TUGAS AKHIR (KONVERSI ENERGI) TM 091486 STUDI EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK KARAKTERISTIK ALIRAN FLUIDA MELINTASI PRISMA TERPANCUNG Dengan PANJANG CHORD (L/A) = 4
Studi kasus pengaruh perbandingan rusuk b/a = 12/12, 5/12, 4/12, 3/12, 2/12, 1/12, 0/12 dengan Re = 3 x 104”.
Oleh : Septian Widyatma 2106 100 157
Dosen Pembimbing: Prof. Dr. Ir. Triyogi Yuwono, DEA
Latar Belakang Aplikasi dari aliran fluida melewati suatu body (eksternal body)
Aliran fluida yang melewati body prisma mengalami separasi, sehingga akan menimbulkan gaya drag Salah satu metode pengurangan gaya drag, yaitu dengan menimbulkan separasi bubble
Penelitian-penelitian terdahulu
PenelitianYuniar,dkk(2009) Lina Arfianti, dkk. (2009 Penelitian Penelitian eksperimental dan numerik tentang karakteristik aliran fluida melintasi prisma terpancung perbandingan rusuk b/a = 0/12, 1/12, 2/12, 3/12, 4/12, 5/12, 6/12, 7/12, 8/12, 9/12, 10/12, 11/12, 12/12, Re= 53000, dan panjang chord konstan (L/a) = 4.
Penelitian Yuniar,dkk(2009) Penelitian Lina Arfianti (2009) 1
HASIL : 0.5 12/12 11/12 10/12
0 30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
Cp
0
330
360
9/12 8/12 7/12 6/12 5/12
-0.5
4/12 3/12 2/12 1/12 0/12
-1
-1.5
θ (°)
terjadi separasi bubble mulai dari leading edge prisma terpancung, yaitu pada sudut yaitu pada sudut (θ = 14° (sisi upper) dan θ = 346° (sisi lower)) sampai dengan sudut (θ) tertentu yang bervariasi pada b/a = 12/12 - 5/12 Untuk b/a= 4/12 – 0/12, terjadi separasi massive mulai dari leading edge prisma terpancung, yaitu pada sudut yaitu pada sudut (θ = 14° (sisi upper) dan θ = 346° (sisi lower)) tanpa ada separasi bubble semakin besar b/a maka titik separasi massive akan semakin maju
Penelitian Yuniar,dkk(2009) Penelitian Lina Arfianti (2009) 6
0.5
0.4
5
0.3 Vp 12/12 Vp 11/12
0.2
4
Vp 10/12
CDp
0.1
Vp 8/12
y/h
Vp 7/12 Vp 6/12
0.0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
-0.1
0.6
0.7
0.8
0.9
1
CD
Vp 9/12
CDt
3
CDf
Vp 5/12 Vp 4/12 Vp 3/12
2
Vp 2/12 Vp 1/12
-0.2
Vp 0/12
1
-0.3
0
-0.4
-0.5
u/Umax
12/12 11/12 10/12 9/12 8/12 7/12 6/12 5/12 4/12 3/12 2/12 1/12 0/12 b/a
Semakin kecil b/a pada prisma terpancung, stream tube yang terbentuk akan semakin besar sehingga adverse pressure gradient yang terjadi semakin besar. Hal ini menyebabkan defisit momentum yang terjadi juga semakin besar. nilai koefisien drag semakin naik dengan berkurangnya b/a
Perumusan Perumusan Masalah Masalah Penelitian terdahulu (Yuniar, dkk. 2009) terjadi separasi bubble mulai b/a = 12/12 - 5/12. Ketika sudut alas diperkecil atau b/a semakin kecil (b/a <<1) maka tidak muncul separasi bubble Re yang terlalu besar Aliran Fluida Melintasi Prisma Terpancung dengan variasi perbandingan rusuk (b/a) yang serupa Memperkecil Re menjadi 30.000
Hipotesa awal diharapkan defleksi aliran yang terjadi tidak terlalu besar, sehingga energi free stream yang ada mampu mengattachkan aliran kembali ke kontur
Tujuan Penelitian dan&Batasan Tujuan Penelitian BatasanMasalah Masalah mengetahui pengaruh pengecilan Re menjadi 30.000 serta variasi perbandingan rusuk (b/a) pada prisma terpancung terhadap kemungkinan terjadinya separasi bubble. Dilakukan dengan cara : Mengukur distribusi tekanan kontur prisma Mengukur profil kecepatan dibelakang prisma Visualisasi aliran dengan menggunakan oil flow picture Pemodelan dengan menggunakan fluent a) b) c) d) e)
Fluida kerja yang mengalir dalam kondisi Incompressible, steady dan uniform flow pada upstream Perpindahan panas diabaikan Analisa hanya dilakukan pada prisma terpancung dengan perbandingan rusuk (b/a = 12/12, 5/12, 4/12, 3/12, 2/12, 1/12, 0/12) Analisa aliran 2 dimensi Kecepatan wind tunnel dianggap konstan, Re = 3 x 104
Metode Penelitian (Eksperimental) Prisma terpancung dengan Perbandingan Rusuk b/a = 12/12, 5/12, 4/12, 3/12, 2/12, 1/12, 0/12 Wall pressure tap
a
b
w
Perbandingan Rusuk (b/a) : 12/12, 5/12, 4/12, 3/12, 2/12, 1/12, 0/12 Pressure Tap : 71 buah Panjang Prisma (L) : 240 mm Lebar Prisma (W) : 600 mm 12/12 5/12
w
4/12 3/12 2/12
ρ, V∞, P∞
1/12 0/12
L
Skema penelitian CP= f (b/a) atau Cp =f (α) CD= f (b/a) atau CD =f (α)
b
a
L
Re = 3.0 x 104
Metode Penelitian (Eksperimental) Alat Ukur Tekanan
Visualisasi Aliran
Inclined Manometer 15°
Metode Oil Picture Flow pada Re = 3 x 104 mengoleskan campuran dengan perbandingan volume konstan
Pitot Static Tube
Acid oleic : titanium powder : thinner A : silicon oil = ( 4 : 1 : 1 : 1)
MetodeMetode Penelitian (Numerik) Penelitian (Numerik) Pemodelan dengan Software Gambit Running Simulasi dengan Software Fluent
Model, Turbulen (k-epsilon) Material, air dengan ρ dan μ tertentu Operating Conditions Boundary Conditions, meliputi wall roughness dan inlet velocity Solution, Second Order Initialize Monitor Residual, penentuan kriteria konvergen, 10-6 Iterasi
Post Processing
Display Contour, Velocity, dan Pressure
Domain Domain Simulasi Numerik Simulasi Numerik Dinding Atas (WALL)
Inlet (VELOCITY INLET)
12a
L
y
a
b
x Prisma (WALL)
Outlet (OUTFLOW)
12a
Dinding Bawah (WALL)
8a
40a
Flowchart Penelitian & Flowchart Penelitian dan Numerik Numerik
mulai
mulai
Perumusan masalah
Pemodelan benda uji dan test section
Meshing serta kondisi batas
Persiapan bahan uji dan peralatan uji
Studi pustaka
eksperimen
numerik
Pemodelan aliran dalam wind tunnel dengan variasi b/a Pengambilan data (U∞,Ps,Po,velocity profile)
Pemodelan grid dengan Gambit
Pemodelan dengan fluent
Visualisasi dengan oil flow picture
Post Processing
Analisa data
Running Software Fluent
Memasukkan batas operasi, meliputi : Models, karakteristik turbulen Materials, udara dengan ρ dan µ tertentu Operating conditions Boundary conditions, inlet, wall dan outlet Solution, Second order Initialize Monitor residual, kriteria konvergensi Iterasi
Konvergen
Y Pembahasan dan kesimpulan
seles ai
Post Processing, tampilan pressure dan velocity
end
N
Hasil Penelitian
Cp 12/12 Cp 2/12 0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
Cp 0/12 Cp1/12
Cp
Cp 3/12 Cp 4/12 Cp 5/12
Posisi dalam sudut, θ (degree)
Semakin besar b/a, distribusi tekanan akan semakin besar dan separasi bubble yang terbentuk semakin kecil. Terjadi separasi bubble pada prisma terpancung dengan b/a = 12/12 mulai dari leading edge. Sedangkan pada 5/12 hingga 0/12, tidak terbentuk separasi bubble. Semakin besar b/a maka wake yang terbentuk akan semakin sempit sehingga defisit momentum akan lebih kecil.
Hasil penelitian Hasil Penelitian
12/12
3/12
0/12
5/12
2/12
4/12
1/12
Semakin kecil perbandingan b/a, separasi bubble yang terbentuk semakin besar, namun terbentuk hanya pada variasi b/a 12/12 ,5/12 dan 4/12. Sedangkan pada variasi 3/12 hingga 0/12, belum terbentuk bubble.
Hasil Penelitian Hasil Penelitian
Semakin besar nilai b/a maka koefisien total drag akan semakin menurun. Didapatkan trend yang sama untuk grafik CDT dan nilai koefisein total Drag yang relatif sama antara hasil eksperimen dan numerik.
Hasil Penelitian Hasil Penelitian
Pada Re = 30.000 menunjukkan koefisien drag yang lebih kecil bila dibanding dengan penelitian Yuniar, dkk, (2009) yang menggunakan Re = 53.000 dan juga Penelitian Aminatus, (2010).
Hasil Penelitian Hasil Penelitian
Shape factor menurun dengan posisi x yang semakin mendekati trailing edge. Hal ini berlaku untuk variasi b/a pada 5/12 dan 12/12. Semakin besar b/a maka nilai shape factor akan semakin kecil. Menunjukkan bentuk velocity profile yang berkembang pada posisi trailing edge prisma. Dari gambar terlihat bahwa bubble hanya terbentuk pada variasi prisma 12/12 ,5/12 dan 4/12 saja.
Kesimpulan Kesimpulan •
Dari penelitian secara eksperimen, terjadi separasi bubble pada prisma terpancung dengan b/a=12/12. Sedangkan untuk b/a=5/12, 4/12, 3/12, 2/12, 1/12, dan 0/12 tidak ditemukan adanya separasi bubble.
•
Pada penelitian secara numerik, ditemukan adanya separasi bubble pada prisma terpancung dengan b/a= 12/12, 5/12, dan 4/12. Sedangkan untuk prisma terpancung dengan b/a= 3/12, 2/12, 1/12 dan 0/12 tidak ditemukan adanya separasi bubble.
•
Semakin kecil b/a pada prisma terpancung menyebabkan nilai distribusi tekanan (Cp) semakin kecil.
Kesimpulan Kesimpulan •
Pada Prisma terpancung yang dialiri aliran fluida maka akan terjadi defisit momentum . Semakin kecil b/a maka semakin besar pula defisit momentum yang terjadi.
•
Pada grafik Cp dan velocity profile penelitian secara eksperimental dan numerik memiliki tren yang hampir sama, namun memiliki nilai yang sedikit berbeda.
•
Semakin kecil b/a pada prisma terpancung menyebabkan gaya drag yang terjadi semakin besar. Pada Re yang lebih kecil (bila dibandingkan dengan penelitian Yuniar, dkk(2009)) yaitu sebesar 30.000, maka gaya drag yang terjadi juga semakin kecil.
•
Harga shape factor pada aliran fluida melintasi prisma terpancung yang mengalami separsi bubble semakin menurun seiring dengan posisi yang mendekati trailing edge.
