HASIL DAN PEMBAHASAN
4.3 Karakteristik Aliran Melintasi Silinder Dengan IDB
4.3.3. Analisa Fenomena Distribusi Koefisien Tekanan pada Kontur Silinder Dengan IDB 600Dengan IDB 600
Dalam sub bab ini akan menganalisa fenomena distribusi koefisien tekanan pada kontur silinder dengan tambahan inlet disturbance body yang diposisikan pada sudut 600 di depan main bluff body. Distribusi koefisien tekanan berdasarkan hasil eksperimen terlihat pada gambar 4.8 untuk keseluruhan variasi sebagai berikut :
59
Thesis Rekayasa Konversi Energi
(a)
(b)
Grafik 4.9 Distribusi Koefisien Tekanan (CP) Silinder Upstream Pada IDB 600 ; (a) Silinder 1 dan (b) Silinder 2
60 Rekayasa Konversi Energi
Pada gambar 4.9 (a) grafik di atas menunjukkan bahwa titik stagnasi terjadi pada sudut 00 untuk keseluruhan variasi rasio jarak L/D dan cenderung mempunyai karakter yang hampir sama. Penambahan bodi pengganggu dengan sudut 600 adalah upaya untuk mendapatkan reduksi gaya hambat yang efektif serta dimaksudkan untuk mengetahui sampai sejauh mana perkembangan
boundary layer, terbentuknya separation bubble, maupun massive separation
pada masing-masing kontur benda yang diujikan. Evolusi aliran yang dinyatakan dengan distribusi koefisien tekanan (Cp) untuk menggambarkan perkembangan aliran pada lapis batas dari leading edge hingga trailing edge silinder sirkular dan akhirnya aliran terseparasi masif.
Berdasarkan gambar 4.9 (a) tampak bahwa transisi lapis batas laminar hingga berubah menjadi turbulent untuk L/D 2 diindikasikan dimana titik stagnasi ditunjukkan pada nilai Cp sebesar 1, kemudian koefisien tekanan menurun secara perlahan. Setelah penurunan Cp, hal yang sangat menarik terjadi yaitu terbentuknya small adverse pressure gradient (Alam, dkk 2003), small adverse
pressure gradient terjadi pada sudut θ = ± 450 untuk silinder 1 dan silinder 2 pada sudut θ = ± 300 di sisi upper side dan sudut θ = ± 3150 silinder 1 di sisi lower side, namun pada silinder 2 untuk sisi lower side tidak terjadi small adverse pressure
gradient. Akselerasi maksimum terjadi pada sudut θ = ± 700 pada sisi lower dan θ = ± 3150 pada sisi lower side seperti ditunjukkan pada gambar 4.9 (a). Sesaat
setelah mencapai kecepatan maksimum, aliran mengalami perlambatan dan langsung mengalami separasi pada sudut 80°. Hal ini disebabkan momentum aliran freestream maupun wake dari inlet disturbance body tidak mampu mendorong shear layer yang terlepas sehingga tidak dapat kembali attach pada kontur silinder.
Pada rasio jarak L/D 1.5 dan L/D 2.5 dari gambar 4.9 (a) silinder 1
upstream diperoleh untuk L/D 1.5 terjadi small adverse pressure gradient pada
sudut 250, akselerasi maksimum pada sudut 600 upper side dan 3050 lower side, titik separasi berada pada sudut 700 upper side dan sudut 2900 lower side, sedangkan untuk L/D 2.5 tidak terjadi small adverse pressure gradient, akselerasi maksimum pada sudut 700 upper side dan 3100 lower side selanjutnya aliran
61
Thesis Rekayasa Konversi Energi mengalami perlambatan yang ditandai dengan terjadinya separasi. Adapun separasi terjadi pada sudut 900 upper side dan 2850 untuk lower side.
Untuk distribusi koefisien tekanan pada kontur permukaan silinder 2 seperti pada gambar grafik 4.9 (b) diperoleh karakter aliran yang terjadi tidak jauh berbeda dengan evolusi aliran yang terjadi pada silinder 1, namun secara kuantitatif perbedaan terjadi pada nilai sudut kontur terbentuknya stagnation
point, titik separasi, peak dan sudut akselerasi maksimum. Dari gambar 4.8 (b)
untuk L/D 1.5 diperoleh bahwa titik stagnasi ditunjukkan oleh nilai Cp sebesar 1, kemudian koefisien tekanan menurun secara perlahan, hingga terjadi akselerasi maksimum pada sudut θ = ± 350 di sisi upper side dan ± 3200 di sisi lower side, setelah itu tekanan cenderung meningkat karena harus melawan adverse pressure dan friksi seperti yang terlihat pada grafik Cp, hingga aliran tidak mampu melawan adverse pressure dan friksi yang menyebabkan terjadinya separasi. Titik separasi terjadi pada sudut θ = ± 1250 pada sisi upper side dan ± 2350 pada sisi
lower side.
Oleh karena adanya celah antara inlet disturbance body dan permukaan silinder maka aliran mengalami hambatan, hal ini mengindikasikan adanya mixing
shear layer antara bodi pengganggu dengan kecepatan freestream sehingga
menyebabkan aliran attach ke silinder main bluff body, fenomena ini disebut
reattachment yang ditandai dengan adanya peak (puncak) yakni pada sudut kontur
± 2950 pada sisi lower side.
Pada rasio jarak L/D 2 dan L/D 2.5 dari gambar 4.9 (b) dimana evolusi aliran pada kedua jarak mempunyai karakter yang hamper sama, kedua-duanya terjadi small adverse pressure gradient untuk L/D 2 pada sudut 300, dan L/D 2.5 pada sudut 350, kemudian terjadi akselerasi maksimum pada sudut 600 sisi upper
side dan 2900 sisi lower side untuk L/D 2 dan aliran terseparasi pada sudut kontur 850 upper side dan sudut 2700 lower side, serta pada L/D 2.5 akselerasi maksimum pada sudut 600 sisi upper side dan 3050 sisi lower side dan aliran terseparasi pada sudut kontur 700 upper side dan sudut 2850 lower side.
Dari grafik terdapat perbedaan distribusi koefisien tekanan pada silinder sirkular 2 tidaklah terlalu signifikan jika dibandingkan dengan distribusi koefisien tekanan pada silinder 1. Namun terdapat perbedaan seperti posisi base pressure
62 Rekayasa Konversi Energi
coefficient (Cpb), hal ini mengindikasikan bahwa terjadinya perbedaan (Cpb) dipengaruhi oleh beberapa hal antara lain kecepatan free-stream turbulence, intensitas turbulensi aliran, kekasaran permukaan silinder sirkular, serta blockage ratio.
Evolusi distribusi koefisien tekanan (Cp) untuk silinder downstream silinder 3 dan 4 dengan tambahan inlet disturbance body 600 dapat dilihat pada gambar 4.10 di bawah ini:
63
Thesis Rekayasa Konversi Energi
(b)
Grafik 4.10 Distribusi Koefisien Tekanan (CP) pada IDB 600 Silinder
Downstream; (a) Silinder 3 dan (b) Silinder 4
L/D 1.5; L/D 2; L/D 2.5
Dari gambar grafik 4.10 di atas, distribusi koefisien tekanan pada kontur permukaan silinder downstream untuk susunan silinder in-line dengan IDB 60° menunjukkan tren grafik yang tidak jauh berbeda untuk masing-masing rasio jarak L/D. Nilai koefisien tekanan pada susunan silinder downstream ini bernilai paling rendah dari pada susunan silinder upstream. Hal ini menunjukkan bahwa wake yang terbentuk akibat penambahan IDB pada sudut 600 lebih lebar dari pada silinder upstream. Oleh sebab itu sangat mempengaruhi nilai koefisien drag silinder downstream. Nilai koefisien tekanan dibawah nol mengindikasikan bahwa nilai koefisien drag lebih rendah.
Keberadaan silinder sirkular (downstream body) pada berbagai jarak L/D akan menyebabkan free shear layer yang terseparasi dari upstream disturbance
body terdefleksi kembali (back flow) pada trailing edge silinder downstream atau
dikenal dengan forward shear layer. Fenomena tersebut membuat stream tube pada daerah base pressure silinder sebagai upstream disturbance body menjadi semakin divergen, hal tersebut akan meningkatkan adverse pressure gradient.
Untuk silinder 3 gambar 4.10 (a), pada rasio jarak L/D 1.5, backward
64 Rekayasa Konversi Energi
perlambatan kemudian terseparasi pada sudut 105° yang disebut sebagai
backward separation position (BSp), namun untuk titik re-attachment belum tepat
pada sudut 0°, melainkan pada sudut kontur 100 untuk upper side dan 2400 untuk
lower side, FSL terseparasi pada sudut 200°. Untuk variasi rasio jarak L/D 2 titik re-attachment berada pada sudut kontur 800, kemudian mengalami perlambatan hingga terseparasi pada sudut kontur 2300 serta untuk variasi L/D 2.5 mengalami
re-attachment pada sudut kontur 650 dan FSL terseparasi pada sudut kontur 2100 . Pada gambar 4.10 (b) grafik distribusi koefisien tekanan pada kontur permukaan silinder 4 L/D 1.5 menunjukkan backward shear layer (BSL) mengalami percepatan hingga sudut 30° hingga mengalami perlambatan dan selanjutnya terseparasi pada sudut 150° upper side dan sudut 2500 sisi lower side dan re-attachment pada sudut 3050, selanjutnya untuk variasi rasio L/D 2 mengalami percepatan hingga sudut 350 kemudian mengalami perlambatan dan terseparasi pada sudut kontur 900 sisi upper side dan sudut 2300 pada sisi lower
side serta re-attachment pada sudut 2650 . Untuk L/D 2.5 fenomena evolusi aliran tidak jauh berbeda dengan varisai L/D 2.
Pada L/D 2.5 gambar 4.9 (b) menunjukkan titik re-attachment pada sudut kontur 200 sisi upper side dan 2900 pada sisi lower side serta titik separasi terjadi pada sudut kontur 1450 upper side dan pada sudut kontur 2350 sisi lower side.
Dari evolusi aliran yang terjadi pada silinder downstream baik silinder 3 dan silinder 4 menunjukkan grafik yang bergelombang, hal ini mengindikasikan bahwa perubahan pola aliran pada silder downstream sangat cepat untuk keseluruhan rasio jarak. Adanya blockage effect akan menyebabkan kecepatan
free stream lebih cepat (pada titik dimana rasio blockage maksimum) daripada
kecepatan real-nya, hal ini disebabkan adanya penyempitan area yang dilalui oleh aliran fluida.
Fenomena fisis yang akan diuraikan pada bagian ini diawali dengan melakukan interpretasi atas data kuantitatif berupa profil kecepatan. Dari hasil eksperimen diperoleh profil kecepatan dibelakang konfigurasi susunan in-line dengan IDB 600 (gambar 4.11) sebagai berikut:
65
Thesis Rekayasa Konversi Energi
Grafik 4.11 Profil Kecepatan susunan in-line dengan IDB 60° L/D 1.5; L/D 2 ; L/D 2.5
Dari gambar 4.11 di atas terlihat bahwa defisit momentum tertinggi terjadi pada konfigurasi L/D 1.5 yang ditandai dengan nilai V/Vmaks terendah sekitar 0.15, dan yang terendah untuk variasi jarak L/D 2 dengan nilai 0.67, serta untuk konfigurasi L/D 2.5 adalah 0.43 dan konfigurasi dengan L/D 1.5 dari grafik terlihat juga memiliki wake yang terlebar serta wake yang tersempit dimiliki oleh rasio jarak L/D 2. Yang menarik dari fenomena terbentuknya profil kecepatan pada rasio jarak L/D 2 ini adalah nampaknya tidak terlalu besar jika dibandingkan dengan variasi yang lain, hal ini mengindikasikan bahwa defisit momentum dari profil kecepatan yang tidak cukup besar semata-mata disebabkan oleh pertumbuhan lapis batas yang lebih awal pada kontur permukaan main bluff body, pada jarak ini modus shear layer yang berbentuk wake-impingement mode, lebih awal attach pada kontur permukaan silinder, oleh sebab itu pada rasio jarak ini
mixing process dan pertumbuhan lapis batas akan terjadi lebih awal.
Profil kecepatan jelas menunjukkan gejala terbentuknya lapis batas turbulen yang ditandai dengan profil yang lebih fuller. Yang menarik dari trend ketiga grafik ini adalah grafik untuk L/D 1.5, dimana pada rasio jarak ini hanya mempunyai satu bentuk profil kecepatan yang menguncup jika dibandingkan
66 Rekayasa Konversi Energi
dengan variasi rasio jarak yang lain. Hal ini mengindikasikan bahwa profil kecepatan yang terbentuk disebabkan karena aliran fluida masih secara penuh melingkupi silinder downstream yang semata-mata disebabkan oleh rasio jarak yang sangat dekat. Jika kita lihat profil kecepatan yang terbentuk pada rasio jarak yang membesar ternyata profil kecepatan yang menguncup sebanyak dua buah dan pada rasio jarak L/D 2 diperoleh wake yang sempit atau defisit momentum yang kecil menunjukkan bahwa separasi masif lebih tertunda ke belakang.