Corresponding author
email: [email protected]
Effect of Installing a thread rod on pressure drop reduction in a channel with two circular cylinder in tandem arrangement
Wawan Aries Widodo
a, Alfin Andrian Permana
aa Lab. Mekanika dan Mesin-Mesin Fluida, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Kampus ITS – Keputih, Sukolilo, Surabaya 60111
Abstract
This investigation to observe the information about pressure drop in narrow square channel. Pressure drop in channel could make an inefficiency, so that value need to be reduced. The pressure drop reduction is gotten by placing a smaller cylinder (rod) in front of main cylinder with in tandem arrangement. The experiment used two type of cylinder, the main cylinder is circular diameter 25mm and the smaller is M4 threaded rod. The gap distance between the rod and the main cylinder was varied in the interval 1.0 ≤ L/D ≤ 2.0 and also kept the main cylinder distance constant at S/D=2.0. The effect of Reynolds number on pressure drop was also studied in the range of 5,21x104 ≤ Re ≤ 15,6x104. Result show that the gap distance between the rod and the main cylinder significantly affect the pressure drop in the channel.
Keywords: Pressure drop, reduction, narrow channel flow, tandem arrangement
1. PENDAHULUAN
Aliran fluida dalam sebuah saluran banyak digunakan dalam aplikasi di industri. Dengan penggunaan saluran ini diharapkan aliran fluida turut optimal, namun dalam kenyataannya kondisi saluran tidak sepenuhnya bebas hambatan. Hambatan- hambatan dalam saluran ini akan menurunkan optimalisasi dari aliran fluida tersebut. Realita hambatan yang ada berupa elbow, penyempitan, pelebaran, valve dan adanya bluff body yang melintang dalam saluran. Dari berbagaimacam hambatan yang ada, pengaruh bluff body tentu tidak dapat dihitung secara matematis biasa, melainkan membutuhkan suatu eksperimen untuk mengetahui besar pengaruh dari adanya bluff body tersebut.
Silinder merupakan bentuk bluff body yang paling sering muncul dalam industri. Untuk itu diperlukan referensi eksperimen yang digunakan sebagai acuan yang terkait dengan eksperimen ini.
Dalam eksperimen yang menggunakan dua buah silinder tersusun tandem, Alam dkk [4] telah melakukan eksperimen yang dilakukan pada lorong angin besar. Eksperimen ini dilaksanakan pada angka Reynolds 6,5x104 dengan diameter silinder sirkular 49mm. Adapun variasi yang dilakukannya berupa jarak gap antara silinder upstream dengan silinder downstream yang berkisar antara 0 ≤ L/D ≤ 8.0.
Eksperimen ini menunjukkan adanya critical spacing pada L/D = 3.0. Pada lorong sempit, Daloglu [1]
melakukan eksperimen yang melibatkan sebuah dan dua buah bluff body menyebabkan hilangnya sebagian tekanan yang dimiliki oleh aliran yang melintasi lorong tersebut. Kehilangan tekanan ini merugikan dalam proses pemanfaatan energi sehingga dapat menurunkan optimalisasi yang hendak dicapai dari
penggunaan saluran tersebut. Eksperimen tersebut dilakukan pada kondisi lorong sempit dengan menggunakan dua buah silinder tersusun tandem dalam rentang angka Reynolds 5,21x104 – 15,6x104 serta pada bilangan tak berdimensi, S/d, pada interval 1.0 – 10.0.
Usaha reduksi gaya-gaya fluida didapatkan dari beberapa eksperimen, antara lain Lee,dkk [3].
Eksperimen yang dilakukannya adalah eksperimen yang bertujuan mereduksi gaya drag yang timbul pada sebuah silinder sirkular dengan memanfaatkan sebuah control body. Dengan menggunakan control body yang berupa silinder berdiameter kecil, dan diletakkan didepan silinder utama dengan jarak gap, L/D, yang berkisar antara 1.5 – 4.0 serta pada angka reynolds 2x104. Dari eksperimen ini, Lee menyatakan bahwa adanya jarak kritis yang mempengaruhi gaya fluida yang timbul.
Alam, dkk [2] turut menginsvestigasi pemanfaatan control body dalam mereduksi gaya-gaya fluida yang terdapat pada dua buah silinder sirkular yang tersusun tandem pada lorong angin. Dia memanfaatkan control body yang berupa plat-T dan diletakk di depan kedua silinder utama. Eksperimen tersebut dilaksanaakan pada bilangan tak berdimensi, T/D, dengan rentang 0.5 – 1.5 dan pada angka Reynolds 6,5x104. Adapun pada eksperimen yang lain, Lee, dkk [5] turut menguji pengaruh pengkasaran permukaan terhadap gaya drag yang timbul pada silinder sirkular. Kekasaran permukaan tersebut berupa grooved surface dengan tipe V & U, serta dilakukan pada angka reynolds 3,6x103 (tipe-V) & 1,4x105 (tipe-U).
Penggunaan lorong sempit menyebabkan pola aliran fluida berbeda dibandingkan lorong besar, untuk itu eksperimen yang dilakukan oleh Danbon –
Solliec [6] tentang profil kecepatan pada saluran perpipaan. Dalam eksperimen ini, Danbon ingin melihat sejauh mana pengaruh gangguan, yang berupa butterfly valve, terhadap profil kecepatan aliran dalam pipa atau lorong sempit hingga pola aliran tersebut kembali normal. Eksperimen ini dilaksanakan menggunakan pipa berdiameter 0.3 m, dengan sudut
α
= 0º - 90º dan dilakukan pada angka Reynolds 5x104 - 106.
Dari berbagai referensi, terutama eksperimen yang dilakukan oleh Daloglu, timbul suatu pemikiran untuk mengembangkan lebih jauh eksperimen tersebut.
Yaitu sebuah usaha untuk mereduksi penurunan tekanan yang terjadi akibat adanya bluff body dalam saluran. Usaha ini menggunakan sebuah silinder pengganggu berdiameter yang lebih kecil dibandingkan silinder utama yang disertai kekasaran permukaan yang berupa permukaan berulir tipe matrice untuk silinder pengganggu. Pada eksperimen ini akan dilihat berapa besar reduksi penurunan tekanan yang terjadi dengan penggunaan silinder pengganggu.
2. METODOLOGI
Eksperimen ini dilaksanaakan dengan menggunakan lorong angin dengan tipe open circuit subsonic wind tunnel. Dimensi saluran yang digunakan berpenampang bujur sangkar dengan dimensi 125mm x 125mm x 2000mm. Turut ditempatkan pressure tap pada ke-empat sisi saluran.
Penempatan pressure tap 1 yang terletak 625mm dari awal lorong angin. Sedangkan pressure tap 2 terletak pada 600mm dibelakang pressure tap 2. Jarak 600mm antara pressure tap 1 dan 2 merupakan area test section yang menjadi area pengukuran tekanan pada eksperimen ini.
Adapun benda uji yang digunakan dalam eksperimen ini berupa silinder sirkular yang berdiameter (D) 25mm dengan jumlah dua buah. Serta silinder pengganggu yaitu batang pengganggu berdiameter (d) 4mm dengan permukaan berulir matrice (M4). Silinder utama terbuat dari pipa paralon sedangkan untuk silinder pengganggu terbuat dari batang kuningan berdiameter 4mm yang mengalami proses machining untuk pembentukan kondisi permukaan berulir. Rasio blockage yang dihasilkan adalah 20%
Silinder pengganggu ditempatkan pada jarak 125mm dari posisi pressure tap 1. Sedangkan jarak gap silinder pengganggu terhadap silinder utama divariasikan pada rentang 1.0 ≤ L/D ≤ 2.5 dengan
kenaikan tiap 0.5. Untuk jarak gap antar silinder utama, S/D dijaga konstan pada 2.0. Eksperimen ini menggunakan angka Reynolds sama seperti yang digunakan dalam eksperimen Daloglu, yaitu 5.21x104; 7,37x104; 9,02x104; 11,6x104; 12,8x104; 14,7x104; dan 15,6x104. Penentuan angka Reynolds ini berbasiskan diameter hidrolis lorong angin.
Tekanan pada lorong diukur pada pressure tap yang terhubung dengan pressure tranducer Omega PX655. Pressure tap ini memberikan pembacaan berupa arus dalam rentang 4mA – 20mA, data dari pressure trandeucer dibaca dengan data akuisisi Omega DAQPRO-5300. Data tekanan dari hasil pembacaan pressure tranducer turut dikalibrasi untuk menghasilkan data yang akurat.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Silinder tandem tanpa control body
Dengan fokus utama penelitian Daloglu yang berupa silinder yang tersusun secara tandem. Tak lupa pada eksperimen ini susunan silinder (dengan jarak antar silinder S/D=2.0) seperti yang digunakan oleh Daloglu dicoba ulang untuk memastikan adanya similaritas yang berupa nilai pressure drop dan tren grafik pressure drop. Hasilnya diperoleh berupa gambar 4 yang berupa grafik pressure drop fungsi bilangan Reynolds untuk sepasang silinder yang tersusun secara tandem. Tampak di grafik tersebut nilai pressure drop eksprimen hampir mendekati pressure drop Daloglu.
Dari gambar 4 yang merupakan grafik pressure drop fungsi Bilangan Reynolds juga dapat diambil sebuah analisa atas hubungan kenaikan Bilangan Reynolds terhadap pressure drop. Tampak dengan semakin meningkatnya nilai Reynolds, nilai pressure drop turut meningkat. Peningkatan nilai pressure drop ini dikontribusikan oleh komponen kecepatan yang terdapat pada Bilangan Reynolds. Dapat melihat Gambar 1. Skema instalasi penelitian
Gambar 2. Silinder utama
Gambar 3. Silinder pengganggu
kembali pada rumus 2 yang terdapat pada analisa silinder tunggal, yaitu
3.2 Studi kasus L/D=1.0
Pressure drop yang didapatkan dari eksperimen yang berupa penambahan bodi disturbance didepan sepasang silinder yang tersusun secara tandem yang memiliki variasi jarak L/D=1.0 dan S/D=2.0 terdapat pada gambar 5 dibawah. Pada grafik pressure drop tersebut turut pula ditampilkan nilai pressure drop dari silinder tandem (S/D=2.0) tanpa disturbance.
Perbandingan ini bertujuan untuk membuktikan pengaruh penambahan bodi disturbance terhadap reduksi pressure drop yang mengacu pada referensi penelitian Lee, dkk (2000) serta Tsutsui dan Igarashi (2000).
Hasil yang diperoleh membuktikan bahwa penambahan bodi disturbance memiliki efektivitas untuk reduksi pressure drop pada Re tertentu, yaitu dibawah Reh = 105. Hal ini terjadi karena penggunaan bodi disturbance yang berupa silinder berulir M4 serta efektif pada Reh<7x104. Tampak pada gambar 5, nilai pressure drop L/D=1.0 menjadi lebih tinggi dibandingkan eksperimen tandem pada Bilangan Reynolds 9x104. Serta reduksi pressure drop tertinggi didapatkan pada Re=5x104 sebesar 1.56 Pascal.
3.3 Studi kasus L/D=1.5
Hasil eksperimen pressure drop untuk konfigurasi L/D=1.5 terdapat pada gambar 6. Dari gambar 6, terlihat pengaruh penanambahan bodi disturbance terhadap penurunan pressure drop. Hanya saja, pengaruh keberadaan bodi disturbance terhadap penurunan pressure drop berlaku pada Bilangan Reynolds tertentu, yaitu pada Bilangan Reynolds lebih kecil dari 105 dan pada Bilangan Reynolds yang lebih besar, nilai pressure dropnya cenderung lebih besar dari pressure drop silinder tandem tanpa disturbance.
Pengaruh disturbance ini dalam mereduksi nilai pressure drop tertinggi didapatkan pada Bilangan Reynolds terendah yang dilakukan pada eksperimen ini, yaitu Bilangan Reynolds 5x104 dengan hasil sebesar 2.28 Pascal
3.5 Studi kasus L/D=2.0
Untuk hasil eksperimen pressure drop dengan studi kasus jarak disturbance dengan silinder utama L/D=2.0 terdapat pada gambar 7. Hasil yang dapat dianalisa dari grafik antara lain pengaruh penggunaan bodi disturbance terhadap reduksi pressure drop, dan perubahan Bilangan Reynolds terhadap pressure drop. Yang pertama adalah pengaruh bodi disturbance terhadap reduksi pressure drop, terlihat dari gambar 7 pressure drop studi kasus L/D=2.0 dapat dibagi menjadi dua bagian yang melewati nilai pressure drop silinder tandem tanpa disturbance dan kondisi ini terjadi pada Bilangan Reynolds 9.5x104.
Terlihat bahwa pada Bilangan Reynolds lebih kecil dari 9,5x104 pengaplikasian disturbance mampu mereduksi pressure drop hingga 2,42 Pascal pada bilangan Reynolds 7,37x104. Sedangkan untuk Bilangan Reynolds diatas 9.5x104 penggunaan disturbance justru meningkatkan nilai pressure drop hingga mencapai peningkatan sebesar 2,84 Pascal.
Adapun untuk pengaruh nilai Bilangan Reynolds terhadap pressure drop, sama seperti pembahasan silinder tunggal yaitu memiliki meningkat seiring dengan kenaikan bilangan Reynolds.
Gambar 4. Penurunan tekanan silinder tandem tanpa disturbance
Gambar 5. Pressure drop studi kasus L/D=1.0
Gambar 6. Pressure drop studi kasus L/D=1.5
3.6 Studi kasus L/D=2.5
Hasil eksperimen pressure drop untuk studi kasus L/D=2.5 ditampilkan di gambar 8. Dari gambar 8 didapatkan analisa untuk studi kasus L/D=2.5 adalah pengaruh disturbance terhadap reduksi pressure drop.
Pengaruh dari penempatan disturbance dalam mereduksi pressure drop tampak pada Bilangan Reynolds lebih kecil dari 9x104, yang mana menghasilkan reduksi sebesar 2.42 Pascal pada Bilangan Reynolds 5.21x104. Sedangkan pada Bilangan Reynolds lebih besar dari 9x104 penempatan disturbance justru meningkatkan pressure drop hingga sebesar 5.41 Pascal.
3.7 Studi kasus variasi L/D
Pada eksperimen ini variasi yang dilakukan antara lain adalah menaikkan angka Reynolds dan jarak gap antara bodi disturbance dengan silinder utama (L/D).
Adanya bodi disturbance, variasi jarak gap L/D memberikan pengaruh yang nyata terhadap reduksi pressure drop dibandingkan silinder tandem tanpa disturbance. Dengan memberikan variasi jarak L/D dapat dilihat sebagai suatu perbandingan atas beberapa L/D yang memberikan reduksi pressure drop paling optimal untuk Bilangan Reynolds yang akan digunakan. Oleh karena itu, hasil studi kasus variasi L/D ditampilkan pada gambar 9 yang juga menampilkan variasi angka Reynols yang digunakan dalam eksperimen ini.
Hasil pressure drop untuk masing-masing variasi L/D yang ditampilkan di gambar 9 turut dibandingkan dengan pressure drop silinder tandem. Tampak bahwa seluruh variasi L/D yang dieksperimenkan dapat mereduksi pressure drop pada sepasang silinder tandem tetapi kemampuan mereduksinya hanya sampai Bilangan Reynolds tertentu saja, yaitu pada range 9x104 sampai dengan 105. Sehingga untuk Bilangan Reynolds diatas 105, penggunaan bodi disturbance tidak mampu mereduksi pressure drop, justru yang terjadi hal yang sebaliknya, yaitu meningkatkan pressure drop. Ini membuktikan bahwa penempatan bodi disturbance dipengaruhi oleh Bilangan Reynolds aliran fluida yang mengaliri susunan silinder utama dengan disturbance, ini sesuai dengan referensi Lee, dkk (2002).
Tampak pada gambar 9, variasi jarak L/D yang memberikan reduksi pressure drop terbaik ada pada L/D=2.0 dan L/D 2.5. Sementara itu jarak L/D yang justru meningkatkan pressure drop adalah L/D=2.5. Tampak untuk pressure drop L/D=2.5 memiliki kecenderungan hasil tertinggi pada reduksi maupun penambahan pressure drop sehingga untuk L/D yang lain hasilnya kurang diketahui. Oleh karena itu, diperlukan sebuah perbandingan efektifitas penempatan disturbance berupa selisih antara pressure drop studi kasus dengan pressure drop silinder tandem sehingga dapat diambil kesimpulan untuk L/D terbaik dalam reduksi pressure drop maupun penambahannya. Perbandingan ini ditampilkan pada gambar 10.
Pada gambar 10 ini efektifitas (E) jarak L/D dapat terlihat lebih mudah. Dengan melihat selisih antara pressure drop penggunaan disturbance dengan pressure drop tanpa disturbance pada setiap nilai pressure drop, yaitu:
Effectiveness =∆Pe− ∆Pd
∆Pd
Sehingga dapat menentukan L/D yang menghasilkan pengaruh reduksi terbaik secara merata pada Bilangan Reynolds yang digunakan dalam eksperimen ini.
Terlihat bahwa L/D=1.5 memiliki pengaruh terhadap reduksi maupun kenaikan pressure drop yang cukup seimbang. Untuk L/D=2.0 pengaruhnya terhadap Gambar 7. Pressure drop L/D=2.0
Gambar 8. Pressure drop L/D=2.5
Gambar 9. Pressure drop variasi L/D
kenaikan pressure drop cukup tinggi walaupun tidak setinggi L/D=2.5 sedangkan pengaruh terhadap reduksi pressure drop merupakan yang terbaik. Dari hasil ini membuktikan hasil penelitian Lee, dkk (2004) yang menyatakan hasil penggunaan bodi disturbance terbaik berada pada L/D=2.0
4. KESIMPULAN
Ada beberapa hal yang dapat disimpulkan dari hasil yang didapatkan dalam eksperimen ini.
1. Penggunaan disturbance body sebagai alat pengontrol aliran yang bertujuan mereduksi pressure drop hanya berfungsi pada angka Reynolds tertentu.
Selebihnya justru menambah nilai
pressure drop.2. Secara umum penempatan disturbance body yang menghasilkan nilai terbaik terdapat pada L/D=2.0
DAFTAR PUSTAKA
1. Daloglu, A. Pressure drop in a channel with cylinder in tandem arrangement, International Comunication in Heat and Mass Transfer, Vol.35, 76-83, 2008
2. Alam, M.M., Sakamoto, H., & Zhou, Y., Effect of a T-shaped plate on reducing in fluid forces on two tandem cylinders in a cross-flow, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol.96, 525-551, 2006
3. Lee, S.J., Lee, S.i., & Park, C.W., Reducing the Drag on a c ircular cylinder by upstream installation of a s mall control rod, Fluid Dynamic Research, Vol.34, 233-250, 2004 4. Alam, M.M., S akamoto, H., Moriya, M., &
Takai, K., Fluctuating fluid forces acting on two circular cylinders in a tandem arrangement at a subcritical Bilangan Reynolds, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol.91, 139-154, 2003
5. Lee, S.J., & Lim, H.C., Flow control of a Circular cylinder with Longitudinal grooved surface, AIAA Journal, Vol.40, 2027-2037, 2002
6. Danbon, F. & Solliec, C., Aerodynamic Torque of a Butterfly valve-Influence of an Elbow on the time-mean and i nstantaneous Aerodynamic Torque, Journal of Fluid Engineering, Vol.122, 337-344, 2000
Gambar 10. efektifitas variasi L/D
