KATA PENGANTAR STUDI EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK KARAKTERISTIK ALIRAN MELINTASI PRISMA TERPANCUNG.

(1)

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, segala puji dan sukur kita panjatkan kepada Allah SWT. Dengan ijin, kasih sayang serat rahmatNya maka penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul,

STUDI EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK KARAKTERISTIK ALIRAN MELINTASI PRISMA

TERPANCUNG.

Penulis berharap dari Tugas Akhir banyak mamfaat yang dapat di ambil walaupun dalam tulisan ini masih banyak kekurangan.

Akhirnya penulis ingin mengucapkan terima kasih serta berbagi kebahagiaan kepada orang-orang disekitar penulis yang secara langsung maupun secara tidak langsung ikut terlibat dalam penulisan tugas akhir ini. Secara khusus penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak Prof. Dr. Ir. Tryogi Yuwono, DEA selaku dosen pembibing yang telah banyak meluangkan waktu serta pikirannya dalam membibing dalam penyelesaian Tugas Akhir ini.

2. Bapak wawan aris, ST, MT, bapak Dr.heru Mirmanto MT, yang telah meluangkan waktunya untuk menguji Tugas Akhir ini.

3. Bapak Prof. Dr. Ir. Wajan Berata, DEA sebagai dasen wali yang telah meluangkan waktu, pikiran dan perhatiannya selama penulis dibangku perkuliahan. 4. Bapak Dr.ing. Herman Sasongko, sebagai ketua jurusan

Teknik Mesin ITS.

5. Seluruh dosen dan karyawan yang jurusan Teknik Mesin ITS yang telah memberi bimbingan kepada penulis selama kuliah.

(2)

mudah-mudahan Allah SWT selalu melindunginya, kepada almarhum ayah saya, kepada saudara-saudara tercinta abang alen, abang dodi, kakak ini, kakak nurma dan anggi pandi yang selalu memberi penulis motivasi dan selalu mendoakan kelancaran Tugas Akhir ini, mudah-mudahan kami menjadi keluarga yang bahagia. 7. Teman-teman saya kahanggi topik yang selalu membantu

saya, atas sir yang telah meminjamkan printer, bang duon yang selalu memberikan motivasi, jaki yang telah meminjamkan komputer semoga Allah membalasnya, bang nanang yang sudah meminjamkan printer dan seluruh teman-teman POSNI ROHA.

8. Teman-teman kelompok prisma yang selama ini membantu penulis.

9. Teman teman M47 yang telah menjadi teman seperjuangan mulai dari pengkaderan.

Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih terdapat kekurangan yang dapat digunakan sebagai pertimbangan untuk penelitian selanjutnya. Akhir kata , penulis mengharapkan kritik serta saran di masa mendatang.

Surabaya, Agustus 2009

(3)

DAFTAR ISI Abstrak………...….i Halaman Pengesahan...v Kata Pengantar...vii Daftar Isi...………...…….ix Daftar Gambar...xiii Daftar Tabel...xxi

Daftar Simbol dan Satuan...xxiii

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang……….………...1 1.2 Perumusan Masalah………...……….3 1.3 Tujuan Penelitian……….……...4 1.4 Batasan Masalah……….………4 1.5 Manfaat Penelitian………..………4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Dasar Teori...5

2.1.1 Aliran Viscous dan Non Viscous...5

2.1.2 Konsep Boundary Layer...6

2.1.3 Aliran Laminar dan Turbulen...7

2.1.4 Bilangan Reynolds……….8

(4)

2.1.6 Koefisien Tekanan...10

2.1.7 Koefisien Drag...………..10

2.1.8 Aliran Melintasi Silinder Sirkular...13

2.1.9 Separasi Bubble...15

2.2 Penelitian Terdahulu...16

2.2.1 Penelitian silinder sirkular...16

2.2.2 Penelitian aliran melintasi prisma…….…...18

2.2.3 Penelitian aliran melintasi plat tumpul…...30

BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Analisa Dimensi...43

3.1.1 Analisa Dimensi Koefisien Tekanan ( Cp )...44

3.1.2 Analisa Dimensi Koefisien Drag... 58

3.2 Peralatan Penelitian...46

3.3 Prosedur Penelitian...48

3.4 Langkah-Langkah Penggunaan Metode Komputasi Fluida(CFD)……….……...50

3.5 Urutan Langkah Penelitian……….…….…..54

3.5 Alokasi Waktu Penelitian...55

BAB IV ANALISA DAN DISKUSI 4.1 Contoh Perhitungan...56

4.1.1 Perhitungan Bilangan Reynolds ...56

(5)

4.1.3 Perhitungan Kecepatan Aliran di Belakang

Prisma ...60

4.1.4 Perhitungan Koefisien Pressure Drag (CDp) ...61

4.1.5 Perhitungan Koefisien Total Drag (CDt) ...64

4.2 Analisa Grafik dan Visualisasi...66

4.2.1 Karakteristik Aliran Fluida Melintasi Prisma Terpancung Dengan Perbandingan Rusuk b/a = 12/12...66

4.2.5 Perbandingan Karakteristik Aliran Fluida Melintasi PrismaTerpancung Dengan Perbandingan Rusuk b/a = 12/12, 2/12, 1/12, 0/12...79

4.3 Pengaruh Variasi Perbandingan Rusuk (b/a) pada Prisma Terpancung Terhadap Gaya Drag ……….. ...82

4.4 Koefisien Total Drag pada Prisma Terpancung untuk Setiap Variasi Perbandingan Rusuk (b/a)...83

(6)

4.6 Perbandingan Karakteristik Aliran Fluida Melintasi Prisma Terpancung dengan (b/a) = 0/12 hingga 12/12……...…...85 4.7 Pengaruh Variasi Perbandingan Rusuk (b/a) pada Prisma

Terpancung Terhadap Gaya Drag dengan (b/a) =12/12 sampai (b/a) =0/12...88 4.8 Perbandingan Penelitian Secara Eksperimental dengan

Secara Numerikal untuk perbandingan rusuk (b/a) = 12/12………..…..90 4.9 Perbandingan Penelitian Secara Eksperimental dengan

Secara Numerikal untuk perbandingan rusuk

(b/a) = 2/12 ...93 4.10 Perbandingan Penelitian Secara Eksperimental dengan

Secara Numerikal untuk perbandingan rusuk

(b/a) = 1/12………...……….96 4.11 Perbandingan Penelitian Secara Eksperimental

dengan Secara Numerikal untuk perbandingan

(7)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Aliran fluida melalui silinder sirkular 8

Gambar 2.2 Strstruktur boundary layer 10

Gambar 2.3 Penguraian komponen gaya drag 15

Ganbar 2.4 Control volume persamaan gaya drag 17

Gambar 2.5 Mekanisme terjadinya separasi pada

aliran melewati silinder 20

Gambar 2.6 Separasi bubble ( Bao & Dallmann, 2004 ) 22 Gambar 2.7 Distribusi tekanan pada separasi bubble

( Bao & Dallmann, 2004 ) 23

Gambar 2.8 Skema percobaan (Anisa P.S.,2008) 24

Gambar 2.9 Perbandingan grafik Cp = f(θ) tiap benda

uji (Anisa P.S.,2008) 25

Gambar 2.10 Gambar 2.10 Koefisien drag pada silinder tipe – D θs = 65° untuk setiap variasi axis

ratio (Anisa P.S.,2008) 26

Gambar 2.11 _{skema percobaan(Luo, dkk,1993)} 27

Gambar 2.12 koefisien gaya normal(CN) = f (α) untuk

tiap benda uji (Luo, dkk,1993) ₂₈

Gambar 2.13 koefisien gaya aksial(CA) = f (α) untuk tiap benda uji (Luo, dkk,1993)

(8)

Gambar 2.14 koefisien lift (CL) dan koefisien drag (CD) = f (α) untuk tiap benda uji (Luo,

dkk,1993) 32

Gamabr 2.15 skematik aliran dan sisitem kordinat

(Cheng dan Liu, 1999) 33

Gambar 2.16 _{perbandingan antara eksperimen dan}

komputasi (Cheng dan Liu, 1999) ₃₄

Gambar 2.17 distribusi tekanan dan pola aliran aliran melintasi bodi (Cheng dan Liu, 1999)

36 Gambar 2.18 distribusi tekanan dan pola aliran aliran

melintasi bodi (λ = 0) (Cheng dan Liu, 1999)

t = 91, (b) t = 93, (c) t = 95, (d) t = 97, (e) t = 99 (Cheng dan Liu, 1999)

39

Gamabr 2.19 Cp untuk masing-masing percobaan (Cheng dan

Liu,1999)

40 Gambar 2.20 nilai koefisien drag untuk masing-masing

benda uji (Cheng dan Liu, 1999)

41 Gambar 2.21 _{benda uji (Yaghoubi dan Mahmoodi,}

2004)

(9)

dan Mahmoodi, 2004) 44 Gambar 2.23 _{variasi U/Umax sepanjang plat (Yaghoubi}

dan Mahmoodi, 2004) 45 Gambar 2.24 Gambar 2.25 Gambar 2.26 Gambar 2.27 Gambar 2.28 Gambar 2.29 Gambar 2.30

variasi intensitas turbulensi sepanjang plat (Yaghoubi dan Mahmoodi, 2004)

variasi momentum tichnes dan displacement tichnes sepanjang plat

(Yaghoubi dan Mahmoodi, 2004)

variasi koefisien gesek sepanjang plat

(Yaghoubi dan Mahmoodi, 2004)

intensitas turbulensi sepanjang plat (Yaghoubi dan Mahmoodi, 2004) variasi AR terhadap posisi reattach (Yaghoubi dan Mahmoodi, 2004)

rata-rata kecepatan (PIV)dan model L/D = 0,67 (Higuchi, dkk, 2006)

rata-rata profile kecepatan dengan

(10)

Gambar 2.31 Gambar 2.32 Gambar 2.33 Gambar 2.34 Gambar 2.35 Gambar 3.1 Gambar 3.2 Gambar 3.3 Re=10000

Dye flow visualisasi, L/D = 1,5 (Higuchi, dkk, 2006)

Dye flow visualizations, ReD = 10 000: (a) L/D = 0.67; (b) L/D = 1.5; (c ) L/D = 3 (Higuchi, dkk, 2006)

vektor kecepatan melewati benda uji (Higuchi, dkk, 2006)

profile kecepatan di daerah wake (Higuchi, dkk, 2006)

Proper Orthogonal Decomposition dari medan kecepatan melintasi benda uji L/D= 1.5

Skema Percobaan

Skema Wind Tunnel yang digunakan Profil prisma yang digunakan

52 53 54 54 55 57 59 64 65

Gambar 3.4 Skema visualisasi pada profil prisma 67

(11)

wake 8 Gambar 3.6 Meshing pada prisma terpancung

dengan (b/a) = 12/12

69 Gambar 3.7 Meshing pada prisma terpancung

dengan (b/a) = 2/12 69

Gambar 3.8 Meshing pada prisma terpancung

dengan (b/a) = 1/12 70

Gambar 3.9 Meshing pada prisma terpancung dengan (b/a) = 0/12

70 Gambar 4.1 Grafik Cp = f(θ) prisma terpancung

dengan (b/a) = 12/12

85 Gambar 4.2 2 Hasil visualisasi aliran melintasi

prisma terpancung dengan (b/a) = 12/12 87 Gambar 4.3 Profil kecepatan di belakang prisma

terpancung dengan (b/a) = 12/12

8 8 Gambar 4.4 Grafik Cp = f(θ) prisma terpancung

dengan (b/a) = 2/12. 89

Gambar 4.5 Hasil visualisasi aliran melintasi prisma terpancung dengan (b/a) = 2/12

9 1 Gambar 4.6 Profil kecepatan prisma terpancung

dengan (b/a) = 2/12 92

Gambar 4.7

Grafik Cp = f(θ) prisma terpancung dengan (b/a) = 1/12

9

(12)

Gambar 4.8 Hasil visualisasi aliran melintasi prisma

terpancung dengan (b/a) =1/12 95 Gambar 4.9 _{Profil kecepatan di belakang prisma}

terpancung dengan (b/a) = 1/12 ₉₆

Gambar 4.10 _{Grafik Cp = f(θ) prisma terpancung} dengan (b/a) = 0/12

9 7 Gambar 4.11 Hasil visualisasi aliran melintasi prisma

terpancung dengan (b/a) = 0/12 99 Gambar 4.12 Profil kecepatan di belakang prisma

terpancung dengan (b/a) = 0/12 100

Gambar 4.13 Perbandingan grafik Cp = f(θ) tiap benda uji

101 Gambar 4.14 Perbandingan profil kecepatan di

belakang tiap benda uji 103

Gambar 4.15 Koefisien Total Drag pada Prisma

Terpancung untuk Setiap Variasi (b/a) 105 Gambar 4.16 Perbandingan grafik Cp = f(θ) tiap

benda uji 106

Gambar 4.17 Perbandingan profil kecepatan di

belakang tiap benda uji 109

Gambar 4.18 Koefisien Drag pada Prisma Terpancung untuk Setiap Variasi (b/a)

111 Gambar 4.19 Perbandingan grafik Cp = f(θ) dengan

(b/a) = 12/12 secara eksperimental dan numerikal.

112

(13)

terpancung dengan (b/a) = 12/12 dengan menggunakan fluent

Gambar 4.21 Perbandingan profil kecepatan di belakang tiap benda uji yang dilakukan secara eksperimental dan numerikal

11 4 Gambar 4.22 Perbandingan grafik Cp = f(θ) dengan

(b/a) = 2/12 secara eksperimental dan

numerikal 115

Gambar 4.23 Hasil visualisasi aliran melintasi prisma terpancung dengan (b/a) = 2/12 dengan

menggunakan fluent 116

Gambar 4.24 Perbandingan profil kecepatan di belakang tiap benda uji yang dilakukan

secara eksperimental dan numerikal 117

Gambar 4.25 Perbandingan grafik Cp = f(θ) dengan (b/a) = 1/12 secara eksperimental dan

numerikal 118

Gambar 4.27 Perbandingan profil kecepatan di belakang tiap benda uji yang dilakukan

secara eksperimental dan numerikal 120

Gambar 4.28 Perbandingan grafik Cp = f(θ) dengan (b/a) = 0/12 secara eksperimental dan

(14)

Gambar 4.30 Perbandingan profil kecepatan di belakang tiap benda uji yang dilakukan secara

(15)

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Alokasi waktu penelitian 74

Tabel 4.1 Integrasi u untuk menghitung gaya drag

total 84

Tabel 4.2 nilai Cpb untuk (b/a) = 12/12 sampai

dengan (b/a) = 0/12 103

Tabel 4.3 nilai Cpb benda uji dari (b/a) = 12/12

(16)

(17)

DAFTAR SIMBOL DAN SATUAN

A luasan tekan (m2₎

a panjang sisi alas prisma (m)

b panjang sisi puncak prisma (m)

b/a perbandingan panjang sisi puncak dengan panjang sisi alas

CD koefisien drag

CDp koefisien pressure drag

CDf koefisien friction drag

CDt koefisien total drag

CD1 koefisien drag prisma bagian lower dan upper side

Cp koefisien tekanan

Cpb koefisien base pressure

D diameter silinder (m)

FDf skin friction drag (N)

d diameter silinder pengganggu (m)

FDf skin friction drag (N)

FDp pressure drag (N)

FD gaya drag (N)

FL gaya lift (N)

g percepatan gravitasi (m/s2₎

(18)

Δh selisih pembacaan manometer (m)

L panjang silinder (m); panjang karakteristik (m)

n jumlah pressure tap

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

psk tekanan statis kontur (N/m2₎

∞

s

p

tekanan statis freestream (N/m2₎ pb base pressure (N/m2₎ d

p

tekanan dinamis (N/m2₎ Re bilangan Reynolds SG specific gravity U∞ kecepatan freestream (m/s) max

U

kecepatan lokal maksimum (m/s)

V kecepatan lokal aliran (m/s)

x jarak longitudinal dari pitot tube (m)

y lebar test section wind tunnel (m)

θ

S sudut iris silinder pengganggu (deg)

θ

sudut kontur silinder (deg)

∆p perbedaan antara tekanan freestream dengan tekanan pada dinding prisma (N/m2₎

τyx tegangan geser (N/m2)

(19)

dy

du

gradient kecepatan aliran (s-1₎ u kecepatan lokal aliran (m/s)

δ

boundary layer thickness

ρ massa jenis udara (kg/m3₎

θ

∂

∂p

(20)