2.2 Dasar Teori
2.2.1 Pola Aliran
Pola aliran mempunyai arti yang sangat penting dalam hal menetukan perilaku aliran fluida dalam suatu pipa terutama aliran dua fasa. Campuran antara cair-gas dalam suatu pipa dapat digunakan untuk menyelesaikan suatu model analisis pada persamaan konversi aliran dua fasa.
Menurut Guo (2015) Aliran dua fasa mempunyai beberapa pola aliran yang beragam, yaitu : aliran starified, aliran annular, aliran slug, aliran stratified wafy, aliran bubble.
Stratified flow Stratified wavy flow Slug flow
Annular flow
Dispersed bubbly flow
Gambar 2.23. Pola Aliran Gas-Cair Pada Pipa Horizontal (Guo, 2015) a. Aliran strata licin (stratified flow), merupakan aliran yang dimana bidang
permukaan liquid-gas sangat halus. Akan tetapi, pola aliran ini biasanya tidak terjadi, batas fase hampir selalu bergelombang.
c. Aliran sumbat liquid (sluq flow), merupakan aliran yang amplitudo gelombangnya sangat besar sehingga menyentuh pipa bagian atas.
d. Aliran cincin (annular flow), merupakan aliran yang fluidanya lebih tebal di dibagian dasar pipa dibandingkan dibagian atas pipa.
e. Aliran gelembung yang tersebar (dispered bubbly flow), merupakan aliran yang gelembung gas mengalir pada bagian atas pipa.
Peta pola aliran yang sering dipakai adalah peta pola aliran yang dibuat oleh Mandhane (1974). Pola aliran dinyatakan dengan kecepatan superfisial udara (JG) dan kecepatan superfisial air (JL) dalam satuan (m/s). Peta pola aliran ini digunakan untuk menentukan jenis aliran yang terjadi.
Gambar 2.24. Peta Pola Aliran (Mandhane, dkk, 1974)
Menurut Korawan (2015) Perbedaan antar fasa yang mengalir didalam pipa akan membentuk banyak perubahan pola aliran, hal ini dikarenakan fasa fluida yang berbeda, orientasi dan geometri pipa dimana fluida-fluida yang mengalir, dan flow rates dari tiap fasa. Pengaruh elbow terhadap pola aliran pada
serta variasi β, hal yang menarik untuk diketahui bahwa pada kasus kecepatan superficial liquid yang tinggi, bubbly flow cenderung berubah menjadi churn flow
sedangkan pada kecepatan superficial liquid yang rendah bubbly flow cenderung menjadi stratified flow.
Gambar 2.25. Visualisasi Pola Aliran Pada Kecepatan Usl = 0,4 m/s (Korawan, 2015)
Gambar 2.26. Visualisasi Pola Aliran Pada Kecepatan Usl = 0,55 m/s (Korawan, 2015)
Gambar 2.27. Visualisasi Pola Aliran Pada Kecepatan Usl = 0,85 m/s (Korawan, 2015)
Gambar 2.28. Visualisasi Pola Aliran Pada Kecepatan Usl = 1,0 m/s (Korawan, 2015)
Gambar 2.29. Visualisasi Bubble flow Pada TPI Dengan Variasi Usl (Korawan, 2015)
Beberapa jenis aliran sangat dipengaruhi oleh bilangan Reynold. Bilangan Reynold adalah bilangan tidak berdimensi yang penting digunakan untuk penelitian aliran fluida didalam pipa. Adapun persamaan bilangan Reynold adalah sebagai berikut:
V = Kecepatan Fluida (m/s) D = Diameter Dalam Pipa (m)
ρ = Massa Jenis Fluida (kg/m³)
μ = Viskositas Dinamik Fluida (kg/m.s) atau (N.s/m²)
Kata superficial velocity dari tiap fasa bisa digambarkan sebagai
volumetric flux, yaitu flow rate dari tiap fasa dibagi area pipe cross sectional
dengan asumsi bahwa fasa mengalir sendiri didalam pipa. Sehingga untuk
superficial gas velocity dan superficial liquid velocity bisa diperoleh sebagai berikut: �� =�� �
………...
(2.2) � =�� �………...
(2.3) Dimana :��= Kecepatan superficial gas (m/s)
� = Kecepatans uperficial liquid (m/s)
�= Gas flow rate pada pipa (� /s) = Liquid flow rate pada pipa (� /s)
dan berdasarkan waktu.
Aliran fluida berdasarkan bentuk alirannya : a. Aliran Laminar
Aliran dengan fluida yang mengalir pada lapisan-lapisan atau lamina – lamina dengan satu lapisan meluncur secara lancar. Aliran laminar ini mempunyai nilai bilangan Reynolds-nya kurang dari 2100 (Re < 2100).
Gambar 2.30. Aliran Laminar (Munson, dkk, 2013) b. Aliran Turbulen
Aliran bergerak dari partikel-partikel fluida yang tidak menentu karena telah mengalami percampuran serta putaran partikel antar lapisan yang mengakibatkan saling tukar momentum dari satu bagian fluida ke bagian fluida yang lain dalam ukuran yang besar. Dimana nilai bilangan Reynolds-nya lebih besar dari 4000 (Re > 4000).
Gambar 2.31. Aliran Turbulen (Munson, dkk, 2013) c. Aliran Transisi
Aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran turblen, nilai bilangan Reynolds-nya antara 2100 sampai dengan 4000 (2100<Re<4000).
Gambar 2.32. Aliran Transisi (Munson, dkk, 2013) Aliran fluida berdasarkan waktu, yaitu :
a. Aliran Steady
Aliran yang kecepatannya tidak dipengaruhi terhadap waktu sehingga kecepatan tetap (konstan) pada setiap titik (tidak mempunyai percepatan).
b. Aliran Transient
Aliran yang kecepatannya terjadi karena dipengaruhi terhadap waktu. 2.2.2 Aliran Annular
Aliran annular merupakan bagian dari aliran dua fasa. Penurunan tekanan pada suatu aliran menjadi masalah yang sangat penting. Tebalnya suatu film atau banyaknya cairan yang masuk kedalam pipa pada aliran annular dapat dideteksi dengan menggunakan model aliran dua fasa.
Aliran annular terjadi karena fluida udara mengalir ditengah pipa dalam jumlah yang lebih besar dan membentuk cincin (annular) dan air mengalir lebih sedikit disepanjang permukaan pipa. Didasar permukaan pipa, air yang mengalir lebih banyak dan cairan film lebih tebal daripada bagian permukaan atas pipa, adanya dua fasa fluida dengan viskositas yang berbeda akan membentuk gelombang yang berpengaruh besar terhadap perilaku aliran.
Computation Fluid Dynamics (CFD) adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, interaksi fluida dengan terstruktur, sistem akustik dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika) dengan pemodelan dikomputer. Pada dasarnya, persamaan-persamaan pada fluida dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan-persamaan diferensial parsial (PDE = partial differential equation) yang mempresentasikan hukum konversi massa, momentum dan energi.
Dengan menggunakan software ini kita dapat membuat virtual prototype
dari sebuah sistem atau alat yang ingin dianalisis dengan menerapkan kondisi nyata dilapangan. Software CFD akan memberikan kita data-data, gambar-gambar, atau kurva–kurva yang menunjukkan prediksi dari performasi keandalan sistem yang didesain tersebut. Hasil analisa CFD sering berupa prediksi kualitatif meski terkadang kuantitatif (tergantung dari persoalan dan data yang di-input).
Hal yang paling mendasar mengapa computational fluid dynamics (CFD) banyak sekali digunakan, karena dengan CFD dapat dilakukan analisis terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen.
Keunggulan atau keuntungan dari software CFD, yaitu :
1. Kemampuan studi sistem yang tidak mampu dikontrol dengan eksperimen. 2. Kemampuan studi sistem dalam kondisi berbahaya diluar batas kinerja
normal.
3. Hasil yang didapatkan semakin detail dan akurat.
4. Waktu yang diperlukan sangat sedikit dibandingkan dengan eksperimen. Kelemahan dari software CFD, yaitu :
1. Boundary condition (kondisi batas) yang dimasukkan salah maka hasil yang didapatkan tidak sesuai atau tidak maksimal.
a. Metode numerik (teknik solsui diskrititasi).
b. Tools perangkat lunak (solver, tools pre- dan postprocessing).
c. Metode metematika yang digunakan untuk menghitung persamaan Navier-Stokes.