KARAKTERISTIK TEKANAN DAN ALIRAN SEKUNDER DI DALAM RECTANGULAR ELBOW 90º
3. HASIL DAN ANALISA 1 Distribusi Tekanan
Gambar 3 menunjukkan distribusi koefisien tekanan (Cp)
pada rectangular elbow 90° tanpa sudu pengarah dari hasil
eksperimen dan numerik. Pengukuran dilakukan pada
midspan, baik inner maupun outer wall. Variabel x
menyatakan posisi titik pengukuran searah streamline dan Dh
adalah diameter hidrolik dari elbow. Kecenderungan dari
distribusi Cp hasil eksperimen dan numerik menunjukkan
kesesuaian yang baik.
Distribusi Cp pada dinding inner dan outer pada sisi leng- kung menunjukkan hal yang sangat sesuai dengan prediksi, dimana tekanan pada sisi lengkung luar lebih besar daripada tekanan pada sisi lengkung dalam. Perbedaana tekanan pada lengkung luar dan dalam tersebut sebagai potensi terjadinya
aliran sekunder didalam elbow 90°. Oleh karenanya,
pemasangan sudu pengarah diharapkan untuk mengurangi besar potensi terjadinya aliran sekunder tersebut dengan mengurangi besarnya perbedaan tekanan.
Distribusi Cp ini sangat bersesuaian dengan distribusi
tekanan yang ditunjukkan dalam bentuk kontur tekanan
(Gambar 4). Pada sisi inner terjadi daerah bertekanan rendah
sedangkan pada sisi outer terjadi daerah bertekanan tinggi. Hal tersebut ditunjukkan dengan kontur warna biru tua dengan nilai kuantitatif rendah dan kontur berwarna merah dengan nilai kuantitatif tinggi.
Gambar 5 menunjukkan distribusi wall pressure coeffi-
cient (Cp) hasil eksperimen dan hasil simulasi numerik pada
midspan dinding inner dan outer dengan penambahan dua buah sudu pengarah. Secara kualitatif, distribusi Cp elbow
dengan dua sudu pengarah (Gambar 5) serupa dengan
distribusi Cp tanpa sudu pengarah (Gambar 3). Namun
demikian, perbedaan antara tekanan pada dinding lengkung luar dengan tekanan pada dinding lengkung dalam untuk
elbow dengan sudu pengarah jauh diperkecil. Hal ini berakibat pada penurunan potensi terjadinya aliran sekunder
didalam elbow dengan sudu pengarah. Secara keseluruhan,
terjadi peningkatan kerugian tekanan sebesar kurang lebih
2.6 kali untuk elbow dengan sudu pengarah dibandingkan
dengan elbow tanpa sudu pengarah.
Gambar 3. Distribusi wall pressure coefficient (Cp) inner
dan outer wallelbow tanpa sudu pengarah (eksperimen dan numerik).
Hasil simulasi numerik kontur tekanan statis pada sisi
midspan untuk elbow dengan sudu pengarah ditunjukkan pada Gambar 6. Hasil ini menunjukkan hasil yang ber-
sesuaian yang baik dengan yang diperoleh dari hasil eksperimen. Pada sisi inner terjadi daerah tekanan rendah yang ditunjukkan dengan kontur warna biru, sedangkan pada
sisi outer terjadi daerah bertekanan tinggi yang ditunjukkan
dengan kontur warna kuning Peran sudu pengarah terlihat pada distribusi tekanan statis yaitu mengurangi perbedaan tekanan di sisi inner dan outer. Dengan adanya dua sudu
pengarah, satu elbow seperti terbagi menjadi tiga elbow
dengan radius ratio yang semakin kecil. Masing-masing
elbow mempunyai sisi inner dan outer. Masing-masing sisi
inner tetap sebagai daerah bertekanan rendah dan begitu pula
masing-masing sisi outer tetap sebagai daerah bertekanan
tinggi.
Gambar 4. Kontur tekanan statis (ps(g)), (N/m2) hasil
simulasi numerik di midspan elbow tanpa sudu pengarah
Gambar 5. Distribusi wall pressure coefficient (Cp) inner
dan outer wallelbow dengan dua sudu pengarah. (eksperimen dan numerik)
Gambar 6. Kontur tekanan statis (ps(g)), (N/m2) hasil
simulasi numerik di midspan elbow dengan dua sudu
pengarah.
Gambar 7 menunjukkan distribusi Cp searah radial
sebagai fungsi posisi r/b, dimana r koordinat searah radial
K-62 lengkung dalam (inner) (A) sampai lengkung luar (outer) (A’). Pengukuran dilakukan untuk tiga penampang elbow:
inlet elbow (A-A’), 45º elbow (B-B’), dan outlet elbow (C-C’).
Secara umum dapat difahami bahwa ketika memasuki elbow,
perbedaan tekanan antara inner dan outer cukup kecil karena
masih berada pada daerah saluran lurus. Pada potongan B-B’,
tekanan menunjukkan perbedaan tertinggi, karena berada pada saluran melengkung. Perbedaan tekanan kembali
rendah ketika mendekati outlet elbow, dimana aliran
memasuki saluran lurus kembali.
Dengan penambahan dua sudu pengarah, terlihat bahwa distribusi tekanan pada B-B’ terjadi penurunan. Hal ini
dikarenakan pada posisi 45° elbow dengan penambahan dua
sudu pengarah dibagi menjadi 3 ruang. Ruang 1 adalah ruang
yang dibatasi oleh solid surface inner elbow dan sudu
pengarah, ruang 2 adalah ruang diantara dua sudu pengarah
dan ruang 3 adalah ruang diantara solid surfaceouter elbow
dan sudu pengarah. Ketiga ruang masing-masing
mempunyai daerah bertekanan rendah pada sisi inner dan
daerah bertekanan tinggi pada sisi outer. Dengan adanya pembagian ruang tersebut mengakibatkan selisih tekanan (∆Cp) antara sisi inner dan outer dari elbow berkurang. Pada
potongan C-C’, distribusi tekanan mulai uniform. Hal ini terlihat dari distribusi tekanan statis searah radial yang tidak
terjadi kenaikan yang siknifikan, baik pada elbow tanpa atau
dengan penambahan dua sudu pengarah. Keadaan ini
bersesuaian dengan hasil visualisasi numerik (Gambar 4 dan 6). Secara umum, dengan adanya sudu pengarah, maka
perbedaan tekanan antara dinding inner dan outer elbow
sebesar kurang lebih 31,19%.
Gambar 7. Data eksperimen distribusi wall pressure coeficient (Cp) tegak lurus streamline, elbow tanpa dan
dengan dua sudu pengarah.
3.2 Profil Kecepatan
Perkembangan profil kecepatan dari data eksperimen
didalam elbow tanpa dan dengan dua sudu pengarah
ditunjukkan pada gambar 8. Pada section 2 profil kecepatan
mulai menunjukkan adanya pengaruh dari radius keleng-
kungan elbow dan penambahan dua sudu pengarah. Pada
section ini terlihat kecepatan aliran maksimum berada di sisi
inner, dimana pada saat aliran berada pada sisi inner
mendekati inletelbow maka aliran akan memasuki daerah
favorable pressure gradient sehingga akan mengalami percepatan. Berbeda dengan kondisi aliran pada sisi outer
yang merupakan daerah adverse pressure gradient dimana
aliran mengalami perlambatan. Keadaan ini berlaku pada
elbow tanpa dan dengan penambahan dua sudu pengarah.
Pada section 3 terlihat bahwa kecepatan maksimum aliran
berada pada sisi inner terutama pada elbow tanpa sudu
pengarah. Hal ini dikarenakan aliran berada pada daerah
favorable pressure gradient sehingga seolah-olah terbentuk
streamtube yang konvergen.Penambahan dua sudu pengarah menyebabkan aliran terbagi dalam tiga ruang. Ruang
pertama adalah ruang yang dibatasi oleh solid surface inner
elbow dan sudu pengarah, ruang kedua adalah ruang di antara
dua sudu pengarah, dan ruang ketiga adalah ruang diantara
solid surfaceouter elbow dan sudu pengarah. Dengan adanya tiga ruang tersebut menyebabkan distribusi kecepatan lebih
uniform daripada elbow tanpa sudu pengarah.
Pada section 4 terjadi defleksi lokasi kecepatan maksi- mum dari sisi inner menuju sisi outer pada elbow terutama
untuk elbow tanpa sudu pengarah. Pada elbow dengan dua
sudu pengarah ditunjukkan hal yang berbeda, dimana profil kecepatan tidak mengindikasikan adanya pengaruh geometri saluran yang berupa radius kelengkungan 90º karena distribusi kecepatan yang masih cenderung seragam. Adanya
aliran berkecepatan rendah pada section 4 disebabkan adanya
gesekanantara dinding sudu pengarah dengan fluida. Hal ini
juga mengakibatkan terjadinya wake pada daerah trailing
edge dari dua sudu pengarah tersebut.
Gambar 8. Distribusi profil kecepatan section rectagular elbow 90° tanpa dan dengan dua sudu pengarahpada semua
Seminar Nasional Teknik Mesin 7 21 Juni 2012, Surabaya, Indonesia
3.3 Aliran sekunder
Aliran Sekunder didalam elbow tanpa sudu pengarah
Struktur aliran sekunder untuk elbow tanpa sudu pengarah
ditunjukkan pada Gambar 9a. Pada section 4 (outlet elbow)
terdapat dua buah vortex yang simetri yaitu terletak di sisi
upper pada daerah inner dan sisi lower pada daerah inner.
Pusat vortex yang pertama terletak di dekat sudut A yaitu titik pertemuan antara dinding radius dalam dengan dinding
upper (A-B) dengan arah CW (clock wise). Sedangkan vortex yang kedua terletak di sudut C, yaitu titik pertemuan
antara dinding radius dalam dengan dinding lower (C-D)
dengan arah CCW (counter clock wise). Pada posisi paling
dekat dengan dinding upper (A-B) dan dinding lower (C-D),
arah aliran sekundernya adalah dari dinding radius luar (B-D) menuju ke dinding radius dalam (A-C). Yang terakhir inilah yang merupakan karakter terpenting pada setiap aliran sekunder.
Daerah midspan merupakan daerah yang jauh pusat
vortex sehingga menunjukkan bahwa pada daerah midspan
tidak begitu terpengaruh oleh lapis batas-lapis batas dinding.
Pada daerah sudut pertemuan antara dinding upper (A-B)
dan dinding radius dalam (A-C), dapat dilihat adanya aliran sekunder yang begitu kuat yang ditandai dengan adanya vektor kecepatan yang secara tiba-tiba berputar menuju
dinding radius dalam dan kemudian ke midspan.
Gambar 9. Vortex pada sudut elbow section 4:(a) elbow
tanpa sudu pengarah: (b) elbow dengan dua sudu pengarah
(hasil simulasi numerik)
Aliran Sekunder didalam elbow dengan sudu pengarah
Penambahan sudu pengarah merupakan salah satu usaha untuk mengurangi terjadinya aliran sekunder. Sudu pengarah berfungsi untuk mengurangi besarnya aliran sekunder yang disebabkan adanya perbedaan distribusi energi pada sisi
inner dan outer. Namun demikian dengan adanya sudu
pengarah maka permukaan dinding yang akan dilalui fluida
akan bertambah. Hal ini mengakibatkan bertambahnya efek gesekan akibat aksi viskos dari fluida yang mengalir. Sebagai
konsekuensinya, meskipun aliran sekunder yang
menghasilkan ukuran vortex yang besar bisa dihindari dengan adanya sudu pengarah ini, tetapi munculnya vortex-vortex (pusaran aliran) kecil (aliran sekunder) yang terbentuk pada sisi corner tidak dapat dihindari (Gambar 9b). Selain terbentuknya vortex pada sudut antara sudu pengarah dengan dinding saluran (Gambar 9b), maka adanya sudu pengarah juga membangkitkan adanya pertumbuhan
aliran sekunder pada leading edge dari sudu pengarah
tersebut (Gambar 10). Terjadinya aliran sekunder pada
leading edge dari sudu pengarah dikarenakan adanya
perkembangan boundary layer pada sisi lower dan upper dan pada sisi sudu pengarah serta adanya titik stagnasi. Titik
dimana mulai terjadinya separasi disekitar leading edge dari
sudu pengarahdisebut sebagai saddle point. Pada daerah ini
juga terjadi fenomena horse shoe vortex (3D flow separation)
seperti yang terlihat pada gambar 11.
Terjadinya horse shoe vortex ini merupakan akibat dari interaksi antara boundary layer pada dinding upper dan
lower elbow dengan sisi sudu pengarah, atau biasa disebut
dengan endwall effect. Bertemunya boundary layer ini akan
menyebabkan aliran terjebak (blockage effect) kemudian
akan terseparasi. Separasi material lapisan batas (boundary layer) ini selanjutnya menggulung (rolled up) dan
membentuk horse shoe vortex yang menyelimuti sekeliling
bodi sudu pengarah.
Gambar 10. Aliran sekunder pada lower wall dan leading edge dari sudu pengarah
Gambar 11. Aliran sekunder akibat penambahan sudu
K-64
4. KESIMPULAN
Beberapa kesimpulan dapat diambil dari hasil studi eks-
perimen dan numerik aliran udara didalam rectangular
elbow 90º.
1. Penambahan dua sudu pengarah pada elbow meningkatkan
kerugian tekanan sebesar ~ 2,6 kali dibandingkan dengan kerugian tekanan di dalam elbow tanpa sudu pengarah.
2. Penambahan dua sudu pengarah menghasilkan selisih Cp
antara dinding inner dan outer elbow sebesar ~ 31,19%.
3. Hasil simulasi numerik dan hasil eksperimen dalam hal kontur tekanan dan kecepatan aliran menunjukkan kese- suaian yang cukup baik.
4. Aliran sekunder berupa corner vortex dan horse shoe vortex terbentuk pada sekitar sudu pengarah.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Cheng, D. Y., 1994, “Laminar Flow Elbow System and
Method”, U.S. Patent Documents, No. 5,323,661. [2] Kim, W. J. & Patel, C., 1994, “Influence of Streamwise
Curvature on Longitudinal Vortices Imbeded in
Turbulent Boundary Layers”, J. Computer Fluid, Vol.
23, hal. 647-673.
[3] Danbon, F. & Solliec, C., 2000, “Aerodynamic Torque
of Butterfly Valve-Influence of an Elbow on The
Time-Mean and Instantaneous Aerodynamic Torque”,
J. of Fluids Engineering, Vol. 122, hal. 337-344.
[4] Marn, J. & Primoz, T., 2006, “Laminar Flow of
Shear-Thickening Fluid in 90° Pipe Bend”, Fluid
Dynamics Research, Vol. 38, hal. 295-312.
[5] Liou, T. M. & Lee, H. L., 2001, “Effect of Guide-Vane Number in a Three-Dimensional 60 Deg Curved
Side-Dump Combuster Inlet”, J. of Fluids Engineering,
Vol. 123, hal. 211-218.
[6] Sutardi & Amalina R., 2011, “Studi Eksperimen dan Numerik tentang Pressure Drop Aliran didalam
Rectangular Elbow 90º dengan Guide Vane pada RE =
140000”, Seminar Nasional Teknik Mesin 6,
Universitas Kristen Petra, 16 Juni, Surabaya, Indonesia.
[7] Puti, S., 2010, “Studi Eksperimen dan Numerik tentang
Pengaruh Penambahan Dua Buah Guide Vanes Terhadap Pressure Drop Aliran di Dalam Horizontal
Rectangular Elbow 90º, “Studi Kasus Untuk Bilangan
Reynolds, ReDh = 1,4 x 105”, Tugas Akhir, Jurusan
Seminar Nasional Teknik Mesin 7 21 Juni 2012, Surabaya, Indonesia