HASIL DAN PEMBAHASAN
4.3. Distribusi Koefisien Pressure Drag Silinder Utama
Pada sub bab ini akan membahas tentang pengaruh penambahan inlet
disturbance body pada susunan in-line serta seberapa besar pengaruh upstream inlet disturbance body yang diposisikan pada sudut 300 dan 600 dengan variasi rasio jarak antar silinder (L/D) terhadap distribusi koefisien pressure drag silinder pada gambar 4.12 dibawah ini:
67
Thesis Rekayasa Konversi Energi
(b)
(c )
Grafik 4.12 Koefisien Pressure Drag (CDp); (a) IDB 300 ; (b) IDB 600 dan (c) Tanpa IDB
68 Rekayasa Konversi Energi
Koefisien pressure drag silinder upstream maupun silinder downstream diperoleh dari persamaan 3.5. Dari gambar 4.12(a), untuk silinder upstream terlihat koefisien pressure drag tertinggi terjadi pada konfigurasi in-line dengan
inlet disturbance body 60° dan yang terendah pada konfigurasi in-line dengan upstream inlet disturbance body 30°. Nilai koefisien pressure drag ( CDP ) silinder upstream yang terendah yaitu 1.0 untuk silinder 1 dan 0.8 untuk silinder
2 pada L/D 2.
Pada gambar 4.12 (b) untuk silinder downstream distribusi CDP konfigurasi
in-line dengan IDB 600 cenderung lebih tinggi dari tambahan bodi pengganggu (IDB) 300. Distribusi CDP konfigurasi in-line dengan IDB 300 memiliki nilai yang paling rendah untuk silinder downstream. Nilai distribusi CDP silinder downstream tertinggi yaitu 0.13 untuk silinder 3 dan 0.50 untuk silinder 4 pada konfigurasi dengan bodi pengganggu 300 dengan jarak L/D 2.
Modifikasi geometri dengan penambahan empat buah silinder sirkular
upstream inlet disturbance body pada sudut 300 sesuai hasil ekperiment secara keseluruhan ternyata mampu mereduksi gaya drag yang efektif pada silinder
upstream dan downstream. Distribusi CDP keseluruhan variasi rasio jarak L/D dengan IDB jika dibandingkan dengan tanpa IDB terdapat perbedaan yang signifikan dimana tanpa IDB distribusi koefisien drag lebih tinggi, hal ini mengindikasikan reduksi gaya hambat pada tanpa IDB tidak efektif.
Dibawah ini tabel 4.1 distribusi koefisien drag pressure (CDP) silinder sirkular pada konfigurasi in-line dengan modifikasi geometri penambahan inlet
69
Thesis Rekayasa Konversi Energi Tabel 4.1 Distribusi Koefisien Drag Pressure (CDP) pada masing-masing silinder
Koefisien Drag Pressure (CDP) Variasi Sudut IDB Variasi L/D Silinder 1 2 3 4 Tanpa IDB 1.5 1.994 2.285 0.401 -0.262 2 2.181 1.779 -0.18 0.007 2.5 1.83 1.727 0.198 0.363 IDB 30 1.5 2.234 1.608 0.131 -0.046 2 1.088 0.86 -0.31 0.309 2.5 1.139 1.024 0.104 0.505 IDB 60 1.5 2.285 3.474 0.159 0.346 2 2.55 2.796 -0.28 0.002 2.5 2.896 0.946 -0.21 0.318
Berdasarkan tabel 4.1 di atas terlihat nilai koefisien pressure drag tertinggi terjadi pada IDB 60° pada silinder 1 dan nilai koefisien pressure drag terendah terjadi pada IDB 30° untuk keseluruhan silinder. Hal ini menunjukkan bahwa modifikasi gometri dengan sudut IDB 30° mampu mempercepat transisi aliran pada kontur permukaan silinder sirkular dari laminar menjadi turbulen sehingga diperoleh kemampuan mereduksi koefisien drag paling efektif pada variasi jarak
L/D 2. Jika dibandingkan dengan hasil penelitian yang telah dilakukan oleh
Alam, dkk (2003) ada kesesuaian dimana penggunaan batang pengganggu sebagai salah satu usaha melakukan passive control dalam mengurangi gaya hambat terhadap silinder sirkular, yaitu pada IDB 300 mampu mereduksi gaya hambat yang efektif.
Informasi yang menarik dari hasil koefisien drag pressure ini adalah pada bilangan Reynolds yang tinggi akan menyebabkan nilai koefisien drag cenderung turun bila blockage ratio kecil, dimana nilai blockage ratio pada eksperiment ini adalah 16.7% . Pada kondisi tersebut berbeda bila terdapat blockage ratio yang besar. Menurut penelitian yang dilakukan oleh Weidman (1964), semakin kecil nilai Cpb maka koefisien gaya drag yang dihasilkan juga semakin besar.
70 Rekayasa Konversi Energi
4.5 Diskusi
Mengacu dari hasil eksperimen yang dilakukan pada pengujian silinder sirkular tersusun in-line pada bilangan Reynolds 2.2 x 104 dengan modifikasi geometri penambahan empat buah upstream inlet disturbance body menggunakan instrument pengukuran tranduser tekanan Data Aquisisi DAQ PRO 5300 dengan konfigurasi L/D yang berbeda, kemudian akan dibandingkan dengan penelitian sebelumnya memiliki korelasi yaitu penelitian empat buah silinder sirkular tanpa IDB oleh (Lam dan Zou, 1994) serta penelitian oleh Alam,dkk, 2003 yang lebih terfokus pada penambahan IDB. Dari kedua penelitian terdahulu tersebut jika dibandingkan dengan penelitian yang dilakukan, secara substansial sangat berbeda ditinjau dari modifikasi geometri maupun konfigurasi yang di ujikan, namun dari penelitian ini akan dikomparasi kesesuain fisis antara hasil eksperimen dengan hasil penelitian terdahulu.
Keinginan mendapatkan performa terbaik dengan gaya hambat yang kecil dari suatu sistem aliran fluida yang melintasi bluff body kemudian melatarbelakangi ditemukannya pengendalian pasif lapis batas. Salah satu upaya yang dilakukan diantaranya adalah dengan pemberian upstream disturbance berupa obyek pengganggu di depan main bluff body. Dengan modifikasi geometri berupa tambahan upstream inlet disturbance body inilah salah satu cara untuk menunda letak titik separasi pada main bluff body. Kandungan vortisitas pada
shear layer yang dihasilkan oleh upstream disturbance akan mampu mempercepat
transisi terbentuknya lapis batas turbulen. Dengan dominasi lapis batas turbulen pada permukaan main bluff body maka separasi pada bodi utama akan tertunda lebih ke belakang, wake dan shear layer yang ditimbulkan oleh upstream disturbance telah mengakibatkan penundaan separasi aliran pada bodi utama.
Untuk susunan in-line, penguatan down stream adverse pressure, didorong oleh peningkatan source effect (blockage effect) dari main bluff body.
Penambahan upstream inlet disturbance body pada silinder sirkular susunan in-line sebagaimana diuraikan secara detail dan komprehensip pada bab sebelumnya maka dalam penelitian ini dapat memunculkan dua hal penting untuk dapat di diskusikan yaitu:
71
Thesis Rekayasa Konversi Energi 1. Pengaruh penambahan empat buah upstream disturbance body terhadap
karakteristik aliran yang melintasi sekelompok bluff body dan keberadaan
separation bubble dalam meningkatkan fluktuasi vorticity yang sangat
berpengaruh terhadap perkembangan boundary layer pada kontur hingga akhirnya terseparasi masif.
2. Pengaruh efek dari variasi rasio jarak L/D dan Reynolds terhadap distribusi kecepatan rata-rata dan pola aliran yang terbentuk akibat efek interfensi aliran melewati silinder sirkular tersusun in-line
Adapun penjelasan yang lebih detail dan komprehensif untuk dua hal tersebut di atas diuraikan sebagai berikut :
Geometri dari sekelompok bluff body ketika dilingkupi oleh aliran fluida, pada umumnya mempunyai karakteristik yang menghasilkan adverse pressure
gradient yang lebih dominan dibandingkan wall shear stress-nya. Fenomena ini
dapat mempengaruhi terbentuknya separasi bubble maupun letak separasi masif dari momentum fluida yang attach pada kontur permukaan padat. Momentum fluida yang telah terseparasi dari kontur permukaan padat menghasilkan defisit momentum pada daerah downstream bluff body tersebut. Defisit momentum pada daerah downstream bluff body dikenal sebagai wake.
Pada keseluruhan variasi rasio jarak L/D dengan tambahan inlet
disturbance body pada sudut 300 diperoleh perbandingan nilai koefisien drag hasil penelitian saat ini pada gambar 4.12. dengan penelitian yang dilakukan Alam, dkk, 2003 pada gambar 2.3 dan penelitian Lam dan Zou 1994 pada gambar 2.10. Nilai koefisien drag silinder upstream hasil penelitian saat ini dengan blockage ratio 16.7% lebih rendah bila dibandingkan dengan nilai koefisien drag yang diperoleh Alam, dkk 2003. Hal ini sesuai dengan penelitian Weidman 1968 yang menyebutkan bahwa peningkatan koefisien drag seiring bertambahnya blockage ratio. Dari hasil penelitian Lam dan Zou 1994 disimpulkan bahwa koefisien drag silinder upstream mengalami fluktuasi hal ini mengindikasikan bahwa efek interfensi antara silinder yang tergantung pada rasio jarak L/D. Untuk koefisien drag (CD) silinder downstream 3 dan 4 mengalami kenaikan seiring dengan bertambahnya jarak antar silinder. Yang sangat menarik dari penelitian ini adalah adanya kesesuain penelitian saat ini dengan penelitian
72 Rekayasa Konversi Energi
Alam, dkk 2003 dan Lam & Zou 1994 yaitu dengan adanya penambahan empat buah bodi pengganggu pada sudut 300 mampu mereduksi gaya hambat secara efektif pada empat buah silinder sirkular yang tersusun in-line. Hal ini dapat disimpulkan bahwa penambahan bodi pengganggu pada sudut 300 akan menghasilkan reduksi gaya hambat yang efektif baik pada silinder tunggal maupun pada sekolompok bluff body yang tersusun in-line.
Transformasi pola aliran yang terjadi pada ke empat silinder menunjukkan tergantung pada bilangan Reynolds dan rasio jarak L/D. Bilangan Reynolds mempunyai andil yang besar sebagai penyebab terjadinya separasi. Semakin besar bilangan Reynolds maka momentum yang dimiliki fluida juga makin besar dan aliran semakin cepat menjadi turbulen, dan boundary layer pun berkembang semakin cepat dan lebih mampu untuk bertahan terhadap adverse
pressure gradient, sehingga terjadinya titik separasi bisa tertunda.
Berdasarkan variasi rasio jarak L/D di atas kesimpulan yang diperoleh dari terbentuknya pola aliran yang melintasi empat buah silinder sirkular dengan tambahan bodi pengganggu menurut pembagian rejim rasio jarak yaitu ;
Rejim 1 : Rasio jarak L/D 1.5 adalah rasio dimana kontur permukaan silinder
downstream terlingkupi oleh wake yang terbentuk dari silinder upstream
Rejim 2 : Rasio jarak L/D 2 adalah rasio dimana efek interfensi aliran dari silinder
upstream mulai berkurang terhadap silinder downstream.
Rejim 3 : Rasio jarak L/D 2.5 adalah rasio jarak interfensi aliran dari silinder
upastream tidak lagi mempengaruhi silinder downstream.
Fenomena fisis berkaitan dengan interaksi aliran antara upstream
disturbance body dengan main bluff body sebagai berikut, bahwa pertumbuhan boundary layer dari laminar menjadi turbulen pada kontur main bluff body sangat
dipengaruhi oleh dua hal. Pertama adalah intensitas turbulen dari shear layer yang terlepas dari kontur upstream disturbance, kedua adalah posisi attachment dari shear layer pada kontur main bluff body. Transisi lapis batas makin cepat terjadi bila shear layer dengan intensitas turbulen makin besar, attach lebih awal pada kontur main bluff body. Posisi attachment yang lebih awal mengijinkan lapis batas lebih awal berkembang, hal ini disebabkan mixing region yang terjadi lebih
73
Thesis Rekayasa Konversi Energi pendek. Bila intensitas agitasi di dalam mixing region lebih pendek ini makin kuat, maka transisi lapis batas menjadi makin cepat terjadi.
Closing statement dari penelitian yang dilakukan saat ini adalah dengan
adanya modifikasi geometri dengan penambahan inlet disturbance body pada sekolompok bluff body silinder sirkular, dimana transformasi pola aliran yang melintasi silinder sirkular dengan tambahan bodi pengganggu 300 sangat efektif dalam mereduksi gaya hambat pada sekelompok bluff body dengan susunan
in-line square, dengan demikian telah terjawab kebutuhan dunia industri khususnya
74 Rekayasa Konversi Energi
75
Thesis Rekayasa Konversi Energi