teori lapisan batas (boundary layer)

BOUNDARY LAYER THEORY

Ilmu mekanika fluida merupakan ilmu yang sudah berkembang cukup lama dan cukup matang sehingga penggunaanya dapat dijumpai pada berbagai aplikasi terutama engineering. Meskipun demikian, tidak seperti mekanika benda padat yang persamaan-persamaanya lebih “rigid”, mekanika fluida terkadang memerlukan pemahaman yang mendalam dan menyeluruh tentang konsep-konsep dasarnya. Bahkan, persamaan paling general dari mekanika fluida, yaitu Navier-Stokes equation sampai saat ini belum terselesaikan secara analitis.

Salah satu konsep yang terdengar kurang familier dalam “pengalaman” kita sehari-hari dan tidak kasat mata manusia adalah fenomena boundary layer. Meskipun teori ini terlihat terlalu advance untuk dipelajari dan anda beranggapan bahwa mungkin ilmu ini tidak akan terpakai, namun kenyataanya banyak desain-desain engineering seperti mobil balap, pesawat terbang, kapal selam, instalasi turbin angin atau bahkan desain bola golf yang membutuhkan pemahaman teori boundary layer ini.

Untuk memahami boundary layer, pertama anda dapat membayangkan suatu aliran fluida dengan kecepatan yang konstan, misalkan pada suatu aliran sungai. Jika anda perhatikan dengan seksama, pada bagian aliran yang menempel atau sangat dekat dengan dinding, kecepatanya akan cenderung menurun atau bahkan berhenti sama sekali pada bagian dasarnya. Berhentinya aliran pada daerah sekitar dinding ini diakibatkan oleh gaya gesek antara fluida dengan benda padat (permukaan dinding). Kondisi tidak bergeser (slip) nya fluida ini dikenal juga dengan istilah no-slip condition.

Kemudian, karena adanya hukum kekekalan massa yang mengharuskan kecepatan rata-rata selalu konstan sepanjang aliran tersebut (jika channel tersebut memiliki permukaan potongan melintang yang konstan), maka semakin ke tengah, atau menjauhi dinding, kecepatan fluida haruslah menjadi semakin cepat untuk mengimbangi kecepatan nol yang berada di dinding. Kecepatan tersebut terus bertambah hingga pada suatu kondisi tertentu kembali menjadi uniform (seragam).

Jarak dari dinding ke lokasi di mana kecepatan menjadi uniform tersebutlah yang disebut dengan ketebalan boundary layer atau dapat diartikan boundary layer tersebut adalah lapisan batas antara fluda dengan kecepatan yang berubah dengan kecepatan yang uniform.

Kemudian, berdasarkan rezim aliranya, boundary layer dapat dibagi menjadi dua yaitu Laminar boundary layer serta Turbulent boundary layer, adapun diantaranya terdapat transition boundary layer. (anda dapat mempelajari aliran turbulen di sini)

LAMINAR BOUNDARY LAYER

Boundary layer ini terdiri dari aliran yang sangat halus. Pada rezim laminar ini, boundary layer menghasilkan gaya hambat akibat gaya gesek yang lebih rendah dibandingkan dengan turbulen, namun lebih tidak stabil. Boundary layer yang laminar ini seiring dengan bertambahnya bilangan Reynold (Re = rho.V.L/miu, dengan rho massa jenis, V kecepatan, L jarak dan miu viskositas) maka akan berubah menjadi aliran turbulen, seperti misalkan aliran di atas sayap pesawat, semakin ke belakang (karena bertambahnya jarak, L), aliran yang tadinya laminar akan menjadi turbulen.

TURBULENT BOUNDARY LAYER

Seperti dijelaskan di atas, turbulent boundary layer akan terbentuk setelah aliran yang mulanya laminar mencapai jarak tertentu. Pada aplikasi engineering secara umum, turbulent boundary layer ini terkadang tidak terhindarkan kecuali pada aliran dengan reynold number yang sangat rendah misalkan aliran madu atau air dengan kecepatan dan ukuran yang sangat kecil.

Tidak hanya mempengaruhi performa gaya hambat dan pola aliran pada suatu object, boundary layer juga menjadi pertimbangan desain yang cukup penting dalam desain heat exchanger, karena distribusi kecepatan pada daerah boundary layer akan mempengaruhi gradien temperatur pada sekitar dinding tersebut, yang pada akhirnya akan mempengaruhi koefisien konveksi termal.

Aplikasi yang paling mudah dijumpai pada teori boundary layer ini adalah perubahan kecepatan angin terhadap jarak terhadap tanah, semakin tinggi suatu lokasi terhadap permukaan tanah, maka kecepatan angin akan semakin tinggi, sehingga benar kata seorang pepatah, “semakin tinggi pohon maka akan semakin kencang angin menerpanya”, yang tentu saja memiliki makna yang berbeda dari bahasan kita. Hal ini sangat penting dalam teori instalasi turbin angin, jika kita memasang turbin angin pada lokasi yang dekat dengan tanah (memiliki tiang pendek), maka hasil daya nya juga tidak akan maksimal dibandingkan dengan tiang yang tinggi. Hal ini juga penting untuk diketahui untuk desainer bangunan-bangunan yang tinggi.

Boundary layer ini terkadang menjadi tidak stabil dan dapat berpisah (separasi) dari permukaan dinding dan mengakibatkan terjadinya penambahan gaya hambat yang signifikan dan menurunkan gaya angkat secara signifikan seperti misalkan pada saya pesawat terbang, sehingga muncul beberapa solusi untuk merekayasa boundary layer ini agar tidak terjadi separasi, misalkan penggunaan vortex generator, suction, jet, flap dan lain sebagainya. Terori tentang separasi dan adverse pressure gradient akan dibahas secara khusus >> di sini.

BOUNDARY LAYER DAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)

CFD merupakan salah satu metode penyelesaian persamaan-persamaan mekanika fluida untuk menghasilkan permodelan berupa parameter-parameter aliran (kecepatan, tekanan, temperature dll): >> Pelajari selengkapnya CFD di sini.

Dalam proses permodelan CFD, terdapat suatu proses yang disebut dengan meshing, yang mana pada proses ini domain fluida yang kontinyu dibagi-bagi menjadi domain komputasi yang diskrit, sehingga semakin kecil elemen-elemen pembaginya, maka solusi yang diperoleh akan semakin tinggi resolusinya, namun jika elemen-elemen tersebut terlalu banyak, maka proses komputasi akan menjadi terlalu mahal dan lama.

Keberadaan boundary layer pada sekitar dinding ini akan menghasilkan pola distribusi kecepatan yang dramatis karena adanya no-slip condition. Pada prinsipnya, semakin tinggi gradient kecepatan, maka akan semakin tinggi pula resolusi mesh yang dibutuhkan, sehingga boundary layer ini menjadi isu tersendiri yang harus diperhatikan pada permodelan fluida menggunakan CFD. Teknik yang sering digunakan dalam meng-capture fenomena boundary layer ini antara lain menggunakan inflation pada mesh atau penggunaan model wall function yang anda dapat pelajari di daftar isi CFD.