ANALISA DAN VISUALISASI MEDAN ALIRAN PADA GEOMETRI
BACKWARD-FACING STEP DENGAN INJEKSI GAS ISHOTERMAL
MENGGUNAKAN PARTICLE IMAGE VELOCITIMETRY
Izhar Mohamad rahman
Departemen Teknik, FTM UI, Kampus UI Depok 16424 Teknik Mesin, Program Ekstensi Universitas Indonesia
izharrahman@gmail.com
Abstrak
Penelitian ini dilakukan dengan metode pengukuran dan visualisai dengan menggunakan particle image velocimetry. Untuk memprediksi medan aliran kecepatan, streamline, vortisitas, dan intesitas turbulen pada aliran dalam kanal backward facing step pada zona resirkulasi dan reattachment Dalam penelitian ini, parameter yang menjadi perhatian adalah rasio spesifiki momentum injeksi I=0,1 dan I=0,5 dengan tinggi step H=20 mm dan H=10mm serta penggunaan injeksi udara dengan temperatur isothermal atau suhu kamar 300 C. Metode komputasi atau pengolahan data menggunakan software DANTEC DYNAMIC STUDIO 3.2, hasil pengolahan secara komputasi digunakan sebagai acuan untuk menjelaskan hasil yang didapat pada penelitian ini.
Abstract
The research was done by the method of measurement and visualization using particle image velocimetry. To predict the flow field velocity, streamline, vortices, and turbulence intensity on the flow in the channel facing backward step in the recirculation zone and reattachment In this study, the parameters of concern is the ratio of specific momentum injection I = 0.1 and I = 0.5 with step height H = 20 mm and H = 10 mm, and the use of air injection with isothermal temperature or room temperature 30 C. The method of computing or data processing using software DANTEC DYNAMIC STUDIO 3.2, the processing of computationally used as a reference to explain the results obtained in this study.
PENDAHULUAN
Particle Image Velocitimetry adalah sebuah metode optikal dari visualisasi aliran yang biasa digunakan dalam bidang pendidikan dan penelitian. PIV digunakan untuk mendapatkan kecepatan sesaat dan property – property yang terkait dalam fluida. Fluida primer yang ditaburi partikel tambahan berupa minyak zaitun disumsikan mengikuti lintasan dari aliran fluida primer. Fluida primer yang telah tercampur disinari agar pertikel – partikelnya terlihat. Gerakan dari partikel pencampur digunakan untuk menghitung laju dan arah ( medan vector kecepatan ) dalam fluida yang diamati. Pada perconaan kali ini metode PIV digunakan pada geometri backward facing step.
Backward-facing step merupakan suatu geometri dimana suatu jalur aliran mendapatkan pelebaran (contaction) mendadak sehingga tampak seperti anak tangga yang terbalik⁽²²⁾⁽²³⁾. Aliran yang melewati geometri ini akan menghasilkan aliran separasi sehingga terbentuk lapisan geser, zona resirkulasi dan lapisan batas yang berkembang kembali. Gambar 1 menjelaskan secara umum gambaran dari geometri backstep dimana geometri ini sudah dilengkapkan titik injeksi beserta
parameter yang berperan dalam aliran tersebut. Masalah yang ditelusuri adalah peningkatan parameter laju perpindahan momentum, kalor dan massa melalui analisa gambaran karakteristik medan aliran resirkulasi pada backward-facing step dengan injeksi gas (suhu kamar). Pengatur rasio momentum ditentukan dengan mengatur kecepatan supply udara dari compressor (kecepatan aliran bebas dari blower).
Tujuan dari penelitian ini adalah mendapatkan gambaran karakteristik dari medan aliran khususnya medan kecepatan sebagai fungsi parameter dinamika fluida aliran dalam bentuk gambar medan vector kecepatan menggunakan Particle Image Velocimetry (PIV).
Metode visualisasi ini akan menggambarkan baik secara kualitatif maupun secara kuantitatif karakteristik aliran resirkulasi yang hendak dipelajari. Melalui penggunaan metode ini diharapkan dapat diperoleh data berupa visualisasi aliran yang secara lebih jauh dapat dianalisa baik secara kualitatif maupun kuantitatif.
Gambar 1. Konfigurasi aliran backward facing step
Sistem Resirkulasi pada alat yang akan diteliti pada makalah yaitu aliran kanal dimana terjadi pembesaran mendadak. Pembesaran mendadak ini
diwujudkan dengan geometri sedemikian rupa sehingga terbentuk seperti tangga terbalik sehingga dinamakan backward facing step. Beberapa elemen
penting dalam system resirkulasi ini diantaranya adalah
1. proses aliran resirkulasi (resirculation zone),
2. lapisan geser terseparai (shear layer) 3. lapisan aliran berkembang kembali
(redeveloping boundary layer)
METODE PENELITIAN
Penelitian yang berdasarkan turbulensi pada geometri backward-facing step ini merupakan tahap lanjutan dari penelitian – penelitian yang telah dilakukan sebelumnya dimana bila pada penelitian sebelumnya menjelaskan aspek distribusi temperatur, sifat pembakaran dalam test section hingga analisa CFD, maka masalah dalam penelitian kali ini mempunyai metode dan hasil yang berbeda. Menggunakan nebulizer sebagai pemecah partikel, maka akan ditangkap citra oleh alat perekam gambar seperti digital camera atau high speed camera pada bagian test sevtion. Pengaturan cahaya dilakukan dengan membuat dark room di sekitar gtest section agar kualitas gambar yang ditangkap berdasarkan light sheet based visualization of flow field menjadi semakin baik. Suplai dari aliran bebas berasal dari blower sedangkan injeksi dilakukan dengan memasukkan compressed air dari kompresor gedung
dimana sebelum memasuki test section akan melalui heater untuk dipanaskan dulu.. Skema peralatan secara keseluruhan terdapat pada gambar berikut.
Gambar 2. Skema alat uji
Peralatan dalam penelitian untuk pengambilan data eksperimental antara lain:
a. Blower sentrifugal
b. Sistem pemipaan dan katup buan c. Wind Tunnel d. Test Section e. Kompresor udara f. Nebulizer g. Voltage Regulator h. Dark Room
i. Double-cavity Nd:YAG laser
j. Kamera Cross-Correlation
k. Personal Computer(PC)
Pada penelitian ini dilakukan beberapa asumsi, diantaranya:
Titik injeksi dari partikel diposisikan sebelum bagian test section dan pada dinding step dengan jarak 5mm dari top base, dan menggunakan dua unit nebulizer.
Menggunakan konsep dark room sebagai upaya pengendalian cahaya untuk proses penangkapan medan aliran resirkulasi.
Parameter yang digunakan dalam penelitian adalah rasio momentum 0.1 untuk temperature ambient. Geometri dari test section
divariasikan pada ketinggian 20 [ mm ].
Penelitian ini menggunakan unit PIV untuk mendapatkan medan vector kecepatan Aliran injeksi gas dari yang keluar dari slot dianggap seragam untuk parameter kecepatan dan temperatur, sehingga hanya satu titik saja, yaitu titik tengah dari slot yang diukur.
Fluida Aliran bebas yang terjadi mempunyai kecepatan yang seragam.
Pengambilan data dapat dilakukan setelah melakukan beberapa tahapan prosedur terlebih dahulu dan pengaturan beberapa parameter tersebut harus berdasarkan rasio spesifik momentum injeksi yang telah ditentukan, sesuai persamaan dibawah:
I = 𝜌𝑖 𝑥 𝑣𝑖 𝑥 𝑣𝑖
𝜌𝑜 𝑥 𝑣𝑜 𝑥 𝑣𝑜……….3.1
Dimana I = Rasio momentum spesifik ρi = Massa jenis udara injeksi
ρo = Massa jenis udara suplai Vi = Kecepatan udara injeksi Vo = Kecepatan udara suplai
Terdapat berbagai kondisi percobaan diantaranya adalah rasio injeksi. Tinggi dari step, jarak step hingga temperature injeksi yang masuk pada slot injeksi jet. Berikut adalah kombinasinya.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Visualisasi Stream line, Garis arus (streamlines) adalah sebuah garis yang menyinggung (tangen terhadap) medan kecepatan. Jika aliran tunak, tidak ada yang berubah terhadap waktu disebuah titik (termasuk juga arah kecepatan), sehingga garis-garis arusnya adalah garis-garis tetap didalam ruang. Untuk aliran tak tunak , garis-arus dapat berubah bentuknya menurut waktu. Garis arus diperoleh secara analitik dengan mengintegralkan persamaan garis yang menyinggung medan kecepatan. untuk aliran dua dimensi kemiringan dari garis-arus, dy/dx, harus sama dengan tangen dari sudut yang dibuat
medan kecepatan diketahui sebagai fungsi dari x
dan y (dan t jika aliranya tak-tunak), maka persamaan ini dapat diintegralkan untuk mendapatkan persamaan dari garis-arus.
Untuk menghasilkan garis-arus secara eksperimental dilaboratorium, penggunaan asap atau bahan penjejak lainya yang diinjeksikan kedalam aliran dapat memberikan informasi yang berguna berkaitan dengan garis-arus pada aliran tak tunak
Visualisasi kondisi 1-4 kondisi Jarak injeksi Rasio momentum
spesifik
Kecepatan udara suplai dan temperatur
Kecepatan injeksi dan temperatur injeksi 1 2H = 40 mm 0.1 1.4 m/s, t = 300 C 0.49 m/s, t = 300 C 2 1.8 m/s, t = 300 C 0.78 m/s, t = 300 C 3 0.5 1.4 m/s, t = 300 C 1.09 m/s, t = 300 C 4 2.5 m/s, t = 300 C 2.43 m/s, t = 300 C 5 2H = 20 mm 0.1 1.4 m/s, t = 300 C 0.49 m/s, t = 300 C 6 1.8 m/s, t = 300 C 0.78 m/s, t = 300 C 7 0.5 1.4 m/s, t = 300 C 1.09 m/s, t = 300 C 8 2.5 m/s, t = 300 C 2.43 m/s, t = 300 C
Gambar 3
Gambar 4
Gambar 5
Gambar 6
Gambar 3-6 adalah hasil visualisasi PIV dari percobaan yang telah dilakukan
Gambar 3 adalah visualisai dari kondisi 1, gambar 4 adalah visualisasi dari kondisi 2, gambar 5 adalahvisualisai dari kondisi 3, dan gambar 6 adalah visualisasi dari kondisi 4. Parameter dari percobaan tersebut telah ditunjukan padal tabel 1. Kondisi 1 – 4 memiliki kajian parameter yang sama yaitu pada ketinggian step 2h = 40mm. Yang membedakan adalah rasio momentum tiap kondisi (kecepatan saluran masuk dibagi dengan kecepatan injeksi) .dari percobaan yang telah dilakukan, didapatkan semakin besar rasio momentum yang terjadi luasan resirkulasi yang didapat semakin panjang.
Visualisasi kondisi 5-8
Gambar 8
Gambar 9
Gambar 10
Kondisi 5 – 8 memiliki kajian parameter yang sama yaitu pada ketinggian step 2h = 20mm. Yang membedakan adalah rasio momentum tiap kondisi (kecepatan saluran masuk dibagi dengan kecepatan injeksi)
Kecepatan vektor
Salah satu variabel fluida yang paling penting adalah medan kecepatanya.
ˆ
ˆ
ˆ
( , , , )
( , , , )
( , , , )
V
u x y z t i
v x y z t j
w x y z t k
(2.2)Dimana u, v, dan w adalah komponen-komponen vektor kecepatan dalam arah x, y, dan z. Menurut definisi, kecepatan sebuah partikel adalah laju perubahan per satuan waktu dari vektor posisi partikel tersebut. Seperti diilustrasikan pada Gb. 2.2, posisi partikel A relatif terhadap sistem koordinat diberikan oleh vektor posisi, rA, yang merupakan fungsi dari waktu (jika partikel bergerak). Turunan terhadap waktu dari posisi ini memberikan kecepatan dari partikel tersebut
/
A A
dr
dt
V
, dengan menuliskan kecepatan untuk seluruh partikel, kita dapat memperoleh gambaran medan dari vektor kecepatan V=V(x,y,z,t).Gambar 11. Tempat kedudukan partikel yang dinyatakan dengan vektor posisi Berikut adalah grafik kecepatan vektor dari percobaan yang telah dilakukan, nilai kecepatan vektor yang didapat merupakan hasil analisa menggunakan software
DANTEC DYNAMIC
STUDIO
3.20.
0 50 100 150 200 250 300 350 0 10 20 30 40 50 V ( m m /s) x (mm)
Kondisi 1
R y/h5 R y/h 10 R y/h 15 R y/h 20 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 10 20 30 40 50 V ( m m /s) X (mm) Kondisi 2 R y/h5 R y/h 10 R y/h 15 R y/h 20 0 50 100 150 200 250 300 350 0 10 20 30 40 50 V ( m m /s) X (mm)Kondisi 3
R y/h5 R y/h 10 R y/h 15 R y/h 20 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 10 20 30 40 50 V ( m m /s) X (mm) Kondisi 4 R y/h5 R y/h 10 R y/h 15 R y/h 20 0 50 100 150 200 250 300 0 10 20 30 40 50 V ( m m /s) X (mm) Kondisi 5 R y/h 2,5 R y/h 5 R y/h 7,5 R y/h 10 0 100 200 300 400 500 600 0 10 20 30 40 50 V ( m m /s) X (mm) Kondisi 6 R y/h 2,5 R y/h 5 R y/h 7,5 R y/h 10Dari analisa yang dilakukan dengan menggunakan software DANTEC DYNAMIC STUDIO 3.2 dapat diketahui besaran kecepatan vektor yang terjadi pada area penelitian Berdasarkan analisa besaran kecepatan vektor melalui nilai yang ditunjukan pada moving average validation maka dapat diketahui kecepatan pada setiap titik yang ditunjukan grafik.
Intensitas Turbulen
Turbulensi dapat dianggap sebagai aliran fluida yang berfluktuasi dan merupakan sifat fluida yang sangat penting apabila berbicara mengenai aliran yang terjadi pada kendaraan.
Turbulensi juga dapat dinyatakan dengan intensitas turbulensi. Intensitas turbulensi adalah suatu skala yang mengkarakteristikan turbulen dalam persen. Persamaan dari intensitas turbulensi adalah 0 rms
u
TI
U
Besaran kecepatan yang dimasukan kedalam persamaan tersebut didapatkan dari software
DANTEC DYNAMIC STUDIO 3.20. kemudian
dibagi dengan kecepatan saluran masuk (blower)
Berikut adalah tabel dari nilai intensitas turbulent yang didapat dari percobaan.
Kondisi 1
X iT y/h 5 iT y/h 10 iT y/h 15 iT y/h 20 5 0,003849 0,007213 0,006441 0,033502 10 0,008207 0,008814 0,008163 0,053291 15 0,011589 0,010952 0,005832 0,109342 20 0,006859 0,004378 0,007232 0,164235 25 0,003964 0,003269 0,015257 0,192946 30 0,004606 0,003494 0,038916 0,204013 35 0,016612 0,038235 0,138476 0,14793 40 0,033224 0,110187 0,033879 0,105031 Kondisi 2
x iT y/h 5 iT y/h 10 iT y/h 15 iT y/h 20 5 0,637222 0,837394 0,58419 10,6976 10 0,826335 0,539134 1,013029 6,181927 15 1,016111 0,635146 0,85613 15,25957 20 0,824979 0,828306 1,475374 18,23738 25 0,906667 0,731667 2,473669 20,31198 30 1,099444 0,846815 5,015189 21,53326 35 1,719507 4,479577 12,15148 18,15508 40 1,387417 2,741957 0,059654 10,3781 0 100 200 300 400 500 600 0 10 20 30 40 50 V ( m m /s) X (mm) Kondisi 7 R y/h 2,5 R y/h 5 R y/h 7,5 R y/h 10 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 10 20 30 40 50 V ( m m /s) X (mm) Kondisi 8 R y/h 2,5 R y/h 5 R y/h 7,5 R y/h 10
Kondisi 3
X iT y/h 5 iT y/h 10 iT y/h 15 iT y/h 20 5 0,140571 0,728816 0,697152 1,9552 10 0,688795 0,776133 0,919374 2,990807 15 1,092607 1,000458 0,810616 16,67322 20 1,165138 0,444584 0,786908 18,2488 25 0,444 0,387357 1,700991 20,70921 30 0,584947 0,407696 4,610362 21,75574 35 2,38824 3,38234 14,11951 19,19827 40 1,742268 2,388128 2,797897 15,87176 Kondisi 4 x iT iT iT iT 5 0,698639 0,520458 0,38596 26,76765 10 0,798547 0,650609 1,322856 29,8523 15 0,494 0,916938 1,452073 30,69449 20 3,356939 2,671661 4,323386 32,46716 25 2,568449 2,347492 7,16012 32,94095 30 1,722022 2,552276 12,94934 33,60512 35 4,622622 10,2188 15,83207 30,87603 40 7,005883 5,35886 9,82676 24,71292 Kondisi 5 X iT y/h 2,5 iT y/h 5 iT y/h 7,5 iT y/h 10 5 0,246836 0,306678 0,377496 3,439853 10 0,207493 0,632195 0,29916 3,574878 15 1,165758 0,649729 1,315034 14,81873 20 1,145471 0,322713 2,529718 16,96499 25 1,281961 0,989055 3,361291 17,3069 30 0,39279 1,805181 6,839966 19,82562 35 2,136014 6,283365 16,19327 19,80221 40 1,258028 2,391608 2,394323 16,06998 Kondisi 6 X iT iT iT iT 5 2,926782 2,396141 3,33623 6,096714 10 3,700054 3,192351 2,714492 8,819686 15 1,740069 3,584158 3,588501 13,97539 20 1,532782 4,08209 5,469241 15,73889 25 4,465369 2,701435 7,088148 16,92465 30 5,389258 3,319559 15,01667 27,81185 35 4,428957 13,79446 24,24585 27,77405 40 14,25539 18,05182 21,31283 27,74977 `kondisi 7 X It iT iT iT 5 6,661715 2,538656 2,10775 12,23321 10 4,330646 2,93464 1,6855 15,45031 15 4,183543 6,97284 7,624353 17,92741 20 8,227775 3,894043 11,06534 26,31322 25 3,992359 2,74487 12,78671 30,59538 30 6,127577 14,37834 15,9227 34,20376 35 7,114551 11,76725 20,8711 31,81053 40 18,08992 15,90012 20,27744 33,87155 Kondisi 8
X iT y/h 2,5 iT y/h 5 iT y/h 7,5 iT y/h 10 5 0,206487 0,792466 0,83889 5,476665 10 0,590237 1,62736 1,176324 12,06446 15 1,200086 1,652902 2,569466 24,08323 20 3,580048 1,782992 8,264265 26,2405 25 5,330129 2,685834 11,22099 26,79315 30 3,682529 5,498059 16,85396 29,06273 35 2,767285 9,551356 17,97453 29,55777 40 9,389087 10,32229 18,17555 26,89871
KESIMPULAN
Dari eksperimental menggunakan PIV yang telah dilakukan pada geometri backward facing step dengan pengaruh injeksi gas isothermal dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :
1. Penambahan kecepatan aliran pada saluran masuk (blower) mempengaruhi panjang resirkulasi, dimana semakin besar nilai kecepatan blower pola aliran resirkulasi pada visualisasi streamline semakin terlihat.
2. Rasio kompresi berpengaruh terhadap terbentuknya pola resirkulasi .pada rasio momentum 0,5 pola resirkulisasi lebih jelas dibandingkan dengan rasio 0,1 3. Kecepatan maksimum vektor ditiap
kondisi berada pada posisi yang sama, yaitu pada garis alir yang terdekat dengan aliran mainstream. Yaitu pada y/h = 20 dan y/h = 10 mm
4. Intensitas turbulensi maksimum berada pada range 15-35 % untuk semua kondisi.dan terjadi pada y/h 20 mm dan y/h 10 mm
5. Pada tiap kondisi percobaan nilai vortisitas yang terbentuk berupa nilai vortisitas positif dan vortisitas negatif.
Terbentuknya vortisitas terjadi pada area
upstream dan downstream.
REFERENSI
Harinaldi, 2000. Flow structure and mixing behind a backward facing step with the existence of non reactive gas injection, Keio, Japan
Rhakasywy, Damora, 2010. Karakteristik sifat transport dan struktur aliran resirkulasi dibawah pengaruh eksistasi eksternal, Depok, Indonesia
Setiadji, Nanda, 2012. Studi PIV pengaruh kontrol aktif aliran syntetic jet pada medan aliran luar disekitar model bluff body, depok, Indonesia
Munson, B. (2002). Mekanika Fluida (Dr.Ir. Harinaldi & Ir. Budiarso, M.Eng, Penerjemah). Jakarta:Erlangga.
Barton, I.E, 1994. Laminar flow past an enclosed and open backward facing step. Phys.fluids, 6,4054-4056 K.D Jansen, flow measurement, Dantec
Dynamics Inc. (2004), Vol. XXVI, No. 4 / 401
