
Katup, elbow, tee. Satu gate valve terbuka penuh K ≈ 0,15.
Daya hidrolik
P = ρ·g·Q·H
Daya yang diterima fluida. Daya poros = P/η.
Berapa head pompa yang dibutuhkan untuk transfer air 50 m?
Tangki umpan di plant harus dipompa ke vessel yang 8 m lebih tinggi melalui pipa 50 m diameter 100 mm. Debit yang diminta 0,02 m³/s. Insinyur harus menghitung head pompa agar tidak salah beli: terlalu kecil tidak sampai, terlalu besar boros listrik.
Diketahui
- Q = 0,02 m³/s, D = 0,1 m, L = 50 m, Δz = 8 m
- Air ρ = 1000 kg/m³, μ ≈ 0,001 Pa·s, pipa baja komersial
- Minor loss total K = 5 (katup + elbow + entrance + exit)
Ditanya
Berapa head total H yang harus disediakan pompa?
Jangan intip tab Solving dulu — coba analisis sendiri, lalu cocokkan di tab Analisis.
Analisis
Head pompa = beda elevasi + beda tekanan + rugi mayor + rugi minor. Hitung kecepatan dulu, lalu Re untuk memastikan rezim aliran.
- Hitung kecepatan: V = Q/A = 0,02/(π·0,05²) ≈ 2,55 m/s.
- Hitung Re = 1000·2,55·0,1/0,001 ≈ 255.000 → turbulen penuh.
- Ambil f ≈ 0,02 dari Moody untuk pipa baja komersial di Re ini.
- hf = 0,02·(50/0,1)·(2,55²/19,62) ≈ 3,3 m. hm = 5·(2,55²/19,62) ≈ 1,66 m.
- H total = Δz + hf + hm (tangki atmosfer, V tangki ≈ 0).
Solving langkah-demi-langkah
V²/2g = 2,55²/(2·9,81) = 6,50/19,62 = 0,331 m.
- hf = 0,02 × 500 × 0,331 = 3,31 m.
- hm = 5 × 0,331 = 1,66 m.
- H = 8 + 3,31 + 1,66 = 12,97 m ≈ 13 m.
- Daya hidrolik = 1000 × 9,81 × 0,02 × 13 = 2.551 W ≈ 2,55 kW.
Sumber belajar
Fluid Mechanics
Bab 1-6. Standar untuk Bernoulli, Reynolds, dan Darcy-Weisbach.
Fluid Mechanics with Engineering Applications
Banyak contoh soal pipa-pompa dengan satuan SI.
Bernoulli's Equation — The Efficient Engineer
Visualisasi suku tekanan-kecepatan-elevasi yang jernih.
Latihan soal
Soal 1. Air mengalir 0,01 m³/s di pipa DN100 (D = 0,1 m). Berapa kecepatan rata-ratanya?
Soal 2. Pipa menyempit dari D1 = 200 mm ke D2 = 100 mm. Jika V1 = 1 m/s, berapa V2 (incompressible)?
Soal 3. Re = 1500 di pipa halus. Rezim aliran dan arti praktisnya: