ANALISA DAN VISUALISASI MEDAN ALIRAN PADA GEOMETRI BACKWARD-FACING STEP DENGAN INJEKSI GAS ISHOTERMAL MENGGUNAKAN PARTICLE IMAGE VELOCITIMETRY Izhar Mohamad rahman Departemen Teknik, FTM UI, Kampus UI Depok 16424 Teknik Mesin, Program Ekstensi Universitas Indonesia
[email protected]
Abstrak Penelitian ini dilakukan dengan metode pengukuran dan visualisai dengan menggunakan particle image velocimetry. Untuk memprediksi medan aliran kecepatan, streamline, vortisitas, dan intesitas turbulen pada aliran dalam kanal backward facing step pada zona resirkulasi dan reattachment Dalam penelitian ini, parameter yang menjadi perhatian adalah rasio spesifiki momentum injeksi I=0,1 dan I=0,5 dengan tinggi step H=20 mm dan H=10mm serta penggunaan injeksi udara dengan temperatur isothermal atau suhu kamar 30 0 C. Metode komputasi atau pengolahan data menggunakan software DANTEC DYNAMIC STUDIO 3.2, hasil pengolahan secara komputasi digunakan sebagai acuan untuk menjelaskan hasil yang didapat pada penelitian ini. Abstract The research was done by the method of measurement and visualization using particle image velocimetry. To predict the flow field velocity, streamline, vortices, and turbulence intensity on the flow in the channel facing backward step in the recirculation zone and reattachment In this study, the parameters of concern is the ratio of specific momentum injection I = 0.1 and I = 0.5 with step height H = 20 mm and H = 10 mm, and the use of air injection with isothermal temperature or room temperature 30 C. The method of computing or data processing using software DANTEC DYNAMIC STUDIO 3.2, the processing of computationally used as a reference to explain the results obtained in this study.
Keywords: backward facing step,particle imege velocimetry,recirculation,reattachment,specific momentum
Analisa dan..., Izhar M. Rahman, FT UI, 2013
parameter yang berperan dalam aliran tersebut.
PENDAHULUAN
Masalah
yang
ditelusuri
adalah
peningkatan
Particle Image Velocitimetry adalah sebuah
parameter laju perpindahan momentum, kalor dan
metode optikal dari visualisasi aliran yang biasa
massa melalui analisa gambaran karakteristik medan
digunakan dalam bidang pendidikan dan penelitian.
aliran resirkulasi pada backward-facing step dengan
PIV digunakan untuk mendapatkan kecepatan sesaat
injeksi gas (suhu kamar). Pengatur rasio momentum
dan property – property yang terkait dalam fluida.
ditentukan dengan mengatur kecepatan supply udara
Fluida primer yang ditaburi partikel tambahan
dari compressor (kecepatan aliran bebas dari
berupa minyak zaitun disumsikan mengikuti lintasan
blower).
dari aliran fluida primer. Fluida primer yang telah
Tujuan dari penelitian ini adalah mendapatkan
tercampur disinari agar pertikel – partikelnya
gambaran karakteristik dari medan aliran khususnya
terlihat. Gerakan dari partikel pencampur digunakan
medan kecepatan sebagai fungsi parameter dinamika
untuk menghitung laju dan arah ( medan vector
fluida aliran dalam bentuk gambar medan vector
kecepatan ) dalam fluida yang diamati. Pada
kecepatan
perconaan kali ini metode PIV digunakan pada
Velocimetry (PIV).
step
Particle
Image
Metode visualisasi ini akan menggambarkan
geometri backward facing step. Backward-facing
menggunakan
merupakan
suatu
baik secara kualitatif aliran
maupun secara kuantitatif
geometri dimana suatu jalur aliran mendapatkan
karakteristik
pelebaran (contaction) mendadak sehingga tampak
dipelajari.
seperti anak tangga yang terbalik⁽²²⁾⁽²³⁾. Aliran yang
diharapkan dapat diperoleh data berupa visualisasi
melewati geometri ini akan menghasilkan aliran
aliran yang secara lebih jauh dapat dianalisa baik
separasi sehingga terbentuk lapisan geser, zona
secara kualitatif maupun kuantitatif.
Melalui
resirkulasi penggunaan
yang
hendak
metode
ini
resirkulasi dan lapisan batas yang berkembang kembali. Gambar 1 menjelaskan secara umum gambaran dari geometri backstep dimana geometri ini
sudah
dilengkapkan
titik
injeksi
beserta
Gambar 1. Konfigurasi aliran backward facing step
Sistem Resirkulasi pada alat yang akan diteliti
diwujudkan dengan geometri sedemikian rupa
pada makalah yaitu aliran kanal dimana terjadi
sehingga terbentuk seperti tangga terbalik sehingga
pembesaran mendadak. Pembesaran mendadak ini
dinamakan backward facing step. Beberapa elemen
Analisa dan..., Izhar M. Rahman, FT UI, 2013
penting dalam system resirkulasi ini diantaranya
dimana sebelum memasuki test section akan melalui
adalah
heater untuk dipanaskan dulu.. Skema peralatan
1.
proses
aliran
resirkulasi
(resirculation
secara keseluruhan terdapat pada gambar berikut.
zone), 2.
lapisan geser terseparai (shear layer)
3.
lapisan
aliran
berkembang
kembali
(redeveloping boundary layer)
METODE PENELITIAN Penelitian yang berdasarkan turbulensi pada geometri backward-facing step ini merupakan tahap lanjutan dari penelitian – penelitian yang telah dilakukan sebelumnya dimana bila pada penelitian sebelumnya
menjelaskan
aspek
distribusi
Gambar 2. Skema alat uji
temperatur, sifat pembakaran dalam test section Peralatan dalam penelitian untuk pengambilan
hingga analisa CFD, maka masalah dalam penelitian kali ini mempunyai metode dan hasil yang berbeda.
data eksperimental antara lain:
Menggunakan nebulizer sebagai pemecah partikel,
a.
Blower sentrifugal
maka akan ditangkap citra oleh alat perekam gambar
b.
Sistem pemipaan dan katup buan
seperti digital camera atau high speed camera pada
c.
Wind Tunnel
bagian test sevtion. Pengaturan cahaya dilakukan
d.
Test Section
dengan membuat dark room di sekitar gtest section
e.
Kompresor udara
agar kualitas gambar yang ditangkap berdasarkan
f.
Nebulizer
light sheet based visualization of flow field menjadi
g.
Voltage Regulator
semakin baik. Suplai dari aliran bebas berasal dari
h.
Dark Room
blower
i.
Double-cavity Nd:YAG laser
sedangkan
injeksi
dilakukan
dengan
memasukkan compressed air dari kompresor gedung j.
Kamera Cross-Correlation
k.
Personal Computer(PC)
Parameter yang digunakan dalam penelitian adalah rasio momentum 0.1 untuk temperature ambient.
Pada penelitian ini dilakukan beberapa asumsi,
test
section
Penelitian ini menggunakan unit PIV untuk mendapatkan medan vector kecepatan Aliran
Titik injeksi dari partikel diposisikan sebelum
injeksi gas dari yang keluar dari slot dianggap
bagian test section dan pada dinding step
seragam untuk parameter
dengan jarak 5mm dari top base, dan
Menggunakan konsep dark room sebagai upaya pengendalian cahaya untuk proses
kecepatan dan
temperatur, sehingga hanya satu titik saja,
menggunakan dua unit nebulizer.
dari
divariasikan pada ketinggian 20 [ mm ].
diantaranya:
Geometri
yaitu titik tengah dari slot yang diukur.
Fluida Aliran bebas yang terjadi mempunyai kecepatan yang seragam.
penangkapan medan aliran resirkulasi.
Analisa dan..., Izhar M. Rahman, FT UI, 2013
Pengambilan data dapat dilakukan setelah
ρo = Massa jenis udara suplai
melakukan beberapa tahapan prosedur terlebih dahulu dan pengaturan beberapa parameter tersebut harus berdasarkan rasio spesifik momentum injeksi
Vi = Kecepatan udara injeksi Vo = Kecepatan udara suplai
yang telah ditentukan, sesuai persamaan dibawah: Terdapat I=
𝜌𝑖 𝑥 𝑣𝑖 𝑥 𝑣𝑖 𝜌𝑜 𝑥 𝑣𝑜 𝑥 𝑣𝑜
……….3.1
berbagai
kondisi
percobaan
diantaranya adalah rasio injeksi. Tinggi dari step, jarak step hingga temperature injeksi yang masuk
Dimana I = Rasio momentum spesifik
pada slot injeksi jet. Berikut adalah kombinasinya.
ρi = Massa jenis udara injeksi
kondisi
Rasio momentum spesifik
Jarak injeksi
1 0.1 2 2H = 40 mm 3 0.5 4 5 0.1 6 2H = 20 mm 7 0.5 8
Kecepatan udara suplai dan temperatur
Kecepatan injeksi dan temperatur injeksi
1.4 m/s, t = 300 C
0.49 m/s, t = 300 C
1.8 m/s, t = 300 C
0.78 m/s, t = 300 C
1.4 m/s, t = 300 C
1.09 m/s, t = 300 C
2.5 m/s, t = 300 C
2.43 m/s, t = 300 C
1.4 m/s, t = 300 C
0.49 m/s, t = 300 C
1.8 m/s, t = 300 C
0.78 m/s, t = 300 C
1.4 m/s, t = 300 C
1.09 m/s, t = 300 C
2.5 m/s, t = 300 C
2.43 m/s, t = 300 C
medan kecepatan diketahui sebagai fungsi dari x
HASIL DAN PEMBAHASAN
dan y (dan t jika aliranya tak-tunak), maka Visualisasi (streamlines)
Stream
adalah
line,
sebuah
Garis garis
arus
persamaan
ini
dapat
diintegralkan
yang
mendapatkan persamaan dari garis-arus.
untuk
menyinggung (tangen terhadap) medan kecepatan.
Untuk menghasilkan garis-arus secara
Jika aliran tunak, tidak ada yang berubah terhadap
eksperimental dilaboratorium, penggunaan asap
waktu
arah
atau bahan penjejak lainya yang diinjeksikan
kecepatan), sehingga garis-garis arusnya adalah
kedalam aliran dapat memberikan informasi yang
garis-garis tetap didalam ruang. Untuk aliran tak
berguna berkaitan dengan garis-arus pada aliran
tunak , garis-arus dapat berubah bentuknya
tak tunak
disebuah
titik
(termasuk
juga
menurut waktu. Garis arus diperoleh secara analitik dengan mengintegralkan persamaan garis
Visualisasi kondisi 1-4
yang menyinggung medan kecepatan. untuk aliran dua dimensi kemiringan dari garis-arus, dy/dx, harus sama dengan tangen dari sudut yang dibuat oleh vektor kecepatan dengan sumbu-x, Jika
Analisa dan..., Izhar M. Rahman, FT UI, 2013
Gambar 3
Gambar 6
Gambar 3-6 adalah hasil visualisasi PIV dari percobaan yang telah dilakukan Gambar 3 adalah visualisai dari kondisi 1, gambar 4 adalah visualisasi dari kondisi 2, gambar 5 adalahvisualisai dari kondisi 3, dan gambar 6 adalah visualisasi dari kondisi 4. Parameter dari percobaan tersebut telah ditunjukan padal tabel 1. Kondisi 1 – 4 memiliki kajian parameter yang sama yaitu pada ketinggian step 2h = 40mm. Yang membedakan adalah rasio momentum tiap kondisi (kecepatan saluran masuk dibagi dengan kecepatan Gambar 4
injeksi) .dari percobaan yang telah dilakukan, didapatkan semakin besar rasio momentum yang terjadi luasan resirkulasi yang didapat semakin panjang. Visualisasi kondisi 5-8
Gambar 5
Gambar 7
Analisa dan..., Izhar M. Rahman, FT UI, 2013
V u ( x, y, z , t )iˆ v( x, y, z, t ) ˆj w( x, y, z, t ) kˆ (2.2) Dimana u, v, dan w adalah komponen-komponen vektor kecepatan dalam arah x, y, dan z. Menurut definisi, kecepatan sebuah partikel adalah laju perubahan per satuan waktu dari vektor posisi partikel tersebut. Seperti diilustrasikan pada Gb. 2.2, posisi partikel A relatif terhadap sistem
Gambar 8
koordinat diberikan oleh vektor posisi, rA, yang merupakan fungsi dari waktu (jika partikel bergerak). Turunan terhadap waktu dari posisi ini memberikan kecepatan dari partikel tersebut
drA / dt VA ,
dengan menuliskan kecepatan
untuk seluruh partikel, kita dapat memperoleh gambaran
medan
dari
vektor
kecepatan
V=V(x,y,z,t).
Gambar 9
Gambar 10 Kondisi 5 – 8 memiliki kajian parameter yang
Gambar 11. Tempat kedudukan partikel yang
sama yaitu pada ketinggian step 2h = 20mm. Yang
dinyatakan dengan vektor posisi
membedakan adalah rasio momentum tiap kondisi (kecepatan saluran masuk dibagi dengan kecepatan injeksi)
Berikut adalah grafik kecepatan vektor dari percobaan yang telah dilakukan, nilai kecepatan vektor yang didapat merupakan hasil analisa
Kecepatan vektor Salah satu variabel fluida yang paling penting adalah medan kecepatanya.
menggunakan software DANTEC
STUDIO 3.20.
Analisa dan..., Izhar M. Rahman, FT UI, 2013
DYNAMIC
Kondisi 4
Kondisi 1 350
900 800
300
700
R y/h5
200
R y/h 10
150 100
600 V (mm/s)
V (mm/s)
250
400
R y/h 10
R y/h 15
300
R y/h 15
R y/h 20
200
R y/h 20
50
100
0
0 0
10
20
30
40
x (mm)
R y/h5
500
0
50
10
20
30
40
50
X (mm)
Kondisi 5 Kondisi 2
300
450 250
400 350 V (mm/s)
R y/h5
250 200
R y/h 10
150
R y/h 15
V (mm/s)
200
300
100
R y/h 20
50 0
R y/h 2,5 150 100
R y/h 7,5
50
R y/h 10
0 0
10
20
30
40
50
0
X (mm)
10
20
30
40
50
X (mm)
Kondisi 3
350
Kondisi 6 600
300
500
250 200
R y/h5
150
R y/h 10 R y/h 15
100 50
R y/h 20
0 0
10
20
30
X (mm)
40
400 V (mm/s)
V (mm/s)
R y/h 5
R y/h 2,5 300
R y/h 5
200
R y/h 7,5
100
R y/h 10
50 0 0
10
20
30
X (mm)
Analisa dan..., Izhar M. Rahman, FT UI, 2013
40
50
TI
Kondisi 7 600
urms U0
500
V (mm/s)
400
R y/h 2,5 300
Besaran kecepatan yang dimasukan kedalam
R y/h 5
200
R y/h 7,5
persamaan tersebut didapatkan dari software
100
R y/h 10
DANTEC DYNAMIC STUDIO 3.20. kemudian dibagi dengan kecepatan saluran masuk (blower)
0 0
10
20
30
40
50
X (mm) Berikut adalah tabel dari nilai intensitas turbulent yang Kondisi 8
didapat dari percobaan.
800
Kondisi 1
700
V (mm/s)
600 500
R y/h 2,5
400
R y/h 5
300
R y/h 7,5
200
R y/h 10
100 0 0
10
20
30
40
50
X (mm)
X
iT y/h 5
iT y/h 10
iT y/h 15
iT y/h 20
5
0,003849
0,007213
0,006441
0,033502
10
0,008207
0,008814
0,008163
0,053291
15
0,011589
0,010952
0,005832
0,109342
20
0,006859
0,004378
0,007232
0,164235
25
0,003964
0,003269
0,015257
0,192946
30
0,004606
0,003494
0,038916
0,204013
35
0,016612
0,038235
0,138476
0,14793
40
0,033224
0,110187
0,033879
0,105031
Dari analisa yang dilakukan dengan menggunakan software DANTEC DYNAMIC STUDIO 3.2 dapat
Kondisi 2
diketahui besaran kecepatan vektor yang terjadi pada
x
iT y/h 5
iT y/h 10
iT y/h 15
iT y/h 20
area penelitian Berdasarkan analisa besaran kecepatan
5
0,637222
0,837394
0,58419
10,6976
vektor melalui nilai yang ditunjukan pada moving
10
0,826335
0,539134
1,013029
6,181927
average validation maka dapat diketahui kecepatan
15
1,016111
0,635146
0,85613
15,25957
pada setiap titik yang ditunjukan grafik.
20
0,824979
0,828306
1,475374
18,23738
Intensitas Turbulen
25
0,906667
0,731667
2,473669
20,31198
Turbulensi dapat dianggap sebagai aliran fluida
30
1,099444
0,846815
5,015189
21,53326
yang berfluktuasi dan merupakan sifat fluida yang
35
1,719507
4,479577
12,15148
18,15508
sangat penting apabila berbicara mengenai aliran
40
1,387417
2,741957
0,059654
10,3781
yang terjadi pada kendaraan. Turbulensi juga dapat dinyatakan dengan intensitas turbulensi. Intensitas turbulensi adalah suatu skala yang mengkarakteristikan turbulen dalam persen. Persamaan dari intensitas turbulensi adalah
Analisa dan..., Izhar M. Rahman, FT UI, 2013
Kondisi 3
Kondisi 6
X
iT y/h 5
iT y/h 10
iT y/h 15
iT y/h 20
X
iT
iT
iT
iT
5
0,140571
0,728816
0,697152
1,9552
5
2,926782
2,396141
3,33623
6,096714
10
0,688795
0,776133
0,919374
2,990807
10
3,700054
3,192351
2,714492
8,819686
15
1,092607
1,000458
0,810616
16,67322
15
1,740069
3,584158
3,588501
13,97539
20
1,165138
0,444584
0,786908
18,2488
20
1,532782
4,08209
5,469241
15,73889
25
0,444
0,387357
1,700991
20,70921
25
4,465369
2,701435
7,088148
16,92465
30
0,584947
0,407696
4,610362
21,75574
30
5,389258
3,319559
15,01667
27,81185
35
2,38824
3,38234
14,11951
19,19827
35
4,428957
13,79446
24,24585
27,77405
40
1,742268
2,388128
2,797897
15,87176
40
14,25539
18,05182
21,31283
27,74977
Kondisi 4
`kondisi 7
x
iT
iT
iT
iT
X
It
iT
iT
iT
5
0,698639
0,520458
0,38596
26,76765
5
6,661715
2,538656
2,10775
12,23321
10
0,798547
0,650609
1,322856
29,8523
10
4,330646
2,93464
1,6855
15,45031
15
0,494
0,916938
1,452073
30,69449
15
4,183543
6,97284
7,624353
17,92741
20
3,356939
2,671661
4,323386
32,46716
20
8,227775
3,894043
11,06534
26,31322
25
2,568449
2,347492
7,16012
32,94095
25
3,992359
2,74487
12,78671
30,59538
30
1,722022
2,552276
12,94934
33,60512
30
6,127577
14,37834
15,9227
34,20376
35
4,622622
10,2188
15,83207
30,87603
35
7,114551
11,76725
20,8711
31,81053
40
7,005883
5,35886
9,82676
24,71292
40
18,08992
15,90012
20,27744
33,87155
Kondisi 5 X
iT y/h 2,5
Kondisi 8 iT y/h 5
iT y/h 7,5
iT y/h 10
X
iT y/h 2,5
iT y/h 5
iT y/h 7,5
iT y/h 10
5
0,206487
0,792466
0,83889
5,476665
5
0,246836
0,306678
0,377496
3,439853
10
0,207493
0,632195
0,29916
3,574878
10
0,590237
1,62736
1,176324
12,06446
15
1,165758
0,649729
1,315034
14,81873
15
1,200086
1,652902
2,569466
24,08323
20
1,145471
0,322713
2,529718
16,96499
20
3,580048
1,782992
8,264265
26,2405
25
1,281961
0,989055
3,361291
17,3069
25
5,330129
2,685834
11,22099
26,79315
30
0,39279
1,805181
6,839966
19,82562
30
3,682529
5,498059
16,85396
29,06273
35
2,136014
6,283365
16,19327
19,80221
35
2,767285
9,551356
17,97453
29,55777
40
1,258028
2,391608
2,394323
16,06998
40
9,389087
10,32229
18,17555
26,89871
Analisa dan..., Izhar M. Rahman, FT UI, 2013
REFERENSI
KESIMPULAN Dari eksperimental menggunakan PIV yang
Harinaldi, 2000. Flow structure and mixing behind a
telah dilakukan pada geometri backward facing step dengan pengaruh injeksi gas isothermal dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :
backward facing step with the existence of non reactive gas injection, Keio, Japan Rhakasywy, Damora, 2010. Karakteristik sifat transport
1.
Penambahan
kecepatan
aliran
pada
saluran masuk (blower) mempengaruhi
dan struktur aliran resirkulasi dibawah pengaruh eksistasi eksternal, Depok, Indonesia
panjang resirkulasi, dimana semakin besar aliran
Setiadji, Nanda, 2012. Studi PIV pengaruh kontrol aktif
resirkulasi pada visualisasi streamline
aliran syntetic jet pada medan aliran luar disekitar
nilai
kecepatan
blower
pola
semakin terlihat. 2.
model bluff body, depok, Indonesia
Rasio kompresi berpengaruh terhadap terbentuknya pola resirkulasi .pada rasio momentum 0,5 pola resirkulisasi lebih
Munson, B. (2002). Mekanika Fluida (Dr.Ir. Harinaldi &
Ir.
Budiarso,
M.Eng,
Penerjemah).
Jakarta:Erlangga.
jelas dibandingkan dengan rasio 0,1 3.
maksimum vektor ditiap
Barton, I.E, 1994. Laminar flow past an enclosed and
kondisi berada pada posisi yang sama,
open backward facing step. Phys.fluids, 6,4054-4056
Kecepatan
yaitu pada garis alir yang terdekat dengan
4.
K.D
Jansen,
measurement,
Dantec
aliran mainstream. Yaitu pada y/h = 20
Dynamics Inc. (2004), Vol. XXVI, No. 4 /
dan y/h = 10 mm
401.
Intensitas turbulensi maksimum berada pada range 15-35 % untuk semua kondisi.dan terjadi pada y/h 20 mm dan y/h 10 mm
5.
flow
Pada
tiap
kondisi
percobaan
nilai
vortisitas yang terbentuk berupa nilai vortisitas positif dan vortisitas negatif. Terbentuknya vortisitas terjadi pada area upstream dan downstream.
Analisa dan..., Izhar M. Rahman, FT UI, 2013
