PENDEKATAN DENGAN CFD UNTUK POLA SEMPROTAN SINGLE HOLE PADA RUANG BAKAR DENGAN BENTUK D DAN M DESIGN DENGAN BAHAN BAKAR BIODIESEL

oleh:

I Gede Teddy Prananda Surya NRP : 2107202003

Dosen Pembimbing :

Prof. Dr. Ir.H. D Sungkono K, M. Eng. Sc.

PENDEKATAN DENGAN CFD UNTUK POLA SEMPROTAN

SINGLE HOLE PADA RUANG BAKAR DENGAN BENTUK D

DAN M DESIGN DENGAN BAHAN BAKAR BIODIESEL

Tesis

PROGRAM MAGISTER

BIDANG KEAHLIAN REKAYASA ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA 2010

Pendahuluan :

Perkembangan kehidupan manusia menyebabkan

kebutuhan terhadap energi meningkat. Konsumsi energi

fosil dalam hal ini masih menjadi tumpuan dan mendominasi

diberbagai sektor kehidupan, dalam situasi semacam ini,

pencarian, pengembangan, dan penyebaran teknologi

energi alternatif yang ramah lingkungan menjadi penting,

terutama dari segi ekonomi

ditujukan pada kalangan bawah

sebagai golongan yang paling terkena dampak kenaikan

BBM

Biodiesel secara alamiah memiliki sifat yang agak

berbeda dengan bahan bakar solar baik secara kimiawi

maupun secara fisik.

Sifat yang dimiliki oleh suatu bahan bakar akan sangat

mempengaruhi

karakteristik

semprotan, pembentukan

campuran bahan bakar udara dan proses pembakaran serta

komposisi hasil pembakaran.

Sifat – sifat fisik yang mempengaruhi karakterisitik

semprotan adalah, diantaranya adalah densitas, viskositas,

dan tegangan permukaan.

Selain sifat bahan bakar, bentuk ruang bakar juga

sangat mempengaruhi pembentukan campuran bahan bakar

udara, proses pembakaran dan hasil pembakaran yang

diakibatkan oleh semprotan bahan bakar setelah menumbuk

dinding ruang bakar.

Penggunaan bentuk ruang bakar yang berbeda akan

menghasilkan bentuk pengembangan semprotan yang

berbeda.

Penggunaan

CFD digunakan

untuk

mengamati

pola

semprotan pada ruang bakar.

Tujuan Penelitian :

Tujuan diadakannya penelitian ini adalah untuk

mengetahui karakteristik pola semprotan bahan bakar biodiesel

dari (minyak jarak, minyak kelapa dan minyak goreng bekas )

dalam ruang bakar motor diesel dengan model piston D-system

dan M-System

Batasan masalah :

Batasan masalah untuk penelitian :

1. Bahan bakar yang digunakan adalah biodiesel minyak jarak, biodiesel minyak goreng bekas dan biodiesel minyak kelapa. 2. Dinding piston berbentuk D-system dan M-system type tidak

bergerak.

3. Tekanan Chamber 6 bar gauge 4. Tekanan Injeksi 200 bar gauge

5. Pada tipe M system dengan jarak injeksi 76 mm, 79 mm dan 83 mm 6. Pada tipe D system dengan jarak injeksi 94 mm, 98 mm dan 102 mm 7. Pemodelan numerik dilakukan dengan bantuan software Fluent 6.0

Computational Fluid Dynamic.

8. Pengamatan bentuk semprotan dilakukan secara visual lewat pemodelan numerik di komputer.

Penelitian Sebelumnya :

• Abdul Rahman, (2009), penelitian dengan mengamati secara visual pola pengembangan semprotan biodiesel menumbuk dinding pada piston D-system type

dengan high speed camera. Untuk semprotan menumbuk dinding diketahui semua jenis biodiesel berada pada regim spread.

• Alimuddin, (2009), bertujuan untuk memperlihatkan pola semprotan yang menumbuk dinding ruang bakar dengan tipe piston M-System. Hasil visualisasi menunjukkan bahwa hasil yang didapat cenderung mengalami terjadinya spread.

• Shalahuddin, Sutrianto, Fajar, (2009), meneliti simulasi karakteristik spray injeksi bahan bakar biodiesel dengan teknik CFD, dengan menggunakan injektor jenis single hole, dengan komposisi biodiesel yang dimasukkan ke dalam simulasi yaitu viskositas, density, dan tegangan permukaan, dan hasilnya dengan validasi modeling dengan pengujian yang telah dilakukan dengan perekaman visual fotografi

Unit Jarak Kelapa MGB

Density kg/m3 _{906.6 880.4 915.2}

Kinematic Viscosity mm2_{/s 17.85 7.78 37.53}

• Pada penelitian yang dilakukan Taskinen (2001) meneliti proses semprotan pembakaran yang terjadi didalam mesin, dimana semprotan mempengaruhi proses yang terjadi diruang bakar, dan pada proses simulasi menggunakan RNG k-epsilon karena bisa memprediksi struktur skala besar oleh aliran yang disebabkan oleh semprotan, dan pada hasil didapatkan kesesuaian dengan eksperimen yang telah dilakukan.

• Pada penelitian yang dilakukan Liu Fu Shui et al (2008) pada simulasi dibandingkan dengan hasil eksperimen high speed camera, dimana pada simulasi menggunakan parameter Wave dimana dapat menghasilkan yang lebih baik pada semprotan

• Senecal dan Schmidt (1999) Salah satu jenis atomizer lainnya adalah

Pressure Swirl yang banyak digunakan dalam liquid fuel combustion,

perubahan transisi spray dimulai dari film formation, sheet break up dan atomization, didalam penggunaan pressure swirl dinamakan Linearized Instability Sheet Atomization (LISA), (Fluent Tutorial Guide, 2005)

Menurut Bai dan Gosman dalam menentukan model tumbukan pada dinding piston

Spread adalah suatu kondisi semprotan dimana setelah menumbuk dinding, butiran dalam

semprotan akan meluncur diatas permukaan dinding dan menjauh dari lokasi tumbukan, selanjutnya

luncuran tersebut akan berhenti setelah butiran tersebut energi kinetiknya habis

Splash adalah dimana saat terjadi tumbukan butiran akan pecah setelah menumbuk dinding sehingga terbentuk butiran-butiran dengan ukuran yang lebih kecil dan selanjutnya meninggalkan kumpulan spread

- Sudut Semprotan

Menurut J.B. Heywood (1988), sudut semprotan (θ) pada mesin diesel dapat didekati dengan formulasi:

6 3 4 A 1 2 tan 2 1 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = l g

ρ

ρ

π

θ

(2.7)

A = 3+0,28 (L_n/d_n), dimana L_n/d_n adalah rasio panjang/diameter nozle) - Ukuran Droplet (SMD)

Metode sauter mean diameter banyak digunakan untuk perhitungan ukuran droplet

rata-rata. Didefinisikan sebagai diameter droplet yang mempunyai volume sama dengan rasio luas permukaannya pada keseluruhan semprotan.

(2.4) 2 3

nD

nD

SMD

Σ

Σ

=

Karakteristik semprotan menumbuk dinding

Pada semprotan menumbuk dinding, Reynolds Number (Re_imp) didefinisikan sebagai :

µ

ρ

V

_imp

d

imp

.

.

Re

=

( 2.13) Sedangkan Weber Number (We_imp) didapatkan dari persamaan berikut :

σ

ρ

V

d

We

_imp

.

imp

.

2

=

(2.14)

Dari angka Reynolds dan Weber dapat dihitung Sommerfeld Number (K) dari perumusan :

25 . 0 5 . 0

Re

.

_imp imp

We

K

=

(2.15)

Apabila bilangan Weber (We > 130) maka regim tumbukan berada pada daerah

splash dan bila bilangan Sommerfeld (K > 57.7) ini juga regim tumbukan akan berada pada daerah splash dan apabila lebih kecil maka regim tumbukan akan berada pada daerah spread

- Panjang dan waktu penetrasi

Untuk 0 < t < t _b jarak penetrasi diformulasikan sebagai

t P S l l 5 . 0 2 39 . 0 _⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∆ =

ρ

_(2.8)

(

)

0.5 65 . 28 ∆ − = _{l inj a l} b d P t

ρ

ρ

Dimana: (2.9)

Untuk t < tb jarak penetrasi diformulasikan sebagai

( )

0.5 25 . 0

2

95

.

2

P

d

t

S

_inj a l

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ ∆

=

ρ

(2.10)

Metodologi Penelitian :

Langkah-langkah penggunaan CFD :

1. Grid

- Membuat model

- Membuat mesh elemen hingga - Menentukan daerah analisa

Metode penelitian yang digunakan adalah dengan menggunakan metode komputasi inlet wall Jumlah Cell: 67162 Faces: 140600 Nodes: 14445

Langkah-langkah penggunaan CFD :

Dimensi piston type M-system

inlet wall Jumlah Cell: 57388 Faces: 120707 Nodes: 12634

Metodologi Penelitian :

Metodologi Penelitian :

2. Menentukan model

- Solver - Linierisasi - Jenis analisa

3. Menentukan material

Unit

Jarak

Kelapa

MGB

Density

kg/m

3

_906.6

_880.4

_915.2

Kinematic Viscosity

mm

2

_/s

_17.85

_7.78

_37.53

Tegangan Permukaan

N/m

0.0699

0.0621

0.0730

Sumber :

Alimuddin dan Abdul Rahman

(2009)

Penelitian numerik semprotan biodiesel dengan mengubah densitas,viksositas & tegangan permukaan pada software CFD L. Shalahuddin, H. Sutrianto, R. Fajar (2009),”Simulasi Karakteristik Spray Injektor Bahan Bakar Biodiesel”, Seminar Nasional Thermofluid 2009, UGM, Yogyakarta

- Menentukan viscous model

Dalam memodelkan turbulensi yang digunakan dalam simulasi ini adalah k –epsilon RNG model.

• Pada penelitian yang dilakukan Taskinen

(2001)

meneliti proses semprotan pembakaran yang terjadi didalam mesin, dimana semprotan mempengaruhi proses yang terjadi diruang bakar, dan pada proses simulasi menggunakan RNG k-epsilon

- Pemodelan fase diskrit

Penggunaan model diskret dilakukan atas beberapa pertimbangan antara lain sbb :

Dapat memprediksi efek turbulensi pada penyebaran droplet didalam fase kontinyu sehingga diperoleh data-data yang meliputi diameter, kecepatan dan posisi droplet yang dihasilkan.

• Pada penelitian yang dilakukan Liu Fu Shui et al (2008) pada simulasi dibandingkan dengan hasil eksperimen high speed camera, dimana pada simulasi menggunakan parameter Wave dimana dapat menghasilkan yang lebih baik pada semprotan

Menentukan kondisi pada dinding terhadap tumbukan

• Pada penelitian Lee, 1999

melakukan testing semprotan menumbuk dinding, dimana yang digunakan adalah Wall jet untuk efek tumbukan yang dihasilkan yang lebih baik dari droplet hasil semprotan. Pada Tipe D dan M semprotan menumbuk dinding berada pada regim spread

Menentukan Injection Properties

Pemilihan Pressure Swirl berdasarkan penelitian Senecal dan Schmidt (1999) dimana salah satu jenis atomizer yang banyak digunakan dalam liquid fuel combustion, dan perubahan transisi spray dimulai dari film formation, sheet break up dan atomization, didalam penggunaan pressure swirl dinamakan Linearized Instability Sheet Atomization (LISA)

Pembahasan dan Analisa :

4.3.1 Panjang Break-up dan waktu break-up

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Tek. Chamber (Mpa)

P a n jan g B reak-U p ( c m ) MGB Jarak Kelapa 0.600 0.800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800 2.000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Tek. Chamber (Mpa)

B reak U p T im e ( m s) MGB Jarak Kelapa

Gambar 4.2. (a) Waktu break-up dan (b) panjang break-up untuk tekanan injeksi 200 bar gauge.

makin besar tekanan chamber maka makin cepat terjadinya break-up (waktu break-up pendek)

dan panjang break-up menjadi lebih pendek. Dikarenakan pengaruh semakin besar tekanan chamber maka semakin tinggi densitas udara

4.3.1.1 Panjang Penetrasi

Waktu penetrasi biodiesel jarak (tekanan 200 bar, tekanan chamber 1, 3, 6 bar) tipe D

0 20 40 60 80 100 120

0.00E+00 2.00E-01 4.00E-01 6.00E-01 8.00E-01 1.00E+00 1.20E+00

Waktu (ms) P a njang penet rasi ( m m ) 6 bar 3 bar 1 bar 6 bar (hiroyasu) 3 bar (hiroyasu) 1 bar (hiroyasu)

Waktu penetrasi biodiesel jarak (tekanan 200bar, tekanan chamber 1, 3, 6 bar) tipe M

0 10 20 30 40 50 60 70

0.00E+00 1.00E-01 2.00E-01 3.00E-01 4.00E-01 5.00E-01 6.00E-01 7.00E-01

waktu (ms) P a nj a ng pe ne tr a s i (m m ) 6 bar 3 bar 1 bar 6 bar (hiroyasu) 3 bar (hiroyasu) 1 bar (hiroyasu)

Gambar 4.6 Waktu penetrasi biodiesel jarak pada tipe D dan M

sebelum break-up terjadi, panjang penetrasi tergantung pada densitas biodiesel setelah break-up terjadi, panjang penetrasi tidak tergantung densitas biodiesel tetapi tergantung pada beda tekanan injeksi dengan tekanan chamber

4.3.1.2 Sudut Semprotan

Sudut Semprotan tipe D dan M pada tekanan 200 bar

5 6 7 8 9 10 11 12 13 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Tekanan Chamber (Mpa)

Sudut ( d e g re e )

Jarak (fluent) tipe d Kelapa (fluent) tipe d MGB (fluent) tipe d Jarak (fluent) tipe m Kelapa (fluent) tipe m MGB (fluent) tipe m Log. (Kelapa (fluent) tipe m) Log. (Jarak (fluent) tipe d) Log. (Kelapa (fluent) tipe d) Log. (Jarak (fluent) tipe m) Log. (MGB (fluent) tipe m) Log. (MGB (fluent) tipe d)

Sudut Semprotan pada tekanan 200 bar

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Tekanan Chamber ( Mpa)

S udut ( d e g re e)

Jarak (Teori) Kelapa (Teori) (MGB (Teori) Jarak (Eksp) Kelapa (Eksp) MGB (Eksp) Jarak (Fluent) tipe d kelapa (fluent) tipe d MGB (fluent) tipe d Jarak (fluent) tipe m Kelapa (fluent) tipe m MGB (fluent) tipe m Log. (Kelapa (fluent) tipe m) Log. (kelapa (fluent) tipe d) Log. (Jarak (fluent) tipe m) Log. (MGB (fluent) tipe d) Log. (MGB (fluent) tipe m)

Gambar 4.7 Grafik Sudut Semprotan Biodiesel

Ditunjukkan sudut semprotan biodiesel kelapa lebih besar Biodiesel Minyak Goreng Bekas dan Biodiesel Jarak. Hal ini disebabkan densitas biodiesel kelapa lebih kecil dari pada densitas biodiesel Minyak Goreng Bekas dan Jarak Kenaikan tekanan udara chamber juga berpengaruh pada sudut semprotan, ini dikarenakan kenaikan tekanan udara chamber akan meningkatkan densitas udara chamber relatif terhadap densitas cairan semprotan.

4.3.1.3 Ukuran Droplet Rata-rata

Diameter droplet rata-rata (Tekanan injeksi 200bar) tipe M

0.00E+00 1.00E+01 2.00E+01 3.00E+01 4.00E+01 5.00E+01 6.00E+01 7.00E+01 8.00E+01 9.00E+01 0 1 2 3 4 5 6 7

Tekanan Chamber (bar)

SM D (u m ) jarak (numerik) kelapa (numerik) mgb (numerik) Jarak (hiroyasu) Kelapa (hiroyasu) mgb (hiroyasu) Log. (mgb (numerik)) Log. (jarak (numerik)) Log. (kelapa (numerik))

Diameter droplet rata-rata (tekanan injeksi 200bar) tipe D

0.00E+00 1.00E+01 2.00E+01 3.00E+01 4.00E+01 5.00E+01 6.00E+01 7.00E+01 8.00E+01 9.00E+01 0 1 2 3 4 5 6 7

Tekanan Chamber (bar)

SM D ( u m ) jarak (numerik) kelapa (numerik) mgb (numerik) Jarak (hiroyasu) kelapa (hiroyasu) mgb (hiroyasu) Log. (kelapa (numerik)) Log. (jarak (numerik)) Log. (mgb (numerik))

Gambar 4.8 Diameter droplet rata-rata tipe D dan M

semakin besar tekanan chamber maka semakin kecil SMD untuk ketiga jenis biodiesel.

Diameter droplet rata-rata pada biodiesel kelapa, jarak, minyak goreng bekas (tekanan 200bar, tekanan chamber 6bar) pada tipe M

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Jarak dari ujung nosel (mm)

SM D ( m m) kelapa Jarak mgb Log. (mgb) Log. (Jarak) Log. (kelapa)

Diameter droplet rata-rata pada biodiesel kelapa, jarak, minyak goreng bekas (tekanan injeksi 200 , tekanan chamber 6 bar ) pada tipe D

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Jarak dari ujung nosel (mm)

SM D ( m m ) kelapa jarak mgb

Gambar 4.9 Diameter droplet rata-rata pada biodiesel kelapa, jarak, minyak goreng bekas pada tipe D dan M Dengan meningkatnya jarak dari nosel maka menyebabkan gesekan terjadi pada droplet makin besar yang berakibat breakup terjadi lebih cepat yang diikuti dengan pemecahan droplet sehingga droplet

menjadi berukuran lebih kecil.

4.3.2 Karakteristik Semprotan Menumbuk Dinding

Gambar 4.10 Weber dan Sommerfield Number

Dapat dilihat bahwa Reynolds Number, Weber Number dan Sommerfeld Number

meningkat seiring dengan semakin tingginya tekanan injeksi dan menurun dengan bertambahnya jarak injeksi Dan pada Tipe D dan M berada pada regim spread

4.4 Tumbukan dan Visualisasi Tipe M Tipe D Biodie sel Fluent Eksperimen Jarak MGB Kelap a Biodie sel Fluent Eksperimen Jarak MGB Kelapa

Bahwa pada saat mulai terjadinya tumbukan untuk ketiga biodiesel (Jarak, Kelapa dan Minyak Goreng Bekas) yang digunakan, nampak bahwa pertumbuhan spread yang paling besar terjadi pada biodiesel kelapa

diikuti biodiesel jarak kemudian biodiesel minyak goreng bekas untuk kondisi jarak injeksi dan tekanan injeksi yang sama

Proses semprotan antara fluent dengan eksperimen

Jarak

Jarak 0.094 Jarak 0.0761

D M

0.25

0.5

7.5

1.25

KESIMPULAN DAN SARAN

1. Dengan meningkatnya tekanan chamber maka densitas udara dalam chamber membesar sehingga udara memiliki kemampuan lebih besar untuk menerobos kedalam semprotan yang berakibat droplet kehilangan momentum karena mengalami gesekan dengan udara dalam chamber sehingga break-up time terjadi lebih cepat.

2. Salah satu yang mempengaruhi sudut semprotan adalah densitas bahan bakar. Pada penelitian ini biodiesel kelapa memiliki densitas paling kecil diantara biodiesel jarak dan MGB.

3. Ukuran droplet rata-rata (SMD) turun dengan naiknya tekanan chamber. Hal ini karena pada tekanan chamber yang lebih besar, semprotan lebih mudah mengalami break-up sehingga kemungkinan tumbukan antar droplet lebih kecil yang menyebabkan pemecahan droplet menjadi droplet yang berukuran lebih kecil.

KESIMPULAN DAN SARAN

4. Pada tipe D didapat nilai Sommerfeld Number (K) seluruh biodiesel berada di bawah 57,7 yang berarti bahwa tumbukan pada berada pada regim spread dan juga seluruh nilai We kurang dari 130. Pada tipe M kalau berdasarkan ketentuan Sommerfeld Number (K = 57.7) maka

kriteria tumbukan yang terjadi semuanya spread.

Beberapa saran yang dapat diberikan setelah melakukan penelitian sebagai bahan referensi untuk penelitian selanjutnya adalah sebagai berikut:

• Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut tentang perbedaan tipe injektor terhadap pemakaian biodiesel

• Melakukan penelitian lebih lanjut dengan variasi kemiringan posisi injektor agar diperoleh pengetahuan mengenai perubahan perilaku semprotan menumbuk dinding piston terhadap perubahan kemiringan posisi injektor.