HASIL DAN PEMBAHASAN
4.3 Karakteristik Aliran Melintasi Silinder Dengan IDB
4.3.1 Analisa Fenomena Distribusi Koefisien Tekanan pada Kontur Silinder Pada IDB 300 Pada IDB 300
Pokok bahasan pada bagian ini akan menguraikan fenomena evolusi aliran yang terjadi pada kontur permukaan empat buah silinder sirkular dengan konfigurasi in-line dan tambahan modifikasi empat buah bodi pengganggu yang ditempatkan pada sudut 300 dan 600 di depan silinder main bluff body, yang diolah dari data pengukuran hasil kajian eksperimental. Topik bahasan pada sub bab ini adalah sejauh mana pengaruh penambahan bodi pengganggu terhadap evolusi
49
Thesis Rekayasa Konversi Energi aliran yang dinyatakan dengan distribusi koefisien tekanan (Cp) untuk menggambarkan secara detail perkembangan aliran pada lapis batas dari leading
edge hingga trailing edge silinder sirkular, hingga akhirnya aliran terseparasi
masif. Distribusi koefisien tekanan (Cp) dari silinder sirkular hasil eksperimental akan dibandingkan dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Alam, dkk (2003) serta Lam dan Zou (1994) untuk meyakini bahwa pada bilangan Reynolds (Re) = 2.2 x 104 diperoleh hasil pengukuran yang memiliki tingkat akurasi data yang baik sehingga riset ini dapat memperkaya ilmu pengetahuan serta mampu menjawab tantangan dalam dunia industri.
Sesuai gambar grafik distribusi koefisien tekanan (Cp) yang ditunjukkan oleh gambar 4.5 (a) dan (b) berikut, tampak bahwa transisi lapis batas laminar hingga berubah menjadi turbulen yang diindikasikan dengan akselerasi yang mencapai maksimum hingga akhirnya terseparasi masif untuk masing-masing variasi L/D.
50 Rekayasa Konversi Energi
(b)
Gambar 4.5. Distribusi Koefisien Tekanan (Cp) Silinder Upstream Pada IDB 300 ; (a) Silinder 1 dan (b) Silinder 2
L/D 1.5; L/D 2 ; L/D 2.5
Pada gambar 4.5. (a) dan (b) silinder upstream dengan inlet disturbance
body 300 di atas menunjukkan konsistensi pada trend dari grafik namun sedikit berbeda dalam hal nilai kuantitatif, pada bagian ini akan dijelaskan interaksi aliran fluida melintasi upstream disturbance body dengan susunan in-line.
Pada variasi L/D 1.5, titik stagnasi koefisien tekanan silinder upstream tepat pada sudut 00, setelah itu aliran mengalami percepatan yang tidak terlalu signifikan seperti pada gambar 4.5 (a), pasca stagnasi terjadi akselerasi yang ditandai dengan nilai Cp berangsur-angsur menurun, hingga terjadi akselerasi maksimum pada sudut θ = ± 700 di sisi upper side dan ± 3250 di sisi lower side. Hal ini disebabkan adanya celah antara IDB dan permukaan silinder sehingga aliran mengalami hambatan, oleh karena adanya mixing shear layer antara bodi pengganggu dengan kecepatan freestream sehingga menyebabkan aliran attach ke silinder main bluff body, hingga aliran memiliki energi kembali untuk melawan
adverse pressure dan friksi. Fenomena ini disebut reattachment yang ditandai
51
Thesis Rekayasa Konversi Energi dan ± 2950 pada sisi lower side. Kemudian koefisien tekanan cenderung turun hingga pada titik minimum. 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 = ± 1300 pada sisi upper side dan ± 2800 pada sisi lower side.
Fenomena evolusi aliran untuk variasi L/D 2 seperti yang ditunjukkan oleh gambar 4.5 (a) grafik distribusi koefisien tekanan silinder 1 dengan penambahan bodi pengganggu, stagnation point pada sudut 00 dan nilai Cp berangsur-angsur turun hingga mencapai akselerasi maksimum sudut 400 sisi upper side dan sudut 3300 sisi lower side. Kemudian karena adanya mixing shear layer antara bodi
pengganggu dengan kecepatan freestream menyebabkan aliran attach ke silinder
main bluff body, hingga aliran memiliki energi kembali untuk melawan adverse pressure dan friksi, fenomena ini disebut reattachment yang ditandai dengan
adanya dua peak (puncak). Letak puncak (peak) pertama pada sudut 600 dan kedua pada sudut 950 pada sisi upper side.
Kemudian koefisien tekanan cenderung turun hingga pada titik minimum, hal ini menandakan daerah akselerasi maksimum. Letak akselerasi maksimum seperti dijelaskan di atas, 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 pada sudut 1300 sisi upper side dan sudut 2800
lower side.
Untuk L/D 2.5 mempunyai tren grafik yang sama pula seperti yang ditunjukkan oleh gambar 4.5 (a), namun yang berbeda hanya pada titik akselerasi maksimum 450 lower side dan 3350 pada sisi upper side, serta re-attachment ditandai dengan terbentuknya peak pada sudut 600 dan 900 .
Berdasarkan gambar 4.5 (a) terjadi fenomena separasi bubble pada sudut dimana aliran setelah melewati silinder penganggu, fenomena separasi bubble inilah yang menyebabkan distribusi koefisien tekanan menghasilkan
52 Rekayasa Konversi Energi
silinder pengganggu dengan freestream flow menyebabkan aliran reattach ke silinder main bluff body.
Pada gambar grafik 4.5 (b) untuk silinder 2 tren grafik sama dengan gambar 4.5 (b), untuk L/D 1.5 titik separasi pada sudut 00 begitu pula untuk variasi jarak yang lain, yang berbeda adalah terbentuknya peak. Peak yang terbentuk pada variasi L/D 1.5 silinder 2 terdapat satu peak berada pada sisi
upper side dengan sudut 550 upper sidedan sudut 2950 lower side, sedangkan peak
yang terbentuk pada L/D 2 yaitu pada sudut 3050 pada sisi lower side sedangkan pada variasi L/D 2.5 peak pada sudut 2900 sisi lower side. Pada penelitian sebelumnya tidak ditemukan penjelasan terbentuknya fenomena peak yang berbeda pada setiap variasi akan tetapi diyakini bahwa dengan adanya modifikasi penambahan empat buah bodi pengganggu pada riset ini sangatlah besar pengaruhnya terhadap evolusi aliran, hal ini mengindikasikan bahwa fenomena pola aliran dipengaruhi oleh rasio jarak, blockage effect dan bilangan Reynolds terhadap distribusi kecepatan rata-rata dan pola aliran yang terbentuk akibat efek interfensi aliran melewati silinder sirkular tersusun in-line.
Dari keseluruhan grafik koefisien tekanan dengan tambahan bodi pengganggu pada sudut 300 kecenderungan trend grafik secara substansial hampir sama untuk keseluruhan variasi yang di uji, akan tetapi sedikit berbeda pada peak yang terbentuk untuk setiap variasi sehingga fenomena ini sangatlah menarik untuk dikaji.
Pada variasi L/D 1.5 tampak dari grafik distribusi terbentuknya peak cenderung sama yaitu satu pada sisi upper side dan satu pada sisi lower side, hal ini mengindikasikan bahwa distribusi koefisien tekanan melingkupi secara penuh pada kedua silinder downstream atau struktur aliran yang terbentuk di belakang silinder 1 dan 2 tidak membias sehingga struktur wake dari silinder 3 dan 4
downstream membentuk struktur gabung, namun tidak demikian yang terjadi pada
variasi L/D 2, oleh karena rasio jarak yang bertambah dan Reynolds yang tinggi 2.2 x 104 maka transformasi pola aliran yang terjadi pada silinder 1 menunjukkan struktur aliran membias ke sisi atas dan sebagian aliran menuju silinder 3
downstream. Defleksi aliran yang terjadi pada jarak gap yang mulai membesar hal
53
Thesis Rekayasa Konversi Energi
layer silinder 1. Namun adanya momentum aliran yang lebih besar dari
momentum aliran yang terseparasi dan adanya pengaruh wake dari IDB, menyebabkan shear layer yang terlepas mengalami re-attachment pada permukaan silinder upstream yang ditandai dengan adanya peak yang pertama pada sudut kontur 600.
Kemudian aliran mengikuti kontur permukaan silinder kembali yang ditandai penurunan tekanan dan selanjutnya terbentuk peak yang kedua pada sudut kontur 950, setelah terbentuknya dua buah peak aliran kembali mengikuti kontur permukaan silinder yang ditandai dengan penurunan tekanan hingga terjadi separasi. Untuk variasi L/D 2.5 secara substansial evolusi yang terbentuk sama dengan variasi L/D 2, namun yang berbeda hanya pada terbentuknya peak.
Distribusi koefisien tekanan pada kontur permukaan silinder downstream untuk susunan silinder in-line dengan IDB 30° pada gambar 4.6 berikut :
54 Rekayasa Konversi Energi
(b)
Grafik 4.6. Distribusi Koefisien Tekanan (Cp) Silinder Downstream Dengan IDB 300 ; (a) Silinder 3 dan (b) Silinder 4
L/D 1.5; L/D 2 ; L/D 2.5
Koefisien tekanan pada kontur permukaan silinder downstream dengan tambahan inlet disturbance body pada sudut 300 seperti pada gambar 4.6 di atas bernilai negatif untuk keseluruhan variasi jarak antar silinder 1.5 ≤ L/D ≤ 2.5. Pada gambar 4.6 (a) distribusi koefisien tekanan menunjukkan bahwa silinder
downstream masih terlingkupi wake silinder upstream. Adanya peak pada grafik
menandakan bahwa shear layer yang terpisah dari silinder upstream mengalami
re-attachment pada permukaan silinder downstream. Pengaruh wake silinder upstream terhadap silinder downstream mulai berkurang seiring bertambahnya
rasio jarak antar silinder. Rasio jarak L/D 1.5 pada gambar 4.6 (a), titik
attachment berada pada titik 0°, kemudian aliran mengalami percepatan hingga
mencapai kecepatan maksimum pada sudut 80° untuk variasi L/D 2.5. Setelah mencapai kecepatan maksimum, aliran fluida mengalami perlambatan dan mengalami separasi pada sudut 135°. backward shear layer mengalami percepatan hingga sudut 155° dan mengalami perlambatan kemudian terseparasi
55
Thesis Rekayasa Konversi Energi pada sudut 250° yang disebut sebagai backward separation position (BSp) sedangkan forward shear layer mengalami percepatan hingga sudut 30° Sedangkan pada lower side, FSL terseparasi pada sudut 350° dan BSL terseparasi pada sudut 220°.
Pada rasio jarak L/D 2 gambar 4.6 (a) menunjukkan distribusi koefisien tekanan silinder 3 mengalami re-attachment aliran yang terbagi menjadi forward
shear layer yang kemudian terseparasi pada sisi depan silinder (FSp) dan backward shear layer yang terseparasi pada sisi belakang silinder (BSp). Namun,
titik re-attachment belum tepat pada sudut 0°, melainkan sudut 30° untuk upper
side dan 345° untuk lower side, dan peak yang terbentuk pada sudut 1450.
Untuk L/D 2.5 gambar 4.6 (a) ttitik re-attachment pada sudut 300 yang ditandaioleh peak pada sudut 1300, kemudian terseparasi pada sudut 2200 sisi
upper side dan sudut 3050 untuk sisi lower side. Fenomena re-attachment kembali yang di tandai dengan fenomena peak, hal ini menunjukkan bahwa semakin bertambah rasio jarak silinder upstream dan dowmstream, maka pengaruh wake dari silinder upstream semakin berkurang.
Pada gambar 4.6 (b) silinder 4 tren grafik sama dengan silinder 3, pada rasio jarak L/D 1.5 ttitik re-attachment pada sudut 250 upper side dan 2850 pada sisi lower side dan terseparasi pada sudut 1050 posisi upper side 2350 untuk posisi lower side dan peak pada sudut 3250. Selanjutnya untuk rasio jarak L/D 2
re-attachment pada sudut 50 upper side dan 2900 pada sisi lower side serta peak yang terbentuk pada sudut 600 dan sudut 3300 , begitu pula halnya dengan peak yang terbentuk pada L/D 2.5 berada pada sudut 550 upper side dan sudut 3300 pada sisi lower side. Untuk titik separasi pada rasio jarak L/D 2 pada sudut 1450
upper side dan sudut 2300 lower side, selanjutnya titik separasi pada rasio jarak L/D 2.5 berada pada sudut 1350 upper side serta sudut 2350 lower side.
Pada bagian berikut ini akan diuraikan profil kecepatan susunan silinder
in-line dengan penambahan upstream inlet disturbance body pada sudut 300 seperti pada gambar 4.7 di bawah ini :
56 Rekayasa Konversi Energi
Grafik 4.7. Profil Kecepatan dengan IDB 300 L/D 1.5; L/D 2 ; L/D 2.5
Hasil distribusi profil kecepatan dari hasil riset menunjukkan bahwa konfigurasi silinder susunan in-line square dengan tambahan IDB 300 ,ditinjau dari profil kecepatan diantara silinder terlihat bahwa sisi celah susunan in-lined harga defisit momentumnya semakin berkurang seiring dengan bertambahnya variaisi L/D. Pada jarak L/D 1.5 terjadi defisit momentum yang terbesar ditandai dengan nilai V/Vmaks yang paling rendah yaitu sekitar 0.47. Hal ini disebabkan karena aliran yang melintasi silinder upstream melingkupi silinder downstream sehingga pada jarak yang sempit wake yang terjadi dari silinder upstream melingkupi silinder downstream, untuk lebar wake tersempit terjadi pada jarak L/D 2
4.3.2. Analisis Distribusi koefisien pressure drag silinder dan koefisien drag