TINJAUAN PUSTAKA
2.5 Karakteristik Aliran Yang Melewati Sekelompok Bluff Body
Dalam dunia industri banyak kita jumpai aplikasi dari bluff body yang tersusun berkelompok dalam berbagai bentuk konfigurasi baik berupa tandem,
side by side, staggered maupun in-line. Interaksi aliran pada sekelompok bluff body mempunyai karakter aliran yang sangat rumit dan kompleks walaupun disisi
lain bentuk geometri dan ukurannya yang sama. Dari fenomena ini lahirlah berbagai macam penelitian untuk mendapatkan solusi yang efektif dalam mendapatkan performa terbaik antara lain dengan melakukan modifikasi bentuk geometri bluff body maupun dengan menyusun bluff body dalam konfigurasi tertentu. Beberapa penelitian yang telah dilakukan tentang interaksi aliran antara dua buah bentuk bluff body yang memiliki bentuk geometri dan ukuran yang berbeda sebagai berikut :
Lam dan Zou (1994) melakukan penelitian secara eksperimental dan numerik, menguraikan tentang pengaruh koefisien pressure yang melintasi empat buah silinder sirkular yang disusun secara equispaced pada center line. Variasi yang dilakukan adalah jarak antar silinder L/D dan sudut serang (α) 1.26 sampai 5.8 pada Reynolds = 1.28x104 . Penelitian ini akan diuraikan lebih detail oleh karena penelitian ini menjadi basis referensi utama yang penulis lakukan dalam kajian eksperimental.
Penelitian ini menjadi informasi yang sangat mendasar untuk menjadi bahan
support dalam penelitian yang diuraikan dalam tinjauan pustaka ini. Penelitian ini
fokus pada pengaruh coefficient of pressure pada empat silinder dengan variasi rasio jarak silinder terhadap diameter silinder (L/D) dan sudut serang (α) 1.26
18
sampai 5.8 pada Reynolds = 1.28x104. Berikut ini gambar 2.10 skema konfigurasi silinder :
Gambar 2.10. Skema Diagram Konfigurasi Empat Silinder, Lam dan Zou (1994) Ekperimental ini dilakukan pada open circuit wind tunnel dengan test
section berukuran 0.35 x 0.35x 0.54 mm dengan diameter luar silinder 12.7 mm
dan panjang silinder 360 mm. Pada penelitian dengan α = 00 didapatkan grafik Cp seperti pada gambar 2.11 berikut :
Gambar 2.11. Distribusi Cp dengan α =00, Re= 12800, Lam dan Zou (1994)
Dari gambar grafik di atas diperoleh harga Cp silinder 1 dan 2 hampir mempunyai karakter yang sama pada sisi silinder upstream 1 dan 2, titik stagnasi bergeser ke arah bagian depan silinder (θ = 00) dengan bertambahnya jarak L/D. Pada L/D 1.26 titik stagnasi berada pada θ = 200 untuk silinder 1 dan θ
19 Thesis
Rekayasa Konversi Energi
= 3400 untuk silinder 2. Kedua titik ini bergeser ke arah frontal silinder dan
coefficient of pressure menjadi simetris saat rasio L/D mencapai 4. Coefficient of pressure pada downstream silinder menunjukkan perubahan yang signifikan
dengan berubahnya L/D.
Pada L/D yang kecil (L/D < 2.48) coefficient of pressure tidak lebih dari -1.2 karena telah dekat dengan wake silinder upstream. Selain itu hanya terdapat satu titik maksimum pada silinder 3 dan 4, yaitu pada θ = 3050 untuk silinder 3 dan θ= 550 untuk silinder 4. Dalam rentang 2.48<L/D<3.10, dua koefisien tekanan tertinggi tidak ditemukan. Hal ini mengindikasikan bahwa adanya re-attachment dari free shear layer dan separasi terjadi pada silinder upstream, sehingga pola aliran pada silinder downstream akan berubah seiring dengan bertambahnya L/D. Dengan penambahan L/D tersebut coefficient of pressure pada sisi depan akan bertambah pada nilai -0.5 saat L/D mencapai 3.10, demikian pula pada L/D yang lebih besar (L/D>3.33) coefficient of pressure pada bagian depan akan mengalami kenaikan positif 0.2. Kesimpulan yang dapat diambil dari fenomena ini adalah base pressure coefficient pada silinder downstream lebih besar dari Cp silinder tunggal pada seluruh L/D.
Gambar 2.12. Drag coefficient pada α = 00 , Lam dan Zou (1994)
Pada gambar 2.12 di atas diperoleh koefisien drag (CD) silinder 1 dan 2
upestream dengan susunan equipaced mengalami fluktuasi untuk 1 < L/D > 3.9
kemudian mulai konstan pada L/D 3.9, hal ini mengindikasikan bahwa efek interfensi antara kedua silinder tersebut sangatlah kecil. Sedangkan koefisien drag
20
(CD) silinder downstream 3 dan 4 mengalami kenaikan seiring dengan bertambahnya jarak antar silinder untuk 1< L/D >3.3 kemudian konstan untuk L/D > 3.3 dengan nilai 0.6, hal ini menunjukkan bahwa tidak terjadi interfensi
wake antar kedua silinder tersebut.
Koefisien drag negatif terjadi pada L/D < 2.2, fenomena ini mengindikasikan bahwa gaya dorong kedepan di alami oleh silinder downstream pada rasio jarak yg kecil, kemudian pada rasio jarak L/D = 1.26 terdapat perbedaan koefisien drag antara silinder 2 dan 4 akibat wake yang sempit dan
wake yang lebar dibelakang silinder.
Gambar 2.13. Grafik Koefisien Lift (CL)Pada α = 0o, Lam dan Zou (1994) silinder 1; silinder 2; silinder 3; silinder 4
Gambar 2.13 di atas menunjukkan pada sudut α = 00 silinder 1 dan 4 memiliki harga koefisien lift (CL) negative untuk semua spasi rasio sedangkan silinder 2 dan 3 memiliki harga koefisien lift (CL) positif untuk semua spasi rasio, karakteristik koefisien lift silinder 1 relatif sama dengan koefisien lift silinder 2, begitu juga untuk silinder 3 dan 4, karakteristik koefisien lift yang bergelombang hal ini mengindikasikan bahwa kemungkinan ada perubahan pola aliran yang cepat pada rasio jarak meskipun besarnya perubahan koefisien lift tidak lebih dari 0.3.
Lam dan Zou (2009), Penelitian dilakukan secara eksperimental dan large
eddy simulation (LES) untuk aliran turbulen sekitar empat silinder sirkular
21 Thesis
Rekayasa Konversi Energi
1.5; 2.5; 3.5 dan 5.0 pada Reynolds subkritis dari 11.000 sampai 20.000. Pengujian dilakukan pada wind tunnel berukuran 0.3 m x 0.6 m dan panjangnya 2.4 m. Pengukuran distribusi kecepatan rata-rata fluktuatif diperoleh dengan menggunakan laser Doppler anemometry (LDA) untuk setiap titik data 50.000 sampel, sehingga tingkat kesalahan diperkirakan 2%.
Penelitian ini membandingkan hasil numerik 3D dengan metode LES hasil eksperimen yang dilakukan oleh Sayers (1988,1990) Lam dan Fang (1995). Hasil yang diperoleh dengan menggunakan metode LES yaitu pada L/D=1.5 pada silinder 1 dan 2 tidak terjadi vortex shedding, kemudian pada silinder 3 dan 4 terjadi vortex shedding yang benar-benar berbeda sedangkan pada hasil simulasi untuk L/D = 3.5 vortex shedding terjadi pada silinder 1 dan 2.
Wake yang terbentuk dibelakang silinder terlihat terdefleksi dari arah streamwise dan pada umumnya hasil eksperimen pada silinder sirkular dengan
jarak rasio L/D=3.5 menghasilkan Strouhal numbers kurang dari 0.2. Berikut nilai
Strouhal numbers yang diperoleh pada tabel di bawah ini:
Tabel 2.2. Nilai Strouhal numbers pada konfigurasi in-line empat silinder sirkular, (Sayers,1998,1990), (Lam dan Fang,1995)
Tong, dkk (2014). Adapun penelitian yang dilakukan adalah analisa secara numerik 3D. Fokus utama dalam penelitian ini adalah visualisai pembentukan vortex shedding pada 4 buah silinder sirkular dengan konfigurasi
in-line pada bilangan Reynolds 100 – 500
Dari penelitian ini visualisasi pembentukan vortex dibagi menjadi 4 rejim yaitu ; rejim 1 pada Reynolds 100 – 500, rejim 2 pada Reynolds 240 – 300, rejim 3 pada Reynolds 320 – 380 dan rejim 4 pada Reynolds 400 – 500.
22
Hasil yang diperoleh dari penelitian ini adalah sebagai berikut :
Gambar 2.14. Visualisasi Vortex Shedding, Tong, dkk (2014) Dari gambar 2.14 di atas kesimpulan yang diperoleh dari terbentuknya
vortex menurut pembagian rejim yaitu ;
Rejim 1 : Terdapat sebuah Karman vortex yang terjadi dibelakang silinder downstream.
Rejim 2 : Shearlayer pada inner silinder pada setiap susunan silinder tandem cukup kuat berinteraksi dengan sisi outher side dan hal ini menghasilkan 2 buah Karman vortex.
Rejim 3 : Pada rejim ini pembentukan vortex hampir sama dengan rejim 2 akan tetapi pembentukannya tidak terstruktur selain itu Karman vortex lebih kuat dibanding sebelumnya.
23 Thesis
Rekayasa Konversi Energi
24 Rekayasa Konversi Energi
BAB 3