Bab IV Probe Lima Lubang

(1)

Bab IV

Probe Lima Lubang

Dalam bab ini akan dijelaskan mengenai seluk-beluk probe lima lubang (five-hole probe) baik yang beredar di pasaran maupun yang digunakan pada eksperimen ini. Pembahasan meliputi kegunaan probe lima lubang dalam bidang aerodinamika eksperimen, perkembangannya semenjak awal ditemukannya instrument ini, jenis-jenis dan keunggulannya dibandingkan alat ukur tekanan lainnya, prinsip kerja dan metode kalibrasinya, serta cara menggunakan dan membaca probe lima lubang di dalam terowongan angin.

4.1 Gambaran Umum

Probe lima lubang merupakan suatu alat ukur tekanan terdiri atas 5 buah lubang sebagai pengembangan dari pitot-static probe dan yaw-meter dan dapat digunakan untuk mengukur arah vektor kecepatan di dalam medan aliran tiga-dimensi. Lima lubang pada kepalanya disusun dengan kaidah tertentu sehingga mempermudah dalam penentuan arah vektor aliran.

Gambar 4.1 Urutan Penomoran Lubang Tekanan Probe Lima Lubang

Pembuatan dan pemakaian yang mudah menjadi keuntungan tersendiri dibandingkan instrumen ukur lain yang sejenis. Dalam aplikasi perkiraan vektor aliran, alat ini lebih mudah digunakan dibanding Laser Doppler Anemometry (LDA) dan lebih tahan banting dibandingkan hot wire. Dengan peralatan

(2)

pendukung yang memadai, 5-hole probe merupakan solusi yang murah, mudah, efisien, dan efektif.

4.1.1 Perkembangan Probe Lima Lubang

Alat ini sudah mulai banyak digunakan sekitar tahun 1970-an untuk mengukur vektor aliran dan tekanan medan aliran. Para peneliti mulai menyadari bahwa medan aliran yang dipelajari ternyata mempunyai aspek-aspek yang sangat kompleks, tidak bisa dipahami hanya dengan mengetahui distribusi tekanannya saja. Oleh karena itu dikembangkan alat ukur tekanan yang sekaligus dapat digunakan untuk menentukan vektor aliran secara bersamaan. Maka dari tabung pitot statik yang telah dikenal umum, dirancang yang memiliki lima lubang yang masing-masing akan mengukur tekanan statik namun dengan input tekanan static lokal yang berbeda-beda. Alat ini disebut dengan probe lima lubang yang merupakan modifikasi dari pitot probe.

Untuk aliran-aliran yang kompleks, seperti pada mesin turbin, pola aliran pada ujung sayap, pengukuran wake, trailing vortex, dan aliran di belakang cascade, alat ini digunakan untuk memperkirakan vektor aliran pada suatu titik pada medan aliran tersebut. Aplikasi alat ini cukup luas dan merupakan solusi alternatif selain hot-wire probe dan LDA. Strukturnya yang lebih rigid dibandingkan hot-wire dan kemudahan produksinya dibandingkan LDA membuat alat ini mempunyai prestasi tersendiri di bidang rekayasa ilmiah. Contoh probe lima lubang dapat dilihat pada gambar di bawah ini

(3)

Untuk masa depan mulai dikembangkan probe tujuh lubang (seven-hole probe) yang tentunya lebih modern dan lebih praktis dalam penelitian medan aliran kompleks.

Sejalan dengan keperluannya di lapangan, maka dibuat beberapa kriteria yang harus dipenuhi oleh probe yang bagus, antara lain:

1. dapat memperkirakan vektor aliran dengan akurat 2. proses kalibrasi yang mudah dan cepat

3. ukuran kepala dan tangkai probe sekecil mungkin supaya tidak menggangu medan aliran

4.1.2 Jenis-jenis Probe Lima Lubang

Berbagai jenis dan model probe lima lubang telah dikembangkan sesuai dengan kebutuhannya. Conical tip adalah yang paling mudah dibuat dan banyak digunakan. Tipe-tipe lain yang juga banyak digunakan orang adalah:

• Spherical • Wedge

• Prismatic dan • Pyramid.

Dalam eksperimen ini juga digunakan probe lima lubang dengan nama “kobra” tipe conical dengan tangkai melengkung seperti gambar berikut:

(4)

Meskipun terdapat banyak tipe probe, untuk konfigurasi lubang-lubang tekanan mempunyai suatu kaidah yang berlaku umum yaitu mengikuti pola salib seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, atau sesuai dengan standar produksi mengikuti definisi rancangan yang dibuat. Yang perlu ditekankan adalah pola penomoran lubang harus memudahkan pengguna untuk mengamati sensitivitas probe terhadap sudut aliran dalam koordinat 3-D. Dalam aplikasinya, lubang – lubang tekanan tersebut mempunyai peran tersendiri dalam penentuan sudut aliran.

4.1.3 Keunggulan Probe Lima Lubang

Apabila dibandingkan dengan alat ukur tekanan lain, baik yang analog maupun yang digital maka probe lima lubang mempunyai sejumlah keunggulan antara lain:

a. Lebih mudah digunakan, termasuk pemasangan pada terowongan angin. Hal ini membuat probe lima lubang banyak digunakan oleh peneliti. Ukurannya yang kecil tidak mengganggu aliran udara di dalam seksi uji b. Mudah dibuat sesuai dengan spesifikasi yang dibutuhkan, dengan bahan

material yang murah dan mudah didapat c. Langkah kalibrasi alat relatif cepat dan mudah

d. Lebih kuat dan rigid bila diletakkan di dalam seksi uji dibandingkan dengan hot wire

e. Mudah dibersihkan dan tidak memerlukan perawatan khusus

4.2 Prinsip Kerja Probe Lima Lubang

Pada bagian ini dijelaskan tentang cara kerja probe lima lubang secara umum. Karena eksperimen ini menggunakan probe lima lubang sebagai alat ukur maka perlu diketahui karakteristik probe sehingga penggunaannya di lapangan sesuai dengan prinsip kerja probe. Untuk mengetahui karakteristik probe, maka diterapkan metode analitik yang dapat memodelkan respon alat terhadap tekanan aliran, yang selanjutnya dihitung hubungan tekanan dengan vektor aliran dalam koordinat 3-dimensi.

(5)

Metode yang biasa dipakai dalam menentukan karakteristik probe adalah metode proyeksi aliran. Dalam melakukan pemodelan ini, didefinisikan acuan berupa sumbu-sumbu koordinat yang dipakai pada kalibrasi. Harga tekanan tiap-tiap lubang dihitung dengan persamaan Bernoulli berdasarkan kecepatan yang sejajar dengan permukaan probe, yang diturunkan secara geometri dari sumbu-sumbu koordinat kalibrasi. Penurunan yang dilakukan di sini diperuntukkan bagi penggunaan dengan metode non-nulling. Metode proyeksi ini mengambil acuan aliran udara seragam yang sejajar dengan probe yang diubah-ubah posisinya. Maka diperoleh karakteristik probe berupa kurva kalibrasi yang nantinya akan digunakan pada saat pengukuran di laboratorium. Dengan metode ini sangat memudahkan pengguna karena probe cukup diposisikan lurus sejajar seksi uji tanpa perlu mengubah-ubah sikapnya untuk mendapatkan sudut aliran. Tekanan yang terukur pada masing – masing lubang akan diterjemahkan melalui kurva kalibrasi untuk mendapatkan sudut aliran berdasarkan karaktristik probe.

4.2.1 Sumbu Acuan Kalibrasi

Sumbu-sumbu acuan yang digunakan untuk menentukan karakteristik probe ini ada dua, yaitu sistem sumbu inersial lokal yaitu sumbu terowongan angin putar (XIYIZI) dan sumbu probe (XPYPZP). Sedangkan sudut-sudut aliran

dalam ruang 3-dimensi pada probe didefinisikan sebagai berikut:

• Sudut pich (α), yaitu sudut antara aliran bebas (V∞) dengan bidang XPYP.

Bidang XPYP adalah bidang yang dibentuk oleh sumbu XP (sumbu probe

yang berimpit dengan sumbu XI) dan sumbu YP (sumbu probe yang

berimpit dengan sumbu YI). Bidang ini selanjutnya disebut bidang yaw.

• Sudut yaw (ψ), yaitu bidang dibentuk oleh sumbu YP (sumbu probe yang

berimpit dengan sumbu YI) dan sumbu ZP (sumbu probe yang berimpit

dengan sumbu ZI). Bidang ini selanjutnya disebut bidang pitch.

(6)

Gambar 4.4 Definisi Sudut-sudut Aliran

Disini sudut pitch (α) dan sudut yaw (ψ) cukup untuk mendefinisikan arah aliran dan vektor kecepatannya.

4.2.2 Penurunan Persamaan Kecepatan

Setelah melakukan pendefinisian di atas, langkah selanjutnya adalah menurunkan persamaan tekanan yang berkorelasi dengan α dan ψ serta V (kecepatan aliran dekat probe). Untuk itu jika skema pada gambar 4.4 diatas diterapkan untuk masing-masing lubang, maka akan dihasilkan skema yang lebih detil seperti pada gambar di bawah ini:

(7)

Aliran bebas V∞ menghampiri lubang ke – i pada probe dengan sudut pitch (α)

dan sudut yaw (ψ). Acuan yang telah didefinisikan pada gambar 4.4, yaitu bidang pitch dan bidang yaw disini digunakan untuk menempatkan proyeksi – proyeksi kecepatan V∞. Maka proyeksi V∞ pada bidang yaw dengan sudut α adalah

α cos

∞

= V V_y

Sedangkan proyeksi pada bidang pitch dengan sudut ψ adalah ϕ ψ α cos cos cos ∞ =V Vp

dengan sudut φ adalah ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = β α ϕ cos tan arctan

yaitu sudut antara sumbu Xp dengan komponen kecepatan Vp pada bidang pitch. Skema di atas berlaku untuk semua lubang probe. Hubungan sudut aliran dengan tekanan belum dapat dimodelkan dengan hanya tiga persamaan di atas. Penurunan lebih detil secara 2-D untuk masing-masing lubang perlu diturunkan untuk mendapat gambaran yang lebih jelas.

Komponen V∞ diuraikan pada bidang α dan bidang ψ kemudian pada

masing-masing bidang diturunkan komponen kecepatan sejajar bidang lubang yang berinteraksi di tiap lubang yang berkaitan. Dalam hal ini, Vi adalah

kecepatan lokal tiap lubang yang diasumsikan sama dengan V∞ dan lubang-lubang

yang berkaitan dengan pitch adalah lubang 2, 4, dan 5. Kecepatan Vp mempunyai

komponen tegak lurus terhadap V2, V4, dan V5 pada lubang 2, 4, dan 5. Sudut δ

adalah kemiringan probe tip atau dalam literatur lain disebut juga included angle. Dari gambar 4.5 dapat diperoleh persamaan komponen kecepatan untuk lubang 2, 4, dan 5 (bidang pitch) sebagai berikut,

(

)

2

2 2

2 _{( sin(} ₎₎2 2 2 cos cos _sin2 _cos2 _cos

cos p h V V δ ϕ V V α ψ δ ϕ 2 ϕ α ψ ⎡ ⎤ = − + = _⎢ − + _⎥ ⎣ ⎦

(

)

2 2 2 2 2 2 2 2 4 cos cos

( sin( )) sin cos cos

cos p h V V δ ϕ V V α ψ δ ϕ 2 ϕ α ψ ⎡ ⎤ = + + = _⎢ + + _⎥ ⎣ ⎦

(

)

5 2 2 2 2 2 2 2 2 2 cos cos

sin sin cos sin

cos h p V V ϕ V V α ψ ϕ α 2 ϕ ψ ⎡ ⎤ = + = _⎢ + _⎥ ⎣ ⎦

(8)

Setelah penurunan komponen kecepatan pada bidang pitch, dilakukan cara yang sama untuk menurunkan komponen kecepatan bidang yaw pada lubang-lubang yang berkaitan. Dengan cara yang sama dengan penurunan pada bidang pitch, persamaan-persamaan di bawah ini diperoleh untuk lubang 1dan 3.

1 2 ₌ 2_{sin (}2 _{δ ψ}₊ ₎₊ 2_sin2_α y V V V 3 2 ₌ 2_{sin (}2 _{δ ψ}₋ ₎₊ 2_sin2_α y V V V

Untuk lubang 5, walaupun pendefinisiannya terlihat berbeda dalam masing-masing bidang namun akan menghasilkan persamaan yang sama seperti diatas. Sampai disini telah diturunkan komponen kecepatan dan yang dilakukan selanjutnya adalah menurunkan koefisien, tekanan, dan konstanta kalibrasi dari masing-masing lubang.

Pada dasarnya, tekanan yang terukur pada masing-masing lubang berbeda dengan tekanan statik aliran bebas dan untuk membedakannya, persamaan Bernoulli dapat dibuat dalam variabel tekanan lubang ditambah sebuah faktor koreksi. 2 1 2 i i p = +p ρV

Jika kecepatan Vi adalah kecepatan normal di tiap lubang, maka haruslah

dibedakan dengan V (kecepatan aliran bebas). Maka ditentukan disini

2 _. 2

i i

V =k V

sehingga faktor koreksi diatas menjadi

2 2 i i k p = +p ρV dalam bentuk lain

2 i i V k V ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ di mana: ki = koefisien lubang ke – i

pi = tekanan lokal lubang ke –i

(9)

Vi = kecepatan aliran normal pada lubang ke-i

Persamaan terakhir merupakan perbandingan kuadrat antara kecepatan tiap lubang dengan kecepatan aliran bebas. Konstanta “k” disebut dengan koefisien lubang ke-i. Selanjutnya pendefinisian tersebut akan sangat berguna untuk menentukan sifat dan karakteristik probe.

4.3 Kalibrasi Probe Lima Lubang

Sebelum dapat digunakan untuk mengukur data eksperimen, terlebih dahulu probe lima lubang perlu dikalibrasi. Hal ini dilakukan karena setiap probe yang berbeda mempunyai karakteristik pengukuran yang berbeda pula, yang disebabkan oleh perbedaan geometri walaupun kecil. Secara teori, sudut pitch maksimum untuk kasus aliran sudut kecil, biasanya terjadi ketika lubang-2 dan lubang-4 mengalami separasi wake karena stall. Setelah terjadi separasi, tekanan di dalam permukaan hisap (dimana seharusnya menurun seiring naiknya sudut pitch) menjadi lebih besar, dan akan mengubah tanda dari gradien koefisien pitch. Sehingga apabila tanda gradien koefisien pitch positif pada aliran datang, maka tandanya menjadi negatif setelah aliran mengalami separasi. Pada aliran nyata, sudut pitch maksimum untuk kasus aliran sudut kecil, hanya dapat diketahui dari kalibrasi. Untuk sudut yaw antara -30° sampai 30°, sudut pitch maksimum biasanya antara 30° sampai 40°.

Kalibrasi probe lima lubang yang digunakan disini dilakukan di Laboratorium Aerogasdinamika, Program Studi Teknik Penerbangan ITB. Kalibrasi memakai terowongan angin sirkuit terbuka dengan diameter seksi uji 30 cm x 30 cm. Dalam proses kalibrasi, sudut yaw divariasikan antara -30° sampai 30° dengan penaikan sudut setiap 10°, dan sudut pitch divariasikan antara -80° sampai 80° dengan penaikan sudut setiap 10°. Kecepatan aksial divariasikan pada 5 m/s, 10 m/s, dan 15 m/s. Kurva kalibrasi teoritik untuk kecepatan 10 m/s pada sudut pitch kecil adalah sebagai berikut:

(10)

Kurva Kalibrasi Cyaw vs Cpitch V = 10 m/s

-3 -2 -2 -1 -1 0 1 1 2 2 3 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 Cpitch Cy aw

Gambar 4.6 Kurva Kalibrasi Teoritik pada V = 10 m/s

Kurva tersebut mempunyai keteraturan yang sangat baik, dan kesimetrisan kurva juga sempurna. Kurva teoritik tersebut merupakan acuan dari kalibrasi di laboratorium.

Sedangkan kurva hasil kalibrasi probe lima lubang yang digunakan untuk kecepatan 10 m/s ditampilkan dibawah ini:

(a) (b)

Gambar 4.7 Kurva kalibrasi koefisien pitch dan koefisien yaw untuk: (a). sudut pitch kecil, dan (b). sudut pitch besar

Hasil ini memiliki tendensi yang sama dengan kurva kalibrasi teori. Kurva kalibrasi untuk kecepatan 5 m/s dan 15 m/s mempunyai bentuk yang mirip dengan kurva diatas, sehingga dari teori, karakteristik probe lima lubang yang digunakan disini tidak dipengaruhi oleh perubahan kecepatan.