STUDI EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK ALIRAN D

(1)

(

TESIS

)

STUDI EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK ALIRAN DUA FASE (AIR – UDARA) MELEWATI ELBOW 60°°°°DARI PIPA VERTIKAL MENUJU PIPA

DENGAN SUDUT KEMIRINGAN 30°°°° (Studi Kasus Elbow dengan R/D = 0,7)

AGUS DWI KORAWAN 2108202001

DOSEN PEMBIMBING

Prof. Dr. Ir. TRIYOGI YUWONO, DEA

PROGRAM MAGISTER

BIDANG KEAHLIAN REKAYASA KONVERSI ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

(2)

LATAR BELAKANG

(1) Aplikasi aliran dua fase

cair dan gas _{gas dan padat} cair dan padat

Mesin hisap pasir _{Air lift pump}

(3)

LATAR BELAKANG

∆∆∆∆

∆∆∆∆ αααα

µµµµ µµµµ ρρρρ ρρρρ (2) Pressure drop aliran dua fase

(4)

Centrifugal acceleration

Cavitation

Flow separation

Secondary flow

Separated flow

Secondary flow

R D

(5)

PENELITIAN SEBELUMNYA

Yudi Sukmono (2009) Studi Eksperiment al dan Numerik Tentang Karakteristi k Aliran Dua Fase (Air – Udara) Melewati Elbow 90°°°°dari Arah Vertikal Menuj u Horizontal

Lurus ?

Range 0-25 lt/min Skala 1 lt/min ?

(6)

PENELITIAN SEBELUMNYA

Priyo Heru Adiw ibow o (2009) Studi Eksperiment al dan Numerik Gas – Cairan Aliran Dua

Fase Melewati Elbow 45⁰⁰⁰⁰ dari Arah Vertikal ke Posisi Miring 45⁰⁰⁰⁰

Menurun ? Pola aliran ?

(7)

PENELITIAN SEKARANG

Yudi S

Priyo H

Sekarang + Rotameter

+Tangki udara

Pola aliran Stratified

Pola aliran Slug/Plug

Pola aliran

?

∆ P34 Turun

Ada pengaruh ?

∆ P34 Naik

(8)

Experiment Setup

Keterangan : 1. Tangki air 2. Pompa 3. Katup bypass 4. Accumulator 5. Doppler flow meter 6. Annular air injector 7. Pressure gauge 8. Termometer digital 9. Rotameter

10. Moist separator 11. Tangki udara 12. Kompresor 13. Kamera digital 14. Photo editing 15. Gas-liquid separator

(9)

Batasan Masalah

• Fluida : air dan udara.

• Elbow : R/D = 0,7 dan D = 36 mm.

• Superficial liquid velocity : 0,3 ~ 1,1 m/s.

• Volumetric ratio :0,03~0,25

• Tidak ada heat dan mass transfer antar fase.

• Bubble akan dipertimbangkan sebagai uniform sphere

shape dalam numerical simulation dengan CFD.

• Aliran akan diasumsikan sebagai fully developed flow.

(10)

(11)

Pemodelan CFD

Category Selected Model

Geometry Diam eter 36 m m ID and total

length 3.3 m (3D),

Grid number 361301

Solver Steady state

Multiphase Model Mixture Model, Euliran Model

Turbulent Model k-εStandard and Realizable Model

Inlet Superficial velocity for each phase

Outlet Outflow

(12)

Kontur dan vektor kecepatan Hasil Pemodelan CFD aliran satu fase

u= 0,3 m/s

u= 0,7 m/s

u= 1,1 m/s

(13)

Kontur tekanan Hasil Pemodelan CFD aliran satu fase

u= 0,3 m/s

u= 0,7 m/s

u= 1,1 m/s

(14)

Flow pattern hasil pemodelan CFD aliran dua fase

β = 0,2 USL= 0,3 m/s

β = 0,2 USL= 0,7 m/s

β = 0,2 USL= 1,1 m/s

pada pipa vertikal terjadi campuran dari fase liquid dan gas secara seragam

pada elbow mulai terjadi pemisahan, semakin besar USL, fase gas

semakin terdorong menempati bagian inner elbow

(15)

(16)

POLA ALIRAN PADA PIPA VERTIKAL

dengan ketinggian 0,35 m diatas bubble injector untuk USL=0,5 m/s.

Clustered bubbly flow Bubbles yang terbentuk

berkelompok dalam

media liquid tanpa

distribusi yang seragam sepanjang radial

cross-section pada pipa.

Homogeneous bubbly flow

Bubbles terdistribusikan

seragam (homogeneously)

sepanjang radial cross-section

pada pipa untuk semua

ketinggian

Dense bubbly flow

Seluruh daerah

lintasan pipa

dipenuhi oleh

gelembung udara

(17)

POLA ALIRAN PADA PIPA VERTIKAL

β

konstan

Usl bertam bah

Usl=0,3 m/s Usl=0,5 m/s Usl=0,7 m/s Usl=0,9 m/s Usl=1,1 m/s

Bertambahnya Usl tidak mempengaruhi pola aliran

(18)

POLA ALIRAN PADA ELBOW

Pada elbow masih terlihat distribusi bubbles seragam, menempati seluruh luasan, tidak ada kecenderungan bubbles mengalir pada sisi

outer elbow

USL= 0,5 m/s

Mulai ditemukan perubahan flow pattern menuju slug bubbly flow, dimana bubbles berkelompok menjadi kelompok kecil dibagian atas lapisan pipa miring Sesudah elbow mulai terjadi

kecenderung an bubbles bergerak ke bagian atas pipa miring dan akhirnya pada jarak tertentu terlihat berkelompok dan stabil sampai keluar dari pipa

Usl konstan

β β β

(19)

POLA ALIRAN PADA ELBOW

β

konstan (0,15)

Usl bertambah

Pada Usl=0,3 m/s bubbles cenderung menempati outer elbow

Pada Usl=0,7 m/s bubbles cenderung menempati semua permukaan elbow

Pada Usl=1,1 m/s bubbles cenderung menempati inner elbow

Tekanan pada outer elbow semakin besar

U=0,3 m/s U=0,7 m/s U=1,1 m/s

(20)

POLA ALIRAN PADA

PIPA MIRING

Pada kecepatan

superficial cairan USL =

0,5 m/s, secara umum

flow pattern yang

diamati pada pipa miring adalah plug bubbly flow atau slug bubbly flow,

β

plug bubbly flow atau slug bubbly

flow ditemukan

(21)

Padaβ=0,11flow pattern yang diamati pada pipa

miring adalah plug

bubbly flow atau slug bubbly flow,

U

Usl=0,3 m/s

Usl=0,5 m/s

Usl=0,7 m/s

Usl=0,9 m/s

Usl=1,1 m/s

POLA ALIRAN PADA

PIPA MIRING

plug bubbly flow atau slug bubbly

flow makin sulit

ditemukan dengan bertambahnya Usl

(22)

Pemetaan Flow Pattern pada Pipa Miring

Flow patern transisi dengan θ=30º oleh Somcai Wongwises (2005)

(23)

Perhitungan Global void fraction

dengan Pressure gradient method

α αα

α! ∆∆∆∆ "∆∆∆∆Z

(24)

60

Hasil pengukuran tinggi manometer untuk USL = 0,3 m/s dan β=0,03-0,25

grafik ketinggian air manomet er

( )

gradient t ekanan hanya

(25)

Tap v1 v2 v3 v4 v5 v6 v7 v8 v9 v10 v11 v12 v13 v14 v15 v16

Z(m) 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75

β h1 h2 h3 h4 h5 h6 h7 h8 h9 h10 h11 h12 h13 h14 h15 h16 _α

0,03 76,1 76,2 76,2 76,2 76,3 76,3 76,3 76,3 76,3 76,3 76,3 76,2 76,3 76,3 76,3 76,9 0,003

0,05 75,1 75,2 75,3 75,4 75,5 75,7 75,8 75,9 75,9 75,9 76 76 76,1 76,3 76,3 76,4 0,017

0,07 74,4 74,6 74,7 74,9 75 75,2 75,4 75,6 75,6 75,7 75,9 76 76,2 76,4 76,4 76,4 0,027

0,09 73,4 73,8 73,9 74,1 74,3 74,6 74,9 75,1 75,4 75,7 75,7 75,9 76 76,4 76,5 76,5 0,051

0,11 72,5 72,8 73,2 73,5 73,8 74,1 74,4 74,8 75,1 75,4 75,7 75,9 76,2 76,4 76,5 76,7 0,056

0,13 71,8 72,2 72,6 73 73,4 73,8 74,1 74,5 74,9 75,2 75,6 75,9 76,2 76,5 76,5 76,6 0,072

0,15 70 70,6 71,1 71,7 72,2 72,7 73,3 73,8 74,1 74,7 75,2 75,7 76,2 76,9 77,4 77,5 0,109

0,2 67,8 68,6 69,2 70,1 70,9 71,6 72,4 73,1 73,9 74,6 75,4 76,1 76,8 77,4 77,5 77,6 0,149

0,25 66,4 67,5 68,1 69,2 70 70,9 71,7 72,6 73,4 74,2 75 75,9 76,7 77,6 77,6 77,6 0,168

Hasil perhitungan nilai global void fraction (α) untuk USL = 0,3 m/s

Ada perbedaan

Perbandingan antara data void fraction hasil eksperimen dengan void fraction dari homogeneous flow model untuk USL = 0,3 m/s.

(26)

GLOBAL VOID FRACTION

Deviasi pengukuran void fraction dari homogeneous model

(27)

Diagram Zuber dan Findly dari data eksperimen

y = 1,375x + 0,2

>1 menunjukkan sebuah bubbles terdistribusi pada centre region atau fase gas mungkin tertinggi pada jarak tertentu dari dinding dalam kondisi bubbly flow.

(28)

Perhitungan pressure drop analitik

Pola aliran

Parameter input: -Pipa

(29)

PRESSURE DROP ALIRAN SATU FASE

PIPA VERTIKAL

dx

Colebrook Correlation

Pressure drop naik disebabkan karena kecepatan air bertambah

PIPA MIRING

(30)

ELBOW

2

(31)

PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE _{PIPA VERTIKAL}

Semakin besar bilangan Reynolds superficial gas (Resg) menyebabkan pressure drop semakin rendah karena densitas campuran (mixture) makin berkurang

Semakin besar bilangan

Reynolds superficial cairan (Resl) menyebabkan pressure drop semakin besar

Homogeneous

Pressure drop berdasar pola aliran

Clustered Dense

(32)

PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE

ELBOW

Lockhart-Martinelli = perhitungan

pressure drop tanpa mempertimbangkan pola aliran

(33)

PIPA MIRING

(34)

Perhitungan Pressure drop eksperimen

(

h h

)

g

Z

p_verical= ∆ + − × ×

∆ [ ₁₂ ₁ ₂ ]

ρ

(

h h

)

g

Z

p_elbow= ∆ + − × ×

∆ [ ₂₃ ₂ ₃ ]

ρ

g h

h Z

p_miring = ∆ + − × ×

(35)

PIPA VERTIKAL ELBOW PIPA MIRING

Elevasi mempengaruhi besar kecilnya pressure drop

Pressure drop naik karena kecepatan air semakin besar

(36)

PIPA VERTIKAL

∆

P turun

Bertambahnya β

Menyebabkan densitas turun

Resl konstan

βnaik

Resl naik

βkonstan

Bertambahnya Resl Karena kecepatan naik

(37)

ELBOW

Penurunan

Pressure drop tidak sebesar pada pipa vertikal

[

restirction

]

Twophase

[ ]

f Twophase

[ ]

s Twophase

EB P P P

P = ∆ + ∆ + ∆

∆

(38)

PIPA MIRING

Penurunan

Pressure drop tidak sebesar pada pipa vertikal

(39)

KOMPARASI

GLOBAL VOID FRACTION

EKSPERIMEN HOMOGENEOUS MODEL

PRESSURE DROP

EKSPERIMEN PRESSURE DROP ANALITIK

VISUALISASI EKSPERIMEN PEMODELA N CFD

(40)

KOMPARASI PRESSURE DROP D ata Teori tis

0, 60 Aktual >< ideal

Lockhart–Martinelli = kurang akurat

(41)

KOMPARASI POLA ALIRAN Eksperimen _CFD

Usl = 0,7 Usl = 0,3

Usl = 1,1

Ada

(42)

KOMPARASI PRESSURE DROP DENGAN PENELITIAN SEBELUMNYA

(43)

KOMPARASI POLA ALIRAN PADA ELBOW DENGAN PENELITIAN SEBELUMNYA

90

o

₆₀

o

₄₅

o

Usl=0,3

ββββ=0,2

Usl=1,1

ββββ=0,2

(44)

KOMPARASI POLA ALIRAN PADA PIPA MIRING DENGAN PENELITIAN SEBELUMNYA

Usl=0,3

ββββ=0,2

0

o

30

o

45

o

Plug/slug flow

Stratified flow

Bubbly/plug flow

(45)