HASIL DAN PEMBAHASAN
4.2 Karakteristik Aliran Melintasi Silinder Tanpa IDB
4.2.1 Distribusi Koefisien Tekanan pada Kontur Silinder Tanpa IDB
Rekayasa Konversi Energi
Grafik 4.1 Distribusi Intensitas Turbulensi Saluran Kosong
Berdasarkan gambar 4.1 di atas, diperoleh nilai intensitas turbulensi pada saluran kosong wind tunnel pada bilangan Reynolds 2.2 x 104 adalah 1.56% dengan kecepatan rata-rata 15.13 m/s.
4.2 Karakteristik Aliran Melintasi Silinder Tanpa IDB
4.2.1 Distribusi Koefisien Tekanan pada Kontur Silinder Tanpa IDB
Pada sub bab ini menampilkan data kuantitatif meliputi distribusi koefisien tekanan pada kontur main bluff body susunan in-line square dengan variasi L/D 1.5; 2; 2.5 beserta profil kecepatan di belakang konfigurasi in-line. Hal ini ditampilkan dalam pembahasan awal dengan maksud untuk mengetahui fenomena evolusi aliran melintasi empat buah silinder sirkular yang tersusun in-line sampai terbentuknya separation bubble, maupun massive separation pada kontur masing-masing benda uji tersebut, selain itu menjadi bahan komparasi dengan
bluff body susunan in-line dengan tambahan bodi pengganggu yang diperoleh dari
penelitian ini.
Perkembangan boundary layer pada konfigurasi tanpa pengganggu adalah dasar pijakan utama dalam menganalisis evolusi aliran yang terjadi pada silinder
41
Thesis Rekayasa Konversi Energi
disturbance body yang diposisikan pada sudut 300 maupun pada sudut 600 dan pada bilangan Reynolds yang konstan yaitu 2.2 x 104 .
Karakteristik dan distribusi koefisien tekanan pada kontur silinder 1
upstream bawah dan silnder 2 upstream atas dapat dilihat pada gambar 4.2 di
bawah ini:
(a)
(b)
Grafik 4.2. Distribusi Koefisien Tekanan (Cp) Silinder Upstream Tanpa IDB (a) Silinder 1; (b) Silinder 2
42 Rekayasa Konversi Energi
Grafik distribusi koefisien tekanan memberikan informasi tentang evolusi aliran yang melintasi permukaan lengkung silinder 1 dan 2 upstream tanpa inlet
disturbance body (gambar 4.2 (a) dan (b) hingga terjadinya akselerasi maksimum,
daerah terjadinya deselarasi serta daerah base pressure (daerah bertekanan konstan atau telah terjadi separasi masif), pada gambar 4.2 di atas menunjukkan tren grafik hampir mempunyai karakter yang sama untuk keseluruhan variasi jarak L/D, namun berbeda pada titik stagnasi seiring bertambahnya jarak L/D.
Dari gambar 4.2 (a) di atas diperoleh titik stagnasi untuk keseluruhan variasi L/D pada sudut kontur θ = 00 yang ditandai oleh nilai nilai Cp sebesar 1, namun yang berbeda dari ketiga variasi ini adalah titik stagnasi pada variasi L/D 1.5 dimana nilai Cp menurun secara signifikan dibanding stagnasi pada L/D 2 dan L/D 2.5 yang berangsur-angsur menurun hingga terjadi akselerasi maksimum untuk L/D 1.5 pada sudut θ = ± 900 di sisi upper side, L/D 2 pada sudut θ = ± 850 di sisi upper side dan L/D 2.5 pada sudut θ = ± 800 serta pada sisi lower side masing-masing pada sudut θ = ± 3050 ; θ = ± 3150 dan θ = ± 3100. 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.
Adapun titik separasi untuk masing – masing variasi berbeda-beda yaitu untuk L/D 1.5 titik separasi pada sudut 1200 di sisi upper side dan disisi lower
side pada sudut 2900 , selanjutnya untuk L/D 2 titik separasi berada pada sudut 1050 sisi upper side dan sudut 3050 untuk sisi lower side, serta untuk rasio jarak L/D 2.5 titik separasi berada pada sudut 1050 dan sudut 2900. Perbedaan dari masing-masing variasi jarak terlihat pada base pressure. Nilai base pressure terendah pada jarak L/D 2.5 dan nilai tertinggi pada jarak L/D 1.5.
Sebagaimana ditunjukkan pada gambar 4.2 diatas memberikan informasi mengenai fenomena timbal balik (separation–reattachment), diawali dari leading
edge hingga berakhir pada trailing edge. Effect source dari main bluff body
(silinder sirkular) pada jarak L/D1.5 menunjukkan nilai base pressure yang tertinggi sehingga luasan wake yang besar, fenomena ini sangat menarik karena hal ini mengindikasikan bahwa rasio jarak sangat mempengaruhi evolusi aliran
43
Thesis Rekayasa Konversi Energi dimana pada rasio jarak L/D 1.5, geometri bluff body terlingkupi secara penuh oleh aliran fluida.
Pada gambar di atas 4.2 (b) untuk silinder 2 setelah titik stagnasi pada sudut kontur θ = 00 pada rasio jarak L/D = 1.5, dimana titik stagnasi ditunjukkan oleh nilai Cp sebesar 1 kemudian aliran mengalami percepatan yang ditandai dengan grafik Cp yang menurun secara signifikan hingga mencapai nilai Cp yang terendah, dengan menurunnya grafik koefisien tekanan secara drastis maka nilai Cp yang paling rendah mengindikasikan terjadinya akselerasi maksimum.
Pada silinder 2 (upper side), akselerasi maksimum terjadi pada sudut θ = 650 di sisi upper side dan pada sudut θ = 2750 di sisi lower side. Pada variasi L/D = 2, stagnation point pada sudut 00 dan akselerasi maksimum terjadi pada sudut θ = 850 di sisi upper side dan pada sudut θ = 3150 di sisi lower side serta untuk L/D = 2.5, stagnation point terjadi pada sudut kontur θ = 00, kemudian akselerasi maksimum terjadi pada sudut θ = 600 di sisi upper side dan pada sudut θ =2800 di sisi lower side. Selanjutnya tekanan cenderung meningkat disebabkan karena harus melawan adverse pressure dan friksi seperti yang terlihat pada tren grafik Cp, hingga aliran tidak mampu melawan adverse pressure dan friksi yang menyebabkan terjadinya separasi massif untuk L/D 1.5 pada sudut θ = 800 sisi
upper side dan sudut 2600 pada sisi lower side, untuk variasi L/D 2 fenomena titik separasi pada sudut θ = 850 pada sisi upper side dan sudut 2700 pada sisi
lower side, kemudian pada jarak L/D 2.5 separation point terjadi pada sudut
kontur 700 pada sisi upper side dan sudut 2650 pada sisi lower side.
Dari tren grafik pola aliran yang terdistribusi pada keseluruhan variasi rasio jarak L/D mempunyai karakter yang sama untuk silinder 1 dan 2 upstream sehingga riset ini mempunyai tren grafik yang sama pula dengan penelitian yang telah dilakukan oleh Lam dan Zou 1994. Dengan demikian kedua bentuk penelitian tersebut akan saling melengkapi untuk menjawab keinginan yang telah dirumuskan pada tujuan penelitian pada bab sebelumnya.
44 Rekayasa Konversi Energi
Distribusi koefisien tekanan pada kontur permukaan silinder downstream yang tersusun in-line tanpa inlet disturbance body yaitu silinder 3 dan silinder 4 pada gambar 4.3 di bawah ini :
(a)
(b)
Grafik 4.3. Distribusi Koefisien Tekanan (Cp) Silinder Downstream Tanpa IDB (a) Silinder 3 dan (b) Silinder 4
45
Thesis Rekayasa Konversi Energi Dari gambar grafik 4.3 (a) di atas dengan susunan in-line square tanpa IDB terlihat evolusi perubahan tekanan sepanjang kontur pemukaan silinder, dari daerah stagnasi sampai posisi akselerasi maksimum, hingga momentum fluida mengalami separasi masif. Hasil eksperimental menunjukkan bahwa hasil kuantitatif dari distribusi koefisien tekanan (Cp) terdapat perbedaan nilai yaitu pada kontur permukaan silinder 4 downstream bernilai negatif untuk seluruh rasio jarak L/D. Hal ini mengindikasikan bahwa adanya re-attachment dari free shear
layer dan separasi terjadi pada silinder upstream, sehingga pattern (pola) aliran
pada silinder downstream akan berubah seiring dengan bertambahnya L/D, hal ini disebabkan karena silinder downstream masih terlingkupi oleh wake silinder
upstream. Sebagaimana yang disampaikan oleh Alam, dkk (2003) maupun Lam
dan Zou (1994) telah menginformasikan bahwa adanya peak pada upper side dan
lower side menandakan bahwa shear layer silinder upstream mengalami re-attachment pada permukaan silinder downstream kemudian shear layer terbagi
menjadi backward shear layer (BSL) yang mengalir ke arah downstream dan
forward shear layer (FSL) mengalir ke arah silinder upstream.
Coefficient of pressure pada silinder 3 downstream menunjukkan
perubahan yang signifikan dengan berubahnya L/D. Trend grafik untuk upper side silinder dengan L/D 1.5, backward shear layer mengalami percepatan hingga sudut 150, kemudian terjadi akselerasi maksimum pada sudut 600 dan selanjutnya mengalami perlambatan hingga terseparasi pada sudut 700 yang disebut sebagai
backward separation position (BSp) sedangkan forward shear layer mengalami
percepatan dan langsung terseparasi disebut sebagai forward separation position
(FSp). Keberadaan peak pada distribusi koefisien tekanan di sisi lower side
silinder pada kisaran sudut 290°, hal ini mengindikasikan adanya re-attachment pada kontur permukaan sisi lower side silinder 3. Dua peak yang terbentuk pada rasio jarak ini, selain pengaruh re-attachment juga disebabkan oleh tingkat turbulensi aliran yang tinggi pada jarak yang sempit.
Adanya re-attachment tersebut diakibatkan oleh blockage effect yang ditimbulkan oleh dinding. Pada silinder 3, blockage effect akan menyebabkan aliran disisi lower side (celah) cenderung terbelokkan dan re-attach pada daerah tersebut. Sedangkan pada silinder 4, fenomena re-attachment ini diduga akibat
46 Rekayasa Konversi Energi
adanya interfensi wake dari silinder upstream sehingga aliran cenderung terbelokkan pada sisi lower side silinder. Nilai negatif pada distribusi koefisien tekanan (Cp) pada silinder 3 dan silinder 4 disebabkan oleh wake dari silinder 1 dan silinder 2 yang melingkupi kedua silinder downstream tersebut.
Pada rasio jarak L/D 2 maupun pada rasio L/D 2.5 pada gambar 4.3 (a) tren grafik hampir menyerupai tren grafik silinder L/D 1.5. Namun evolusi aliran dari ketiga variasi L/D tersebut mempunyai karakter yang sangat berbeda baik dari titik re-attachment untuk upper side maupun lower side. Sedangkan separasi BSL terjadi pada sudut yang berbeda-beda untuk upper side dan lower
side. Evolusi aliran yang terjadi pada variasi jarak L/D 2 menunjukkan bahwa
setelah titik stagnasi nilai aliran mengalami percepatan yang ditandai dengan grafik Cp yang menurun hingga mencapai harga Cp yang terendah, Cp yang paling rendah mengindikasikan terjadinya akselerasi maksimum. Akselerasi maksimum terjadi pada sudut θ = ± 850 di sisi upper side dan sudut θ = ± 3350 di sisi lower side kemudian mengalami re-attachment yang ditandai dengan adanya
peak pada sudut 1400 dan selanjutnya aliran mengalami percepatan kembali yang ditandai dengan nilai Cp menurun hingga mencapai akselerasi maksimum pada sudut 2000, kemudian aliran mengalami perlambatan yang ditandai dengan terjadinya separasi pada sudut 2250 di sisi upper side dan sudut 3100 di sisi lower
side.
Untuk variasi rasio jarak L/D 2.5 pada gambar 4.3 (a) menunjukkan setelah mengalami stagnasi yang ditandai nilai Cp menurun sesaat, namun kemudian aliran mengalami tiga kali re-attachment yang ditandai dengan terbentuknya peak pada sudut 300 dan sudut 1350, kemudian aliran mengalami percepatan hingga mencapai sudut 1850 dan 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 sehingga menyebabkan terjadinya separasi pada sudut 2200 pada sisi upper side dan sudut 3100 pada sisi lower side.
Dari gambar 4.3 (b) silinder 4 untuk upper side silinder dengan L/D 1.5, mengalami re-attachment hingga sudut 300 dan langsung terseparasi disebut