Bab VI Hasil dan Analisis
Bab VI Hasil dan Analisis
Dalam bab ini akan disampaikan data-data hasil eksperimen yang telah dilakukan di dalam laboratorium termodinamika PRI ITB, dan juga hasil pengolahan data-data tersebut yang diberikan dalam bentuk tabel dan grafik. Setelah semua data disajikan, maka dilakukan analisis terutama yang berhubungan dengan karakteristik aliran putar di dalam tabung pembakaran.
6.1 Data Hasil Eksperimen Seperti dijelaskan di dalam bab sebelumnya, pengukuran data pada eksperimen ini menggunakan sejumlah alat yang dirangkai sedemikian rupa sehingga dapat mengukur data di dalam ruang bakar. Disini alat utama yang digunakan adalah probe lima lubang yang telah dikalibrasi. Dengan probe ini maka data yang terukur adalah berupa data tekanan statik pada masing-masing lubangnya. Kemudian melalui rangkaian peralatan lainnya yaitu pressure transducer, ADC, dan perangkat komputer, maka data ini akan ditampilkan dalam bentuk tegangan listrik. Dari kurva kalibrasi yang ada maka dapat ditentukan harga tekanan statik di tiap-tiap titik uji di sepanjang garis aksial tabung. Berikut ini disajikan sebagian dari data pengukuran yang didapat yaitu untuk vanes sudut konstan 30° dan posisi aksial 5 mm radial -44 mm, -40 mm, dan -36 mm. Disini kondisi ruangan yaitu: Tekanan
: 922.5 mbar
Temperatur
: 24.4 C
Kelembaban : 67 % Perlu dicatat bahwa data yang ditampilkan merupakan rata-rata (mean) dari beberapa kali pengambilan data sampel pada satu titik uji yang sama.
52
Bab VI Hasil dan Analisis 6.2 Hasil Pengolahan Data Setelah seluruh data didapat maka dengan menggunakan program fortran maka data-data tersebut diolah sehingga didapat harga distribusi kecepatan aksial, kecepatan tangensial, dan kecepatan radial. Untuk vanes sudut 30° konstan dan posisi aksial 5 mm di sepanjang garis radial, maka didapat distribusi kecepatan sebagai berikut: Tabel 6.1 Nilai Kecepatan Vanes 30° Konstan pada Posisi Aksial 5 mm Radial -44 -40 -36 -32 -28 -24 -20 -16 -12 -9 -6 -3 0
Kcptn aksial (u) 9.99467 11.28369 11.79516 11.96513 12.075025 11.77206 12.45554 13.374545 7.37519 2.80891 1.27676 1.07806 0.909455
Kcptn radial (v) 0.344195 0.0035 -0.2024 -0.16575 -0.236755 -0.12082 -0.226725 -1.062785 -3.06291 -1.03261 -0.470005 -0.4209 -0.381385
Kcptn tangensial (w) 5.25836 4.99661 5.35238 5.57333 5.92803 6.92245 6.474275 5.868365 2.260255 1.363075 0.316255 0.618885 0.37752
Dari hasil pengolahan data diatas dibuat grafik Kecepatan vs Posisi radial untuk posisi aksial 5 mm, sebagai berikut:
Sudut 30 Aksial 5 mm 16 u v w
14
Kecepatan m/s
12 10 8 6 4 2 0
-50
-40
-30
-20
Radial mm
-10
-2 0 -4
Gambar 6.1 Grafik Distribusi Kecepatan Vanes 30° Konstan pada Posisi Aksial 5 mm
53
Bab VI Hasil dan Analisis Keseluruhan grafik hasil perhitungan untuk distribusi kecepatan disertakan pada Lampiran B.
6.3 Penentuan Kasus Bagian ini akan dilakukan analisis data yang telah diolah pada bagian sebelumnya. Untuk itu ditentukan dua buah kasus yang dianalisis lebih dalam. Dari awal telah dijelaskan bahwa salah satu tujuan eksperimen ini dilakukan adalah untuk memvalidasi dua buah model sudu pengarah yang telah didesain sebelumnya oleh Firman Hartono [20]. Kedua model tersebut adalah sistem sudu sudut konstan 30° yang selanjutnya disebut dengan kasus-1, dan sistem sudu sudut linier dipuntir diujung dengan sudut ujung 53° yang selanjutnya disebut kasus-2. Tabel 6.2 Penamaan dan Kondisi Swirler Vanes untuk Kasus-1 dan Kasus-2 Bilangan swirl geometrik 0,39 0,68
Kode Kasus-1 Kasus-2
V039K V068L
Sudut pangkal 30° 0°
Sudut ujung 30° 53°
Distribusi konstan linier
Kedua model ini dipilih dari penelitian yang telah dilakukan sebelumnya [20 dan 21], kedua model ini dirancang untuk mendapatkan bilangan swirl S = 0,38.
6.4 Analisis Distribusi Kecepatan Aksial Untuk analisis distribusi kecepatan aksial, perhatikan gambar berikut: Kecepatan Aksial Vanes 053
Kecepatan Aksial Vanes Konstan 30 16
16
14
14 2
Kecepatan m/s
5
10
10 25
8
50
6
100
-20
0 Radial mm
(a)
25 50
6
100 200
4
300
300
2 0
0 -40
10
8
2
-60
5
10
200
4
2
12 Kecepatan m/s
12
20
40
60
-60
-40
-20
0
Radial mm
20
40
60
(b)
Gambar 6.2 Distribusi kecepatan aksial untuk: (a). kasus-1 dan (b). kasus-2
54
Bab VI Hasil dan Analisis Secara umum dapat dilihat bahwa untuk kedua kasus, distribusi kecepatan aksial (u) dan kecepatan tangensial (w) cenderung aksisimetris terhadap garis tengah tabung, dengan sejumlah data yang sedikit menyimpang dari kurva mungkin disebabkan oleh pengambilan data pengukuran yang kurang cermat, atau mungkin juga karena memang tekanan radial dari aliran keluar vanes yang tidak seragam pada posisi aksial tersebut. Apabila dilihat dari segi geometri vanes, dimana untuk kedua kasus ini menggunakan hub di titik tengah vanes, maka kemungkinan juga data yang menyimpang ini adalah data kecepatan yang telah terpengaruhi oleh adanya hub tersebut. Pada kedua kasus, untuk komponen kecepatan aksial, semua posisi aksial memiliki kecepatan aksial maksimum diatas 12 m/s (rasio
U > 1 ) yaitu terjadi U0
kenaikan kecepatan aksial antara aliran inlet terhadap aliran dalam tabung. Hal ini karena luas area inlet yang lebih besar daripada luas area dari tabung uji dimana aliran udara tersebut mengalir. Dan distribusi kecepatan aksial tampak mengalami pelebaran distribusi puncak kecepatan terutama pada posisi aksial 100 mm, 200 mm, dan 300 mm. Dengan anggapan bahwa kecepatan aksial tetap karena prinsip kontinuitas maka penambahan kecepatan aksial bukan akibat pembelokan bilah yang ditimbulkan karena sudut bilah. Penambahan ini terjadi akibat pengaruh gaya sentrifugal yang ditimbulkan oleh aliran putar. Sehingga, puncak distribusi kecepatan aksial terdesak ke arah luar dan besarnya bertambah sesuai persamaan kontinuitas. Karena bilangan swirl juga bertambah seiring pertambahan sudut bilah, gaya sentrifugal yang timbul semakin besar ketika sudut bilah semakin besar. Akibatnya, posisi radial kecepatan aksial maksimum berada dalam rentang 20 mm sampai 40 mm dari titik tengah tabung. Ini disebabkan pada daerah di sekitar posisi radial ini aliran arah aksial paling sedikit mengalami transport momentum dibandingkan dua daerah lain, yaitu di pusat tabung (titik stagnasi) dimana kecepatan aksialnya berkurang karena adanya bagian hub vanes. Dan di dekat dinding tabung dimana terjadi transfer momentum yang sangat besar antara dinding tabung dengan aliran udara. Akibatnya profil kecepatan aksial mirip dengan busur panah.
55
Bab VI Hasil dan Analisis Sekarang perhatikan perubahan kecepatan aksial kearah downstream. Perhatikan grafik berikut ini, yaitu grafik kecepatan aksial pada tiap posisi aksial untuk kasus-1: Distribusi Kecepatan Aksial Vanes 30 Konstan 50 40 30
radial mm
20 10 0 -10
0
50
100
150
200
250
300
350
-20 -30 -40
u m/s
-50 2
5
10
25
50
100
200
300
(a) Distribusi Kecepatan Aksial Vanes 053 Linier
50 40 30
radial mm
20 10 0 -10
0
50
100
150
200
250
300
350
-20 -30 -40
u m/s
-50 2
5
10
25
50
100
200
300
(b) Gambar 6.3 Perubahan kecepatan aksial untuk: (a). kasus-1 dan (b). kasus-2
Terlihat bahwa untuk kedua model vanes, kecepatan aksial di daerah di belakang hub (posisi radial 0 mm sampai 9 mm) cenderung bertambah besar, dimana pada posisi aksial 2 mm, harga kecepatan aksial mendekati 0 m/s, sedangkan pada posisi aksial jauh yaitu 300 mm, harga kecepatan aksial bertambah cukup besar dan dapat dikatakan mendekati harga puncak kecepatan aksial. Hal ini karena semakin ke belakang, maka pengaruh hub terhadap aliran semakin berkurang, dan
56
Bab VI Hasil dan Analisis kecepatan aksial aliran cenderung kembali seragam. Perhatikan juga bahwa untuk kedua kasus, kecepatan aksial minimum tidak tepat berada pada garis simetris, yaitu pada posisi radial 0 mm. Hal ini kemungkinan karena pemasangan hub yang tidak tepat berada di titik pusat vanes.
6.5 Analisis Distribusi Kecepatan Tangensial Sebagaimana distribusi kecepatan aksial, distribusi kecepatan tangensial juga menunjukkan kesimetrisan terhadap garis tengah tabung. Adanya beberapa distribusi yang asimetris dan sedikit menyimpang dari kurva mungkin disebabkan oleh pengambilan data pengukuran yang kurang cermat, atau mungkin memang distribusi kecepatan tangensial pada posisi tersebut tidak simetris. Bila hal ini yang terjadi maka berarti aliran putar mengalami pergeseran di sekitar garis simetri tabung sepanjang arah downstream. Terlihat bahwa untuk bilangan swirl yang sama yaitu pada kasus-1 dan kasus-2, harga kecepatan tangensial maksimum hampir sama. Dan semakin besar bilangan swirl model tersebut, maka harga kecepatan tangensial maksimum juga semakin besar. Untuk masing-masing model vanes, semakin jauh posisi aksial dari hub maka untuk distribusi kecepatan tangensial posisi radial -20 mm sampai 20 mm menunjukkan kemiringin yang semakin tajam. Ini menunjukkan bahwa semakin ke arah downstream maka kecepatan putar aliran semakin berkurang. Profil distribusi kecepatan tangensial gambar (a) dikenal dengan rankine vortex, adapun profil gambar (b) dikenal dengan free vortex. Kecepatan tangensial maksimum untuk kedua kasus hampir sama, yaitu sekitar 7,8 – 7,9 m/s. Tetapi posisi radial dimana kecepatan tangensial maksimum tersebut tercapai tidak sama untuk kasus-1 dan kasus-2. Dari gambar 6.4 dibawah terlihat bahwa distribusi aliran putar di dalam tabung pembakaran untuk kedua kasus tidak sama, walaupun sama-sama mempunyai bilangan swirl aerodinamik Sa = 0,38. Grafik berikut menunjukkan distribusi kecepatan tangensial untuk kasus-1 dan kasus-2:
57
Bab VI Hasil dan Analisis
Kecepatan Tangensial Vanes 30 10 8 6 2
Kecepatan m/s
4
5 10
2
25
0
-60
-40
-20
-2
0
20
40
60
50 100 200
-4
300
-6 -8 -10 Radial mm
(a) Kecepatan Tangensial Vanes 053 10
8
Kecepatan m/s
6
2
4
5 10
2
25 50
0 -60
-40
-20
-2
0
20
40
60
100 200 300
-4 -6 -8 Radial mm
(b)
Gambar 6.4 Distribusi Kecepatan Tangensial untuk: (a) kasus-1 dan (b) kasus-2
Hal ini karena aliran putar secara alaminya membangkitkan gaya sentrifugal di dalam aliran, dimana selanjutnya gaya sentrifugal ini akan mempengaruhi puncak distribusi kecepatan aksial dan tangensial, distribusi tekanan statik, dan daerah resirkulasi. Dari sini dapat ditarik kesimpulan bahwa dengan bilangan swirl aerodinamik sama dapat menghasilkan distribusi aliran putar yang berbeda. Menurut referensi [21], kemungkinan hal ini disebabkan oleh besar sudut sudu dari kedua kasus tersebut tidak sama. Kemudian disebutkan pula bahwa semakin besar sudut sudu, maka kecepatan tangensial maksimum juga semakin tinggi. Hal ini dapat dipahami dengan mudah karena semakin besar sudut vanes, aliran akan dibelokkan lebih jauh. Lalu mengapa puncak kecepatan untuk kasus-1 dan kasus-2 hampir sama. Untuk menjawab hal ini, perhatikan distribusi sudut sudu untuk
58
Bab VI Hasil dan Analisis kedua kasus ini. Untuk kasus-1, memang sudut sudunya lebih kecil tetapi ia mempunyai distribusi yang sama dari pangkal (hub) sampai ke ujung yaitu 30°, sedangkan untuk kasus-2 walaupun sudut sudunya di ujung lebih besar yaitu 53° namun di pangkalnya sudut sudunya hanya 0°. Apabila diambil rata-rata sudutnya, maka kasus-2 akan mempunyai besar sudut sudu sekitar 30° yang hampir sama dengan kasus-1. Ini yang menyebabkan kecepatan tangensial maksimum untuk kedua kasus hampir sama. Dalam hubungannya dengan kestabilan pembakaran, maka kasus-1 lebih bagus daripada kasus-2, artinya model V039K lebih memberikan kestabilan pembakaran di dalam ruang bakar bila dibandingkan dengan V068L. Apabila dilihat dari analisis sebelumnya, maka hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut. Sebagaimana disinggung pada bab sebelumnya, kestabilan pembakaran tergantung oleh beberapa hal, salah satunya yaitu dengan cara membangkitkan medan aliran putar di daerah hulu tempat dimana terjadi proses pembakaran. Apabila aliran putar tersebut cukup kuat, maka di daerah ini akan muncul zona resirkulasi yang menyebabkan kecepatan aksial lokal rata-rata di daerah ini akan berkurang dan mencapai nilai minimumnya. Dengan rendahnya kecepatan aksial lokal rata-rata tersebut, akan memberikan tenggang waktu yang cukup untuk terjadinya proses pencampuran antara bahan bakar dengan udara menjadi lebih homogen, yang mana selanjutnya mendorong proses pembakaran menjadi lebih stabil dan sempurna. Kini perhatikan kasus-1, kecepatan aksial rata-ratanya pada posisi radial minus 9 hingga 9 mm dari pusat vanes, lebih rendah dibandingkan dengan kasus-2. Akibatnya untuk kasus-1, kecepatan aksial lokal di zona primer menjadi lebih rendah daripada kasus-2, sehingga pencampuran bahan bakar-udara lebih merata dan reaksi pembakaran lebih stabil. Jadi, walaupun kedua kasus memiliki bilangan swirl aerodinamik yang sama, namun karena distribusi sudut sudu berbeda sehingga medan aliran putar yang dibangkitkan juga berbeda. Maka secara teori, kasus-1 lebih baik dibandingkan kasus-2.
59
Bab VI Hasil dan Analisis 6.6 Analisis Axial Swirl Decay Kembali dengan kasus-1 dan kasus-2, pada bagian ini akan dianalisis efek swirl decay, yaitu penghilangan aliran putar bila diikuti downstream di dalam tabung pembakaran. Perhatikan grafik dibawah ini: Axial Swirl Decay 0,45
Aero swirl number
0,4 0,35 0,3 0,25 V039K
0,2
V068L
0,15 0,1 0,05
Aksial mm
0 0
50
100
150
200
250
300
350
Gambar 6.5 Distribusi Sa untuk kasus-1 dan kasus-2
Dari gambar diatas terlihat bahwa kasus-1 mempunyai Sa yang lebih kecil dibandingkan dengan kasus-2. Lebih spesifik lagi, Sa lokal kasus-1 di setiap titik aksial dalam tabung pembakaran lebih kecil daripada kasus-2. Bagaimana ini terjadi telah dijelaskan pada paragraf sebelumnya. Namun kedua kasus memiliki kecenderungan yang sama yaitu Sa lokal kasus-1 dan kasus-2 berkurang ke arah downstream, bahkan mecapai harga yang lebih dari Sa lokal awal. Artinya bila mengikuti aliran putar ke arah downstream, maka kekuatan putar aliran semakin berkurang dan akhirnya hilang di ujung keluar tabung pembakaran. Penjelasan tentang swirl decay berkaitan dengan distribusi tegangan geser aliran udara. Terjadinya swirl decay dominannya disebabkan oleh tegangan geser dinding tangensial yang muncul karena adanya gradien tekanan di sepanjang dinding tabung. Dari penjelasan pada bab sebelumnya, tegangan geser dinding tangensial mempengaruhi bentuk profil dari komponen kecepatan tangensial. Tegangan geser ini menyebabkan aliran putar kehilangan momentum tangensial rata-rata, yang selanjutnya akan mengurangi kecepatan tangensial aliran putar. Maka kekuatan putar aliran berkurang searah downstream, sehingga Sa lokal juga berkurang secara gradial.
60
Bab VI Hasil dan Analisis Dari teori sebelumnya, ukuran dari swirl decay dijelaskan oleh beberapa parameter, yaitu koefisien fitting a dan β yang dihubungkan dengan persamaan:
S = ae
− βx D
Dari perhitungan a dan β didapat kurva berikut: 0,38 0,36 0,34 0,32 0,3 0,28 0,26 0,24 0,22 0,2 0
50
100
150
200
250
300
350
200
250
300
350
(a) 0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2 0
50
100
150
(b) Gambar 6.6 Penentuan koefisien fitting a dan β untuk: (a). kasus-1, dan (b). kasus-2
Untuk kasus-1 didapat harga a = 0,358 dan β = 0,07. Sedangkan untuk kasus-2 didapat harga a = 0,398 dan β = 0,075.
61
