TESIS (TM ) HERDI MUHAMMAD Dosen Pembimbing Dr. WAWAN ARIES WIDODO, ST., MT.

(1)

Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2010

TESIS (TM 092501)

STUDI EKSPERIMEN PENGARUH

PENGGUNAAN INLET DISTURBANCE BODY

TERHADAP KARAKTERISTIK ALIRAN

MELINTASI EMPAT BUAH SILINDER SIRKULAR

YANG TERSUSUN IN-LINE SQUARE

“ Studi kasus rasio jarak antar silinder 1.5 ≤L/D≤2.5 pada sudut stagger 300 dan 600 ”

HERDI MUHAMMAD 2112202203

Dosen Pembimbing

Dr. WAWAN ARIES WIDODO, ST., MT.

PROGRAM MAGISTER

BIDANG KEAHLIAN REKAYASA KONVERSI ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

(2)

L JURUSAN TEKNIK MESIN Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2010

TESIS (TM 092501)

EXPERIMENTAL STUDY ABOUT THE

INFLUENCE OF INLET DISTURBANCE BODY

ON THE FLOW CHARACTERISTICS

PASSING

THROUGH FOUR CIRCULAR CYLINDER WITH

IN-LINE SQUARE ARRANGEMENT

“ Case study for distance ratio 1.5≤L/D≤2.5 at angle of 300 and 600 “

HERDI MUHAMMAD 2112202203

Advisor Lecturer

Dr. WAWAN ARIES WIDODO, ST., MT.

MASTER PROGRAM

CONVERSION OF ENERGY ENGINEERING MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT FACULTY OF INDUSTRIAL TECHNOLOGY INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

(3)

di

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Oleh:

Herdi Muhammad

NRP.2112202203

Tanggal Ujian : 8 Juli 2014

Peri ode Wisuda : September 2014

Disetujui oleh :

1. Dr. Wawan Aries Widodo. ST .• MT. N[P: 197104051997021001

2. Prof. Ir. Sutardi. M.Eng., Ph.D. ~P: 19641228199031002

3. Dr. Ir. Heru Mirmanto, MT. ~P: 196202161995121001

(4)

ii

STUDI EKSPERIMEN PENGARUH PENGGUNAAN INLET DISTURBANCE BODY TERHADAP KARAKTERISTIK ALIRAN

MELINTASI EMPAT BUAH SILINDER SIRKULAR YANG TERSUSUN IN-LINE SQUARE

“ Studi Kasus Rasio Jarak Antar Silinder 1.5≤L/D≤2.5 Pada Sudut Pengganggu 300_{dan 60}0 _”

Nama : Herdi Muhammad

NRP : 2112202203

Jurusan : Teknik Mesin FTI-ITS

Dosen Pembimbing : Dr. Wawan Aries Widodo, ST., MT.

Abstrak

Penelitian ini adalah untuk mendapatkan informasi mengenai fenomena evolusi aliran dari momentum fluida yang attachment pada kontur permukaan benda lengkung seperti silinder sirkular. Karakteristik yang diperoleh sangat bermanfaat dalam memprediksi gaya-gaya aerodinamik pada silinder sirkular, terutama yang berkenaan dengan reduksi gaya hambat (drag reduction). Untuk mereduksi gaya

drag dengan cara menambahkan bodi pengganggu di daerah upstream, modifikasi

geometri, dan meningkatkan kekasaran permukaan. Karakteristik aliran yang melintasi silinder sirkular susunan in-line square dengan tambahan bodi pengganggu ini diteliti secara eksperimental pada open circuit subsonic wind

tunnel, Laboratorium Mekanika Mesin Fluida ITS Surabaya.

Riset ini dilakukan secara eksperimental, dimana benda uji yang digunakan berupa empat buah silinder sirkular (main bluff body) berdiameter (D) 25 mm dengan susunan in-line square. Variasi jarak antar silinder L/D 1.5; 2; dan 2.5, silinder pengganggu berdiameter (d) 4 mm dengan gap (δ) 0.4 mm dari permukaan silinder upstream pada sudut stagger (α) 300_{dan 60}0_{serta pada}

bilangan Reynolds 2.2 x104.

Hasil eksperimen menunjukkan bahwa dengan adanya penambahan empat buah

inlet disturbance body pada sudut stagger 300_{dan dibandingkan dengan tanpa}

bodi pengganggu pada rasio jarak L/D = 2, terjadi fenomena reattachment pada silinder sirkular. Fenomena reattacthment tersebut menyebabkan separasi aliran lebih tertunda. Tertundanya separasi aliran diindikasikan dengan nilai koefisien

drag jauh lebih kecil. Reduksi koefisien drag pressure (CDP) paling efektif pada

silinder sirkular terjadi pada penambahan bodi pengganggu α = 300, adapun reduksi koefisien drag pressure yang diperoleh masing-masing silinder 1=1.088, silinder 2 = 0.859, silinder 3 = - 0.313 dan silinder 4 = 0.309.

Kata kunci : Empat silinder sirkular, susunan in-line, koefisien drag,

(5)

ii

DISTURBANCE BODY ON THE FLOW CHARACTERISTICS PASSING THROUGH FOUR CIRCULAR CYLINDER WITH

IN-LINE SQUARE ARRANGEMENT

“ Case study for distance ratio 1.5≤L/D≤2.5 at angle of 300_{and 60}0_“

Abstract

This study is to obtain information about the evolution of the phenomenon of momentum fluid flow attachment to the curved contour of the surface objects such as circular cylinder. Acquired characteristics are very helpful in predicting the aerodynamic forces on a circular cylinder, especially with regard to drag reduction (drag reduction). To reduce the drag force by inlet disturbance body in the upstream area, geometry modification, and increase the surface roughness. Flow characteristics across the circular cylinder in-line square arrangement with additional inlet disturbance body is investigated experimentally in an open circuit subsonic wind tunnel, Laboratory of Fluid Mechanics Engineering ITS Surabaya. This research was carried out experimentally, where the test object is used in the form of four circular cylinder (main bluff body) the diameter of circular cylinder (D) 25 mm with an in-line square arrangement. Variation distance between the cylinder L / D 1.5; 2; and 2.5, the diameter inlet disturbance body (d) 4 mm with a gap (δ) of 0.4 mm from the surface upstream cylinder at a stagger angle (α) of 300

and 600_{as well as the Reynolds number 2.2 x10}4_.

The experimental results show that with the addition of four body inlet disturbance at a stagger angle of 300 _{and compared to the body without}

confounding the spacing ratio L/D = 2, occurs at the reattachment phenomenon circular cylinder. Reattachment phenomenon causes flow separation is delayed. The delay of flow separation is indicated by the value of the drag coefficient is much smaller. Reduction of pressure drag coefficient (CDP) most effective in

circular cylinder occurs on the inlet disturbance body at stagger α = 300, while the reduction of pressure drag coefficient obtained each cylinder 1 = 1088, cylinders 2 = 0859, cylinder 3 = - 0.313 and cylinder 4 = 0309.

(6)

iv

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT, karena atas ijin dan karunia-Nya serta Hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tesis ini dengan judul: “Studi Eksperimen Pengaruh Penggunaan Inlet Disturbance Body Terhadap Karakteristik Aliran Melintasi Empat Buah Silinder Sirkular Yang Tersusun In-Line ”. Penulisan Tesis ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan studi di Program Pasca Sarjana, Bidang Keahlian Rekayasa Konversi Energi, Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Dalam Penulisan Tesis ini, penulis menyampaikan terima kasih yang tak terhingga kepada yang terhormat:

1. Bapak Dr. Wawan Aries Widodo S.T., M.T., selaku dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan arahan yang sangat berarti bagi penulisan tesis ini.

2. Bapak Prof. Ir. Sutardi, M.Eng., Ph.D., selaku koordinator Progaram Studi S2 Teknik Mesin ITS, sekaligus sebagai dosen penguji.

3. Bapak Dr. Ir. Heru Mirmanto, M.T., selaku dosen penguji yang telah memberikan arahan serta masukan pada penulisan tesis ini.

4. Bapak Dedy Zul Hidayat Noor, S.T., M.T., Ph.D, selaku dosen penguji yang telah memberikan arahan masukan pada penulisan tesis ini.

5. Istri dan anakku yang tercinta yang banyak memberikan dukungan penuh pada penyelesaian studi serta terima kasih yang tak terhingga atas pengorbanannya selama studi.

(7)

v

pengambilan data serta seluruh teman-teman crew asisten Laboratorium yang telah banyak memberikan support pada penelitian.

8. Ibu Aida Annisa Amin Daman, ST.,MT. terimakasih atas bantuan dan arahannya dalam proses penelitian.

9. Bapak Nur dan Tris, terimakasih atas bantuannya dalam pembuatan benda uji dalam riset ini.

10. Rekan-rekan seperjuangan RKE dan KE , Anton, Bantacut, terimakasih atas dukungannya selama studi.

11. Terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu kelancaran dalam penyusunan tesis ini yang tidak dapat saya sebut satu-persatu.

Penulis menyadari bahwa dalam penulisan tesis ini masih terdapat kekurangan. Oleh sebab itu segala saran dan kritik sangat diharapkan demi penyempurnaan di kemudian hari. Akhir kata penulis berharap semoga riset ini bermanfaat bagi seluruh umat manusia serta bagi kemajuan dunia industri di tanah air.

Surabaya, Juli 2014

(8)

vi

DAFTAR ISI

LEMBAR PENGESAHAN ... i ABSTRAK ... ii ABSTRACT ... iii KATA PENGANTAR………. iv DAFTAR ISI ... vi

DAFTAR TABEL ………... viii

DAFTAR GRAFIK ………... ix

DAFTAR SIMBOL DAN SATUAN... x

DAFTAR GAMBAR ………... xi BAB 1 PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Rumusan Masalah ... 3 1.3 Tujuan Penelitian ... 4 1.4 Batasan Masalah ... 5 1.5 Sistematika Penulisan ... 6

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 8

2.1 Konsep Boundary Layer ……… 8

2.1.1 Aliran Viscous dan Inviscid ………. 9

2.2 Pengaruh Batang Pengganggu Terhadap Reduksi Gaya Drag Pada Silinder Sirkular Tunggal ... 10

2.3 Pengaruh Geometri Bluff Body Dan Saluran (Blockage Ratio) Terhadap Reduksi Koefisien Gaya Drag………... 14

2.4 Pengaruh Intensitas Turbulensi Pada Sisi Free Stream Terhadap Gaya Drag ………... 15

2.5 Karakteristik Aliran Yang Melewati Sekelompok Bluff Body ... 17

BAB 3 METODELOGI PENELITIAN ... 24

3.1 Desain Eksperimen ... 24

(9)

vii

3.4 Prosedur Eksperimen ... 28

3.4.1 Kalibrasi Tranduser Tekanan dan Data Aquisisi ... 28

3.4.2 Tahapan Kalibrasi ... 28

3.5 Analisa Grup Tak Berdimensi ... 30

3.6 Hasil Percobaan dan Analisa Data ... 32

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ... 38

4.1. Intensitas Turbulensi Pada Saluran Kosong ……… 39

4.2. Karakteristik Aliran Melintasi Silinder Tanpa IDB……… 40

4.2.1 Distribusi Koefisien Tekanan pada Kontur Silinder Tanpa IDB……….. 40

4.2.2 Distribusi Profil Kecepatan Pada Silinder Tanpa IDB………… 41

4.3 Karakteristik Aliran Melintasi Silinder Dengan IDB………… 48

4.3.1 Analisa Fenomena Distribusi koefisien Tekanan Pada Kontur Silinder Pada IDB 300………. 48

4.3.2. Analisis Distribusi koefisien pressure drag silinder dan koefisien drag pada IDB 300_{……….. 56}

4.3.3. Analisa Fenomena Distribusi Koefisien Tekanan pada Kontur Silinder Dengan IDB 600_{………. 58}

4.4. Distribusi Koefisien Pressure Drag Silinder Utama .………….. 66

4.5 Diskusi……… 70

Bab 5 K esimpulan Dan Saran……….………. ………75

5.1 Kesimpulan……… 75

5.2 Saran ……… 75

DAFTAR PUSTAKA ... 78

(10)

viii

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ... 41

4.1 Karakteristik Aliran pada Silinder Sirkular Tunggal ... 41

4.2 Analisa Karakteristik Aliran pada Silinder Sirkular Tunggal dengan Penambahan Pengganggu Berupa Silinder Sirkular ... 47

4.2.1 Posisi Bodi Pengganggu 200 ... 47

4.2.2 Analisa Karakteristik Aliran pada Silinder Sirkular Tunggal dengan Penambahan Pengganggu 300 ... 51

4.2.3 Analisa Karakteristik Aliran pada Silinder Sirkular Tunggal dengan Penambahan Pengganggu 400 ... 55

4.2.4 Analisa Karakteristik Aliran pada Silinder Sirkular Tunggal dengan Penambahan Pengganggu 500_... ₆₀

4.2.5 Analisa Karakteristik Aliran pada Silinder Sirkular Tunggal dengan Penambahan Pengganggu 600_... ₆₄

4.3 Perbandingan Distribusi Koefisien Tekanan (Cp) pada Silinder Sirkular dengan Variasi (d/D) ... 68

4.3.1 Silinder Sirkular dengan Variasi D = 25 mm (d/D = 0,16) ... 68

4.3.2 Silinder Sirkular dengan Variasi D= 37, 5 mm (d/D= 0,107) ... 69

4.4 Analisa Koefisien Drag Pressure (Cdp) ... 71

4.4.1 Nilai Koefisien Drag Pressure (Cdp) pada Silinder D = 25 mm (d/D = 0,16 ) pada Bilangan Reynolds 1,16×105 dan 1,56 × 105_... ₇₁

4.4.2 Nilai Koefisien Drag Pressure (Cdp) pada Silinder D = 37,5 mm (d/D = 0,107) pada Bilangan Reynolds 1,16×105 _{dan 1,56×10}5_... ₇₃

4.5 Analisa Strouhal Number ... 74

(11)

ix

(d/D = 0,107 ) pada Bilangan Reynolds 1,16×10

dan 1,56 × 105_... ₇₆

4.6 Perbandingan Numerik dengan Hasil Eksperimen ... 77

4.6.1 Perbandingan Numerik dengan Hasil Eksperimen pada Silinder D = 25 mm Pengganggu 200_dengan Bilangan Reynolds 1,16×105_... ₇₈

4.6.2 Perbandingan Numerik dengan Hasil Eksperimen pada Silinder D = 25 mm Pengganggu 200 dengan Bilangan Reynolds 1,56×105 ... 79

4.6.3 Perbandingan Numerik dengan Hasil Eksperimen pada Silinder D = 37,5 mm Pengganggu 200 dengan Bilangan Reynolds 1,16×105 ... 80

(12)

viii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Nilai Korelasi Koefisien Drag. (Weidman, 1964) ... 15

Tabel 2.2 Nilai Strouhal Numbers. (Sayers, 1990), (Lam Dan Fang,1995) ... 21

Tabel 3.1 Spesifikasi Inverter. ... 27

Tabel 3.2 Parameter yang Berpengaruh ... 31

Tabel 3.3 Jadwal Penelitian ... 36

(13)

x

DAFTAR SIMBOL DAN SATUAN

CDp koefisien pressure drag Cp koefisien tekanan D diameter silinder (m) FD gaya drag (N) g percepatan gravitasi (m/s2₎ i arus (mA) IT intensitas turbulensi

L jarak antar silinder (m)

n jumlah pressure tap

p tekanan statis aliran fluida (N/m2₎ po tekanan stagnasi (N/m2₎

pc tekanan statis kontur (N/m2₎ p∞ tekanan statis freestream (N/m2)

pd tekanan dinamis freestream (N/m2₎ Re bilangan Reynolds

U kecepatan freestream (m/s) X panjang silinder (m)

y jarak ke arah tinggi test section wind tunnel (m) α sudut IDB dari sumbu silinder upstream (deg) d diameter inlet disturbance body (mm)

s jarak center to center antara IDB dengan silinder utama h tinggi center to center antara IDB dengan silinder utama

 sudut kontur silinder (deg)

p perubahan tekanan (N/m2₎

Δh selisih pembacaan manometer (m)

 viskositas udara (N.s/m2₎

 boundary layer thickness

(14)

1

Thesis Rekayasa Konversi Energi

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Fenomena fluida yang mengalir melintasi permukaan luar bluff body seperti silinder sirkular atau pun bentuk elips banyak mengalami perkembangan pesat pasca konsep boundary layer ditemukan. Konsep ini berhasil menguak jawaban atas pengaruh tegangan geser terhadap karakteristik gaya hambat disekitar benda yang dialiri fluida. Distribusi tekanan pada kontur dipengaruhi oleh bentuk geometri kontur yaitu pengaruhnya terhadap tegangan geser permukaan benda tersebut. Aplikasi aliran eksternal pada sebuah benda seperti sebuah silinder dalam dunia engineering sangat banyak dijumpai misalnya; pada

heat exchanger, struktur lepas pantai, aliran disekitar airfoil, kenderaan, gedung, chimney, sistem anjungan minyak lepas pantai dan lain-lain.

Aliran eksternal melibatkan aliran dengan Reynolds number yang rendah maupun Reynolds number yang tinggi. Fluida viscous saat melewati silinder mempunyai karakteristik aliran antara lain; mengalami stagnasi, boundary layer, separasi dan wake di belakang silinder. Sedangkan untuk benda yang bergerak dalam fluida viscous akan mengalami gaya drag dan gaya lift, hal ini sangat erat hubungannya dengan terjadinya separasi aliran. Separasi aliran akan menyebabkan timbulnya wake di belakang silinder, di mana parameter seperti rasio sumbu, sudut serang dan profil kecepatan awal dapat mempengaruhi karakteristik aliran wake.

Pada umumnya teknik pengentrolan aliran fluida pada benda tumpul

(bluff body) diklasifikasikan dalam dua metode, yaitu metode pengentrolan pasif

(15)

2 Rekayasa Konversi Energi

permukaan. Metode pengontrolan aktif memerlukan peralatan yang sangat kompleks untuk mensuplai energi dari luar aliran.

Untuk mendapatkan performa terbaik dengan gaya hambat yang kecil pada suatu aliran fluida yang melewati bluff body, maka salah satu upaya yakni pemberian inlet disturbance body sebagai cara untuk menunda letak titik separasi pada bodi utama. Pada prinsipnya diduga kandungan vortisitas pada shear layer yang dihasilkan oleh upstream disturbance body akan mampu mempercepat terbentuknya boundary layer turbulen. Adanya dominasi lapis batas turbulen pada permukaan bodi utama menyebabkan terjadinya penundaan separasi lebih ke belakang.

Silinder sirkular adalah salah satu contoh bluff body yang memiliki kelengkungan kontur permukaan dengan karakteristik adverse pressure gradient yang kuat (strong APG) ketika aliran fluida melintasinya. Walaupun bentuk geometrinya relatif sederhana, namun aliran eksternal yang melintasinya akan menjadi sangat kompleks, baik pada saat aliran fluida mengalami transisi dari laminar menjadi turbulen pada kontur permukaan padatnya dan kemudian terseparasi massif. Momentum fluida yang terseparasi massif akan menjadi shear

layer dan akan membentuk wake atau vortex street.

Alam, dkk (2003) meneliti pengaruh penggunaan dua buah bodi pengganggu berupa silinder sirkular terhadap silinder sirkular yang disusun secara tunggal, side by side maupun tandem. Penambahan dua buah bodi pengganggu menggunakan sudut α sebagai upstream. Dengan penambahan bodi pengganggu tersebut, maka didapatkan fenomena reattactment pada beberapa variasi sudut. Fenomena reattachement tersebut menyebabkan separasi jauh lebih tertunda.

Weidman (1968) dan Bell (1983), melakukan penelitian terhadap

blockage ratio yang dapat berpengaruh terhadap nilai gaya drag. Mereka meneliti

sebuah bluff body yang ditempatkan pada wind tunnel dengan Reynolds number yang konstan, tetapi diameter bluff body yang digunakan semakin besar, ditunjukkan dengan nilai koefisien drag ( CD ) semakin meningkat. Bertambahnya

nilai CD berbanding lurus dengan terbentuknya daerah wake yang besar sehingga

(16)

3

Thesis Rekayasa Konversi Energi Bell (1983), penelitian yang dilakukan mengenai pengaruh intensitas turbulent pada free stream terhadap gaya drag pada silinder sirkular, telah diperoleh pengurangan gaya hambat yang signifikan akibat penguatan intensitas turbulent (penguatan vortisitas) free stream. Kesimpulannya adalah terjadinya transisi lebih awal boundary layer dari laminar menjadi turbulen pada kontur silinder akibat penguatan intensitas turbulent free stream sebagai faktor yang mempengaruhi tertundanya separasi massif pada kontur silinder bagian belakang. Penyempitan daerah wake dibelakang silinder akan menyebabkan pengurangan gaya drag pada silinder. Namun Bell (1983), belum mengungkap secara detail intensitas turbulent dekat kontur setelah proses terjadinya transisi yang dipercepat.

Lam dan Zou (1994), meneliti secara eksperimental aliran yang melewati empat buah silinder sirkular dalam konfigurasi equispaced. Penelitian ini fokus pada pengaruh coefficient of pressure pada empat silinder dengan variasi rasio jarak silinder terhadap diameter silinder (L/D) dan sudut serang (α) = 1.26 sampai dengan 5.8 pada bilangan Reynolds = 1.28 x 104_{. Penelitian ini}

menginformasikan bahwa adanya re-attachment dari free shear layer dan separasi terjadi pada silinder upstream, sehingga pola aliran pada silinder

downstream akan berubah dengan adanya penambahan rasio jarak L/D dan

menyebabkan coefficient of pressure pada sisi depan silinder downstream akan meningkat.

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan hasil kajian dari beberapa penelitian tersebut di atas, muncul gagasan baru sebagai hipotesa yaitu untuk meningkatkan efektifitas pengendalian pasif boundary layer dengan menempatkan empat buah inlet disturbance body berbentuk silinder sirkular didepan empat buah silinder sirkular sebagai main bluff

body menjadi kajian utama. Sejauh ini beberapa penelitian terdahulu belum

melakukan penelitian pada penambahan empat buah bodi pengganggu pada main

bluff body. Pengembangan ide dasar ini diharapkan akan terjadi fenomena transisi

pintas lapisan batas pada inlet disturbance body yang dapat meningkatkan

vorticity dari free shear layer yang terseparasi dari inlet disturbance body.

(17)

body di belakangnya bisa meningkat. Dari peningkatan ini akan mempercepat

terjadinya transisi lapisan batas laminar menjadi turbulen pada kontur main bluff

body, sehingga gaya hambat pada bluff body lebih cepat tereduksi.

Penambahan bodi pengganggu di depan silinder sirkular menjadi salah satu pilihan untuk dapat mengurangi gaya-gaya fluida pada silinder sirkular. Dengan adanya tambahan bodi pengganggu di depan silinder sirkular akan menyebabkan aliran fluida menjadi lebih cepat turbulen sehingga diharapkan dapat melawan adverse pressure gradient yang terjadi. Aliran turbulen memiliki momentum kecepatan yang cukup besar, sehingga akan terjadi penundaan titik separasi dan daerah wake yang terbentuk menjadi lebih kecil.

Bertitik tolak dari penjelasan di atas maka bentuk bodi pengganggu yang dikembangkan pada penelitian ini menggunakan empat buah silinder sirkular. Pemilihan jarak didasarkan pada penelitian yang dilakukan oleh Alam dkk (2003), dimana pada jarak 0.4 mm akan memberikan koefisien gaya fluida yang konstan. Peletakan susunan silinder pada saluran wind tunnel tidak mengabaikan adanya pengaruh dinding dan blockage ratio. Pengaruh blockage ratio menyebabkan peningkatan gaya drag silinder seperti penelitian yang dilakukan oleh Weidman (1968).

1.2 Tujuan Penelitian

Fokus penelitian yaitu peningkatan efektifitas pengendalian secara pasif lapisan batas melalui penempatan empat buah upstream disturbance body dengan kontur silinder sirkular yang berdiameter 4 mm.

Penelitian ini dimaksudkan untuk mengetahui pengaruh rasio jarak main

bluff body dan penempatan empat buah inlet disturbance body yang berbentuk

silinder sirkular, serta untuk mengevaluasi pengaruh modus wake yang berbeda

(wake impingement mode or cavity mode) terhadap transisi lapisan batas pada

(18)

5

Thesis Rekayasa Konversi Energi Lebih detail lagi, terdapat dua hal yang dapat dikembangkan dalam penelitian lanjutan ini, agar secara ilmiah mampu mengungkap mekanisme fisis terjadinya percepatan transisi lapisan batas dari bluff body yang dikaji. Pertama evaluasi secara detail fenomena terjadinya separation dari inlet disturbance body yang kemudian reattachment ke main bluff body. Kondisi ini dilakukan melalui analisis data velocity profile dan intensitas turbulen sepanjang kontur hingga lokasi terjadinya separasi massif, baik pada inlet disturbance body maupun main

bluff body. Kedua evaluasi pengaruh variasi rasio jarak (L/D) terhadap

karakteristik aliran yang terbentuk akibat interaksi timbal balik empat buah main

bluff body dalam susunan in-line terhadap terjadinya separasi aliran.

Adapun tujuan khusus dari penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Menganalisa distribusi koefisien tekanan (Cp) pada silinder sirkular upstream dan downstream, untuk mengetahui pola aliran yang terjadi pada permukaan silinder serta menghitung koefisien pressure drag (CDP).

2. Menjelaskan korelasi fisis karakteristik aliran yang dipengaruhi oleh susunan

in-line antara inlet disturbance body dengan main bluff body.

3. Menganalisa distribusi kecepatan rata-rata akibat blockage ratio pada angka Reynolds yang konstan.

1.4 Batasan Masalah

Pada penelitian ini perlu adanya batasan masalah sehingga pembahasan yang dilakukan lebih fokus pada tujuan yang telah ditentukan. Adapun batasan masalah dari penelitian ini sebagai berikut:

1. Fluida udara yang mengalir di dalam open-circuit subsonic wind tunnel pada

kondisi steady flow,incompressible flow dan uniform pada sisi upstream.

2. Benda uji berupa silinder sirkular dan empat buah batang pengganggu berbentuk silinder sirkular in-line.

(19)

1.5 Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan dalam penelitian ini diawali dengan bab pendahuluan, kemudian tinjauan pustaka, metode penelitian, hasil dan pembahasan, dan terakhir kesimpulan dan saran. Berikut detail uraian sistematika penelitian:

1. Bab I Pendahuluan

Bab ini berisi tentang latar belakang pengambilan topik, perumusan masalah merujuk pada tulisan pada jurnal, tujuan penelitian untuk memberikan konstribusi yang signifikan terhadap pengembangan ilmu pengetahuan dibidang Mekanika Fluida khususnya mengenai interaksi aliran fluida viscous yang melintasi empat buah bluff body susunan in-line, dan batasan masalah agar kajiannya lebih fokus dan terarah.

2. Bab II Tinjauan Pustaka

Bab ini menjelaskan berbagai kajian ilmiah yang memuat penelitian-penelitian sebelumnya yang berkorelasi dengan penelitian yang dilakukan saat ini, sehingga akan mendukung analisa data dari hasil eksperimen yang dilakukan. 3. Bab III Metode Penelitian

Bab ini menjelaskan peralatan yang digunakan dalam kajian eksperimental, benda uji, skema setup eksperimental, metode penelitian/prosedur pengambilan data yang dilakukan untuk mendapatkan berbagai fenomena fisis yang menjadi tujuan.

4. Bab IV Analisa Hasil Eksperimen

Bab ini menampilkan hasil-hasil yang diperoleh dari kajian eksperimental berupa data kuantitatif (distribusi koefisien tekanan (Cp), profil kecepatan u/U serta koefisien drag.

5. Bab V Kesimpulan dan Saran

(20)

7

(21)

8 BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

Pada penelitian ini, telah dilakukan beberapa penelusuran pustaka dengan mengambil beberapa referensi yang relevan dengan lingkup penelitian yang terdapat dalam buku teks, makalah, tesis, disertasi dan informasi yang berkaitan dengan aliran melintasi silinder sirkular. Fokus utama yang akan dikaji adalah fenomena aliran yang melintasi empat buah silinder sirkular susunan in-line, dengan menambahkan silinder pengganggu untuk mereduksi gaya drag pada silinder utama. Ada beberapa penelitian serta teori dasar yang relevan menjadi referensi utama dari penelitian ini yaitu :

2.1 Konsep Boundary Layer

Suatu lapis batas (boundary layer) akan terbentuk ketika aliran fluida melintasi suatu kontur permukaan. Lapis batas ini terbentuk karena adanya gesekan yang terjadi antara permukaan padat dengan fluida. Gesekan paling besar adalah ketika dekat dengan permukaan benda sehingga menyebabkan kecepatan fluida sesaat menjadi nol. Semakin menjauh dari permukaan benda padat pengaruh gaya gesek ini juga akan semakin berkurang hingga batas dimana pengaruh gaya gesek ini sudah tidak ada. Daerah yang sudah tidak terpengaruh oleh gaya gesek ini disebut daerah freestream. Antara daerah freestream dengan permukaan benda akan terbentuk profil kecepatan akibat adanya gaya gesek. Batas yang memisahkan antara daerah freestream dengan daerah yang masih dipengaruhi gaya gesek itulah yang dinamakan boundary layer edge.

(22)

9 Thesis

Rekayasa Konversi Energi

2.1.1 Aliran Viscous dan Inviscid

Aliran fluida jika dikaji dari pengaruh viskositasnya, dapat dibedakan menjadi dua aliran yaitu aliran viscous (viscous flow) dan aliran non viscous

(inviscid flow). Aliran fluida dapat digolongkan sebagai aliran viscous yang

terbentuk boundary layer jika efek viskositasnya tidak diabaikan, sedangkan jika efek viskositasnya diabaikan, maka aliran tersebut dikatakan sebagai aliran

inviscid (inviscid flow).

Fluida yang kontak langsung dengan suatu batas padat pada aliran viscous akan mempunyai kecepatan yang sama dengan batas padat itu sendiri. Dengan kata lain tidak terjadi slip antara aliran fluida dengan batas padat. Shear stress pada aliran viscous laminar dipengaruhi oleh viskositas fluida dan gradien kecepatan yang ada dalam aliran fluida tersebut.

Gaya yang berpengaruh pada aliran fluida ideal (non viscous) hanya

pressure force, karena dalam aliran tersebut tidak ada tegangan geser yang

berpengaruh dimana viskositas fluida dianggap tidak ada, dan aliran tersebut dapat juga disebut aliran inviscid. Perbedaan antara kedua aliran yang melalui sebuah silinder sirkular dapat dilihat dalam Gambar 2.2. di bawah ini:

Gambar 2.2 Aliran fluida melalui silinder sirkular (Fox dkk, 2010)

(23)

10

yang terbentuk berarti makin besar pula perbedaan tekanan di depan silinder dan dibelakang silinder yang mengakibatkan makin besar gaya drag yang terjadi. Oleh karena itu harus dilakukan upaya untuk menunda terjadinya titik separasi sehingga daerah wake yang terbentuk akan semakin kecil yang berarti mengurangi gaya drag. Upaya untuk mengurangi gaya drag tersebut maka dilakukanlah penelitian baik secara eksperimental maupun numerik seperti yang berikut ini.

2.2. Pengaruh Batang Pengganggu Terhadap Reduksi Gaya Drag Pada Silinder Sirkular Tunggal

Kajian tentang reduksi gaya drag dengan penambahan batang pengganggu telah dilakukan oleh Alam, dkk (2003). Fokus dari penelitian ini tentang reduksi gaya fluida pada silinder sirkular tunggal dengan bodi pengganggu berbentuk silinder sirkular. Diameter bodi pengganggu yang digunakan adalah 4, 5, dan 6 mm. Diameter silinder sirkular utama adalah 49 mm. Posisi sudut bodi pengganggu yang digunakan adalah α = 200_{hingga 60}0_{. Gap (δ) yang digunakan}

dalam penelitian adalah 0.4 - 12 mm. Bilangan Reynolds yang digunakan adalah 5.5 × 105_{. Sketsa pengujian dapat dilihat pada gambar 2.3 sebagai berikut:}

Gambar 2.3. Variasi Sudut Bodi Pengganggu Terhadap Silinder Sirkular (Alam, dkk, 2003)

Pada penelitian yang dilakukan oleh Alam, dkk (2003) diawali dengan melakukan investigasi terhadap gap (δ) dengan diameter bodi pengganggu 5 mm dan α = 300. Hasil investigasi ditampilkan dalam bentuk koefisien gaya drag (CD),

(24)

11 Thesis

dari gap ratio (δ/D), dimana nilai δ/D = 0.008 - 0.22. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa nilai δ/D ≤ 1,5 untuk setiap koefisien gaya fluida dapat memberikan hasil yang hampir independen, seperti ditunjukkan oleh gambar 2.4 sebagai berikut:

Gambar 2.4. Komparasi Rasio Gap dengan Koefisien Drag (CD), koefisien drag

fluktuasi (CDf), serta Koefisien lift fluktuasi (CLf) (Alam, dkk, 2003)

Pada pengukuran tahap berikutnya gap dipertahankan pada 0,4 mm dengan sudut α. Gambar 2.4 menunjukkan nilai CD, CDf, CLf pada bodi

pengganggu dengan diameter 4, 5, 6 mm. Gambar 2.3 (a) menunjukkan bahwa nilai CD minimum diberikan pada α = 300 dengan pengurangan sebesar 67% pada

bodi pengganggu 5 mm. Gambar 2.5 (b) dan (c) menunjukkan bahwa nilai CDf dan

(25)

12

(26)

13 Thesis

Gambar 2.6. Grafik Koefisien Tekanan. (Alam, dkk, 2003)

(27)

14

Pada gambar grafik 2.6 (a) menunjukkan bahwa tertundanya separasi masif yang paling signifikan terjadi pada sudut α sebesar 300_{, hal ini disebabkan}

karena adanya reattachment aliran pada silinder utama akibat penambahan bodi pengganggu. Pada sudut 600 _{aliran setelah melewati silinder langsung terseparasi}

tanpa terdefleksi kembali ke silinder utama.

Pada gambar grafik 2.7 dapat dilihat pengaruh variasi bodi pengganggu terhadap Strouhal number (St). Nilai Strouhal number yang diperoleh menunjukkan kebalikan dari nilai koefisien drag (CD). Berdasarkan gambar gafik

diatas batang pengganggu dengan sudut α = 300 memiliki nilai strouhal number terbesar sedangkan nilai Strouhal number terkecil diperoleh pada batang

pengganggu dengan sudut α = 600

2.3 Pengaruh Geometri Bluff Body Dan Saluran (Blockage Ratio) Terhadap Reduksi Koefisien Gaya Drag

Aliran fluida membutuhkan media berupa saluran untuk tempat mengalir. Dengan adanya media penyaluran maka fluida lebih mudah untuk diarahkan laju alirannya walaupun disatu sisi penggunaan saluran akan menimbulkan efek terhadap karakteristik aliran fluida. Efek yang ditimbulkan berupa koefisien hambatan fluida yang menjadi lebih tinggi dibandingkan tanpa saluran, hal ini ditunjukkan pada gambar 2.8 hasil penelitian Weidman (1968) dan Bell (1983) sebagai berikut :

(28)

15 Thesis

Dimensi geometri suatu bluff body serta orientasi benda terhadap arah aliran yang diujikan pada lorong angin akan membawa dampak terhadap aliran fluida. Weidman (1968) dan Bell (1983) telah melakukan penelitian mengenai pengaruh rasio dimensi bluff body terhadap luasan saluran pada kecepatan fluida dan koefisien hambatan yang terjadi. Pengaruh ini dikenal sebagai blockage effect. Adanya blockage effect akan menyebabkan kecepatan

free stream lebih cepat (pada titik dimana rasio blockage maksimum) daripada

kecepatan real-nya, hal ini disebabkan adanya penyempitan area yang dilalui oleh aliran fluida. Diameter silinder (D) yang diuji divariasikan dari 0.5 - 3.5 dengan tinggi test section (H) konstan. Berikut adalah hasil perhitungan nilai koreksi koefisien drag (CD) atas beberapa diameter silinder yang digunakan

dan blockage ratio yang didapatkan seperti pada tabel 2.1. berikut : Tabel. 2.1. Nilai koreksi koefisien drag Weidmann (1964)

Diameter ~D

(inches) Blockage Ratio ~ D/H (Cpb)ave CD

0.500 0.025 -1.155 1.210

1.00 0.050 -1.205 1.230

1.50 0.075 -1.235 1.260

2.25 0.1125 -1.340 1.320

3.50 0.175 -1.545 1.435

Dari tabel di atas diperoleh bahwa nilai koefisien drag semakin tinggi seiring dengan peningkatan nilai blockage ratio, hal ini mengindikasikan bahwa daerah wake yang terbentuk semakin besar yang berbanding lurus dengan peningkatan pressure drop.

2.4 Pengaruh Intensitas Turbulensi pada Sisi Free Stream Terhadap Reduksi Gaya Drag

(29)

16

separasi aliran. Terjadinya transisi lapis batas tersebut dipengaruhi oleh antara lain kecepatan pada free-stream serta profil alirannya, free-stream turbulence (intensitas turbulensi), bentuk benda (geometri maupun orientasi terhadap arah alirannya), serta kekasaran permukaan suatu benda. Geometri dari bluff body ketika dilingkupi oleh aliran fluida, pada umumnya mempunyai karakteristik yang menghasilkan adverse pressure gradient yang lebih dominan dibandingkan wall

shear stress-nya. Fenomena ini dapat mempengaruhi terbentuknya separasi bubble maupun letak separasi masif dari momentum fluida yang attach pada

kontur permukaan padat. Momentum fluida yang telah terseparasi dari kontur permukaan padat menghasilkan defisit momentum pada daerah downstream bluff

body tersebut. Defisit momentum pada daerah downstream bluff body dikenal

sebagai wake. Semakin lebar wake yang ditimbulkan oleh bluff body yang dialiri oleh fluida, semakin besar pula gaya hambat (drag force) yang ditimbulkannya. Gaya hambat pada bluff body merupakan penjumlahan dari pressure drag dan skin

friction drag.

Bearman dan Morel (1983). Fokus penelitian tentang intensitas turbulensi terhadap nilai dari koefisien drag (CD).Konfigurasi yang digunakan

adalah sebuah silinder sirkular diuji pada Reynolds number 4x104 _hingga

3x105_{. Hasil penelitian dapat dilihat dari gambar 2.9 berikut :}

Gambar 2.9. Pengaruh intensitas turbulensi terhadap coefficient of drag (CD) pada silinder sirkular, Bearman dan Morel (1983).

Dari gambar 2.9 di atas terlihat bahwa nilai koefisien drag CD menurun

(30)

17 Thesis

yang sama. Pada bilangan Reynolds 1×104 _{posisi A dengan nilai intensitas}

turbulensi <1% memiliki nilai CD ±1.15, kemudian pada posisi B dengan

nilai intensitas turbulensi 1.9% memiliki nilai CD ±1.0, pada posisi C nilai

intensitas turbulensi 2.6% memiliki nilai CD ±0.8 dan pada posisi D dengan

nilai intensitas turbulensi 3.2% memiliki nilai CD ±0.6. Dari kondisi ini dapat

disimpulkan bahwa korelasi antara intensitas turbulensi terhadap nilai CD,

nilai CD akan menurun seiring dengan meningkatnya intensitas turbulensi

pada bilangan Reynolds yang sama.

2.5 Karakteristik Aliran Yang Melewati Sekelompok Bluff Body

Dalam dunia industri banyak kita jumpai aplikasi dari bluff body yang tersusun berkelompok dalam berbagai bentuk konfigurasi baik berupa tandem,

side by side, staggered maupun in-line. Interaksi aliran pada sekelompok bluff body mempunyai karakter aliran yang sangat rumit dan kompleks walaupun disisi

lain bentuk geometri dan ukurannya yang sama. Dari fenomena ini lahirlah berbagai macam penelitian untuk mendapatkan solusi yang efektif dalam mendapatkan performa terbaik antara lain dengan melakukan modifikasi bentuk geometri bluff body maupun dengan menyusun bluff body dalam konfigurasi tertentu. Beberapa penelitian yang telah dilakukan tentang interaksi aliran antara dua buah bentuk bluff body yang memiliki bentuk geometri dan ukuran yang berbeda sebagai berikut :

Lam dan Zou (1994) melakukan penelitian secara eksperimental dan numerik, menguraikan tentang pengaruh koefisien pressure yang melintasi empat buah silinder sirkular yang disusun secara equispaced pada center line. Variasi yang dilakukan adalah jarak antar silinder L/D dan sudut serang (α) 1.26 sampai 5.8 pada Reynolds = 1.28x104 . Penelitian ini akan diuraikan lebih detail oleh karena penelitian ini menjadi basis referensi utama yang penulis lakukan dalam kajian eksperimental.

Penelitian ini menjadi informasi yang sangat mendasar untuk menjadi bahan

support dalam penelitian yang diuraikan dalam tinjauan pustaka ini. Penelitian ini

(31)

18

sampai 5.8 pada Reynolds = 1.28x104_{. Berikut ini gambar 2.10 skema konfigurasi}

silinder :

Gambar 2.10. Skema Diagram Konfigurasi Empat Silinder, Lam dan Zou (1994) Ekperimental ini dilakukan pada open circuit wind tunnel dengan test

section berukuran 0.35 x 0.35x 0.54 mm dengan diameter luar silinder 12.7 mm

dan panjang silinder 360 mm. Pada penelitian dengan α = 00 didapatkan grafik Cp seperti pada gambar 2.11 berikut :

Gambar 2.11. Distribusi Cp dengan α =00_{, Re= 12800, Lam dan Zou (1994)}

Dari gambar grafik di atas diperoleh harga Cp silinder 1 dan 2 hampir mempunyai karakter yang sama pada sisi silinder upstream 1 dan 2, titik stagnasi bergeser ke arah bagian depan silinder (θ = 00_{) dengan bertambahnya}

(32)

19 Thesis

= 3400_{untuk silinder 2. Kedua titik ini bergeser ke arah frontal silinder dan} coefficient of pressure menjadi simetris saat rasio L/D mencapai 4. Coefficient of pressure pada downstream silinder menunjukkan perubahan yang signifikan

dengan berubahnya L/D.

Pada L/D yang kecil (L/D < 2.48) coefficient of pressure tidak lebih dari -1.2 karena telah dekat dengan wake silinder upstream. Selain itu hanya terdapat satu titik maksimum pada silinder 3 dan 4, yaitu pada θ = 3050_{untuk silinder 3 dan θ=}

550_{untuk silinder 4. Dalam rentang 2.48<L/D<3.10, dua koefisien tekanan}

tertinggi tidak ditemukan. Hal ini mengindikasikan bahwa adanya re-attachment dari free shear layer dan separasi terjadi pada silinder upstream, sehingga pola aliran pada silinder downstream akan berubah seiring dengan bertambahnya L/D. Dengan penambahan L/D tersebut coefficient of pressure pada sisi depan akan bertambah pada nilai -0.5 saat L/D mencapai 3.10, demikian pula pada L/D yang lebih besar (L/D>3.33) coefficient of pressure pada bagian depan akan mengalami kenaikan positif 0.2. Kesimpulan yang dapat diambil dari fenomena ini adalah base pressure coefficient pada silinder downstream lebih besar dari Cp silinder tunggal pada seluruh L/D.

Gambar 2.12. Drag coefficient pada α = 00 _{, Lam dan Zou (1994)}

Pada gambar 2.12 di atas diperoleh koefisien drag (CD) silinder 1 dan 2 upestream dengan susunan equipaced mengalami fluktuasi untuk 1 < L/D > 3.9

(33)

20

(CD) silinder downstream 3 dan 4 mengalami kenaikan seiring dengan

bertambahnya jarak antar silinder untuk 1< L/D >3.3 kemudian konstan untuk L/D > 3.3 dengan nilai 0.6, hal ini menunjukkan bahwa tidak terjadi interfensi

wake antar kedua silinder tersebut.

Koefisien drag negatif terjadi pada L/D < 2.2, fenomena ini mengindikasikan bahwa gaya dorong kedepan di alami oleh silinder downstream pada rasio jarak yg kecil, kemudian pada rasio jarak L/D = 1.26 terdapat perbedaan koefisien drag antara silinder 2 dan 4 akibat wake yang sempit dan

wake yang lebar dibelakang silinder.

Gambar 2.13. Grafik Koefisien Lift (CL)Pada α = 0o, Lam dan Zou (1994)

silinder 1; silinder 2; silinder 3; silinder 4

Gambar 2.13 di atas menunjukkan pada sudut α = 00_{silinder 1 dan 4}

memiliki harga koefisien lift (CL) negative untuk semua spasi rasio sedangkan

silinder 2 dan 3 memiliki harga koefisien lift (CL) positif untuk semua spasi rasio,

karakteristik koefisien lift silinder 1 relatif sama dengan koefisien lift silinder 2, begitu juga untuk silinder 3 dan 4, karakteristik koefisien lift yang bergelombang hal ini mengindikasikan bahwa kemungkinan ada perubahan pola aliran yang cepat pada rasio jarak meskipun besarnya perubahan koefisien lift tidak lebih dari 0.3.

Lam dan Zou (2009), Penelitian dilakukan secara eksperimental dan large

eddy simulation (LES) untuk aliran turbulen sekitar empat silinder sirkular

(34)

21 Thesis

1.5; 2.5; 3.5 dan 5.0 pada Reynolds subkritis dari 11.000 sampai 20.000. Pengujian dilakukan pada wind tunnel berukuran 0.3 m x 0.6 m dan panjangnya 2.4 m. Pengukuran distribusi kecepatan rata-rata fluktuatif diperoleh dengan menggunakan laser Doppler anemometry (LDA) untuk setiap titik data 50.000 sampel, sehingga tingkat kesalahan diperkirakan 2%.

Penelitian ini membandingkan hasil numerik 3D dengan metode LES hasil eksperimen yang dilakukan oleh Sayers (1988,1990) Lam dan Fang (1995). Hasil yang diperoleh dengan menggunakan metode LES yaitu pada L/D=1.5 pada silinder 1 dan 2 tidak terjadi vortex shedding, kemudian pada silinder 3 dan 4 terjadi vortex shedding yang benar-benar berbeda sedangkan pada hasil simulasi untuk L/D = 3.5 vortex shedding terjadi pada silinder 1 dan 2.

Wake yang terbentuk dibelakang silinder terlihat terdefleksi dari arah streamwise dan pada umumnya hasil eksperimen pada silinder sirkular dengan

jarak rasio L/D=3.5 menghasilkan Strouhal numbers kurang dari 0.2. Berikut nilai

Strouhal numbers yang diperoleh pada tabel di bawah ini:

Tabel 2.2. Nilai Strouhal numbers pada konfigurasi in-line empat silinder sirkular, (Sayers,1998,1990), (Lam dan Fang,1995)

Tong, dkk (2014). Adapun penelitian yang dilakukan adalah analisa secara numerik 3D. Fokus utama dalam penelitian ini adalah visualisai pembentukan vortex shedding pada 4 buah silinder sirkular dengan konfigurasi

in-line pada bilangan Reynolds 100 – 500

(35)

22

Hasil yang diperoleh dari penelitian ini adalah sebagai berikut :

Gambar 2.14. Visualisasi Vortex Shedding, Tong, dkk (2014) Dari gambar 2.14 di atas kesimpulan yang diperoleh dari terbentuknya

vortex menurut pembagian rejim yaitu ;

 Rejim 1 : Terdapat sebuah Karman vortex yang terjadi dibelakang silinder downstream.

 Rejim 2 : Shearlayer pada inner silinder pada setiap susunan silinder tandem cukup kuat berinteraksi dengan sisi outher side dan hal ini menghasilkan 2 buah Karman vortex.

 Rejim 3 : Pada rejim ini pembentukan vortex hampir sama dengan rejim 2 akan tetapi pembentukannya tidak terstruktur selain itu Karman vortex lebih kuat dibanding sebelumnya.

(36)

23 Thesis

(37)

BAB 3

METODE PENELITIAN

Untuk melaksanakan penelitian ini, ada beberapa tahapan yang akan dilakukan untuk mewujudkan tujuan yang telah ditetapkan sebelumnya dengan menggunakan kajian secara eksperimental. Rancangan percobaan pada penelitian ini dibagi menjadi rancangan percobaan penelitian pendahuluan dan rancangan percobaan penelitian utama yang terintegrasi secara holistic dan kontinu. Didalam melakukan pengukuran terdapat dua metode pengukuran, yaitu pengukuran secara langsung (direct measurement) dan pengukuran tak langsung (indirect

measurement). Metode pengukuran langsung (direct measurement) yaitu

hasil pengukuran langsung dipresentasikan atau dibaca, sedangkan pengukuran tak langsung (indirect measurement) yaitu diperlukan suatu proses lebih lanjut untuk penjabaran atau interpretasi dan penalaran terhadap hasil pengukuran. Adapun tahapan-tahapan penelitian adalah sebagai berikut: 3.1 Desain Eksperimen

Pada tahapan ini dilakukan pemodelan sistem penelitian yang akan dilakukan seperti pada gambar 3.1, untuk rancangan percobaan pendahuluan dalam rangka mendapatkan dimensi dan geometri yang sesuai dimana letak benda uji empat buah silinder sirkular berdiameter D = 25 mm yang susunanya in-line dengan pengganggu di bagian upstream. Wall-pressure tap diletakkan pada sisi upstream dan downstream test section untuk mendapatkan selisih tekanan yang

terjadi. Wall-pressure tap pada sisi upstream berjarak 200 mm dari sumbu silinder utama, sedangkan pada sisi downstream berjarak 4D dari sumbu silinder

upstream. Jarak antar silinder divariasikan dari L/D 1.5; 2; 2.5 dan Bilangan Reynolds yang digunakan 2.2 x104_{. Tambahan inlet disturbance body pada sudut} stagger 300_{dan 60}0 _{pada sisi upstream main bluff body untuk keseluruhan variasi}

(38)

25

D L L y x  ,P U

1

2

3

4

d Gap 0.4 mm Pitot Tube 4D

Gambar 3.1. Skema susunan silinder sirkular in-line square 3.2. Peralatan Benda Uji

1. Silinder Sirkular

Pada eksperimen ini silinder utama yang digunakan sebanyak empat buah, berikut spesifikasi dari geometri masing-masing silinder upstream dan

downstream:

 Diameter = 25 mm

 Panjang = 125 mm

 Pressure tap = 2 lubang

 Bahan = Pipa PVC 2. Bluff Body Pengganggu

 Tipe = Polos

 Panjang = 125 mm

 Diameter = 4 mm

3. Wind Tunnel (Terowongan Angin)

Eksperimen ini menggunakan wind tunnel untuk dapat menguji benda dalam skala model. Hal ini disebabkan karena pengukuran sebenarnya yang

2

Flow U0, P0, ρ

(39)

cukup sulit dan membutuhkan biaya yang tidak sedikit. Oleh sebab itu, dibuatlah

wind tunnel dengan pembuatan kondisi–kondisi yang mendekati kenyataan,

sehingga hasilnya cukup akurat dan memadai.

Adapun wind tunnel yang digunakan pada eksperimen ini adalah wind

tunnel jenis open circuit wind tunnel, dimana udara yang dialirkan dalam wind tunnel langsung dilepas ke udara bebas setelah melalui work section.Wind tunnel ini bisa digolongkan sebagai wind tunnel subsonic.

 Spesifikasi Wind Tunnel :

 _{Jenis : Subsonic, open circuit wind tunnel}  _{Bentuk saluran uji : Penampang heksagonal}

 _{Panjang : 600 mm}  Tinggi : 300 mm

 Lebar : 300 mm

 Wall-pressure tap : 4 lubang

3.3. Alat Ukur

Untuk mendapatkan tekanan statis dan tekanan stagnasi, pada eksperimental ini menggunakan wall-pressure tap, pitot static tube dan tranducer tekanan berikut data aquisisi.

A. Wall-pressure tap

Wall-pressure tap yaitu lubang-lubang kecil berdiameter 1 mm yang

terhubung pada manometer atau tranducer tekanan serta dipasang sepanjang kontur permukaan benda uji maupun saluran wind tunnel yang searah aliran dan tegak lurus terhadap permukaan.

B. Pitot Tube

Alat ini berfungsi untuk mengukur besarnya tekanan statis sekaligus tekanan stagnasi aliran di antara dan di belakang benda uji.

C. Transducer Tekanan dan Data Aquisisi

Tranducer tekanan dan data aquisisi yang digunakan untuk mengukur tekanan

(40)

27

D. Inclined Manometer

Alat ini berfungsi untuk mengukur tekanan yang diukur dengan pressure tap dan pitot static tube. Bentuk inclined manometer adalah V dengan sudut kemiringan 150_{untuk membaca Δh yang terukur.}

Spesifikasi inclined manometer yang digunakan adalah sebagai berikut :

 Skala : 1 mm

 Fluida kerja : Red oil

 Toleransi : ± 0.5 mm

 Specific gravity red oil : 0.804 E. Humidity dan Temperature Meter

Adalah untuk mengukur kelembaban dan temperatur fluida kerja agar data yang didapatkan akurat.

F. Filler Gauge

Digunakan untuk mengukur celah antara sirkular silinder utama dengan batang pengganggu agar jaraknya tetap saat di pindahkan posisi sudutnya.

G. Inverter

Inverter adalah alat yang digunakan untuk mengatur kecepatan

putaran blower, ada pun spesifikasi dari inverter seperti pada tabel 3.1 di bawah ini:

Tabel 3.1. Spesifikasi Inverter

Jenis Atribut Nilai Atribut

Current Rating 4.8 A

Series FVR - G5

Type Inverter Auto-Drive

Voltage 220 → 240V ac

Power Rating 1.5 kW/2 HP

Dimensions H x W x D 390 x 235 x 235 mm

(41)

3.4. Prosedur Eksperimen

Prosedur eksperimen adalah tahapan yang paling urgen dilakukan dalam penelitian ini untuk mendapatkan data-data kuantitatif yang kemudian diolah dan dianalisa dalam bentuk grafik. Langkah-langkah yang dilakukan dalam ekperimen ini sebagai berikut :

3.4 .1. Kalibrasi Tranduser Tekanan dan Data Aquisi

Adapun peralatan yang dipergunakan pada proses kalibrasi ini adalah sebagai berikut :

 Manometer V

 Data Aquisisi DAQ PRO 5300

 Pressure tranducer

 Pitot static tube

3.4.2 Tahapan Kalibrasi

Sebelum melakukan pengambilan data maka ada beberapa tahapan kalibrasi yang dilalui yaitu :

a. Validasi tekanan dinamik

1. Pemasangan instalasi untuk keadaan free stream tanpa benda uji

2. Pitot static tube dipasang pada dinding yang tersambung pada manometer serta tranduscer

3. Pengaturan inverter dari 0 - 42.80 Hz dengan interval 4 Hz

4. Diambil data manometer dan pressure tranducer untuk tekanan dinamik 5. Dari manometer didapatkan Δh (mm) dan dari Data Aquisisi didapatkan

arus (mA)

6. Data-data yang telah diperoleh tersebut dibuatkan grafik Δh manometer dengan arus (i) sehingga diketahui pula hubungannya dengan sebuah formula.

(42)

29

Grafik 3.1. Validasi hubungan bacaan manometer dengan arus pressure tranducer

b. Validasi tekanan pada dinding

Prosedur yang dilakukan untuk validasi tekanan:

1. Pemasangan instalasi untuk keadaan free stream tanpa benda uji

2. Wall-pressure tap disetiap sisi test section disatukan kemudian disambungkan ke manometer serta tranduscer. Data yang diperoleh merupakan tekanan rata-rata dari 4 sisi test section

3. Pengaturan inverter dari 0 - 42.80 Hz

4. Diambil data manometer dan pressure tranduser untuk tekanan statis

5. Dari manometer didapatkan Δh (mm) dan dari data aquisisi didapatkan arus (mA)

6. Data-data yang telah diperoleh tersebut dibuatkan grafik Δh manometer dengan arus (i) sehingga diketahui pula hubungannya dengan sebuah formula.

c. Pengambilan Data

Langkah-langkah dalam proses pengambilan data sebagai berikut:

1. Penataan peralatan dan pemasangan benda uji yang digunakan untuk eksperimental.

(43)

3. Set-up benda uji pada saluran wind tunnel, yaitu empat buah silinder sirkular berdiameter D = 25 mm dengan konfigurasi in-line dengan jarak L/D 1.5; 2 dan 2.5, kemudian batang pengganggu berdiameter d = 4 mm yang di letakkan pada sudut 300 _{untuk eksperimen pertama, dan untuk eksperimen}

kedua pada sudut 600_{yang diletakkan di depan silinder upstream}

4. Mengukur kesejajaran silinder dan dinding dengan water pass

5. Menghidupkan wind tunnel dan mengatur kecepatan secara perlahan agar mencapai kondisi steady

6. Pengukuran tekanan stagnasi dan tekanan statis dibagian tengah saluran uji yang terjadi pada wall pressure tap inlet dan outlet pada Re= 2.2 x 104

7. Pengukuran tekanan disepanjang kontur permukaan silinder yang telah dipasang pressure tap dengan memutar silinder dari sudut 00 hingga 1800 dengan interval 50.

8. Pengukuran profil kecepatan dibelakang downstream silinder utama berjarak 4D dari centerline silinder. Pengambilan data ini dimulai dari tepi upper wall saluran uji hingga bagian lower dengan jarak pengambilan data setiap 5 mm. Pengukuran ini dilakukan guna memperoleh pola wake yang terbentuk dengan menggunakan pitot static tube.

3.5. Analisa Grup Tak Berdimensi Untuk Koefisien Tekanan Pada Silinder Untuk distribusi tekanan pada silinder dipengaruhi oleh beberapa parameter, oleh sebab itu perbedaan tekanan dapat dituliskan sebagai fungsi dari parameter–parameter tersebut. Secara matematik dapat dituliskan sebagai berikut :

(44)

31

Thesis Rekayasa Konversi Energi Table 3.2. Parameter yang berpengaruh

No. Variabel Unit Dimensi

1. PPerubahan Tekanan

2 m

N _M_._L2

2.  Massa jenis udara

3 m

Kg _M_._L3

3. Viskositas absolut udara

2 . m s N M.L2.T 4. _U__{= Kecepatan aliran} 2 s m _L_._T2

5.  Jarak antara silinder utama dengan

inlet disturbance body m L

6. D = Diameter silinder sirkular m L

7. d = Diameter inlet disturbance body m L

8. L = Jarak antara silinder upstream dengan

silinder downstream m L

9. s = Jarak center to center antara inlet

disturbance body dengan silinder utama m L 10. h = Tinggi center to center antara inlet

disturbance body dengan silinder utama. m L

dimana :



P Perbedaan Tekanan (N/m2)

Dengan menggunakan Buckingham π-theorema dengan parameter berulang, , V

dan D, diperoleh 7 grup tak berdimensi yaitu : 1. 1 ₂    U P   , (koefisien tekanan) 2. D U . 2      ( bilangan Reynolds)

3. 3  _Dd , (perbandingan diameter pengganggu dengan

diameter silider sirkular

4. 4  _DL, (perbandingan jarak antara silinder upstream

dengan silinder downstream)

5. 5  _Ds , (perbandingan jarak inlet disturbance body dengan

pusat silinder sirkular)

6. 6  _Dh , (perbandingan tinggi inlet disturbance body dengan

(45)

7.                    h s Dh Ds 7 6

7 , (perbandingan jarak inlet disturbance body

dengan tinggi inlet disturbance body)

Hubungan antar grup tak berdimensi adalah sebagai berikut :

 ₁ f₁



₂,₃,₄,₅,₆,₇



 ₂ ₁ , , , , , _,                D s Dh DL D Dd D U f U P    

Pada penelitian ini, D

d _{ditentukan konstan, sedangkan sudut posisi dari inlet}

disturbance body dan jarak rasio (L/D) antar silinder downstream atas dengan

silinder downstream bawah di variasikan, untuk melihat perbandingan reduksi gaya hambat yang terjadi diantara variasi tersebut, sehingga diperoleh:

 

  2 2 _,        D L f U P

koefisien pressure (Cp) pada silinder utama adalah,

₂ ₃ ,

 

 .           D L f UP Cp

3.6. Hasil Percobaan dan Analisis Data :

a. Dari hasil pengukuran diperoleh data sebagai berikut :

1. Perbedaan tekanan pada saluran sisi inlet dan outlet dari main bluff

body

2. Distribusi tekanan pada tiap silinder b. Pengolahan data hasil pengukuran

Dari hasil pengukuran selanjutnya akan diolah untuk menjelaskan berbagai fenomena fisis baik berupa data kuantitatif yaitu Cp, CDP maupun data

(46)

33

Thesis Rekayasa Konversi Energi Tekanan statis adalah tekanan yang diukur melalui suatu instrumen atau alat yang bergerak bersama aliran dengan kecepatan relatif alat ukur terhadap aliran adalah nol. Pengukuran tekanan statis menggunakan wall pressure tap, mengingat bahwa tidak ada fluida ideal (nonviscous) di permukaan bumi ini sehingga kecepatan aliran fluida pada permukaan dinding akan menjadi nol.

Tekanan stagnasi (tekanan total) adalah tekanan yang diukur pada daerah dimana aliran fluida diperlambat hingga nol dengan proses perlambatan tanpa gesekan. Persamaan Bernoulli dapat diterapkan pada aliran incompressible untuk sepanjang suatu streamline, yang dapat ditulis sebagai berikut :

C gz V p_ _ _ 2 2 

1. Pengukuran tekanan stagnasi (Po) dimana kecepatannya (Vo) adalah nol dan zo

= z maka persamaan Bernoulli di atas menjadi :

  V gz po o 2 2  konstan   2 2 V P  konstan (3.1)

2. Tekanan dinamis merupakan selisih antara tekanan stagnasi dengan tekanan statis. p p V2  _o  . . 2 1 _ _(3.2)

3. Perhitungan koefisien tekanan (Cp) Cp = 2 2 1   U P  (3.3)

4. Perhitungan koefisien drag (CD)

CD = A U FD 2  

5. Perhitungan koefisien pressure drag (CDP)

Untuk mendapatkan nilai koefisien pressure drag yaitu dengan mengintegrasikan koefisien tekanan kontur permukaan silinder (Cp) ;

(47)

CDp = ∫ ( ) ( ) (3.5)

6. Perhitungan Intensitas Turbulen

Intensitas turbulensi adalah perbandingan antara standar deviasi dan nilai rata-rata kecepatan fluida. Turbulensi dapat dianggap sebagai aliran fluida yang berfluktuasi dan merupakan sifat fluida yang sangat penting. Turbulensi juga dapat dinyatakan dengan intensitas turbulensi yang didefinisikan sebagai perbandingan akar kuadrat (root mean square) dari fluktuasi kecepatan u’ terhadap kecepatan rata–rata uavg. Adapun persamaan dari intensitas turbulen (IT)

sebagai berikut :

(48)

35

Thesis Rekayasa Konversi Energi Adapun skema penelitian yang akan dilakukan seperti pada gambar 3.2 di bawah ini:

Gambar 3.2. Flow chart penelitian End

Studi Pustaka Persiapan Peralatan

dan Bahan Uji

(49)

Adapun jadwal penelitian dapat dilihat pada tabel 3.3 berikut : Tabel 3.2 Jadwal Penelitian

NO JENIS KEGIATAN

1 Studi pustaka 2 Penulisan Bab 1 - 3 3 Persiapan bahan dan alat _pengujian 4 Pembuatan benda uji 5 Setup pengujian 6 Kalibrasi alat ukur 7 Pengambilan data eksperimen 8 Pengolahan data dan analisis _eksperimen 9 Penulisan Bab 4 - 5 10 Ujian Sidang

JUNI '14 SCEDULLE PENELITIAN

(50)

37

(51)

BAB 4

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada bagian ini akan dijelaskan secara komprehensif dan sistematis hasil-hasil yang diperoleh dari kajian eksperimental untuk menjelaskan karakteristik interaksi aliran fluida melintasi empat buah main bluff body dengan susunan in

line dan modifikasi penambahan empat buah inlet disturbance body silinder

sirkular.

Adapun kajian eksperimental yang disajikan adalah data hasil pengukuran arus pada instrumen benda uji main bluff body silinder sirkular baik pengukuran tanpa inlet disturbance body maupun dengan tambahan inlet disturbance body pada rasio jarak L/D yang selanjutnya diolah menjadi parameter tekanan, pengukuran tekanan statis dan tekanan stagnasi free stream baik didepan maupun dibelakang main bluff body yang tersusun in-line, serta pengukuran intensitas turbulen pada saluran kosong wind tunnel. Dari hasil riset ini data kuantitatif lainnya diolah dengan melakukan integrasi numerik dengan menggunakan persamaan

untuk memperoleh nilai distribusi koefisien tekanan (Cp) kontur, koefisien drag (CD)

dan profil kecepatan di daerah wake. Momentum fluida yang telah terseparasi dari kontur permukaan silinder akan menghasilkan defisit momentum pada daerah

downstream bluff body atau dikenal dengan wake.

Sistematika penulisan pada bab ini secara garis besar adalah membahas hasil dan analisa fenomena aliran melintasi empat buah silinder sirkular tersusun in line tanpa penambahan inlet disturbance body, yang didahului dengan analisa intensitas turbulensi pada saluran kosong, kemudian dilanjutkan dengan pembahasan hasil dan analisa karakteristik aliran akibat pengaruh penambahan

inlet disturbance body pada masing-masing konfigurasi serta distribusi koefisien

(52)

39

Thesis Rekayasa Konversi Energi 4.1. Intensitas Turbulensi Pada Saluran Kosong

Karakteristik aliran yang menjadi pokok analisa dan pembahasan pada sub bab ini adalah itensitas turbulensi yang terdapat pada saluran kosong pada bilangan Reynolds 2.2 x 104_{. Nilai intensitas turbulensi pada penelitian ini}

diperoleh dari perbandingan antara fluktuasi kecepatan dan kecepatan rata-rata pada saluran kosong (tanpa model uji) dengan menggunakan instrument alat ukur berupa static tube yang diletakkan pada center line test section. Eksperimen ini menggunakan wind tunnel yang memiliki test section berupa saluran sempit berpenampang hexagonal. Dari hasil pengukuran kemudian dilakukan pengolahan data fluktuasi kecepatan dengan mengkonversi nilai tekanan dinamis dengan mengunakan persamaan dibawah ini:

PD = _U ud 2 2 1

_

_{………. (4.1)}

U

ud redoilg h 2 2 1 . .



  ………. (4.2)



ud redoilgh U  2. . . ………. (4.3)

Oleh karena nilai intensitas turbulensi adalah perbandingan antara nilai kecepatan rata-rata fluida dengan standar deviasi yang diambil pada satu titik pengukuran maka pengolahannya menggunakan persamaan (3.6), dan untuk nilai fluktuasi kecepatan yang diperoleh dari standar deviasi diolah dengan menggunakan persamaan berikut:

nU

U

u' (  n)2 ………. (4.4)