Volumetrik Flow: Perhitungan dan Apa Pengaruhnya
Aliran volumetrik memungkinkan untuk menentukan volume fluida yang melintasi bagian saluran dan menawarkan ukuran kecepatan perpindahan fluida. Oleh karena itu, pengukurannya sangat menarik di berbagai bidang seperti industri, kedokteran, konstruksi dan penelitian.
Namun, mengukur kecepatan cairan (baik itu cairan, gas atau campuran keduanya) tidak sesederhana mengukur kecepatan gerakan benda padat. Oleh karena itu, untuk mengetahui kecepatan suatu fluida, perlu diketahui alirannya.
Ini dan banyak masalah lain yang berhubungan dengan cairan ditangani oleh cabang fisika yang dikenal sebagai mekanika fluida. Aliran didefinisikan sebagai berapa banyak fluida yang melewati bagian saluran, apakah itu pipa, pipa minyak, sungai, saluran, saluran darah, dll, dengan mempertimbangkan unit sementara.
Biasanya volume yang melintasi area tertentu dihitung dalam satuan waktu, juga disebut aliran volumetrik. Massa atau aliran massa yang melintasi area tertentu pada waktu tertentu juga ditentukan, meskipun itu digunakan lebih jarang daripada aliran volumetrik.
Perhitungan
Aliran volumetrik diwakili oleh huruf Q. Untuk kasus di mana aliran bergerak tegak lurus ke bagian konduktor, itu ditentukan dengan rumus berikut:
Q = A = V / t
Dalam rumus A tersebut adalah bagian dari konduktor (itu adalah kecepatan rata-rata yang dimiliki fluida), V adalah volume dan t waktu. Karena dalam sistem internasional, area atau bagian konduktor diukur dalam m2 dan kecepatan dalam m / s, alirannya diukur m3 / s.
Untuk kasus-kasus di mana kecepatan perpindahan fluida menciptakan sudut θ dengan arah tegak lurus ke bagian permukaan A, ekspresi untuk menentukan aliran adalah sebagai berikut:
Q = A cos θ
Ini konsisten dengan persamaan sebelumnya, karena ketika aliran tegak lurus ke area A, θ = 0 dan, akibatnya, cos θ = 1.
Persamaan di atas hanya benar jika kecepatan fluida seragam dan jika luas bagian datar. Jika tidak, aliran volumetrik dihitung melalui integral berikut:
Q = ∫∫ s vd S
Dalam integral ini dS adalah vektor permukaan, ditentukan oleh ekspresi berikut:
dS = n dS
Di sana, n adalah vektor satuan normal ke permukaan saluran dan dS elemen diferensial permukaan.
Persamaan kontinuitas
Karakteristik dari cairan yang tidak dapat dimampatkan adalah bahwa massa cairan dikonservasi melalui dua bagian. Oleh karena itu, persamaan kontinuitas terpenuhi, yang menetapkan hubungan berikut:
ρ 1 A 1 V 1 = ρ 2 A 2 V 2
Dalam persamaan ini ρ adalah densitas fluida.
Untuk kasus-kasus rezim dalam aliran permanen, di mana kerapatan konstan dan, oleh karena itu, terpenuhi bahwa ρ 1 = ρ 2, direduksi menjadi ungkapan berikut:
A 1 V 1 = A 2 V 2
Ini sama dengan menegaskan bahwa aliran dilestarikan dan, oleh karena itu:
Q 1 = Q 2 .
Dari pengamatan di atas disimpulkan bahwa cairan dipercepat ketika mereka mencapai bagian yang lebih sempit dari saluran, sementara mereka mengurangi kecepatan mereka ketika mereka mencapai bagian yang lebih luas dari saluran. Fakta ini memiliki aplikasi praktis yang menarik, karena memungkinkan untuk bermain dengan kecepatan perpindahan cairan.
Prinsip Bernoulli
Prinsip Bernoulli menentukan bahwa untuk fluida yang ideal (yaitu fluida yang tidak memiliki viskositas atau gesekan) yang bergerak dalam pengaturan sirkulasi oleh saluran tertutup, dapat dipenuhi bahwa energinya tetap konstan di sepanjang perpindahannya.
Pada akhirnya, prinsip Bernoulli tidak lain adalah perumusan Hukum kekekalan energi untuk aliran fluida. Dengan demikian, persamaan Bernoulli dapat dirumuskan sebagai berikut:
h + v2 / 2g + P / ρg = konstan
Dalam persamaan ini, h adalah tinggi dan g adalah percepatan gravitasi.
Dalam persamaan Bernoulli, energi fluida diperhitungkan setiap saat, energi yang terdiri dari tiga komponen.
- Komponen karakter kinetik yang mencakup energi, karena kecepatan perpindahan cairan.
- Komponen yang dihasilkan oleh potensi gravitasi, sebagai konsekuensi dari ketinggian tempat fluida berada.
- Komponen energi aliran, yang merupakan energi yang berutang fluida karena tekanan.
Dalam kasus ini, persamaan Bernoulli dinyatakan sebagai berikut:
h ρ g + (v2 ρ) / 2 + P = konstan
Secara logis, dalam kasus fluida nyata, ekspresi persamaan Bernoulli tidak terpenuhi, karena kehilangan gesekan terjadi dalam perpindahan fluida dan perlu untuk menggunakan persamaan yang lebih kompleks.
Apa yang mempengaruhi aliran volumetrik?
Aliran volumetrik akan terpengaruh jika ada sumbatan pada saluran.
Selain itu, aliran volumetrik juga dapat berubah karena variasi suhu dan tekanan dalam fluida yang sebenarnya bergerak melalui saluran, terutama jika ini adalah gas, karena volume yang ditempati oleh gas bervariasi sesuai dengan suhu dan tekanan.
Metode sederhana untuk mengukur aliran volumetrik
Metode yang sangat sederhana untuk mengukur aliran volumetrik adalah membiarkan aliran cairan ke dalam tangki pengukuran untuk periode waktu tertentu.
Metode ini biasanya tidak terlalu praktis, tetapi kenyataannya adalah sangat sederhana dan sangat ilustratif untuk memahami arti dan pentingnya mengetahui aliran suatu cairan.
Dengan cara ini, fluida dibiarkan mengalir ke tangki pengukuran untuk jangka waktu tertentu, volume yang terakumulasi diukur dan hasil yang diperoleh dibagi dengan waktu yang berlalu.
