• Tidak ada hasil yang ditemukan

HASIL DAN ANALISA 1 Distribusi Tekanan

Dalam dokumen Prosiding SNTM 7 UK Petra (Halaman 116-120)

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

KARAKTERISTIK TEKANAN DAN ALIRAN SEKUNDER DI DALAM ASYMMETRIC

Dalam dokumen Prosiding SNTM 7 UK Petra (Halaman 116-120)

Garis besar

Dokumen terkait