• Tidak ada hasil yang ditemukan

KARAKTERISTIK TEKANAN DAN ALIRAN SEKUNDER DI DALAM ASYMMETRIC FLAT-WALLED DIFFUSER 20°

Dalam dokumen Prosiding SNTM 7 UK Petra (Halaman 120-124)

Sutardi, Ahmad Ubaidillah M. Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri

ITS Surabaya Indonesia 60111,

Phone: 031-5922941; 031-5946230

1)Email: sutardi@me.its.ac.id

Phone: 0062-31-8439040, Fax: 0062-31-84176581,2)

ABSTRAK

Diffuser merupakan salah satu komponen teknik yang berfungsi untuk meningkatkan tekanan aliran fluida dengan cara memperlambat kecepatan aliran. Performa diffuser dapat ditunjukkan dengan nilai pressure recovery coefficient (Cpr) fluida yang mengalir di dalamnya. Namun, pengaruh adverse pressure gradient (APG)

menyebabkan boundary layer berkembang dengan cepat sehingga dapat mengakibatkan separasi aliran dan Cpr

menjadi rendah.

Studi ini dilakukan dengan eksperimen dan numerik untuk aliran turbulen di dalam asymmetric flat-walled diffuser 20°. Bilangan Reynolds berdasarkan tinggi inlet diffuser dan kecepatan maksimum pada inlet diffuser adalah 12,9 x 104. Asymmetric diffuser memiliki panjang L1 = 500 mm, lebar span (b) = 100 mm dan tinggi inlet

diffuser (W1) = 50 mm. Tekanan stagnasi dan tekanan statis diukur menggunakan inclined manometer dan

digunakan untuk mendapatkan profil kecepatan dan distribusi tekanan. Studi numerik dengan software Fluent 6.3.26 digunakan sebagai perbandingan dengan studi eksperimen.

Hasil studi menunjukkan bahwa terjadi separasi aliran disekitar x/L1= 0,02. Separasi menyebabkan nilai

Cpr menjadi turun. Profil kecepatan dan distribusi Cp dari studi numerik bersesuaian dengan baik dengan hasil

eksperimen. Aliran sekunder akibat separasi aliran mengakibatkan pressure drop yang lebih besar.

Kata kunci: Asymmetric flat-walled diffuser, pressure recovery coefficient, separasi, pressure drop 1. PENDAHULUAN

Diffuser merupakan komponen sistem saluran fluida yang berfungsi untuk megurangi laju aliran didalam saluran. Pengurangan laju aliran ini dimaksudkan untuk membatasi kecepatan maksimum aliran yang diijinkan untuk jenis saluran tertentu, seperti pipa, saluran persegi, saluran berbentuk oval, dan sebagainya. Dengan pengurangan kecepatan ini diharapkan tingkat kebisingan dan getaran yang diakibatkan oleh aliran bisa dikurangi. Sebagai konsekuensi dari penurunan kecepatan ini, aliran didalam diffuser mengalami peningkatan tekanan. Peningkatan tekanan searah dengan aliran fluida ini disebut sebagai

gradien tekanan balik (adverse pressure gradient) yang

sering disingkat sebagai APG.

Aliran yang mengalami adverse pressure gradient rentan

terhadap terjadinya separasi. Hal ini akan lebih parah lagi bila ditambah dengan tegangan geser yang terjadi pada dinding cukup besar. Oleh karenanya, perlakuan terhadap aliran di daerah yang mengalami APG perlu perhatian khusus. Dalam hal ini, sudah banyak kajian/studi tentang berapa besar pengaruh APG ini terhadap terjadinya separasi.

Sebuah diffuser dikatakan memiliki kualitas yang baik bila mampu meningkatkan tekanan aliran fluida didalamnya. Ukuran peningkatan tekanan ini bisa dilihat dari kenaikan tekanan dari posisi masuk ke posisi tepat di keluaran diffuser, katakan po–pi, dimana pi adalah tekanan pada posisi inlet

diffuser sedangkan po adalah tekanan pada saat keluar dari

diffuser. Untuk harga pi tertentu, maka semakin tinggi

tekanan po yang diperoleh menandakan bahwa diffuser

tersebut memiliki kemampuan mengkoversikan energi

kinetik aliran menjadi energi potensial tekanan aliran yang baik. Kenaikan tekanan maksimum bisa diperoleh bila aliran dalam kondisi inviscid (ideal flow), dimana efek viskositas diabaikan. Untuk aliran yang nyata (real flow) efek dari viskositas tidak bisa diabaikan, sehingga kenaikan tekanan yang diperoleh didalam diffuser selalu lebih rendah dibandingkan untuk kasus aliran ideal. Oleh karena itu, kajian/studi tentang aliran fluida didalam diffuser untuk kasus aliran yang nyata masih tetap berlangsung secara intensif dalam rangka untuk menjaga agar kerugian aliran akibat dari viskositas dan separasi aliran didalam diffuser tersebut bisa diminimalkan.

Pengendalian aliran didalam diffuser secara pasif pernah dilakukan oleh Reinhard [1]. Didalam kajiannya, Reinhard menggunakan metode numerik untuk mengevaluasi pengaruh penggunaan splitter didalam diffuser terhadap kenaikkan tekanan yang terjadi. Telah dilaporkan bahwa

semakin kecil aspect ratio dari diffuser, maka kemam-

puannya dalam meningkatkan tekanan juga berkurang.

Penambahan splitter (pemisah aliran) didalam sebuah

diffuser mempunyai kontribusi positif dalam hal pengu- rangan potensi terjadinya separasi aliran. Hal ini bisa menjaga nilai kenaikkan tekanan tetap tinggi. Di lain pihak,

penambahan splitter ini mempunyai andil dalam hal

peningkatan efek gesekan aliran didalam diffuser, yang akhirnya akan mengurangi kemampuan diffuser tersebut untuk meningkatkan tekanan. Oleh karena itu, optimasi

penggunaan splitter didalam diffuser masih terus dalam

kajian oleh para ahli mekanika fluida.

Selain pengendalian pasif, maka pengendalikan perilaku aliran fluida didalam sebuah diffuser juga bisa dilakukan secara aktif. Salah satu metode yang telah dilakukan ialah

pengendalian secara aktif menggunakan hisapan (suction)

dan hembusan (blowing) yang dilakukan oleh Raghunathan

dan Cooper [2]. Meskipun peningkatan tekanan bisa diperoleh untuk konfigurasi sudah hisap dan sudut hembus tertentu, kemungkinan separasi aliran akibat sudut hembus yang kurang optimal masih bisa terjadi. Oleh karenanya, kajian penggunaan pengendalian aktif seperti ini juga masih perlu dikaji lebih lanjut.

Dengan menggunakan vortex generator, peningkatan

nilai koefisien tekanan (pressure coefficient, Cp) didalam

asymmetric diffuser sebesar ~ 0.2 telah dilaporkan [3]. Hal ini memberi harapan baru tentang kemungkinan peningkatan kemampuan diffuser dalam hal meningkatkan tekanan menggunakan metode pasif.

Oleh karena itu, kombinasi pengontrolan pasif dan aktif sangat memungkinkan untuk menghasilkan peningkatan tekanan didalam diffuser yang besar. Kajian separasi aliran / aliran sekunder didalam diffuser merupakan langkah awal untuk mengetahui konfigurasi diffuser yang optimal yang akan dikendalikan alirannya, baik secara pasif maupun secara aktif. Studi kali ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik

tekanan dan aliran sekunder didalam sebuah asymmetric

flat-walled diffuser 20° untuk bilangan Reynolds ReW1= 12,9

x 104. Disamping itu, distribusi profil kecepatan didalam diffuser juga dibahas didalam studi ini.

2. METODE

Secara umum, metode yang digunakan didalam studi ini telah diuraikan oleh penulis didalam paper [4]. Oleh karena itu, hanya sebagian kecil yang diuraikan didalam paper ini.

2.1. Peralatan dan Metoda Eksperimen

Studi dilakukan di Laboratorium Mekanika Fluida Jurusan Teknik Mesin, FTI, ITS. Peralatan penelitian berupa instalasi diffuser dan perlengkapannya (Gambar 1). Udara digerakkan oleh sebuah blower hisap dengan kapasitas 2300

m3/jam dan putaran motor 2800 rpm. Model uji berupa

difuser dengan panjang 500 mm, lebar inlet 100 mm, dan tinggi inlet 50 mm.

Pengukuran tekanan dilakukan menggunakan manometer

miring yang diisi dengan minyak merah dengan specific

gravity (SG) = 0.804. Manometer tersebut dihubungkan baik ke pressure tap pada dinding test section (penampang uji) maupun pada Pitot tube, untuk mendapatkan kecepatan dan tekanan stagnasi. Dalam eksperimen ini digunakan kecepatan

freestream sekitar 37.51 m/s, yang berkaitan dengan bilangan Reynolds (ReW1) sebesar ReW1= 12,9 x 10

4

, didasarkan pada

tinggi diffuser inlet dan kecepatan maksimum pada diffuser

inlet. Tabel 1 menunjukkan ukuran-ukuran penting dari test section.

Tabel 1. Spesifikasi dari Test Section

Bahan Akrilik transparan

Panjang diffuser (L1) 500 mm

Panjang downstream channel (L2) 500 mm

Panjang upstream channel (L3) 300 mm

Lebar span (b) 100 mm

Tinggi inlet (W1) 50 mm

Tinggi outlet (W2) 232 mm

Sudut divergensi (θ) 20°

Gambar 1. Instalasi penelitian.

2.2. Metoda Numerik

Pada studi numerik digunakan software Fluent 6.3.26

secara 2 dimensi dan Gambit 2.2. Model turbulen yang digunakan adalah standar k-ε, dengan kriteria konvergensi

sebesar 10-6. Secara detail metoda ini dapat dilihat pada [4].

3. HASIL DAN ANALISA 3.1 Profil Kecepatan

Gambar 2 menunjukkan distribusi profil kecepatan di

dalam diffuser pada angka Reynolds sebesar 12,9 x 104, baik dari eksperimen maupun dari simulasi numerik. Hasil dari eksperimen dan dari simulasi numerik menunjukkan kesesuaian yang cukup baik untuk distribusi kecepatan ini. Distribusi kecepatan tersebut dengan jelas menunjukkan gejala aliran terseparasi, terutama distribusi kecepatan dari simulasi numerik. Pada gambar 2 tersebut terlihat bahwa pada posisi x/L1 = 0.2, sebagian aliran di dekat dinding sudah

mengalami aliran balik (back flow), sehingga bisa

diperkirakan separasi aliran sudah dimulai pada posisi 0.0 <

x/L1 < 0.2. Profil kecepatan dari hasil eksperimen pada lokasi

yang sama tidak bisa menunjukkan adanya indikasi aliran balik tersebut. Hal ini bisa dimaklumi bahwa pengukuran

kecepatan menggunakan Pitot-static tube tidak bisa

mendeteksi adanya aliran balik. Bila sebuah Pitot-static tube

dikenai aliran balik (back flow) maka yang bisa

diinformasikan hanyalah nilai nol, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 tersebut.

Gambar 3 menunjukkan struktur vortex dan vektor kecepatan dari hasil simulasi numerik didalam diffuser yang sedang dikaji. Dari gambar 3 terlihat dengan jelas posisi titik separasi pada dinding yang divergen. Ukuran vortex yang besar tersebut sangat erat kaitannya dengan kemampuan diffuser untuk menaikkan tekanan dari inlet ke outlet diffuser. Semakin besar ukuran vortex, maka kemampuan diffuser untuk menaikkan tekanan akan menurun.

Seminar Nasional Teknik Mesin 7 21 Juni 2012, Surabaya, Indonesia

Gambar 2. Profil kecepatan pada beberapa cross section

x/L1 hasil eksperimen dan numerik untuk ReW1= 12,9 x

104, u/Umax local

Dua hal yang kontraproduktif dari terbentuknya vortex didalam diffuser terhadap kemampuan peningkatan tekanan. Pertama, terbentuknya vortex tersebut mengakibatkan terbangkitnya tingkat turbulensi aliran yang besar, dimana hal ini memicu terjadinya disipasi energi kinetik dari aksi turbulen dan viskos. Disipasi energi kinetik ini sangat dipengaruhi oleh efek viskos dari fluida sehingga bersifat

non-reversible. Disipasi dari energi kinetik turbulen ini berakhir pada terbentuknya panas, dimana hal ini merupakan bagian dari losses (kerugian) energi dari aliran.

Kedua, terbentuknya vortex tersebut mengakibatkan aliran seperti terblokir (blockage effect). Hal ini meng- akibatkan luasan efektif aliran berkurang sehingga menim- bulkan percepatan aliran secara lokal. Sebagai konsekuensi, maka terjadilah penurunan tekanan secara lokal yang berakibat terhadap kemampuan diffuser untuk meningkatkan tekanan fluida di dalamnya akan menurun.

Gambar 3. Struktur vortex dan vektor kecepatan di dalam

diffuser 20° dari simulasi numerik (kecepatan dalam m/s) Aliran vortex yang juga merupakan aliran terseparasi biasa disebut juga sebagai bentuk aliran sekunder. Aliran ini dinamakan aliran sekunder karena secara umum arah alirannya tidak sama dengan arah aliran utama. Dalam hal diffuser yang sedang didiskusikan, aliran utama searah

dengan sumbu x (Gambar. 1), sementara aliran vortex

merupakan aliran yang bersirkulasi didalam diffuser tersebut. Dalam kasus aliran dua dimensi, aliran vortex hanya

bergerak melingkar pada bidang x-y. Tidak demikian halnya

untuk aliran tiga dimensi. Untuk kasus yang terakhir ini,

kalau aliran utama (main flow) searah dengan sumbu x, maka

aliran sekunder yang berupa vortex bisa merupakan aliran

melingkar pada bidang x-z, y-z, maupun kombinasi

keduanya. Apapun bentuk aliran vortex ini, baik 2-D maupun

3-D, maka ia selalu merupakan bagian (regime) aliran yang

mengalami disipasi energi kinetik melalui aksi turbulen dan viskos.

Gambar 4 menunjukkan distribusi koefisien tekanan (coefficient of pressure, Cp) aliran didalam diffuser secara

numerik (dinding divergen (upper wall) dan dinding datar

(lower wall)) dan dari hasil eksperimen (lower wall), serta Cp

untuk aliran inviscid sebagai perbandingan. Distribusi Cp

untuk upper wall dari hasil eksperimen belum bisa di-plotkan

Pada gambar 4 tersebut terlihat bahwa Cp maksimum

yang bisa dicapai dari geometri diffuser ini ialah sekitar 0.95, yaitu untuk kasus aliran inviscid. Sebaliknya, untuk kasus

aliran riil/nyata, Cp maksimum yang bisa dicapai hanya

sekitar 0.38 (numerik) dan sekitar 0.36 (eksperimen).

Perbedaan Cp maksimum hasil eksperimen dan numerik

terhadap Cp maksimum untuk kasus aliran inviscid

dikarenakan bahwa didalam aliran inviscid tidak ada efek gesekan dan tidak terjadi vortex didalam diffuser. Sedangkan didalam aliran riil (eksperimen dan numerik), pengaruh dari viskositas tidak bisa diabaikan dan didalamnya terbentuk vortex. Seperti telah disebutkan didepan bahwa efek viskositas dan terbentuknya vortex tersebut sebagai

penyebab terjadinya losses/kerugian didalam ailran, baik

kerugian momentum, tekanan, maupun energi.

Pada gambar 4 juga terlihat bahwa hasil simulasi numerik

untuk Cp mempunyai kesesuaian yang cukup baik dengan

harga Cp dari hasil eksperimen, meskipun dalam hal ini hanya ditunjukkan distribusi Cp untuk dinding datar (tidak divergen). Hal ini mengindikasikan bahwa model turbulen jenis standar k- cukup baik digunakan untuk memprediksi karakteristik tekanan pada dinding diffuser yang sedang

dikaji. Untuk kasus pada dinding yang divergen, prediksi Cp

menunjukkan adanya diskontinyuitas tekanan pada lokasi

perubahan luas penampang (x/L1 = 0.0 dan 1.0). Dalam hal

ini, diskontinyuitas yang lebih kuat berada pada x/L1 = 0.0.

Gambar 4. Distribusi koefisien tekanan (Cp) pada sisi upper

wall dan lower wall hasil eksperimen dan numerik beserta

Cp untuk aliran inviscid.

Didefinisikan besaran pressure recovery coefficient (Cpr)

sebagai: 2 2 1 i i o r U p p Cp   

.

(1)

dimana po dan pi, telah didefinisikan pada § “Pendahuluan”,  = densitas fluida, dan Ui = kecepatan maksimum pada x/L1

= 0.0 (inlet diffuser). Oleh karena itu, harga Cpr ini identik

dengan harga Cp pada posisi streamwise x/L1 = 1.0. Untuk

kasus aliran inviscid, Cpr ini dengan sendirinya identik

dengan harga Cp maksimum. Sebaliknya, untuk kasus aliran

riil, maka Cpr ini tidak selalu sama dengan harga Cp

maksimum. Untuk kasus didalam studi ini, harga Cpr 0.26

(eksperimen) dan 0.27 (numerik), dimana harga-harga ini

lebih rendah daripada harga Cp maksimum ( 0.38).

4. KESIMPULAN

Beberapa kesimpulan dapat diambil dari hasil studi

eksperimen dan numerik aliran udara didalam asymmetric

flat-walled diffuser 20° untuk ReW1= 12,9 x 10 4

, diantaranya:

1. Profil kecepatan menunjukkan bahwa aliran mengalami

backflow pada daerah di dekat dinding divergen sedangkan pada daerah di dekat dinding datar tidak terjadi

back flow. Back flow terjadi sampai pada outlet diffuser. 2. Titik separasi berada di rentang 0.0 < x/L1 < 0.2.

3. Separasi aliran menyebabkan koefisien tekanan (Cp) dan

pressure recovery coefficient (Cpr) menjadi rendah.

4. Hasil dari simulasi numerik menunjukkan kesesuaian

yang baik dengan hasil eksperimen untuk kecepatan dan

Cp khususnya untuk kasus Cp pada dinding datar (lower

wall).

DAFTAR PUSTAKA

[1] Reinhard, W., 2006, “Influence of Aspect Ratio on

Diffuser Performance”, Institute for Thermodynamics

and Energy Conversion, Vienna University of Technology, 05 Juni 2012, http://

www.zid.tuwien.ac.at/projekte/2006/06-302-2.pdf. [2] Raghunathan, S. & Cooper, R. K., 2000, “Passive

Boundary Layer Control With Slots in Short Diffusers”,

J. Fluids Engineering, Vol. 122, hal. 177-179.

[3] Törnblom, O., Herbst, A., & Johansson, A. V., 2003,

“Separation Control in a Plane Assymetric Diffuser by

Means of Streamwise Vortices-Experiment”, Mo-

delling and Simulation, 6 Maret 2006,

http://www.nmri.go.jp/ turbulence/pdf.

[4] Sutardi & Ahmad Ubaidillah M., 2011, “Studi

Eksperimen dan Numerik Karakteristik Boundary

Layer didalam Asymmetric Flat-Walled Diffuser 20°”,

Prosiding Seminar Nasional Thermofluid 2011, Univ. Gajah Mada, Yogyakarta, Okt. 04.

Seminar Nasional Teknik Mesin 7 21 Juni 2012, Surabaya, Indonesia

STUDI NUMERIK PERPINDAHAN PANAS ALIRAN YANG MELINTASI (CROSSFLOW)

SILINDER SIRKULAR TUNGGAL PADA REGIME SUB-CRITICAL

Dalam dokumen Prosiding SNTM 7 UK Petra (Halaman 120-124)

Garis besar

Dokumen terkait