KAJI NUMERIK PENGARUH PENAMBAHAN UPSTREAM DAN DOWNSTREAM ROD TERHADAP MEDAN ALIRAN DAN GAYA AERODINAMIKA PADA ALIRAN FLUIDA MELINTASI SEBUAH SILINDER SIRKULAR “Studi kasus untuk jarak L/D 2.5 dan 5.5 pada bilangan Reynolds 100 dan 1000” Karta Prihandoko NRP 21.10.106.001 Dosen Pembimbing Dedy Zulhidayat Noor, ST., MT., PhD.
Jurusan Teknik Mesin-Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember 2013
LATAR BELAKANG silo
landasan rig lepas pantai
Gaya drag dan Vortex shedding pada silinder
Re<5
5
40
150
Efek Dari Vortex Shedding
Lee,dkk (2004) Reducing the drag on a circular cylinder by upstream installation of a small control rod Studi kasus : L/D=1.5 – 4 D = 30mm U=10m/s d/D=0.133 – 0.267 Re 20000
Lee,dkk (2004)
LEE
Hasil : Nilai drag reduction 29% pada cylinder dengan L/D=2.081 dan 25% secara keseluruhan dengan L/D=1.833, pada d/D=0.233
Zhang, dkk (2006)
Numerical simulation of flow around cylinder with an upstream rod in tandem at low Reynolds numbers Studi kasus : L/D=1.2;1.8;2.5;4;8 d/D=0.05 ; 0.1 ; 0.3 dan 0.5 Re 200 100 nodes with first cell height 0.001D
Zhang, dkk (2006)
M.M Rahman, dkk (2007)
NUMERICAL INVESTIGATION OF UNSTEADY FLOW PAST A CIRCULAR CYLINDER USING 2-D FINITE VOLUME METHOD Studi kasus : Re 100, 1000, dan 3900 Model viscous: laminar untuk Re 100 k-ε standard, k-ε Realizable and k-ω SST untuk Re 1000 dan 3900
M.M Rahman, dkk (2007)
Lima e Silva, dkk (2003)
Dari hasil penelitian diperoleh jarak kritis L=2.7d, pada daerah ini nilai drag coefficient adalah minimum. Selain itu diperoleh nilai Strouhal number yang diperoleh dengan menggunakan metoda Fast Fourier Transform (FFT).
PERUMUSAN MASALAH Aliran (eksternal) melewati silinder
Aliran melewati silinder tunggal
Aliran melewati silinder dengan upstream rod
Aliran melewati silinder dengan downstream rod
Aliran melewati silinder dengan upstream dan downstream rod
Analisa numerik
Gaya –gaya aerodinamika
Medan aliran
BATASAN MASALAH Fluida kerja bersifat incompressible. Silinder utama dan silinder pengganggu (rod) berbentuk silinder sirkular dan berupa rigid body. Diameter rod (d) adalah 0.1dari diameter silinder utama (D), atau d=0.1D. Bilangan Reynolds yang digunakan adalah 100 dan 1000 berdasarkan pada diameter silinder utama. Domain aliran berupa dua dimensi (2D). Untuk aliran pada Re=100 menggunakan model laminar, sedangkan untuk aliran pada Re=1000 menggunakan turbulent viscous model k-ω (SST). Spacing ratio antara silinder pengganggu dengan silinder utama (L/D) adalah 2,5 dan 5,5. Persamaan energi pada penelitian ini diabaikan.
TUJUAN PENELITIAN 1. Menganalisa pengaruh variasi spacing ratio (L/D) terhadap medan aliran berupa kontur vorticity dan pathline kecepatan yang dihasilkan pada bilangan Reynolds 100 dan 1000 2.Menganalisa pengaruh variasi spacing ratio (L/D) terhadap gayagaya aerodinamika yaitu berupa Lift Coefficient (CL) dan Drag Coefficient (CD) yang dihasilkan pada bilangan Reynolds 100 dan 1000
METODOLOGI PENELITIAN
Keterangan gambar : D = Diameter silinder d = diameter silinder pengganggu (rod), d = 0.1D L = jarak spacing ratio antara sumbu silinder dengan rod, L = 2.5D; 5.5D Bilangan Reynolds yang digunakan adalah 100, dan 1000 berdasarkan diameter silinder.
Meshing
Meshing untuk silinder tunggal
Meshing untuk silinder tunggal dengan upstream dan downstream rod pada L/D=2.5
Validasi Konfigurasi
Silinder tunggal Re=100
Silinder tunggal Re=100
Silinder tunggal Re=1000
Metode /Sumber
Nilai CD
Nilai CL
Numerik / [3]
1.245
Numeric / Present
1.294
Numerik/ [7]
1.364
±0.25
Numeric / Present
1.294
±0.22
Numerik/ [3] Numeric / Present
0.995 0.926 1.28 (front)
Numerik/ [2]
-0.068 (rear)
Dua buah silinder tersusun tandem Re=100, L/D=2.5
1.16 (front) Numeric / Present
-0.067 (rear)
HASIL PENELITIAN Kontur vorticity dan pathline kecepatan Silinder tunggal
Grafik CD dan CL Silinder tunggal Re=100 CD =1.294 CL =±0.22
Silinder tunggal Re=1000 CD =0.926 CL =±0.107
Penambahan upstream rod L/D=2.5
Grafik CD dan CL Upstream rod L/D=2.5 Re=100 CD rod = 0.23 CD silinder = 0.94 CL silinder = ±0.05
Upstream rod L/D=2.5 Re=1000 CD rod = 0.089 CD silinder = 0.77 CL silinder = ±0.07
L/D=5.5
Grafik CD dan CL Upstream rod L/D=5.5 Re=100 CD rod = 0.266 CD silinder = 1.004 CL silinder = ±0.07
Upstream rod L/D=5.5 Re=1000 CD rod = 0.108 CD silinder = 0.896 CL silinder = ±0.24
Penambahan downstream rod L/D=2.5
Grafik CD dan CL Downstream rod L/D=2.5 Re=100 CD silinder = 1.13 CD rod = - 0.03 CL silinder = ±0.06
Downstream rod L/D=2.5 Re=1000 CD silinder = 1.06 CD rod = 0.02 CL silinder = ±0.35
L/D=5.5
Grafik CD dan CL Downstream rod L/D=5.5 Re=100 CD silinder = 1.197 CD rod = 0.056 CL silinder = ±0.09
Downstream rod L/D=5.5 Re=1000 CD silinder = 0.85 CD rod = 0.05 CL silinder = ±0.19
Penambahan upstream dan downstream rod L/D=2.5
Grafik CD dan CL Upstream dan Downstream rod L/D=2.5 Re=100 CD up rod = CD silinder = CD down rod = CL silinder =
0.23 0.89 -0.024 ±0.009
CD up rod = CD silinder = CD down rod = CL silinder =
0.09 0.908 0.003 ±0.31
Upstream dan Downstream rod L/D=2.5 Re=1000
L/D=5.5
Grafik CD dan CL Upstream dan Downstream rod L/D=5.5 Re=100 CD up rod = CD silinder = CD down rod = CL silinder =
0.26 0.99 0.45 ±0.07
Upstream dan Downstream rod L/D=5.5 Re=1000 CD up rod = CD silinder = CD down rod = CL silinder =
0.107 0.8 0.048 ±0.06
Data Drag dan Lift coefficient
Perbandingan nilai CD silinder dengan penambahan rod (CDs) terhadap nilai CD silinder tanpa rod (CDo) Re100 Konfigurasi penambahan rod
L/D
Upstream rod
Re1000
CD s / CD o
CL s / CL o
CD s / CD o
CL s / CL o
2.5
0.73
0.23
0.83
0.65
Downstream rod
2.5
0.87
0.27
1.14
3.27
Upstream rod
5.5
0.78
0.32
0.97
2.24
Downstream rod
5.5
0.92
0.41
0.92
1.78
Upstream dan downstream rod
2.5
0.69
0.04
0.98
2.89
Upstream dan downstream rod
5.5
0.76
0.32
0.86
0.56
Kolom yang diwarnai menunjukkan nilai perbandingan terkecil dari semua konfigurasi pada bilangan Reynolds yang sama.
KESIMPULAN 1. Penempatan rod pada bagian upstream dan downstream dari silinder mempengaruhi pola vortex shedding yang terbentuk pada silinder. 2. Pada aliran fluida melintasi silinder dengan upstream rod tidak terbentuk vortex shedding di bagian upstream silinder untuk jarak spacing ratio L/D=2.5 dan 5.5 untuk d/D=0.1. 3. Penambahan downstream rod pada Re=100 dan L/D=2.5 dapat mencegah terbentuknya vortex shedding pada silinder. 4. Vortex yang paling stabil adalah pada konfigurasi penambahan upstream dan downstream rod dengan L/D=2.5 pada bilangan Reynolds 100. 5. Penempatan downstream rod sebagai pengontrol pasif untuk mencegah terjadinya vortex shedding efektif pada bilangan Reynolds yang rendah, dalam hal ini Re=100. 6. Konfigurasi penambahan rod yang maksimum dalam mereduksi gaya aerodinamika yang terjadi untuk bilangan Reynolds 100, yaitu pada penambahan upstream dan downstream rod pada spacing ratio L/D=2.5. Pada konfigurasi ini diperoleh perbandingan antara CD silinder dengan penambahan rod (CDs) dengan CD silinder tanpa rod (CDo) yaitu CDs/CDo = 0.69, dan perbandingan antara CL silinder dengan penambahan rod (CLs) terhadap CL silinder tanpa rod (CLo) yaitu CLs /CLo = 0.04. 7. Pada bilangan Reynolds 1000 diperoleh konfigurasi maksimum dalam mereduksi gaya aerodinamika untuk aliran melintasi silinder, yaitu pada penambahan upstream rod dengan spacing ratio L/D=2.5. Nilai perbandingan yang diperoleh yaitu CDs/CDo=0.83 dan CLs/CLo=0.65.
TERIMAKASIH
MOHON KRITIK DAN SARAN
