ANALISA PENAMBAHAN SPLITTER PLATE PADA HELICAL STRAKES UNTUK MEREDUKSI VIV YANG TERJADI Ghulam Nur Utomo, Rudi Walujo Prastianto, Suntoyo Jurusan Teknik Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya Kampus ITS Sukolilo Surabaya 60111 Email:
[email protected] ;
[email protected];
[email protected] ABSTRAK Masalah yang sering timbul pada riser bangunan lepas pantai adalah Vortex-induced Vibration (VIV). Helical Strakes merupakan sebuah passive control device yang sering digunakan untuk mereduksi VIV. Namun helical strakes memiliki kelemahan yaitu memperbesar drag yang terjadi. Pada penelitian ini telah dimodelkan sebuah silinder yang menggunakan helical strakes dengan tambahan splitter plate di belakangnya untuk mengurangi drag dan VIV. Analisa dilakukan dengan menggunakan metode computational fluids dynamic (CFD). Silinder yang digunakan memiliki diameter (D) 0.076 m dan panjang 10D. Parameter yang divariasikan pada model yang digunakan adalah jarak antara silinder yang menggunakan helical strakes dengan splitter plate (G) dan lebar splitter plate (LP). Nilai variasi G adalah 0D, 0.5D, 1D, 1.5D dan 2D dengan variasi LP sebesar 1D, 2D, 3D dan 4D. Arus uniform yang dikenakan adalah pada rentang subcritical Reynolds number dengan nilai Re = 4×104, 7×104 dan 1×105. Hasil analisa menunjukkan bahwa model dengan konfigurasi G = 1D dan LP = 4D menghasilkan CD paling kecil. Konfigurasi ini mampu mereduksi VIV paling baik yaitu sebesar 18% untuk Re = 1×105, sementara helical strakes biasa mampu mereduksi 39% pada Re yang sama. Dapat disimpulkan bahwa model dengan tambahan splitter plate mampu menghasilkan CD yang lebih kecil dengan VIV yang lebih besar bila dibandingkan dengan helical strakes biasa. Kata-kata kunci : Vortex Induced Vibration, VIV, passive control devices, helical strakes, splitter plate, Computational Fluid Dynamic, CFD ABSTRACT A problem that often found in riser-current interactions is Vortex-induced Vibration (VIV). Helical strake is a passive control device that commonly used to suppress such VIV. But, the helical strakes have a weakness with on enlarging induced drag force. This study introduced an additional splitter plate behind a model cylinder with helical strakes in order to suppress VIV. The cylinder has a diameter (D) of 0.07m and height of 10D. Computational fluids dynamic (CFD) method was used to perform the analysis. Variations of parameters in the used model are the distance between the cylinder with helical strakes to the splitter plate (G) and the width of splitter plate (LP). Variation in G is 0D, 0.5D, 1D, 1.5D, and 2D; while variation in LP is 1D, 2D, 3D, and 4D. The applied current is on Subcritical range with Reynolds number (Re) of 4×104, 7×104, and 1×105. The results shown that a model with configuration of G = 1D and LP = 4D produce the lowest CD. This configuration gives the best VIV reduction in Re 1×105 with percentage of 18, but helical strakes only can reduce VIV by 39% in the same Re value. Thus, the analyzed model (with splitter plate) produces smaller CD than that of helical strakes. But, from the performance to suppress VIV, helical strake is superior to the analyzed model.
Keyword : Vortex Induced Vibration, VIV, passive control devices, helical strakes, splitter plate, Computational Fluid Dynamic, CFD
1
1. Pendahuluan Riser adalah alat yang digunakan untuk mentransport minyak dan gas dari dasar laut. Riser berwujud pipa dengan arah vertikal yang menghubungkan antara bagian bawah laut dan fasilitas anjungan lepas pantai atau fasilitas produksi lainnya. Riser merupakan piranti yang sering digunakan dalam operasi lepas pantai. Masalah yang timbul pada riser adalah Vortex Induced Vibration (VIV). VIV terjadi karena adanya arus laut yang melewati riser. Gaya eksitasi yang ditimbulkan VIV dapat menyebabkan getaran pada riser. Dampak yang ditimbulkan VIV pada riser diantaranya adalah : mengurangi farique life, meningkatkan axial tension, meningkatkan extreme load dan meningkatkan gaya drag. Menurut Blevins (2001), helical strakes, perforated shrouds, ribbon cable, spoilers dan axial slats dapat mengurangi respon VIV sebesar 70-90% pada silinder sederhana. Peningkatan dimeter efektif dan permukaan area pada alat-alat ini menyebabkan peningkatan drag untuk silinder diam sebesar kurang lebih 15-50%. Sedangkan pada streamlined fairings atau guided vanes, selain dapat mengurangi respon VIV sebesar 80% alat ini mampu mengurangi drag sebesar 50%. Pada tugas akhir ini akan dilakukan analisa pengaruh penambahan splitter plate pada silinder yang menggunakan helical strakes. Variasi yang dilakukan adalah pada lebar splitter plate dan jarak antara silinder yang menggunakan helical strakes dengan splitter plate yang ditambahkan. Diharapkan dengan variasi ini terjadi penurunan drag dan viv yang terjadi. 2.
Dasar Teori
2.1. Vortex Induced Vibration Reynolds number termasuk bilangan takberdimensi, besaran ini merupakan perbandingan antara inertia force dan viscous force. ܴ݁= ݎܾ݁݉ݑ݊ ݏ݈݀݊ݕ Dengan :
௩
=
௧ ௩௦௨௦
(1)
Re = Reynolds Number V = kecepatan partikel (m/s) D = diameter silinder (m) v = viskositas kinematis (m2/s) Sebuah silinder yang berada dalam aliran steady akan mengalami pelepasan vortex bila Re > 40. Pelepasan vortex tersebut menimbulkan komponen gaya-gaya (gaya lift dan gaya drag) yang bekerja pada silinder tersebut dengan bervariasi secara periodik. Gaya lift menimbulkan getaran tegak lurus arah aliran fluida (Cross-flow vibration). Sedangkan, gaya drag menimbulkan getaran searah aliran (In-line vibration). Bentuk-bentuk tak berdimensi dari lift dan drag adalah koefisien lift dan koefisient drag. Koefisient lift (CL) dan koefisient drag (CD) didefinisikan sebagai berikut: (2) (3) Dengan : CL CD L D ρ A U
= koefisien lift = koefisien drag =gaya lift (N) =gaya drag (N) =densitas fluida (kg/m3) = area (m2) = kecepatan fluida (m/s)
2.2. Peredaman VIV VIV dapat diredam dengan tiga metode. Metode pertama adalah mengontrol reduced velocity. Prinsip kerja metode pertama adalah menjaga nilai keritis batas getaran mulai terjadi tidak terlampaui. Metode kedua adalah mengontrol massa dan redaman. Prinsip kerja metode kedua adalah memperbesar parameter stabilitas (Ks). Metode ketiga adalah mengontrol vortex shedding. Helical strakes merupakan salah satu suppression devices yang banyak digunakan untuk mengurangi VIV pada. Lebar strakes kurang lebih 10%-15% diameter riser. Strakes, umumnya dapat meningkatkan nilai gaya drag dan hydrodynamics damping riser.
2
(10) Dimana : mBall kSpring tStep velBall Gambar 1. Helical strakes (Korkischko dan Meneghini, 2010)
Pelepasan vortex hanya akan terjadi jika terdapat interaksi antara dua lapisan geser (shear layer) pada dua sisi silinder. Hal ini bisa dihindarkan dengan cara meniadakan interaksi tersebut. Misalnya dengan memasang pelat pemisah di bagian belakang silinder di antara dua lapisan tersebut. Dengan demikian pelepasan vortex bisa dicegah, sehingga pelepasan vortex tidak terjadi. Hal ini yang menjadi dasar pemasangan splitter plate.
FSpring Fflow dBallNew
= Komponen massa (Kg) = konstanta spring (N/m) = Time Step (s) =Komponen kecepatan silinder uji (m/s) = Komponen spring (N) = Gaya setiap time step (N) =Notasi untuk pergeseran silinder
3. Metodologi Penelitian ini menggunakan pendekatan numeris dengan analisa computational fluids dynamic (CFD). Proses awal adalah melakukan validasi dengan penelitian Wong (1982).
2.3. Persamaan Gerak Dibawah ini adalah persamaan gerak yang umum digunakan untuk menganalisa gerakan struktur. (4) (5) Dengan : Fx = Drag Force Fy = Lift Force m = Mass per unit length c = Damping coefficient k = Spring Constant x & y = displacement variable Untuk memodelkan respons struktur akibat gaya fluida (Fluids Structure Interaction) maka persamaan diatas dapat diturunkan menjadi persamaan berikut (Ansys, 2002): (6) (7)
Gambar 2. Validari (Wong, 1982)
Model dasar yang digunakan untuk validasi adalah model dengan helical strakes. Adapun dimensi yang dimaksud meliputi : D silinder = 7.6 cm L/D = 10 Three-start pattern helical strake Helical strake heigh (H) = 0.1 D Helical strake pitch (P) = 5 D Helical strake weidth =0.04D
(8) (9)
3
Gambar 3. Sketsa model dasar
Adapun dimensi domain yang digunakan adalah sebagai berikut : Panjang = 19 kali diameter riser uji Lebar = 15 kali diameter riser uji Tinggi = tergantung panjang riser Sebelum dilakukan validasi terlebih dahulu dilakukan sensitifitas meshing. Dalam penelitan ini digunakan jenis meshing robust octree. Langkah selanjutnya adalah pemodelan variasi model dengan ketentuan: Re yang diambil : 4x104, 7x104, 1x105 : 7.6 cm diameter silinder tinggi silinder uji : 10 D H strakes : 0.1 D P strakes :5D W strakes : 0.04 D Lebar celah plat (G/D) : 0, 0.5, 1, 1.5, 2 Lebar plat (LP) : 1D, 2D, 3D, 4D W plate : 0.04 D
output tersebut dapat dihitung CD yang merupakan nondimensional parameter. Model yang mampu mereduksi CD dengan baik dipilih sebagai model untuk proses analisa VIV. Untuk VIV, perlu dilakukan analisa time domain. Sehingga besaran force yang dihasilkan adalah berdasar waktu. Adapun time step yang digunakan dalam penelitian ini adalah 0.1 s. Sedangkan besarnya koefisien spring yang digunakan adalah 11 N/m. Respons struktur adalah sebagai reaksi dari gaya aksi yang didapat dari output analisa CFD. Getaran yang dianalisa adalah in-line vibration dan cross-flow vibration. Dalam analisa ini yang akan dibandingkan adalah silinder polos, silinder yang menggunakan helical strakes dan model 18. Adapun yang menjadi pembanding adalah mean, RMS dan frekuensi respons struktur. Nilai mean respons sturktur menunjukkan besarnya defleksi yang terjadi. Nilai RMS respons struktur menunjuakkan besarnya amplitudo. Besarnya frekuensi respons struktur menunjukkan banyaknya getaran yang terjadi dalam satuan waktu. AMean dan ARMS merupakan reaksi dari output CFD. Sedangkan frekuensi respons didapat dari analisa FFT. 4.
Analisa Hasil dan Pembahasan
4.1. Model Dasar Validasi dengan penelitian Wong menunjukkan hasil yang bisa diterima.
(1982)
sensitivitas 1.4 1.35 CD
1.3 1.25 1.2 1.15 1.1 0.00E+00 1.00E+06 2.00E+06 3.00E+06 Gambar 4. Sketsa model uji Jumlah Elemen Mesh
Output yang diambil adalah gaya yang searah dengan aliran arus (drag force). Kemudin dari
Gambar 5. Grafik sensitivitas model dasar (Re=1x105)
4
Tabel 1. Ukuran meshing model dasar yang dipilih PART
UKURAN
INLET
0.03
OUTLET
0.03
WALL
0.03
HELICAL
0.0025
FLUIDS
robust octree
ELEMEN
1415817
Gambar 7. Meshing pada model uji (model 10)
sensitivitas 1.35
Gambar 6. Grafik validasi model dasar
Model Uji CD 4.2. Berikut ini adalah model variasi yang digunakan
LP 1D 1D 1D 1D 1D 2D 2D 2D 2D 2D 3D 3D 3D 3D 3D 4D 4D 4D 4D 4D
1.25 1.2 1.15 1.1 0
Table 2. Model variasi MODEL PLAIN HELICAL STRAKES 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
CD
1.3
G 0D 0.5D 1D 1.5D 2D 0D 0.5D 1D 1.5D 2D 0D 0.5D 1D 1.5D 2D 0D 0.5D 1D 1.5D 2D
Sensitifitas meshing berikut ini dilakukan pada model 10 dengan konfigurasi G=2D dan LP=2D
1000000 2000000 3000000 Jumlah Elemen Mesh
Gambar 8. Grafik sensitivitas model 10 (Re=1x105) Table 3. Ukuran meshing model variasi (model 10) PART
UKURAN
INLET
0.04
OUTLET
0.04
WALL
0.04
HELICAL
0.004
PLATE
0.004
FLUIDS
robust octree
ELEMEN
1021484
Setelah dilakukan analisa CFD, ternyata model 18 dengan konfigurasi G=1D dan LP=4D menghasilkan CD paling kecil pada setiap nilai Re yang diujikan.
5
LP=4D
G=1D
1.34
1.34
1.32
1.32
1.3
1.3 1.28
1.26
CD
CD
1.28
1.26
1.24 1.24 1.22 1.22
1.2
1.2
1.18 0.00E+00 5.00E+04 1.00E+05 1.50E+05
1.18 0.00E+00 5.00E+04 1.00E+05 1.50E+05
Re
Re G=0D
G=0.5D
G=1D
G=1.5
LP=1D
LP=2D
G=2D
Plain Silinder
LP=3D
LP=4D
Plain Silinder
Helical Strakes
Helical Strakes
Gambar 9. Grafik perubahan nilai CD terhadap Re pada LP=4D
Gambar 10. Grafik perubahan nilai CD terhadap Re pada G=1D
Penambahan nilai G/D (jarak antara helical strakes dan splitter plate) pada tiap Re memiliki pola yang hampir sama. Pada G/D=0 (splitter plate menempel pada helical strakes) nilai CD lebih besar daripada silinder polos namun lebih kecil daripada helical strakes. Atau dengan kata lain nilai CD terletak diantara silinder polos dan helical strakes. Kemudian nilai CD turun untuk setiap peningkatan nilai G/D sampai dengan G/D=1. Efek penambahan splitter plate mampu mereduksi CD helical strakes paling baik pada rentan G/D=0.5 sampai G/D=1. Kemudian nilai CD naik untuk setiap peningkatan nilai G/D diatas 1. Hal ini dikarenakan efek penambahan splitter plate semakin kecil dengan bertambahya G/D untuk G/D>1.
Perubahan nilai LP (lebar splitter plate) pada tiap Re memiliki pola yang hampir sama. Pada G/D=0 sampai G/D=1 tiap penambahan LP/D nilai CD semakin turun. Dapat dikatakan efek penambahan splitter plate pada helical strake bekerja pada rentan ini. Pada G/D=1.5 dan G/D=2 tiap penambahan LP/D nilai CD relatif tetap. Hal ini dikarenakan efek penambahan splitter plate tidak begitu terasa. 4.3. Model Uji VIV Dari pembahasan sebelumnya diketahui bahwa model 18 menghasilkan peredaman CD paling baik dibandingkan dengan variasi model lainnya. Hal itu dapat terlihat pada semua nilai Re yang digunakan dalam penelitian ini. Sehingga hanya model 18 yang digunakan untuk analisa VIV selanjutnya.
6
Gambar 11. Pola aliran fluida dan respons pada silinder polos (Re=7x104)
Gambar 13. Pola aliran fluida dan respons pada model 18 (Re=7x104)
Pada silinder polos menghasilkan sepasang vortex. Pasangan vortex inilah yang nantinya akan menyebabkan timbulnya VIV. Hal ini dapat terjadi apabila terdapat interaksi antara keduanya dan salah satu vortex memakan jalur vortex lainnya. Jika peristiwa tersebut terjadi akan timbul pelepasan vortex. Pada silinder yang menggunakan helical strakes, vortex yang terbentuk menjadi rusak. Sehingga tidak terjadi interaksi antara sepasang vortex seperti pada silinder polos. Aliran yang melewati helical strakes dibelokkan dan pada titik-titik tertentu saling berinteraksi membentuk ulekan yang tidak teratur. Hal inilah yang menyebabkan penigkatan nilai CD. Pada model 18, ulekan terjadi diantara helical strakes dan splitter plate. Ulekan ini kemudian dipisah oleh splitter plate. Hal inilah yang menyebabkan CD lebih rendah bila dibandingkan dengan CD pada helical strakes tanpa splitter plate. Gambar 12. Pola aliran fluida dan respons pada silinder yang menggunakan helical strakes (Re=7x104)
7
Tabel 4. Parameter respons in-line
4.00E+04
7.00E+04
1.00E+05
(Amean)/D
cross-flow
4.00E+04
7.00E+04
1.00E+05
(Amean)/D
Silinder Polos
7.00E-03
3.70E-02
6.00E-02
Silinder Polos
5.76E-05
2.23E-04
6.16E-04
Helical strakes
5.09E-03
1.52E-02
3.05E-02
Helical strakes
-1.69E-05
-6.69E-05
-4.16E-05
Model 18
5.04E-03
1.51E-02
3.02E-02
Model 18
4.75E-06
-2.74E-05
-5.11E-06
1.73E-03
7.23E-03
1.21E-02
(ARMS)/D Silinder Polos
(ARMS)/D 2.67E-04
5.55E-04
1.01E-03
Silinder Polos
Helical strakes
3.47E-04
7.73E-04
2.06E-03
Helical strakes
1.23E-03
4.69E-03
7.37E-03
Model 18
1.28E-04
3.52E-04
6.44E-04
Model 18
1.62E-03
6.42E-03
9.94E-03
Frekuensi (Hz)
Frekuensi (Hz)
Silinder Polos
0.0989903
0.1029866
0.1071061
Silinder Polos
0.0969932
0.1009897
0.1069862
Helical strakes
0.0973745
0.0989088
0.1006919
Helical strakes
0.0929887
0.0980008
0.1040042
Model 18
0.0964007
0.0969307
0.0976712
Model 18
0.0948484
0.0989808
0.1050442
Pada nilai Re=1x105, (Amean)/D mewakili defleksi yang terjadi. Pada arah in-line tarjadi perubahan nilai (Amean)/D pada helical strakes dan model 18. Nilai (Amean)/D silinder polos turun sebesar 49% (6.00E-02 - 3.05E-02) terhadap helical strakes dan turun 50% (6.00E02 - 3.05E-02) terhadap model 18. Pada arah cross-flow juga terjadi penurunan nilai (Amean)/D silinder polos sebesar 93% (6.16E-04 – 4.16E-5) terhadap helical strakes dan 99% (6.16E-04 – 5.11E-6) terhadap model 18. Pada nilai Re=1x105, (ARMS)/D mewakili amplitudo yang terjdi. Pada arah in-line terjadi kenaikan nilai (ARMS)/D silinder polos sebesar 103% (1.01E-03 – 2.06E-03) terhadap helical strakes dan penurunan sebesar 37% (1.01E-03 – 6.44E-04) terhadap model 18. Pada arah crossflow terjadi penurunan nilai (ARMS)/D silinder polos sebesar 39% (1.21E-02 – 7.37E-03) terhadap helical strakes dan penurunan sebesar 18% (1.21E-02 – 9.94E-03) terhadap model 18. Pada nilai Re=1x105, pada arah in-line terjadi penurunan frekuensi respons silinder polos sebesar 6% (0.1071 – 0.1007) terhadap helical strakes dan penurunan sebesar 9% (0.1071 – 0.0977) terhadap model 18. Pada arah cross-flow terjadi penurunan nilai frekuensi respons silinder
polos sebesar 3% (0.107 – 0.104) terhadap helical strakes dan penurunan sebesar 2% (.107 – 0.105) terhadap model 18. Berikut ini grafik PSD untuk Re=1x105 arah cross-flow
Gambar 14. Grafik PSD terhadap frekuensi respons silinder polos (Re=1x105) arah cross-flow
8
nilainya tidak sebagus bila dibandingkan dengan penggunaan helical strakes. 5.
Gambar 14. Grafik PSD terhadap frekuensi respons silider ber-helical strakes (Re=1x105) arah cross-flow
Gambar 16. Grafik PSD terhadap frekuensi respons model 18 (Re=1x105) arah cross-flow
Besarnya VIV dapat dilihat dari besarnya (ARMS)/D dan frekuensi respons yang terjadi. Perubahan nilai frekuensi respons tidak begitu besar, sehingga perubahan VIV dilihat dari perubahan (ARMS)/D. Perubahan (ARMS)/D paling besar terjadi pada arah in-flow. Namun nilai (ARMS)/D arah in-flow jauh lebih kecil daripada RMS arah cross-flow. Sehingga dalam penelitian ini nilai (ARMS)/D arah cross-flow yang dijadikan acuan pereduksian VIV. Dari tabel 4. dapat diamati perekdusian VIV paling besar terjadi pada Re 1x105. Model 18 mampu mereduksi VIV sebesar 18% sedangkan helical strakes mampu mereduksi 39%. Demikian juga untuk semua nilai Re yang diujikan menunjukkan bahwa, penggunaan model 18 mampu mereduksi VIV namun
Kesimpulan dan Saran
5.1. Kesimpulan Dari analisa yang telah dilakukan pada tugas akhir ini, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: • Penambahan splitter plate pada helical strakes mereduksi nilai CD pada helical strakes, namun nilainya tidak lebih kecil bila dibandingkan dengan silinder polos. • Pada G/D=0 sampai G/D=1 tiap penambahan LP/D nilai CD semakin turun. Efek penambahan splitter plate mampu mereduksi CD helical strakes paling baik pada rentan G/D=0.5 sampai G/D=1. Untuk rentan G/D lebih dari satu, semakin besar G/D nilai CD semakin besar atau efek penambahan splitter plate semakin kecil. • Penambahan splitter plate pada helical strakes mampu mereduksi VIV, namun nilainya tidak sebagus bila dibandingkan dengan penggunaan helical strakes. Daftar Pustaka Akilli, H.; Sahin, B.; Tumen, N.F., Supperssion of vortex shedding of circular cylinder in shallow water by a splitter plate, Flow Measurement and Instrumentation, 16 (2005), 211-219, 2005 Assi, G.R.S.; Bearman P.W.; Kitney, N., Low Drag Solution Suppressing Vortex-Induce Vibration of Circular Cylinders, Journal of fluids and structures, 25 (2009), 666675, 2009 Blevins, R.D., Flow-Induced Vibration, edisi ke2, KRIEGER PUBLISHING COMPANY, 2001 Craig Jr., Roy R. 1981. Structural Dynamic An Introdssuction to Computer Methods. Department of Aerospace Engineering and 9
Engineering Mechanics in The University of Texas. Austin. Korkischko, I.; Meneghini, J.R., Experimental investigation of flow-induced vibration on isolated and tandem circular cylinders fitted with strakes, JOURNAL OF FLUID AND STRUCRURES, 26 (2010), 611625, 2010 Ridhananda, M.Y., Analisis Pengaruh Helical Strakes untuk Peredaman Vortex Induced Vibration (VIV) Terhadap Respons Dinamis Deep-Water Riser, Jurusan Teknik Kelautan ITS, Surabaya, 2009 Shukla, S.; Govardhan, R.N.; Arakeri, J.H., Flow over a cylinder with a hinged-splitter plate, JOURNAL OF FLUID AND
STRUCRURES, 25 (2009), 713-720, 2009 Sumer, B.M.; FredsØe, J., HYDRODYNAMICS AROUND CYLINDRICAL STRUCTURES, Advanced Series on Coastal EngineeringVolume 12, World Scientific, 1999 Zdravkovich, M.M., REVIEW AND CLASSIFICATION OF VARIOUS AERODYNAMIC AND HYDRODYNAMIC MEANS FOR SUPPRESSING VORTEX SHEDDING, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 7 (1981), 145189 , 1980
10
