PROPOSAL PENELITIAN PASCASARJANA DANA ITS TAHUN 2020

(1)

1 PROPOSAL

PENELITIAN PASCASARJANA DANA ITS TAHUN 2020

STUDI EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK KARAKTERISTIK ALIRAN TURBULEN MELINTASI DUCTING SYSTEM BERPENAMPANG

BUJURSANGKAR (SQUARE DUCT) DENGAN PENAMBAHAN DISTURBANCE BODY PADA ELBOW 900

Tim Peneliti:

Dr. Wawan Aries Widodo, ST.,MT. (Teknik Mesin FTIRS-ITS) Prof.Ir. Sutardi, M.Eng., PhD . (Teknik Mesin FTIRS-ITS)

Ikki Adji Dharma (Teknik Mesin FTIRS-ITS)

Banta Cut (Teknik Mesin FTIRS-ITS)

DIREKTORAT PENELITIAN DAN PENGABDIAN KEPADA MASYARAKAT INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA 2020

(2)

ii

DAFTAR ISI

HALAMAN SAMPUL HALAMAN PENGESAHAN... i DAFTAR ISI... i RINGKASAN... i BAB 1 PENDAHULUAN . ... 1 1.1 Latar Belakang ... ... 1 1.2 Rumusan Masalah ... 2 1.3 Tujuan Penelitian ... 2 1.4 Batasan Penelitian... 2 1.5 Manfaat Penelitian... 3

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 4

2.1 Internal Flow... 4

2.2 Karakteristik Aliran di Dalam Elbow... 5

2.3 Navier Stokes Equation…….. ... 5

2.4 Pasive Boundary Layer Control... 6

2.5 Dekomposisi Reynolds……... 6

2.6 Karakteristik Aliran di Dalam Elbow... 5

2.6 Intensitas Turbulensi... 7

2.7 Pressure Coefficient ... 7

2.8 Head Loss ... 8

2.9 Penelitian Terdahulu... 8

BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN . . ... 17

3.1 Geometri Ducting dan Badan Pengganggu ... 17

3.2 Langkah- Langkah Eksperimen... 18

3.3 Metode Numerik …………... 21

BAB 4 JADWAL DAN RANCANGAN ANGGARAN BIAYA... 27

4.1 Jadwal Kegiatan …….………... 27

4.2 Anggaran Biaya ………... 28 DAFTAR PUSTAKA

(3)

iii

RINGKASAN

Penggunaan saluran udara (ducting system) pada instalasi perhotelan, supermarket, gedung pemerintah maupun instansi perkantoran dan bisnis, telah banyak digunakan salah satunya untuk pengkondisian udara. Komponen utama dari saluran udara tersebut seperti fitting, straight duct, sudden contraction, valume dumper maupun elbow 900, apabila dipasang dalam sebuah system sirkulasi udara, maka akan menimbulkan pressure drop. Nilai pressure drop pada elbow lebih besar dibanding pressure drop pada straight duct yang memiliki panjang ekuivalen yang sama. Frictional losses, secondary losses dan separation losses berkontribusi terhadap tingginya pressure drop di daerah elbow. Tingginya nilai pressure loss berdampak pada meningkatnya daya lisrik yang dibutuhkan untuk kerja fan (blower).

Untuk mengurangi pressure drop pada instalasi tersebut, maka dilakukanlah penelitian secara eksperimen dan numerik di laboratorium mekanika dan mesin-mesin fluida. Penelitian secara eksperimen dilakukan menggunakan wind tunnel (saluran angin) dengan bentuk ducting systemnya adalah rectangular duct yang terdiri dari straight channel dan elbow dengan curvature ratio (Rm/Dh=3). Variasi yang digunakan adalah kecepatan inlet dari putaran fan

yaitu 1, 3 dan 5 m/detik, dengan diameter hidrolis saluran udara (Dh) sebesar 125 mm dan

passive boundary layer control dengan media berupa bodi pengganggu berpenampang oriented square cylinder dan circular cylinder ditempatkan di dekat inner wall elbow dengan jarak (g/d=0,2). Pada penelitian secara numerik yang bertujuan untuk mensimulasikan geometri benda uji saluran udara sebagaimana susunan pada kajian eksperimental, dilakukan menggunakan CFD dengan model turbulensi yang digunakan adalah Reynolds stress model. Untuk memperkaya informasi, penelitian ini juga menganalisa keadaan optimal angular position bodi pengganggu pada sudut (α) 4°, 8°, dan 12°, baik di ekpserimen maupun numerik. Adapun bilangan Reynolds yang digunakan pada penelitian secara seksperimen dan numerik ini adalah 7,9 × 103, 2,4 × 104, dan 4 × 104, berbasis pada diameter hidrolik saluran udara (Dh).

Hasil eksperimen dan simulasi numerik berupa data kuantitatif dan kualitatif digunakan untuk menganalisis karakteristik aliran fluida yang melewati saluran berpenampang persegi. Data kuantitatif berupa nilai pressure drop, intensitas turbulensi, dan Cp (coefficient of pressure). Data kualitatif berupa kontur intensitas turbulensi dan velocity magnitude, kurva turbulent intensity dan velocity magnitude, dan grafik pressure drop. Hasil penelitian ini diharapkan mampu mengurangi pressure drop yang terjadi pada saluran udara tersebut. Target luaran yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah Jurnal International Terindex Scopus Q2. Kata kunci : ducting system, pressure drop, circular cylinder, boundary layer, Reynolds stress

(4)

1

BAB I. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pertumbuhan gedung tinggi di dunia mengalami peningkatan secara signifikan, salah satunya pertumbuhan gedung tinggi yang pesat terjadi di Britania Raya. Terjadi peningkatan sebesar 7% pada perizinan pembuatan gedung tinggi[1]. Peningkatan pertumbuhan gedung tinggi tersebut berdampak pada peningkatan kebutuhan listrik. Kebutuhan listrik untuk satu hotel di Hong Kong berkisar 1000 MJ/m2 – 3400 MJ/m2 dalam satu tahun, literatur lain menyebutkan kebutuhan hotel di Amerika sebesar 401 Kwh /m2 dalam satu tahun[2][3]. Kebutuhan energi listrik pada hotel tersebut terdiri dari 32% air conditioning, 28% non-electrical, 23% miscellaneous, 12% lighting, dan 5% lift & escalators[3]. Berdasarkan data tersebut penggunaan HVAC (heating ventilation and air conditioning) berdampak paling signifikan pada konsumsi energi listrik. Perincian konsumsi energi HVAC pada hotel tersebut terdiri dari 34% fan, cooling (27%), 17% heating, 16% pumps dan 6% cooling tower[4]. Presentase konsumsi energi listrik untuk fan pada system HVAC sangat besar sehingga sangat menguntungkan apabila kebutuhan energi listrik untuk fan tersebut dapat diminimalisir.

Salah satu bagian dari HVAC adalah rectangular elbow (θ=90°). Aliran fluida yang melewati rectangular elbow (θ=90°) akan mengalami pressure drop (ΔP) yang signifikan sehingga menyebabkan meningkatnya kerja

fan/blower

. Pressure drop pada rectangular elbow lebih besar daripada pressure drop di straight duct dengan panjang ekuivalen pipa yang sama. Hal ini disebabkan oleh frictional force loss, separation loss dan blockage effect dari secondary flow yang timbul akibat gaya sentrifugal pada elbow region.

Frictional force timbul dikarenakan adanya fluida yang bergesekan dengan permukaan dinding dari rectangular elbow, Hal ini lebih dikenal dengan head loss. Nilai dari head loss bergantung pada diameter hidraulik (Dh), kecepatan aliran fluida rata-rata (U),

panjang ekuivalen (Leq) dan frictional force (f). Nilai koefisien gesek dapat berubah

berdasarkan tingkat turbulen dari aliran. Fluida yang tingkat turbulen intensitasnya (TI) lebih tinggi maka memiliki nilai koefisien gesek yang lebih rendah dan berlaku sebaliknya[5].

Aliran fluida viskos mengalami centrifugal force saat melewati elbow (θ=90°). Centrifugal force menyebabkan timbulnya radial pressure gradient disepanjang dinding dalam elbow hingga ke dinding luar elbow. Fluida pada bagian dinding luar elbow memiliki tekanan yang lebih tinggi dibanding fluida pada dinding dalam. Berdasarkan radial pressure gradient tersebut, fluida mengalir dari dinding luar menuju ke dinding dalam elbow dengan melewati bagian atas dan bawah dinding elbow. Pergerakan fluida dari dinding luar menuju dalam tersebut berkembang menjadi secondary flow. Penelitian terkait karakteristik secondary flow disepanjang elbow telah dilakukan [6]. Berdasarkan penelitian tersebut diketahui struktur secondary flow pada bagian elbow bervariasi terhadap berubahnya bilangan ReDh. Penelitian

mengenai pembentukan secondary flow juga telah diselidiki [7][8][9]. Salah satu hasil dari penelitian tersebut adalah mengecilnya struktur secondary flow jika curvature ratio (R/Dh)

ditingkatkan. Struktur dari secondary flow bergantung pada diameter hydarulic (Dh), kecepatan

aliran fluida rata-rata (V) dan bend curvature ratio (R/Dh).

Salah satu upaya untuk mengurangi pressure loss adalah menerapkan metode pasif boundary layer control. Pasif boundary layer control merupakan cara untuk mengontrol lapis batas dengan cara merubah bentuk dari objek atau menambahkan pasive device seperti riblet, spoiler atau bodi pengganggu [10]. Bodi pengganggu berfungsi untuk mengganggu aliran agar memiliki pergerakan yang semakin acak. Pergerakan aliran yang semakin acak diharapkan memiliki frictional force yang semakin rendah. Penggunaan bodi pengganggu juga telah terbukti mengurangi drag force pada circular cylinder. Hal ini dikarenakan tertundanya separation point sehingga pressure drag dapat dikurangi [11]. Bodi pengganggu yang

(5)

2

digunakan memiliki variasi luas penampang yaitu circular dan oriented square, karakteristik aliran disekeliling circular cylinder dan oriented square cylinder telah diselediki [12]. Berdasarkan penelitian, terdapat perbedaan turbulence intensity dan struktur vortex shedding pada circular cylinder dan oriented square cylinder.

Objek pada penelitian ini berupa rectangular duct yang terdiri dari tiga bagian yaitu straight upstream, rectangular elbow dan straight downstream. Duct yang digunakan memiliki bentuk penampang berupa rectangular dengan diameter hidraulic (Dh) 125 mm. Investigasi

secara numerik dilakukan untuk mengetahui pengaruh dari peletakan bodi pengganggu terhadap karakteristik aliran di dalam duct. Bodi pengganggu yang diaplikasikan memiliki dimeter/diagonal 12,5 mm dengan variasi bentuk penampang berupa circular cylinder dan oriented square cylinder. Bodi pengganggu diletakan di dekat dinding dalam rectangular elbow dengan variasi angular position 4°, 8° dan 12°. Karakteristik aliran fluida berupa turbulent intensity, coeficient of pressure dan pressure drop menjadi parameter yang dianalisis untuk mengetahui pengaruh dari variasi peletakan dan bentuk bodi pengganggu.

1.2 Rumusan Masalah

Aliran fluida yang mengalir melintasi elbow mengalami pressure drop yang signifikan bahkan lebih besar jika dibandingkan dengan pressure drop pada saluran lurus dengan panjang ekuivalen yang sama. Pressure drop pada elbow dikontribusi oleh friction loss, secondary loss dan separation loss. Separation loss dapat ditanggulangi dengan memperbesar curvature ratio pada elbow sehingga fluida lebih mudah mengikuti kelengkungan elbow 900, di sisi lain curvature ratio yang lebih besar dapat mengurangi perbedaan tekanan di sisi inner elbow dan outer elbow. Penanggulangan terhadap friction losses dan secondary flow yang terbentuk di dalam elbow merupakan hal yang menarik untuk diteliti. Penggunaan bodi pengganggu diharapkan memiliki pengaruh terhadap pressure drop pada sisi elbow, downstream maupun upstream.

Penelitian secara eksperimen dan numerik dilakukan untuk mengetahui pengaruh penggunaan bodi pengganggu dengan bentuk penampang circular cylinder dan oriented square cylinder terhadap karakteristik aliran pada elbow dan downstream region. Penyelidikan terhadap variasi kecepatan (1 m/s, 3 m/s, dan 5 m/s) dan angular position (4°, 8° dan 12°) ditambahkan untuk mengetahui kecepatan operasi dan posisi optimal dari penggunaan bodi pengganggu. Karakteristik aliran yang dianalisis tiap variasi berupa data kuantitatif dan visualisasi aliran.

1.3 Batasan masalah

Berikut merupakan batasan masalah pada penelitian ini:

1. Fluida kerja adalah udara dengan freestream flow pada sisi inlet yang incompressible, dan uniform.

2. Eksperimen dan simulasi numerik dilakukan pada keadaan steady state. 3. Kekasaran permukaan pada dinding duct dan bodi penggangu diabaikan. 4. Temperatur udara 30°C.

1.4 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penelitian studi aliran melalui elbow ini dibagi menjadi dua bagian, yaitu:

1. Tujuan umum :

- Mengetahui pengaruh pemasangan bodi pengganggu berbentuk oriented square dan circular cylinder terhadap pressure drop aliran fluida yang melewati instalasi duct pada lokasi upstream, square elbow 90° (Rm/Dh=3) serta downstream.

(6)

3 2. Tujuan khusus :

- Mengetahui karakeristik aliran ketika melewati upstream, square elbow 90𝑜_dan

downstream dengan variasi Reynolds number yang berbeda.

- Mengetahui karakteristik aliran fluida ketika melewati square elbow 90𝑜_dengan

variasi posisi peletakan bodi penganggu (α). 1.5 Manfaat Penelitian

Manfaat penelitian ini yaitu:

1. Menunjukkan hasil penelitian secara kualitatif dan kuantitatif mengenai karakteristik aliran fluida sepanjang duct dengan penambahan bodi pengganggu yang diletakkan pada bagian elbow.

2. Memberikan pengetahuan dalam penggunaan software CFD untuk mengetahui karakteristik aliran pada bluff body yang berbentuk silinder sirkular dan oriented square.

3. Memberikan wawasan tentang bagaimana menurunkan pressure drop di sepanjang downstream dan elbow dengan menggunakan bodi pengganggu.

4. Memberikan penjelasan tentang perbedaan profil kecepatan aliran pada downstream duct yang melewati suatu elbow 90° berpenampang square yang diletakan bodi pengganggu pada sisi inner wall elbow.

(7)

4

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

Beberapa referensi yang akurat bersumber dari buku, jurnal, dan artikel digunakan sebagai tinjauan pustaka pada penelitian ini. Penelitian ini terfokus pada fenomena aliran yang melintasi circular cylinder dan rectangular cylinder yang diletakan pada bagian elbow sebagai upaya untuk meningkatkan intensitas turbulensi dan mengurangi pressure drop.

2.1 Internal Flow

Aliran yang melintasi sebuah saluran seperti duct atau pipe digolongkan menjadi aliran dalam (internal flow). Profil kecepatan dari suatu internal flow berubah seiring pergerakan aliran di dalam pipa. Pada keadaan mula-mula aliran memiliki profil kecepatan yang seragam (uniform velocity profile). Profil kecepatan tersebut berubah dikarenakan terdapat tegangan geser pada dinding yang menyebabkan fenomena no slip condition (u = 0 m/s). Daerah yang dipengaruhi oleh tegangan geser disebut boundary layer. Boundary layer akan terus berkembang hingga pada titik tertentu, pada titik tersebut velocity profile akan terbentuk secara sempurna/penuh atau lebih dikenal dengan fully developed flow. Inlet dari suatu saluran hingga titik velocity profile dapat terbentuk sempurna disebut entrance length. Entrance length untuk aliran turbulen bernilai 25 hingga 40 kali diameter hidraulik dari pipa[5].

Gambar 2. 1 Boundary Layer Development[5]

Aliran fluida yang melewati sistem ducting dalam perancangannya diatur berdasarkan standart ASHRAE[13], diantaranya rekomendasi kecepatan aliran udara yang diperbolehkan agar dalam operasinya tidak menimbulkan noise.

(8)

5 2.2 Karakteristik Aliran di Dalam Elbow

Elbow menghasilkan kerugian (head loss) yang lebih besar daripada pipa yang lurus dengan panjang ekuivalen yang sama. Kerugian ini diakibatkan adanya friction loss, separation loss, dan secondary flow yang terjadi setelah melewati aksesoris tersebut. Separasi terjadi akibat ketidakmampuan aliran melawan adverse pressure. Efek dan besarnya coefficient loss tersebut bergantung pada besar Reynolds yang mengalir melalui sebuah elbow 90º.

Gambar 2. 2 Karakteristik Aliran pada Elbow dan Loss Coefficient Elbow [14]

Secondary flow terjadi karena adanya pergerakan fluida dari dinding luar ke arah dinding dalam yang disebabkan perbedaan distribusi tekanan yang terjadi pada sisi inner dan outer wall. Tekanan statis semakin besar pada sisi outer wall. Oleh karena itu, aliran yang melewati elbow tidak sepenuhnya mengikuti aliran utama, sehingga terjadilah aliran sekunder (secondary flow).

(9)

6 2.3 Navier-Stokes Equation

Tegangan viscous pada fluida Newtonian proporsional terhadap laju deformasi ke arah angular. Pada aliran tiga dimensi, tegangan dapat di tunjukan dengan ketentuan velocity gradients dan properties fluida pada rectangular coordinates. Persamaan yang dapat digunakan untuk menganalisis aliran tiga dimensi adalah persamaan Navier-Stokes. Persamaan ini telah disederhanakan dengan menganggap tidak ada perubahan kecepatan terhadap waktu. Ditambahkan penyederhadanaan lain yakni menganggap pengaruh nilai gravitasi terhadap aliran tidak signifikan[5].

                           2 2 2 2 2 2 1 z u y u x u x p y u w y u v x u u   (2.1)                            2 2 2 2 2 2 1 z v y v x v x p y v w y v v x v u   (2.2)                            2 2 2 2 2 2 1 z w y w x w x p y w w y w v x w u   (2.3) 2.4 Pasive Boundary Layer Control

Pasive boundary layer control merupakan salah satu cara untuk mengatur karakteristik dari lapis batas (boundary layer) dengan cara merubah bentuk dari geometri objek atau menambahkan objek lain di dekat objek utama. Penambahan objek lain berupa turbulators, riblets, spoiler atau large break-up devices (LEBO). Keuntungan dari penggunaan metode ini adalah: 1) metode ini mudah untuk diaplikasikan untuk semua jenis kasus, 2) tidak membutuhkan eksternal energi, 3) tidak membutuhkan mechanical atau electronic part [10]. 2.5 Dekomposisi Reynolds

Kecepatan sesaat (ũi(x,t)) terdiri dari dua komponen penyusun, komponen tersebut

adalah kecepatan rata-rata (Ui(x)) dan komponen fluktuasi (ui(x,t)). Berdasarkan uraian

tersebut persamaan kecepatan sesaat dapat dituliskan sebagai berikut:

ũi = Ui + ui (2.4)

Gambar 2.4 merupakan salah satu contoh dari streamwise velocity time series yang diukur di dalam lapis batas turbulent. Gambar tersebut akan mempermudah pemahaman mengenai persamaan 2.4

(10)

7 2.6 Intensitas Turbulensi

Intensitas turbulensi aliran dipengaruhi oleh kecepatan rata-rata suatu aliran dan komponen fluktuasi pada satu dimensi. Persamaan intensitas turbulensi ke arah "x" dapat dituliskan sebagai berikut:

𝐼𝑇_𝑢 = √(𝑢̃−𝑈) 2 ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ 𝑈 = √(𝑢_̅̅̅̅)2 𝑈 (2.5)

Terdapat dua jenis streamwise velocity aliran pada Gambar 2.5 yang memiliki perbedaan karakteristik walaupun nilai rata-rata kecepatan dari kedua streamwise velocity bernilai sama. fluctuating velocity yang berwarna abu-abu memiliki fluctuating komponen yang lebih tinggi dibanding fluctuating komponen berwarna biru. Sehingga dapat disimpulkan velocity berwarna abu-abu memiliki intensitas turbulensi yang lebih tinggi dibanding velocity yang berwarna biru. Penentuan nilai turbulent intensity juga dibutuhkan untuk memberi informasi dari keadaan boundary condition. Nilai dari turbulent intenisty dapat ditentukan dengan persamaan berikut[6][17]:





8 1 Re 16 , 0 TI dh 

_(2.6)

Gambar 2. 5 Perbandingan Dua Fluctutating Component 2.7 Pressure Coefficient

Nilai ΔP Sistem perpipaan maupun saluran udara (ducting system) merupakan salah satu parameter yang perlu untuk diteliti. Pada bagian ducting nilai ΔP dapat diwakili dengan nilai Cp yang merupakan perbandingan tekanan statis terhadap tekanan dinamis. Penggunaan Cp sebagai parameter untuk menginvestigasi aliran bersifat lebih komparatif. Nilai Cp dapat dihitung dengan persamaan berikut[17] :

𝐶_𝑝 =1 ∆𝑃 2𝜌𝑈𝑟𝑒𝑓2

=𝑃1𝑠−𝑃𝑟𝑒𝑓 2𝜌𝑈𝑟𝑒𝑓2

(2.7)

Ps : tekanan statis lokal pada dinding (pa)

Pref : tekanan statis acuan (referensi) (pa)

ρ : massa jenis fluida pada kondisi kerja (m3/kg) Uref : kecepatan freestream (m/s)

-0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0 5 10 15 20 25 30 t(s)

Instantaneous Velocity

6m/s 2m/s u'(m/s)

(11)

8 2.8 Head Loss

Head loss merupakan suatu fenomena hilangnya energi aliran di dalam sistem perpipaan. Hilangnya energi aliran selalu terjadi pada sistem perpipaan dengan menggunakan berbagai macam fluida, seperti fluida cair dan gas. Head loss sangat merugikan dalam aliran fluida di dalam sistem perpipaan, karena head loss dapat menaikkan kerja dari mesin mesin turbomechinery.

Salah satu penyebab head loss adalah desain dari sistem perpipaan tersebut. Desain yang memiliki instrumentasi/aksersoris yang lebih banyak maka memiliki kerugian energi yang lebih besar. Persamaan Bernoulli menggambarkan keseimbangan energi dari suatu fluida yang mengalir dari satu titik ke titik yang lain. Persamaan tersebut disempurnakan dengan menambahkan pengaruh dari head loss. Persamaan tersebut disebut persamaan energi yang dapat dilihat pada persamaan (2.8)[5]:

𝑝1 𝜌𝑔+ 𝛼1 𝑉̅₁2 2𝑔+ 𝑍1 = 𝑝2 𝜌𝑔+ 𝛼2 𝑉̅₂2 2𝑔+ 𝑍2 + 𝐻𝑙𝑡 (2.8)

P = statis pressure (pa) V = velocity dari fluida (m/s) Z = elevasi dari fluida

Hlt = head loss total (m)

2.8.1 Head Loss Mayor

Head loss mayor adalah nilai kehilangan energi yang diakibatkan oleh gesekan antara fluida dengan dinding pipa lurus yang mempunyai luas penampang yang tetap. Head loss yang terjadi pada aliran dibagi menjadi dua bagian berdasarkan keadaan dari aliran:

a. Laminar

Untuk aliran laminar berkembang penuh pada pipa horizontal, head loss mayor didapatkan dengan persamaan berikut [5]:

𝐻_𝑙 =64 𝑅𝑒 𝐿 𝐷 𝑉̅2 2𝑔 (2.9)

Untuk pipa sirkular, aliran laminar (bilangan Re < 2300) b. Turbulen

Head loss mayor untuk aliran turbulen dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.10). Nilai koefisien gesek untuk aliran turbulent didapatkan dari moody diagram[5]:

𝐻_𝑙= 𝑓𝐿

𝐷 𝑉̅2

2𝑔 (2.10)

Untuk pipa sirkular, aliran turbulen (bilangan Re > 4000) 2.8.3 Head Loss Minor

Head loss minor adalah kehilangan energi aliran fluida di dalam pipa yang disebabkan oleh perubahan luas penampang aliran, entrance, fitting, dll. Nilai head loss minor didapatkan dengan persamaan berikut[5] :

𝐻_𝑙𝑚 = 𝐾𝑉̅2

2𝑔 (2.11)

2.9 Penelitian Terdahulu

Beberapa penelitian terdahulu memberikan informasi terkait penelitian ini. Informasi tersebut dapat berupa latar belakang, metode simulasi dan hasil penelitian. Penelitian yang terkait dibuat daftar untuk memudahkan pembaca mengetahui sejarah perkembangan

(12)

9

penelitian mengenai penggunaan bodi pengganggu. Daftar tersebut dapat dilihat pada Tabel 2.2.

Table 2. 2 Daftar Penelitian Terdahulu yang Terkait.

No Judul Penulis Tahun

1 Experimental Investigation on Turbulent Flow in a Circular-Sectioned 90-Degree Bend

K. Sudo, M. Sumida,

H. Hibara

1998

2 Flow Structure in The Downstream of Square and

Circular Cylinders Muammer Ozgoren

2005

3 _{Insertion and Reynolds Numbers on the Flow Pressure}Experimental Study on the Effect of Guide Vane Drop in a 90 Rectangular Elbow

Sutardi dkk. 2010

4 Analysis of Turbulent Flow Through a Square-Sectioned Duct With Installed 90-degree Elbow

K.Rup & P. Sarna

2011

5 _{Cylinder and Reduction of Pressure Drop in Narrow}Experimental Study of Drag Reduction on Circular Channels by Using a Cylinder Disturbance Body

Wawan A. W & Nuzul Hidayat

2014

6 Effect of Reynolds Number and Curvature Ratio on Single Phase Turbulent Flow in Pipe Bends

Prasun Dutta & Nityananda Nandi

2015

7 Numerical Study on Flow Separation in 90° Pipe Bend

under High Reynolds number by k-ε Modelling[18] Prasun Dutta dkk.

2015

8 _{Reattachment Flow in Pipe Bends with Different Small}Numerical Study on Turbulent Separation Curvature Ratio

Prasun Dutta & Nityananda Nandi

2018

Table 2. 3 Daftar Penelitian Terdahulu yang Terkait (Continued)

No Judul (penulis) Posisi bodi

pengganggu R/dh Reynolds 1 Studi numerik Aliran Melalui Square Duct _{Dan Elbow 90º Dengan Variasi Diameter}

Inlet Disturbance Body (Elfandy Putra Nugraha)

d/Dh = 0,064; 0,08 & 0,1(upstream) 1,5 3,94 × 104 7,88 × 104 1,34 ×105 2

Studi Eksperimen Karakteristik Aliran Melalui Square Duct Dengan Oriented Square Cylinder Sebagai Inlet Disturbance Body Di Dalam Elbow 90° (Sonny Aditya Luqman

Hakim)

α=5° - 20° 3

4,77 × 104 6,36 × 104 9,54 × 104

3 _{insertion on the flow pressure drop in a 90° square}The study on the effect of inlet disturbance body elbow[19]

l/Dh = 0.1 - 0.5 1,5

3.97 × 104 < ReDh <

(13)

10

2.9.1 Karakteristik Aliran Yang Melewati Sebuah Cylinder

Penelitian mengenai karakteristik aliran di sekitar bluff body atau cylinder telah banyak dilakukan. Salah satu diantaranya telah meneliti aliran disekitar bluff body yang berbentuk circular cylinder, oriented square cylnde dan square cylinder[12]. Hasil penelitian tersebut berupa karakteristik vorticity, velocity dan rms velocity aliran di sekitar bluff body dengan variasi bilangan ReH dan bentuk penampang bluff body. Proses pengambilan data

dilakukan dengan cara melakukan eksperimen pada saluran dengan lebar W=1000 mm, panjang L= 8000 mm dan H = 750 mm. Aliran udara akan dialirkan dengan rentang ReH =550

sampai 3,4 × 103 dengan turbulent intensity kurang dari 0,2 %. Nd:Yag laser digunakan untuk menghasilkan laser sheet dan CCD camera (1024 × 1024) untuk merekam fenomena aliran sebanyak 4096 data.

Gambar 2. 6 Instalasi Pengambilan Data Dengan Menggunakan CCD Camera dan Nd:Yag Laser [12]

Salah satu hasil penelitian berupa grafik instantaneous streamwise velocity terhadap waktu. Data tersebut diukur pada bagian di dekat wake dari cylinder. Proses pengambilan data instantaneous streamwise velocity dilakukan pada ReH=3,4 × 103. Grafik tersebut dapat dilihat

pada Gambar 2.7 a, b dan c. Sumbu "X" adalah waktu sedangkan sumbu Y berupa instatanous velocity. Dapat dilihat bahwa rentang fluktuasi instantaneous streamwise velocity square body dan oriented square body lebih tinggi daripada circular body. Oriented square dan square memiliki rentang fluktuasi velocity sekitar -50 hingga 200 sedangkan circular cylinder hanya memiliki rentang fluktuasi velocity berkisar 0 hingga 200.

(a) (b)

(c)

Gambar 2. 7 Instantaneous Streamwise Velocity Component u (mm/S) Terhadap Waktu (a) Circular Body, (b) Square Body,

(14)

11

Kontur Instantaneous vorticity wake aliran yang melintasi circular cylinder, square cylinder dan oriented square cylinder juga ditampilkan pada penelitian ini. Proses pengambilan data dilakukan pada ReDh = 550. Satuan Instantaneous vorticity telah dinormalkan dengan cara

mengganti ω menjadi ω*, dimana ω*=ω(U∞/D). Sturktur vortex shedding pada square dan

oriented square lebih besar daripada vortex shedding pada circular cylinder. Struktur vortex shedding yang besar menandakan semakin besarnya wake pada bagian downstream bodi pengganggu.

(a)

(b)

(c)

Gambar 2. 8 Pola dari Dimensionless Voriticity (ω*) a) Circular Body b) Square Body dan c) Oriented Square Body [12]

Dapat disimpulkan bahwa square dan oriented square memiliki nilai intensitas turbulensi yang lebih tinggi daripada circular cylinder. Hal ini dibuktikan dengan kontur pola dimensionless vorticity (ω*) dan grafik turbulent intensity pada masing-masing bluff body. Disisi lain oriented square dan square memiliki wake region yang lebih besar dibanding wake pada circular cylinder sehingga menimbulkan pressure drag aliran yang lebih besar.

2.9.2 Pengaruh Curvature Ratio (R/Dh) Pada Karakteristik Aliran Yang Melintasi Elbow

Curvarture ratio (R/Dh) suatu elbow berpengaruh terhadap karakteristik aliran yang

melintas di dalam elbow. Pengaruh yang diberikan oleh curvature ratio terhadap karakteristik aliran berupa timbulnya separasi aliran dan perbedaan velocity profile pada downstream duct. Penelitian secara numerik telah dilakukan untuk menginvestigasi pengaruh Curvature ratio elbow (R/Dh) terhadap velocity profile yang terbentuk di sepanjang elbow[7]. K-ε dipilih

(15)

12

sebagai model turbulensi aliran pada penelitian ini. Nilai curvarture ratio (R/Dh) yang akan

divariasikan adalah 1,2 dan 3. Bilangan Reynolds yang digunakan adalah 1-10 × 105.

Velocity profile suatu aliran memiliki profil yang cenderung lebih penuh (full) apabila melintasi elbow dengan Curvarture ratio (R/Dh) yang bernilai lebih besar jika dibandingkan

dengan Velocity profile yang melintasi Curvarture ratio (R/Dh) yang lebih kecil. Hal ini

dibuktikan dengan penelitian mengenai pengaruh curvature ratio dari suatu elbow terhadap profil kecepatan yang melintas di dalamnya [7]. Pada gambar 2.9 dapat dilihat dengan nilai Reynolds yang sama velocity profile yang melintas pada elbow dengan Curvarture ratio (R/Dh)

yang lebih besar memiliki bentuk yang lebih penuh.

(a)

(b)

(c)

Gambar 2. 9 Velocity Profile Di Sisi Elbow dengan Variasi Curvature Ratio dan Bilangan Reynolds : a) R/Dh =1, b) R/Dh = 2, c) R/Dh = 3[7]

2.9.3 Karakteritik Aliran Sekunder Yang Melintasi Elbow

Adapun beberapa penelitian yang telah dilakukan secara numerik untuk mengidentifikasi secondary flow yang terbentuk akibat pengaruh curvature ratio. Salah satu penelitian yang memberikan informasi mengenai secondary flow yang terbentuk pada sisi elbow menjelaskan pusat dari secondary flow yang tebentuk pada circular duct. Pada penelitian ini parameter yang akan divariasikan adalah curvature ratio (R/DHm) dan bilangan Reynolds

(16)

13

(Re) dengan objek penelitian berupa circular pipe yang terdiri dari circular elbow, straigh upstream dan straight downstream. Terdapat tiga jenis curvature ratio (R/D) yang digunakan pada penelitian ini, curvature ratio tersebut bernilai 0,5, 0,75, dan 1,5. Bilangan Reynolds yang divariasikan pada penelitian ini bernilai 1 × 105 hingga 10 × 105.

Gambar 2. 10 Skematik dan Dimensi Duct [6]

Mesh yang digunakan pada penelitian ini adalah structured mesh dengan bentuk segi empat. Bentuk dari structured mesh dapat dilihat dari segi potongan pada bidang z dan pada bidang x. DNS dan LES dipilih sebagai model turbulensi aliran. Hal ini dikarenakan DNS dan LES lebih akurat daripada Navier-Stokes (RANS) namun tipe ini membutuhkan waktu simulasi yang lebih lama. Pressure-implicit with the splitting of operators (PISO) digunakan untuk mendapatkan pressure-velocity coupling. Second-order digunakan untuk formulasi transient sedangkan momentum spatial discretization menggunakan second order upwind. Konvergensi kriteria untuk semua parameter bernilai 10-5. Boundary condition untuk inlet pipa berupa velocity inlet dengan nilai turbulent intensity (I = 0.16 × Re-0.125_{). Boundary Condition}

untuk outlet pipa adalah outflow.

Gambar 2. 11 Konfigurasi Mesh [6]

Salah satu hasil dari penelitian adalah kontur aliran dari secondary flow. Perubahan struktur secondary flow terhadap perubahan curvature ratio (R/D) dapat dilihat pada Gambar 2.12. Proses pengamatan dan vortices dilakukan dengan cara menganalisis perubahan posisi dari pusat secondary flow. Posisi pusat secondary flow akan semakin menuju ke tengah pipa seiring berkurangnya curvature ratio dan berlaku sebaliknya. Hal ini dapat dikaitkan dengan titik separasi. Titik separasi akan terjadi lebih awal pada curvature ratio yang bernilai rendah sehingga wake yang terbentuk pada outlet elbow juga semakin membesar. Wake yang besar akan menyebabkan titik pusat secondary flow berada di dekat pusat duct. Hasil lain dari

(17)

14

penelitian ini berupa perubahan struktur secondary flow akibat perubahan Reynolds number (Re). Dapat dilihat pada Gambar 2.13, titik pusat dari secondary flow akan bergerak ke tengah duct seiring meningkatnya bilangan Reynolds. Curvature ratio (R/D) dan bilangan Reynolds (Re) memiliki pengaruh terhadap perubahan struktur secondary flow, namun curvature ratio(R/D) memiliki pengaruh yang lebih signifikan daripada bilangan Reynolds (Re).

(a) (b) (c)

Gambar 2. 12 Secondary FlowPada Posisi Outlet Elbow ; a) (R/D)=0,75, b) (R/D)=1 dan c)(R/D)=1,5[6]

(a) (b) (c) (d) (e)

Gambar 2. 13 Secondary Flow Pada Posisi Outlet Elbow ; a) 1 × 105,b) 3 × 105,c) 5 × 105, d) 7 ×105 dan e) 10 × 105[6]

Penelitian lain meneliti mengenai terbentuknya secondary flow pada rectangular duct[16]. Pada penelitian tersebut lebih didetailkan mengenai klasifikasi secondary flow. Penelitian ini menggunakan curvature ratio 1 dan bilangan Reynolds sebesar 1,4 × 105. Gambar 2.14 menjelaskan tentang base vortex dan split dean vortex.

Gambar 2. 14 klasifikasi secondary flow yang terbentuk pada rectangular bend[16] 2.9.4 Penggunaan Bodi Pengganggu Sebagai Media Pasif Boundary Layer Control

Penggunaan bodi penggangu sebagai media untuk mengurangi pressure drop pada instalasi duct telah diteliti [19]. Pada penelitian tersebut curvature ratio dari elbow yang digunakan adalah 1,5 dengan variasi bilangan Reynolds 3,97 × 104 < Redh < 13,4 × 104. Bodi

(18)

15

pengganggu akan diletakan pada bagian upstream duct dengan variasi posisi l/Dh=0,1-0,5 dan

gap ratio (g/d = 0,2).

Gambar 2. 15 Skema Instalasi Percobaan Saluran Udara Berpenampang Bujur Sangkar Sesudah dilakukan penelitian secara eksperimen selanjutnya dilanjutkan dengan metode numerik untuk mengamati aliran yang melewati square elbow. 710000 merupakan Jumlah mesh yang optimal untuk melakukan simulasi, structured mesh dengan bentuk hexahedral map dipilih sebagai bentuk penyusun mesh. Detail mesh dapat dilihat pada gambar 2.16.

Gambar 2. 16 Bentuk Meshing Hexahedral Map [19]

Salah satu hasil penelitian adalah kurva pressure drop terhadap bilangan Reynolds. Bilangan Reynolds ditunjukkan pada koordinat X dan pressure drop ditunjukkan pada axis Y. Pada kurva tersebut ditunjukkan nilai pressure drop untuk tiap variasi peletakan posisi bodi pengganggu. Berdasarkan kurva tersebut dapat disimpulkan bahwa penggunaan bodi pengganggu mampu menurunkan nilai pressure drop. Nilai penurunan pressure drop paling kecil didapat pada saat bodi pengganggu diletakan pada posisi l/Dh=0,1

Gambar 2. 17 Pressure Drop Pada Duct dengan Variasi Nilai Reynolds 3,97 x 104 < ReDh < 13.5 x 104 [19]

(19)

16

BAB. III METODE PENELITIAN

Pada bab ini dibahas metode penelitian yang digunakan, yaitu metode penelitian secara eksperimen dan simulasi numerik untuk menganalisis karakteristik aliran fluida tiga dimensi didalam rectangular duct dengan R/Dh=3, yang di uji secara eksperimen pada saluran angin

dengan variasi kecepatan fan, bentuk dan posisi dari bodi pengganggu serta variasi bilangan Reynolds. Adapun simulasi numerik dilakukan untuk mengetahui adanya fenomena aliran tiga dimensi (3D) sesudah melewati square elbow 90° dengan penambahan bodi pengganggu tersebut pada g/d = 0,2 dengan variasi (α = 4°,8°,12°) dan bilangan Reynolds. Pada tahap ini langkah-langkah yang dilakukan yaitu pre-processing, processing, dan post-processing.

melalui saluran udara berpenampang bujursangkar (square duct), dengan komponen utama berupa straight duct, elbow 900, dan volume damper dengan variasi sudut bukaan 0o (fully open), 10o, 20o, dan 30o yang terletak pada daerah downstream setelah outlet elbow 90o x/Dh=2 dan divariasikan pada bilangan Reynolds pada rentang 4,3x104_{< Re}

Dh<105 .

Pembahasan meliputi instalasi dan test section penelitian, peralatan pendukung penelitian, analisa dimensi, prosedur pengambilan data, serta langkah-langkah dalam pengelolaan data, untuk metode kajian eksperimental. Adapun simulasi numerik akan menjelaskan mengenai domain simulasi dan kondisi batasnya, bentuk meshing, dan skema numerik yang digunakan. Simulasi numerik dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak CFD komersial.

3.1 Geometri Ducting dan Badan Pengganggu.

Ducting yang dijadikan objek penelitian memiliki betuk penampang berupa rectangular. Ducting tersebut terdiri dari tiga bagian yaitu straight upstream, rectangular elbow dan straight downstream. Bodi pengganggu akan diletakan pada bagian elbow tepatnya di dekat dinding dalam. Detail dari ducting dapat dilihat pada gambar berikut:

(20)

17

Gambar 3. 2 Skema Badan Pengganggu

Spesifikasi ducting sebagai berikut :

 Sisi square duct (D) : 125 mm

 Curvature ratio (R/Dh) : 3

 Sudut angular (α) : 4°,8° dan 12°

 Gap ratio (g/D) : 0,2

 Diameter bodi pengganggu (d) : 12,5 mm

3.2. Langkah-langkah Eksperimen

Beberapa tahap yang dilakukan pada penelitian eksperimen adalah sebagai berikut: 3.2.1 Prosedur Validasi Data

Ada beberapa langkah validasi yang perlu dilakukan sebelum pengambilan data, yaitu  Validasi tekanan dinamis

Berikut langkah kerja validasi data tekanan dinamis:

1. Pitot static dipasangkan pada manometer dan transducer. 2. Blower diatur pada kecepatan 10 m/s.

3. Data diambil dari manometer dan pressure transducer untuk tekanan dinamik. 4. Data manometer didapat Δh (mm) dan dari transducer didapatkan voltage

(Volt).

5. Data tersebut dibuat grafik Δh vs arus sehingga diketahui hubungan sebagai sebuah formula.

 Validasi tekanan statis di dinding

Berikut langkah kerja validasi data tekanan statis pada dindi:

1. Wall pressure tap dipasang sepanjang dinding elbow dan downstream straight channel.

2. Wall pressure tap disambungkan pada manometer dan transducer. 3. Blower diatur pada kecepatan 10 m/s.

4. Data diambil dari manometer dan pressure transducer untuk tekanan statis. 5. Dari manometer didapatkan Δh (mm) dan dari transduser didapatkan voltage

(Volt).

6. Data tersubut dibuat grafik Δh vs arus sehingga dapat diketahui hubungan sebagai sebuah formula.

(21)

18 3.2.2 Pengambilan Data Kuantitatif

Parameter yang diukur pada penelitian ini meliputi tekanan stagnasi dan tekanan statis. Sebelum melakukan pengambilan data maka perlu dilakukan pengukuran suhu ruangan terlebih dahulu. Masing-masing pengukuran memiliki prosedur pengambilan data yang berbeda dan akan dijelaskan sebagai berikut:

1) Prosedur pengukuran tekanan dinamis

Prosedur pengukuran tekanan dinamis adalah sebagai berikut: a) Persiapan test section.

b) Pemasangan pitot tube pada posisi yang ingin diukur.

c) Pitot tube dihubungkan dengan pressure transducer dengan mengunakan pipa plastik. d) Posisi pitot tube diatur pada titik awal pengukuran pada jarak xo /lo = 0.23 dan pada jarak

r/by ≈ 1 artinya ujung pitot tube sebisa mungkin di dekatkan pada dinding outer inlet.

e) Pengaturan bukaan blower sesuai kebutuhan.

f) Arus dari pressure transducer pada tekanan stagnasi pada dicatat. g) Blower dimatikan

h) Pitot tube digeser searah horisontal mendekati sisi inner elbow.

i) Mengulangi langkah e sampai f hingga titik tekanan stagnasi terakhir yang telah ditentukan sebelumnya.

Prosedur pengukuran tekanan statis adalah sebagai berikut: a) Persiapan test section.

b) Penghubungan pressure tap yang sudah terpasang di dinding ke pressure transducer dengan selang kapiler.

c) Pengaturan bukaan blower sesuai kecepatan free stream yang akan di-set. d) Data arus dari pressure transducer dicatat.

e) Selang kapiler pressure transducer dilepas dari wall pressure tap pertama kemudian dihubungkan dengan selang kapiler untuk wall pressure tap selanjutnya.

f) Langkah c). sampai f). diulangi sampai didapatkan data pada posisi pressure tap yang terakhir pada posisi 18Dh dari inlet downstream straight channel.

3.2.3 Pengolahan Data Kuantitatif

Pengolahan data dilakukan dengan membuat sebuah contoh perhitungan. Beberapa data awal yang diperlukan untuk melakukan proses perhitungan adalah:

 Diameter hidrolik elbow (Dh) : 125 mm

 Panjang Downstream Straight Channel : 2250  Panjang inlet elbow sampai downstream

inner wall (li) : 3098,125 mm

outer wall (lo) : 3196,25 mm

 Sudut inclined manometer (θ) : 10°

 Specific Gravity red oil (SGredoil) : 0,82

 Percepatan Gravitasi (g) : 9,81 m/s2

 Temperatur ruangan dianggap konstan (T) : 28°C  Massa jenis udara pada T = 28°C (ρud) : 1,182 kg/m3  Viskositas kinematis udara pada T = 30°C (υ) : 1,59 x 10-5 m2/s  Massa jenis air pada T = 28°C (ρH2O) : 996,4 kg/m3

a) Perhitungan untuk Blower

Pada eksperimen ini digunakan angka Reynolds yang didapatmelalui persamaan 3.16 didapatkan kecepatan awal Blower diatur pada kecepatan 10 m/s dan 40 m/s

(22)

19 𝑅𝑒_𝐷𝐻 = 𝜌𝑢𝑑 . 𝑈𝑟𝑒𝑓 .𝐷ℎ 𝜇 = 𝑈𝑟𝑒𝑓 . 𝐷ℎ 𝜐 (3.16) Dimana:

 ρud : massa jenis udara

 υ : viskositas kinematis udara pada T = 28oC  μ : viskositas absolut udara pada T = 28oC

 Uref : kecepatan freestream pada inlet elbow (xi /Dh = 0 atau xo /Dh = 0)  Dh : diameter hidraulik elbow

Untuk mendapatkan kecepatan awal (Uref) sebesar 10 m/s dilakukan pengaturan bukaan

blower secara manual melalui pengukuran nilai Δh menggunakan persamaan 3.17 sebagai berikut: Pdinamis = ρ redoil . g . Δh (3.17) 1 2. 𝜌𝑢𝑑 .(Uref) 2 _{= 𝑆𝐺} 𝑟𝑒𝑑 𝑜𝑖𝑙 . 𝑔. 𝛥ℎ 𝛥ℎ = 𝜌𝑢𝑑 . 𝑈𝑟𝑒𝑓 2 2 . 𝑆𝐺_{𝑟𝑒𝑑 𝑜𝑖𝑙}. 𝜌_𝐻2𝑂. 𝑔 Δh = 2 . Δy . sin θ 𝛥𝑦 = 𝛥ℎ 2 .𝑠𝑖𝑛 𝜃 (3.18)

Fan yang digunakan pada eksperimen ini adalah centrifugal fanUntuk mendapatkan kecepatan referensi (Uref) sebesar 10 m/s dilakukan pengaturan bukaan blower dengan

menggunakan wall pressure tap dan stagnation pressure tube. Kedua alat ukur tersebut kemudian dihubungkan pada inclined manometer secara bersamaan untuk mendapatkan tekanan dinamis. Bukaan tersebut dijadikan acuan dalam pengambilan data distribusi koefisien tekanan (Cp) dan profil kecepatan aliran.

b) Perhitungan Pressure Coefficient (Cp)

Perhitungan wall pressure coefficient (Cp) untuk elbow 90 di sepanjang sisi inner dan

outer wall test section dan sepanjang downsrean straight channel test section terdapat pada bagian midspan.

Wall pressure coefficient (Cp) dirumuskan sebagai berikut:

𝐶𝑝 = 𝑃𝑠,𝑖−𝑃𝑟𝑒𝑓 1 2.𝜌𝑢𝑑.𝑈𝑟𝑒𝑓 2 (3.19) dimana:

- Ps,i : tekanan statis pada inner wall di x/Dh = i

- Pref : tekanan statis referensi pada x/Dh = 0

- ud : massa jenis udara pada T = 28C

- Uref : kecepatan referensi pada

- inlet section elbow(xi/Dh = xo/Dh = 0)

-

a) Perhitungan Ps,i

Δh = Δy . sin θ

Ps,i = ρredoil . g . Δh = SGredoil . ρH2O . g . Δy sin θ

b) Perhitungan Pref Δh = Δy . sin θ Pref = ρredoil . g . Δh c) Perhitungan Cp 𝐶_𝑝 = 𝑃𝑠,𝑖− 𝑃𝑟𝑒𝑓 1 2 . 𝜌𝑢𝑑. 𝑈𝑟𝑒𝑓2

(23)

20 c) Perhitungan kecepatan lokal

Profil kecepatan diukur pada 18 test section sepanjang downsream straight channel dengan variasi pembukaan sudut damper. Perhitungan profil kecepatan dari inner wall pada elbow dapat ditulis sesuai persamaan 3.20 sebagai berikut:

𝑢 = √

2 . (𝑝𝑜− 𝑝𝑠)

𝜌_𝑢𝑑

(3.20)

dimana:

 po : tekanan stagnasi yang diukur dengan stagnation pressure tube  ps : tekanan statis sejajar dengan stagnation pressure tube

 pud : massa jenis udara pada T = 28oC  po - ps : tekanan dinamis

d) Perhitungan Pressure Drop (∆p)

Pressure drop adalah selisih tekanan inlet dan outlet pada test section. Sisi inner dan outer mempunyai tekanan inlet dan outlet yang hampir sama. Perhitungan pinlet dan poutlet

sama dengan perhitungan ps,i..

Dua parameter berupa tekanan statis dan stagnasi digunakan untuk menghitung pressure coefficient (Cp) dan velocity profile, kemudian dari parameter – parameter tersebut akan diplot grafik – grafik sebagai berikut:

1. Grafik pressure coefficient (Cp) fungsi sumbu x /Dh pada inner wall untuk

masing-masing pembukaan sudut damper, Cp = f (xi /Dh , ReDh)

2. Grafik pressure coefficient (Cp) fungsi sumbu x/Dh pada outer wall untuk

masing-masing pembukaan sudut damper, Cp = f (xo /Dh , ReDh).

3. Grafik kecepatan tak berdimensi (u/Uref) pada masing-masing pembukaan sudut

damper, u/Uref = f (xi /Dh , r/b , ReDh). e) Perhitungan Intensitas Turbulensi (IT)

Pengambilan data Intensitas turbulensi menggunakan pitot static tube yang dipasang tepat di centerline pada sisi downstream. Analisa intensitas turbulensi ini berdasarkan sinyal kecepatan yang diambil dengan menggunakan langkah perhitungan nomor 3. Sehingga didapatkan fluktuatif kecepatan disetiap detiknya. Intensitas turbulensi (IT) dirumuskan sebagai berikut:

IT = 𝑢 ′ 𝑈̅ x 100% (3.21) u'

=

√∑(𝑈̅−𝑈𝑛)2 𝑛−1

(3.22) dimana : - IT : Intensitas turbulensi

- Un : Kecepatan pada waktu tertentu (kecepatan lokal) (m/s)

- 𝑈̅ : Kecepatan rata-rata (m/s)

- u’ : Standar deviasi fluktuasi kecepatan (m/s)

3.3 Metode Numerik

Pendekatan Numerik, model numerik dan diskritisasi (meshing) digunakan piranti lunak komputasi fluida. Urutan kerja pada penelitian numerik ini dibagi menjadi tiga tahap, yaitu tahap pre-processing, processing dan dilanjutkan dengan tahap post-processing.

(24)

21 3.3.1 Tahap Pre-Processing

a) Pembuatan model 3D yang mengacu pada geometri Gambar 3.1. Model ducting dibuat dengan variasi angular position (α) dari badan pengganggu dan bentuk penganggu. Pembuatan geometri dan mesh serta penentuan boundary condition dilakukan pada program gambit.

b) Pembuatan meshing dilakukan untuk tiap variasi. Meshing volume yang digunakan adalah tipe hexahedral-map. Metode meshing yang digunakan adalah sistem grading dengan distribusi mesh yang semakin rapat pada sisi dekat dinding serta rapat pada sisi pengganggu. Contoh hasil dari meshing pada rectangular duct tanpa bodi penganggu, rectangular duct dengan diamond disturbance body (α=4°) dan circular disturbance body (α=4°) diilustrasikan pada Gambar 3.3 dan 3.4.

(a) (b)

Gambar 3. 3 Meshing Rectangular Duct a) Cross Sectional Mesh, b) Rectangular Mesh

(a) (b)

Gambar 3. 4 a) Rectangular Elbow dengan Circular Disturbance Body Mesh, b) Rectangular Elbow dengan Diamond Disturbance Body Mesh

3.3.2 Tahap Processing

a) Scale dan pengecekan kondisi batas

Penentuan dan pengecekan dimensi pada program Fluent merupakan langkah pertama yang harus dilakukan. Hal ini berfungsi untuk memastikan pembuatan dimensi pada program Gambit sudah sesuai dengan program Fluent. Pengecekan kondisi batas juga

(m)

(25)

22

diperlukan untuk menghindari terjadinya kesalahan pemilihan bidang sebagai kondisi batas tertentu.

b) Models

Pemilihan model turbulensi didasarkan oleh penelitian terdahulu. Selain berdasarkan penelitian terdahulu, telah dilakukan perbandingan hasil simulasi dengan menggunakan beberapa model turbulensi. Model turbulensi aliran yang dipergunakan adalah K-epsilon standard[6][18][20], K-omega[16][21] dan RSM[22]. Velocity profile pada 8Dh untuk setiap variasi turbulensi dibandingkan dengan data

eksperimen. Data tersebut ditampilkan pada Gambar 3.5. Berdasarkan gambar tersebut diketahui bahwa RSM memiliki velocity profile yang paling mendekati dengan hasil eksperimen.

Gambar 3. 5 Grafik Velocity Profile Pada Outlet Elbow dengan Variasi Model Turbulensi untuk Re=105

c) Materials

Data properties material fluida yaitu udara pada temperatur ruangan T = 28 °C dengan density (ρ) 1,178 kg/m3 dan viskositas absolut (μ) 1,84 x 10-5 N.s/m2.

d) Operating conditions

Menentukan kondisi daerah operasi dan lingkungan di sekitar benda uji. Operating conditions menggunakan operating pressure sebesar 1 atm = 101325 Pa (pascal). e) Boundary conditions

Menentukan nilai parameter dari suatu kondisi batas pada aliran yang melewati benda uji. Sisi inlet didefinisikan sebagai velocity inlet dalam (m/s) dengan variasi velocity sebesar 1 m/s, 3 m/s, dan 5 m/s. Ditambahkan spesifikasi turbulent intensity dan diameter hidraulik untuk meningkatkan keakuratan simulasi. Turbulence intensity untuk masing-masing kecepatan pada sisi inlet yaitu 5,2 %, 4,5 %, dan 4,2 % sedangkan nilai hydraulic diameter sebesar 125 mm. Sisi outlet didefinisikan sebagai outflow sedangkan dinding duct dan badan pengganggu didefinisikan Wall. Domain simulasi dapat dilihat pada Gambar 3.6.

f) Solution

Solution pada penelitian ini akan menggunakan metode SIMPLE [20][23] serta discretization berupa second order untuk pressure, second-order upwind untuk momentum, turbulence kinetic energy dan turbulence dissipation rate [6].

-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Y /D h u/U Velocity Profile (8D_h)

(26)

23 g) Initialize

Merupakan langkah awal untuk proses iterasi untuk mencapai convergen, langkah ini dapat dihitung dari inlet, outlet, atau daerah lainnya. Dalam kasus ini langkah awal dimulai dari sisi inlet.

Gambar 3. 6 Boundary Condition Rectangular Duct Pada Simulasi h) Monitor residual

Harga kriteria konvergensi ditentukan sebagai tolak ukur tingkat keakuratan. Kriteria konvergensi ditetapkan sebesar 10-5untuk continuity, x-velocity, y-velocity, z-velocity, k dan ε. Proses iterasi dinyatakan telah convergen setelah residualnya mencapai nilai yang telah ditentukan.

i) Iterate

Langkah selanjutnya setelah penetapan harga monitor residual adalah iteration. Iteration merupakan langkah perhitungan pada piranti lunak simulasi CFD komersial. Iteration akan secara otomatis berhenti apabila semua nilai residualnya mencapai nilai telah ditentukan dapat dikatakan iterasi sudah convergen. Apabila tidak tercapai kriteria convergen maka dilakukan tahapan untuk memperbaiki meshing.

3.3.3 Tahap Post-processing

Post-processing merupakan tahapan penampilan hasil simulasi. Hasil simulasi berupa data kuantitatif dan kualitatif. Data kuantitatif berupa distribusi nilai turbulent intenity profile, velocity profile, Cp dan pressure drop sedangkan data kualitatif berupa penampilan kontur kecepatan dan turbulent intensity pada setiap cross section. Pada tiap posisi pengambilan data terdapat keterangan mengenai data yang akan diintresprestasikan untuk mengamati karakteristik aliran. Keterangan mengenai jenis data yang akan didapatkan dapat dilihat pada Tabel 3.1. Posisi pengambilan data ditunjukkan pada Gambar 3.7.

(27)

24

Gambar 3. 7 Posisi Pengambilan Data Tabel 3. 1 Posisi dan Jenis Data

3.3.4 Langkah-Langkah Penelitian

Langkah-langkah penelitian numerik pada square duct ini adalah sebagai berikut: 1) Pembuatan geometri dan mesh dari ducting.

2) Penentuan boundary condition pada model uji, serta batasan yang digunakan dalam penyelesaian simulasi seperti inlet, outlet, dan wall serta beberapa interior tambahan. 3) Penentuan keadaan operasi pada fluent, meliputi: models, materials, boundary

condition, solution, initialize, monitor residual, dan iterate (post-processing). 4) Iterasi hingga mencapai keadaan konvergen.

5) Analisis grid indpendency. Analisis grid independency divariasikan sebanyak 3 variasi jumlah mesh dengan model turbulensi Reynolds Stress Model (RSM).

No Posisi Jenis data

1 Inflow (z/Dh = 7) Statis pressure

2 Mid plane duct (y/Dh = 0,5 ) Kontur kecepatan dan kontur turbulent intensity

3 Inlet elbow (α=0°) Statis pressure,kontur kecepatan dan turbulent intensity

4 α=15° kontur kecepatan dan kontur turbulent intensity

9 Outlet elbow (α=90°) Statis pressure,kontur kecepatan dan turbulent intensity

10 x/Dh = 4 Kontur & profil kecepatan dan kontur turbulent intensity

12 x/Dh = 12 Kontur & profil kecepatan dan kontur turbulent intensity

15 Outlet duct (x/Dh =25) Statis pressure,kontur kecepatan dan turbulent intensity

16 Outer wall elbow (midplane) Tekanan statis

(28)

25

6) Melakukan simulasi pada model uji dengan variasi yang ditentukan yaitu: variasi body penganggu, kecepatan (1,3 dan 5 m/s) dan angular position (4°,8° dan 12°). Tabel 3.2 menunjukkan semua variasi yang akan di simulasikan.

Tabel 3. 2 Data Variasi Penelitian

Variasi Kecepatan (m/s) angular position (α)° Badan pengganggu

1

4 circular disturbance body

2 oriented square disturbance body

3

5

7

3

9

11

13

5

15

17

7) Melakukan post-processing tiap variasi. 8) Analisis hasil dan penarikan kesimpulan 3.2.5 Analisis Grid Independency dan Validasi

Proses grid independency test dan validasi untuk model simulasi bertujuan untuk mendapatkan mesh dan permodelan simulasi yang paling akurat. Pada proses ini akan dibandingkan hasil simulasi dari beberapa variasi mesh. Terdapat empat variasi jumlah mesh yang akan di bandingkan, jumlah mesh yang akan divariasikan bernilai 1,6 × 106, 1,7 × 106, 1,8 × 106, dan 1,9 × 106 element. Keempat varisi tersebut akan disimulasikan dengan nilai ReH

2,4 × 104 pada rectangular duct tanpa bodi pengganggu.

Parameter yang dibandingkan untuk grid independency test adalah pressure drop pada sisi downstream dan y+_{. Tabel hasil perbandingan pressure drop dapat dilihat pada Tabel 3.3.}

Berdasarkan tabel tersebut dapat disimpulkan bahwa mesh dengan jumlah 1,8 × 106 sudah cukup akurat.

Tabel 3. 3 Data Grid Indeendency Test (Pressure Drop Error) dan y+

No Mesh Downstream

Pressure drop (pa) Error (%)

Y+

Average Maximal Minimal

1 1,6 × 106 3.79 - 2.35 6.0 0

2 1,7 × 106 3.74 1.39 2.24 5.9 0

3 1,8 × 106 3.77 0.80 2.18 5.5 0

(29)

26

BAB IV. JADWAL DAN RANCANGAN ANGGARAN BIAYA

4.1 Jadwal Kegiatan

Adapun jadwal kegitan penelitian yang akan dilakukan dapat ditunjukkan sebagai berikut :

No. Kegiatan April 2020 Mei 2020 Juni 2020 Juli 2020 Agust 2020 Sept 2020 Okt 2020 Nov 2020 Des 2020 1 2 3 4 1 2 3 1 1 2 3 4 2 3 4 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 1 Studi Pustaka

2 Pembuatan Desain Alat

3 Pembuatan Alat dan Benda

Uji

4 Kalibrasi Alat Ukur

5 Pengambilan Data

Eksperimen

6 Simulasi Numerik

7 Pembuatan Laporan

Kemajuan

8 Pengolahan & Analisa Data

Eksperimen & Numerik

9 Penyusunan makalah

Ilmiah/Jurnal

10 Submite Jurnal International

11 Pembuatan Laporan Akhir

(30)

27

4.2 Anggaran Biaya (sesuai dengan aktivitas pada metode penelitian)

REKAPITULASI

No. JENIS PENGELUARAN JUMLAH (Rp.)

1. Peralatan dan Bahan 40.245.000,00

2. Perjalanan 1.300.000,00

3. Publikasi Ilmiah 6.000.000,00

4. Pembuatan Laporan 2.360.000,00

Jumlah seluruhnya : 49.905.000,00

1. Peralatan dan Bahan

No Nama Item Jumlah

Satuan

Harga Satuan (Rp)

Harga Total (Rp)

1. Pembuatan Instalasi Saluran udara 1 unit 4.000.000,00 4.000.000,00 2. Pembuatan inclined manometer U-tube +

Red Oil

1 unit 500.000,00 500.000,00 3. Pengadaan Centrifugal Fan 1 unit 3.500.000,00 3.500.000,00 4. Highly Accurate, Low Pressure

Laboratory Transducer - Spesifikasi: - Excitation: 12 to 36 Vdc - Output: 1 to 5 Vdc (3 wire) - Linearity: 0.3% FS (BFSL) - Hysteresis: 0.02% FS - Repeatability: 0.05% FS - Operating Temperature: -29 to 72°C (-20 to 160°F) - Compensated Temperature: 2 to 57°C (35 to 135°F)

- Thermal Effects: Zero: 0.015% FS/°F dan Span: 0.015% rdg/°F

- Proof Pressure: 15 psi - Burst Pressure: 20 psi - Static Pressure: 25 psi - Gage Type: Capacitance - Supply Current: <5 mA

- Calibration Report: NIST cal at 25, 50, 75 - and 100% FS; upscale and downscale

provided

- Response Time: 250 ms

- Wetted Parts: Dry, clean, non-corrosive gases only

- Enclosure: NEMA 2 (IP62), 107 H x 117 W x 53 mm D (4.2 x 4.6 x 2.1")

- Pressure Port: ¼ barbed fittings (tubing TY-316-100)

- Electrical Connections.: Screw terminal Weight: 368 g (13 oz)

2 unit 12.000.000,00 24.000.000,00

4. Up-Grade PC Komputer :

- Socket LGA1151, Intel Z170, DDR4, PCI-e, USB, 1x PCI Slot, 8xSATA 6Gb/s,1xSATA Express,1xHDMI,4x USB 3,0, 4x USB 2,0, 5 ports Audio

(31)

28 - NVidia GeForce GT 730, 4GB DDR3,

128-bit, Dual Link DVI-I, HDMI, D-Sub, PCIe - INTEL Processor Core [i7-9700] Quad Core, 3.4GHz, 65W, 8MB Cache, Intel® HD Graphics 530, Skylake Socket LGA1151 1 unit 1 unit 1.565.000,00 3.500.000,00 1.565.000,00 3.500.000,00 Jumlah Seluruhnya: 40.245.000,00 2. Perjalanan

No. Nama Item Jumlah

Satuan

1. Perjalanan untuk pembelian komponen dan peralatan bantu untuk dalam kota

4 pp 200.000,00 800.000,00 3. Biaya Pengiriman

OM-DAQPRO-5300-UNIV Portable handheld data logger 1 kali 500.000,00 500.000,00

Jumlah Seluruhnya: 1.300.000,00

3. Publikasi Ilmiah

Satuan

1. Submite Jurnal International Terindex Scopus Q2.

1 kali 6.000.000,00 6.000.000,00

Jumlah Seluruhnya: 6.000.000,00

4. Pembuatan Laporan

Satuan

1. Kertas HVS A-4 80 gr 4 rim 40.000 160.000,00

2. Tinta printer HP Desk Jet Colour 1 pc 400.000 400.000,00 3. Refill Tinta Printer Laser jet HP - 6L 1 pc 300.000 300.000,00 4. Penggandaan & penjilidan draft laporan 5 ekspl. 150.000 750.000,00 5. Penggandaan & penjilidan makalah &

laporan akhir

5 ekspl. 150.000 750.000,00

(32)

29

DAFTAR PUSTAKA

[1] A. Chopat, C. Guthrie, D. Pervex, J. Hamblin-Pyke, and N. Tack, “Construction statistics , Great Britain : 2018,” no. October, pp. 1–29, 2019.

[2] D. Shiming and J. Burnett, “Energy use and management in hotels in Hong Kong,” Int. J. Hosp. Manag., vol. 21, no. 4, pp. 371–380, 2002.

[3] S. M. Deng and J. Burnett, “Study of energy performance of hotel buildings in Hong Kong,” Energy Build., vol. 31, no. 1, pp. 7–12, 2000.

[4] Department of Environment and Energy, “HVAC Energy Breakdown,” Hvac Hess, no. January 2012, pp. 36–37, 2013.

[5] Fox, R. W., McDonald, A. T., Pritchard, P. J. & Leylegian, J. C., 2011. Introduction to Fluid Mechanics. 8th penyunt. USA: John Willey & Sons Inc.

[6] P. Dutta and N. Nandi, “Numerical Study on Turbulent Separation Reattachment Flow in Pipe Bends with Different Small Curvature Ratio,” J. Inst. Eng. Ser. C, 2018.

[7] P. Dutta and N. Nandi, “Effect of Reynolds number and curvature ratio on single phase turbulent flow in pipe bends,” Mech. Mech. Eng., vol. 19, no. 1, pp. 5–16, 2015.

[8] S. Sutardi, A. W. Wawan, I. Affan, I. Iswati, and M. D. Sutrisno, “Experimental study of the effect of guide vane insertion and reynolds numbers on the flow pressure drop in a 90° rectangular elbow,” Reg. Conf. Mech. Aerosp. Technol., 2010.

[9] K. Sudo, M. Sumida, and H. Hibara, “Experimental investigation on turbulent flow in a square-sectioned 90-degree bend,” Exp. Fluids, vol. 30, no. 3, pp. 246–252, 2001. [10] Á. P. Coppieters, “Airfoil Boundary-Layer Control through Pulsating Jets,” 2011. [11] W. A. Widodo and N. Hidayat, “Experimental study of drag reduction on circular

cylinder and reduction of pressure drop in narrow channels by using a cylinder disturbance body,” Appl. Mech. Mater., vol. 493, no. 5, pp. 198–203, 2014.

[12] M. Ozgoren, “Flow structure in the downstream of square and circular cylinders,” Flow Meas. Instrum., vol. 17, no. 4, pp. 225–235, 2006.

[13] Ashrae Standard, “ASHRAE Handbook 2001 Fundamentals,” Ashrae Stand., vol. 53, no. 9, pp. 1689–1699, 2001.

[14] B. R. Munson, D. F. Young, T. H. Okiishi, and W. W. Huebsch, “Elementary Fluid Dynamics - The Bernoulli Equation,” Fundam. Fluids Mech., pp. 93–146, 2009. [15] K. J. Clarke, “Curing Cavitation Saves Money,”Chemical Process.,1994.

[16] MIT, “7. Basics of Turbulent Flow,” pp. 1–10, 2012.

[17] M. M. Rahman, M. M. Karim, and M. A. Alim, “Numerical investigation of unsteady flow past a circular cylinder using 2-D finite volume method,” J. Nav. Archit. Mar. Eng., vol. 4, no. 1, pp. 27–42, 1970.

[18] P. Dutta, S. K. Saha, N. Nandi, and N. Pal, “Numerical study on fow separation in 90° pipe bend under high reynolds number by k-ε modelling.” J. Inst. Eng. Ser. C, 2015. [19] R. P. Putra and W. A. Widodo, “The Study on the Effect of Inlet Disturbance Body

Insertion on the Flow Pressure Drop in a 90o Square Elbow,” AIP Confrence Proceedings., vol. 020016, 2018.

[20] Y. Li, X. Wang, S. Yuan, and S. K. Tan, “Flow development in curved rectangular ducts with continuously varying curvature,” Exp. Therm. Fluid Sci., vol. 75, pp. 1–15, 2016. [21] J. Kim, M. Yadav, and S. Kim, “Characteristics of secondary flow induced by 90-degree

elbow in turbulent pipe flow,” Eng. Appl. Comput. Fluid Mech., vol. 8, no. 2, pp. 229– 239, 2014.

[22] Y. Li, X. Wang, B. Zhou, S. Yuan, and S. K. Tan,“Dean instability and secondary fow structure in curved rectangular ducts.”International Journal of Heat and Fluid Flow.,vol. 68, pp. 189-202. 2017 .

(33)

30

[23] R. Gao, Z. Fang, A. Li, K. Liu, Z. Yang, and B. Cong, “Numerical Simulation and Experimental Study of the Drag Reduction of 90° Elbows for Ventilation and Air Conditioning Tubes in An Arc Form,” Procedia Eng., vol. 205, pp. 3978–3984, 2017. [24] A. P. P. dos Santos, C. R. Andrade, and E. L. Zaparoli, “CFD Prediction of the Round

Elbow Fitting Loss Coefficient,” Int. J. Mech. Mechatronics Eng., vol. 8, no. 4, pp. 743– 747, 2014.

(34)

31 BIODATA PENELITI 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Nama N I P / NIDN

Tempat dan Tanggal Lahir Laboratorium

Jurusan Alamat

No. Telepon/Facsmile E-mail

Pangkat Golongan / Ruang Jabatan / Pekerjaan

: Wawan Aries Widodo

: 197104051997021001/0005047103 : Surabaya, 5 April 1971

: Mekanika dan Mesin-Mesin Fluida : Teknik Mesin FTI-ITS

: Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111

: 031-5946230 / 031-5922941 : wawanaries@me.its.ac.id : Pembina / IV-a