Karakteristik Pembentukan Cincin Vorteks pada Jet Sintetik akibat Perubahan Frekwensi Eksitasi pada Aktuator Ber-cavity Kerucut

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

Karakteristik Pembentukan Cincin Vorteks pada Jet Sintetik akibat Perubahan Frekwensi Eksitasi pada Aktuator Ber-cavity Kerucut Engkos A. Kosasih1,a, Harinaldi2,b, , Ramon Trisno3,c* 1,2,3Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia, Depok, Jawa Barat, Indonesia 16424 [email protected], [email protected], [email protected]

ABSTRAK Untuk mengurangi hambatan (drag) aerodinamik pada bluff body perlu adanya pengaturan aliran separasi, sebagai salah satu penyebab adanya hambatan pada kendaraan. Penelitian ini merupakan kajian dasar pengembangan dari pengontrolan separasi aliran turbulen yang merupakan suatu fenomena aerodinamik khususnya dalam desain bodi kendaraan. Tujuan utama penelitian ini adalah untuk menganalisa performa jet sintetik (SJA) sebagai salah satu alat pengontrol aliran dalam mengurangi area separasi. Untuk mendapatkan hasil maksimal terhadap kinerja aktuator jet sintetik, maka penelitian dimulai dengan mengkarakterisasi dari aktuator tersebut. Karakteristik meliputi perubahan frekwensi eksitasi dengan mengkombinasikan diameter orifis 3 mm(K3), 5 mm (K5) dan 8 mm (K8). Penelitian dilakukan dengan menggunakan metode komputasional dan eksperimental. Metode komputasional menggunakan software CFD (Fluent 6.3) dengan model turbulensi aliran Reynold Stress Model. Sedangkan eksperimen dengan menempatkan hotwire probe pada ujung orifis dan disambungkan ke alat CTA (Constant Temperature Anemometry) untuk mendapatkan kecepatan jet keluar. Masing-masing perhitungan atau pengukuran dilakukan dalam kondisi yang sama. Hasil yang didapat ditampilkan dalam bentuk grafik pengujian frekwensi untuk mendapatkan kecepatan aliran jet maksimum dan pengujian meshing untuk mendapatkan hasil komputasi yang mendekati hasil eksperimen. Dari kedua hasil ini menjadi patokan untuk melanjutkan penelitian selanjutnya. Hasil eksperimen berupa kecepatan aliran dapat menentukan terbentuknya cincin vorteks, sedangkan pada simulasi CFD, pembentukan cincin vorteks dapat dilihat dari visualisasi kontur aliran. Cincin vorteks yang terbentuk pada cavity kerucut ini pada orifis berdiameter 3 mm dan 5 mm, sedangkan pada orifis berdiameter 8 mm, cavity ini tidak dapat membentuk cincin vorteks. Kedua metoda pendekatan mendapatkan hasil yang sama Keyword : SNTTM 14, BKSTM, DTM FTUNLAM, aktuator jet sintetik, reverse Ahmed body, vortex ring, bluff body menyimpulkan bahwa emisi gas dengan efek rumah kaca akan meningkat sebesar 57% pada tahun 2030 (IEA, 2007). Hal tersebut telah disampaikan oleh Intergovernment Group of Expert on the Evolution of Climate

1. Pendahuluan Pemanasan global merupakan salah satu permasalahan utama dalam beberapa tahun belakangan ini. International Energy Agency in World Energy Outlook 2007, KE-23


(GIEC) 2001, yang menyatakan bahwa aktivitas manusia berada di urutan pertama penyebab efek rumah kaca dan peningkatan temperatur pada abad ke-20 (GIEC, 2001). Salah satu aktivitas manusia yang menyebabkan permasalahan tersebut adalah dalam bidang transportasi, seperti peningkatan jumlah kendaraan secara signifikan.

yang terlibat adalah turbulen dan kontribusi dari gesekan pada hambatan aerodinamik masih kecil, hanya sekitar 10% (Kourta & Gillieron, 2009). Kontrol aliran pada bluff body dengan tujuan untuk mengurangi drag dan kebisingan merupakan salah satu isu utama dalam aerodinamis. Perbedaan tekanan antara bagian depan dan belakang bluff body merupakan kontributor utama untuk keseluruhan drag, perbedaan ini terutama disebabkan oleh separasi aliran pada bagian belakang body (Hucho, 2002)

Berkaitan dengan hal tersebut, riset-riset terkini di bidang aerodinamika kendaraan, dilakukan dengan sudut pandang desain yang efisien dan mampu memberi dampak penghematan bahan bakar. Karena alasan ini, aerodinamika kendaraan darat telah dipelajari secara eksperimental dan numerik oleh banyak peneliti. Kebanyakan penelitian sebelumnya telah menggunakan model kendaraan sederhana yang dapat menghasilkan fitur yang relevan dari aliran sekitar kendaraan nyata (Ahmed et al, 1984; Hinterberger et al, 2004; Fares, 2006; Minguez M. et al, 2008; Uruba V. & Hladik O., 2009; Conan B. et al, 2011) Medan aliran disekitar olakan ditandai dengan sepasang vortisitas tapal kuda (a pair of horseshoe vortices) dan trailing vortices yang berasal dari tepi miring bagian samping body

Gambar 1 Sketsa jet sintetik yang dibentuk oleh aktuator dalam cavity dengan saluran keluar orifice

Kebutuhan akan pengurangan gaya drag yang lebih efektif mendorong pada perancangan otomotif lebih kreatif dalam mengembangkan model kontrol aktif yang inovatif. Metode kontrol aktif memungkinkan untuk memodifikasi topologi aliran tanpa merubah bentuk dari kendaraan. Dalam lingkup akademik dan laboratorium industri, metode kontrol aktif telah dan masih dikembangkan dengan metode komputasi maupun eksperimen, dan hasil yang signifikan telah diperoleh pada kerangka akademik (Gad-El-Hak, 1996). Kontrol aktif hisapan (suction) yang diletakkan pada bagian atas dari jendela belakang (rear window) mampu menghilang-kan separasi pada geometri mobil

Metode-metode tersebut dapat dilakukan terutama dengan mengontrol aliran di dekat dinding dengan atau tanpa pemberian energi tambahan dengan menggunakan sistem kontrol aktif atau pasif (Friedler & Fernolz, 1990) Eksperimen-eksperimen kontrol pasif aliran di terowongan angin pada model ataupun prototipe kendaraan telah banyak dilakukan pada berbagai penelitian (Gak-ElHak, 1996; Hucho, 1998). Namun demikian, kontrol aliran secara pasif ternyata memberikan efek yang lemah dalam aerodinamik kendaraan karena sifat aliran KE-23


fastback yang disederhanakan dimana pengurangan drag aerodinamis diperoleh 17% (Roumeas et al, 2009). Kontrol aktif aliran berupa continous blowing yang ditempatkan pada bagian belakang dari generic squareback bluff body memberikan pengurangan drag sebesar 20% (Roumeas et al, 2009). Hal serupa juga dilakukan Bruneau C.H. et al (2009), dimana kontrol aktif aliran yang digunakan adalah tiga kombinasi penempatan suction dan blowing pada bagian belakang dari Ahmed model, dimana menghasilkan pengurangan drag terbaik sebesar 13%. Penelitian secara numerik dilakukan oleh Kuorta and Gillieron (2009) dengan menggunakan kontrol aktif synthetic jet yang ditempatkan pada bagian atas jendela belakang Ahmed model dimana pengurangan drag diperoleh sebesar 13%.

bagian atas yang melengkung pada Ahmed body. Sebelum jet sintetik ini dipasang pada kendaraan perlu adanya dilakukan penelitian terhadap karakteristik dari jet sintetik terutama dalam hal pengaruh frekwensi terhadap performa diameter orifis pada bentuk cavity tertentu. Dalam penelitian ini penulis mengambil bentak cavity-nya adalah kerucut (cone) Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan karakteristik dari SJA ber-cavity kerucut dengan memberikan frekwensi osilasi kepada membrannya sehingga diperoleh performa terbaik dari perubahan diameter orifis pada cavity tersebut. 2. Pengaturan Eksperimen

Sebelum memulai penelitian performa jet sintetik terhadap pengurangan drag pada kendaraan, perlu diketahui tentang performa SJA itu sendiri, agar didapatkan hasil yang maksimal terhadap pengurangan drag. Tujuan dilakukan penelitian terhadap performa SJA ini adalah untuk memilih jenis aktuator yang baik dalam membentuk vortex ring pada saat pengoperasian SJA. Pemilihan SJA ini didasarkan pada bentuk cavity aktuator, diameter orifisnya dan perbandingan performanya melalui eksperimen dan simulasi CFD. Dalam penelitian ini bentuk yang diteliti adalah jenis kerucut dengan diameter masing-masing 3 mm (K3), 5 mm (K5) dan 8 mm (K8) (Gambar 2).

Perkembangan yang terjadi pada kontrol aktif jet sintetik (SJA) akhir-akhir ini, kebanyakan dihasilkan dari penelitian yang dilakukan pada penggunaan kontrol aktif jet sintetik di bidang pendingin dan karakterisasi kontrol aktif tersebut. Jet fluida berupa udara atau zat cair lainnya dimanfaatkan untuk pendinginan alat-alat elektronik dalam skala kecil. Sedangkan aplikasi jet sintetik pada Ahmed body juga sudah dilakukan penelitian performa jet sintetik terhadap pengurangan drag, tetapi penelitian ini belum tuntas dilakukan secara mendalam, hanya baru sebatas mengetahui bahwa dengan pemasangan jet sintetik ini dapat mengurangi drag aerodinamik pada kendaraan. Sedangkan pene-litian terhadap aplikasi jet sintetik yang dipasang pada kondisi reverse Ahmed body belum pernah dilakukan penelitian sebelumnya. Bentuk dari reverse Ahmed body ini adalah mengubah orientasi arah aliran sebelumnya sebagaimana yang terpasang pada Ahmed body. Model ini lebih menggambarkan bentuk kendaraan yang sering dipakai di Indonesia. Jet sintetik ini akan dipasang pada

Gambar 3 adalah diagram skematik pengujian performa jet sintetik melalui eksperimen. Komponen jet sintetik terdiri dari cavity dan komponen membran piezo electrik, terpasang secara utuh digerakkan oleh alat function generator. Alat ini mengeluarkan gelombang sinyal yang dikehendaki. Pada eksperimen ini sinyal yang digunakan adalah gelombang sinusoidal. Gerakan membran inilah yang menyebabkan udara terdorong KE-23

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 Gambar 4 Membran piezo elektrik

dari cavity dan terhisap ke dalam cavity kembali. Alat ini memiliki sistem mekanik dengan sebuah massa yang sangat kecil dengan batang dan pegas yang bergerak. Massa ini digantung hanya berjarak dua mikron (dua per sejuta meter) dari rangkaian elektroniknya.

Selanjutnya kecepatan udara yang keluar dari cavity ini melalui orifis, diukur dengan menggunakan hot wire probe tipe 55P14 Gold Plate. Probe ini berjenis kawat tunggal ini dengan diameter kawat dw = 5m dan jarak cabangnya 1.2 mm, diletakkan diatas SJA dengan jarak sedekat mungkin, dalam hal ini jarak yang dimungkinkan adalah sebesar ±0.5 mm diatas orifis aktuator jet sintetis, agar perpindahan probe sepanjang sumbu x tidak mengalami benturan atau gesekan dengan cavity. Probe ini dihubungkan dengan Data Logger merk Dantex Stream Pro tipe CTA Modul 91C10 yang berfungsi merekam data yang masuk dari hotwire berupa tegangan rendah. Kemudian data ini masuk ke dalam alat Data Acquisition Board dari National Instrument BNC-2110. Alat ini berfungsi merubah data analog menjadi data digital. Selanjutnya alat ini terhubung komputer melalui kabel data. Komputer ini juga terhubung ke data logger yang berfungsi mengendalikan kecepatan rekaman data yang diinginkan pada saat rekam data. Sebelum dilakukan rekam data, probe terlebih dahulu dikalibrasi dengan menggunakan unit kalibrasi Dantec Streamline Pro Automatic Calibrator System S/N 9091H0013445 dan King's Law cocok untuk data pekerjaan untuk menafsirkan kecepatan di bawah kisaran kalibrasi. Kisaran kalibrasi dilakukan pada 0.02 ÷ 30 m/s sebelum setiap percobaan dilakukan. Hasil perhitungan ketidakpastian karena kalibrasi untuk semua pengambilan data kecepatan adalah sekitar 2.5 %. Profil radial kecepatan diukur dengan melintasi probe hot wire di lubang menggunakan alat pemindah (ragum) dengan jarak perpindahannya diukur menggunakan dial indikator dengan ketelitian 0.01 mm.

Gambar 2. Cavity SJA berbentuk kerucut

Gambar 3 Skematik pengujian performa jet sintetik

Prosedur pengambilan data kecepatan dilakukan dengan dua kondisi. Pertama, yaitu KE-23


pengukuran kecepatan untuk menentukan frekwensi yang menghasilkan kecepatan maksimum. Pada proses pengambilan data ini dimaksudkan untuk mendapatkan kecepatan maksimun yang dapat dihasilkan SJA dan jumlah data yang diizinkan (uncertainty) dengan memvariasikan frekwensi sinusoidal yang dikeluarkan oleh function generator. Frekwensi yang diberikan adalah 20 Hz ÷ 200 Hz. Data yang diambil sebayak 60.000 data dengan kecepatan data 30.000 data/s. Prosedur kedua adalah pengukuran kecepatan jet pada titik-titik tangkap yang ditentukan berdasarkan koordinat (X/D,Y/D). Kecepatan jet ini diukur hanya pada ½ daerah bagian saja, karena jet yang terjadi dianggap simetris. Nilai X/D adalah 0, 0,25, 0,5, 0,75, ....... , 4, sedangkan nilai Y/D adalah 0, 1, 2, 3, ...... , 10. Kecepatan rekam data adalah 10.000 data/s selama 6 detik.

3. Hasil dan Diskusi 3.1 Pengujian Frekwensi dan Mesh Independencies Tahap awal percobaan adalah menentukan frekwensi yang dapat menghasilkan kecepatan aliran maksimum agar performa SJA ini sebagai acuan pada percobaan selanjutnya. Pengujian ini dilakukan dengan memvariasikan frekwensi pada alat function generator dengan gelombang yang dipakai adalah gelombang sinusoidal.

Pada tahap komputasi ini menggunakan simulasi CFD dari software ANSYS. Tujuan dari simulasi ini adalah untuk mendapatkan gambaran awal tentang performa aktuator jet sintetik yang akan diteliti dan membandingkan hasil simulasi CFD yang didapat dengan hasil eksperimen yang dilakukan serta memvisuali-sasikan vortex ring yang terjadi pada SJA

Gambar 5. Grafik hasil pengujian aktuator jet sintetik pada cavity kerucut dengan amplitudo jenis sinusoidal.

Dari hasil uji frekwensi masing-masing pada cavity K3, K5 dan K8 ini akan dipakai sebagai frekwensi acuan untuk menguji performa masing-masing SJA. Hasil uji frekwensi pada SJA ber-cavity kerucut ini dapat dilihat pada Gambar 5 berikut ini.

Kriteria-kriteria yang digunakan pada eksperimen disamakan dengan kriteria yang dipergunakan pada simulasi CFD ini. Hanya saja, penentuan frekwensi yang dipakai pada simulasi CFD didasarkan pada hasil eksperimen yang dicapai, seperti pada penggunaan User Defined Function (UDF) pada simulasi dicocokkan dengan hasil eksperimen.

Hasil pengujian frekwensi pada SJA ini adalah SJA jenis K3 mengalami kecepatan maksimum pada frekwensi 120 Hz, untuk jenis K5 dan K8 terjadi pada frekwensi 110 Hz. Kecepatan aliran yang dihasilkan oleh SJA jenis K3 lebih tinggi dibandingkan dengan jenis SJA lainnya, dimana kecepatan jet rata-ratanya adalah sebesar 9,92 m/s.

KE-23

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 a

Gambar 6 Bentuk meshing pada K3. a) coarse, b) intermediate dan c) fine.

Gambar 7. Grafik hasil simulasi CFD dan kesesuaiannya dengan hasil eksperimen pada K3

Pada penelitian metoda komputasi dengan cara simulasi CFD, perlu dilakukan pengujian meshing terlebih dahulu, yaitu menggunakan software Gambit 2.4.6. Pengujian meshing ini bertujuan agar mendapatkan hasil perhitungan simulasi CFD ini lebih mendekati hasil eksperimen yang telah dilakukan. Bentuk meshing yang diuji terdiri dari 3 jenis, yaitu coarse (kasar), intermediate normal) dan fine (halus), seperti yang terlihat pada Gambar 6. Untuk jenis cavity dengan diameter orifis lainnya yaitu berdiameter 5 mm dan 8 mm, tidak ditampilkan.

6.3.26. Hasil iterasi dari software ini dapat dilihat pada Gambar 7. Ketiga jenis hasil iterasi ini diambil pada posisi X/D = 0 dan Y/D = 0 dengan jumlah 200 data dengan kecepatan rekam data 0,0001 data/s. Tabel 1 Hasil simulasi CFD kondisi meshing yang mendekati hasil eksperimen. Jenis SJA

Kerucut

No. Frekwensi

Masing-masing meshing ini kemudian diolah menggunakan software Fluent KE-23

Meshing

1

K3

120 Hz

Fine

2

K5

110 Hz

Coarse

3

K8

110 Hz

Fine


Dimana : x = Data rata-rata 3.2 Uncertainty (Ketidakpastian ) pada Metoda Eksperimen dan Simulasi CFD Hasil pengukuran adalah nilai perkiraan atau estimasi dari kuantitas yang diukur. Uncertainty (ketidakpastian dari pengukuran kuantitatif) tidak dilaporkan sebagai nilai tunggal tetapi dilaporkan dengan suatu rentang nilai yang diperkirakan nilai benar berada didalam nilai tersebut. Hasil pengukuran yang bervariasi mencerminkan penyimpangan yang disebabkan oleh faktor kinerja alat, metode pengukuran, kondisi lingkungan, dan sebagainya.

Berikut ini adalah grafik hasil perhitungan uncertainty pada tiap-tiap cavity yang diambil berdasarkan jumlah pengambi-lan sampel data. Data yang diolah adalah data yang terjadi pada kondisi Y/D = 0 dan X/D = 0, yaitu titik (0,0) dimana awal terjadinya jet sintetik. Titik (0,0) ini berada 0.5 mm diatas lubang orifis, hal ini dikarenakan agar pergerakan probe tidak bersentuhan dengan permukaan SJA. Titik ini adalah titik yang mempunyai nilai uncertainty lebih besar dibandingkan dengan titik-titik lainnya.

Uncertainty bertujuan untuk mengetahui sejauh mana kebenaran dalam mengambil banyaknya data. Pengambilan data pada eksperimen dilakukan sebanyak 60.000 data selama 6 detik (10.000 data/s). Sedangkan untuk data simulasi juga diambil sebanyak 10.000 data juga selama 1 detik. Untuk menghitung nilai uncertainty, maka dipakai persamaan dibawah ini, berlaku untuk tingkat kepercayaan 95%, yaitu :

Gambar 8, menampilkan grafik hasil perhitungan uncertainty (ketidakpastian) data yang dihitung berdasarkan persamaan [1] dan [2] pada tiap-tiap jenis cavity. Berdasarkan banyaknya data yang diperoleh dari eksperimen dan simulasi, maka K3 memberikan nilai uncertainty lebih besar dibandingkan dengan cavity dengan ukuran orifis lainnya. Dengan ini, nilai uncertainty pada K3 perlu diwaspadai besarnya, agar jumlah data yang diambil pada kondisi eksperimen dan simulasi CFD dapat memenuhi syarat tingkat kepercayaan data [1] sebesar 95%, maka nilai uncertainty-nya harus berada dibawah 5%.

U x   x  U x  k (convidence limit) σ x x 

2S x N

Dimana :

Tabel 2 Uncertainty maksimum pada kondisi Y/D = 0 dan X/D = 0

 x = Standar deviasi populasi Sx = Standar deviasi sampel

No.

Diameter orifis

N = banyaknya data Sedangkan untuk menentukan persentase tingkat ketidakpastian pengukuran (Ux), dapat dilakukan dengan persamaan dibawah ini :

Ux 

x  100% x

Kerucut Eksperimen Simulasi

1.

3 mm

1.4062%

1.1902%

2.

5 mm

1.1655%

1.0712%

3.

8 mm

1.1052%

1.1091% [2]

KE-23


Tabel 2 memperlihatkan bahwa uncertainty pada metoda eksperimen dan metoda simulasi memberikan hasil dibawah 2%.

Hal ini berarti bahwa pengambilan data sebanyak 10.000 telah memberikan nilai uncertainty dibawah nilai yang disyaratkan.

a)

b)

Gambar 8 Gafik uncertainty kecepatan aliran pada cavity kerucut a) Hasil eksperimen, b) Hasil simulasi CFD

3.3 Kecepatan Rata-Rata Jet Akibat adanya gerakan membran pada aktuator jet sintetis (SJA) yang diberi aliran listrik DC, dapat menghasilkan gerakan udara yang keluar melalui orifis. Ujung orifis, yaitu titik (0,0) mengalami kecepatan aliran udara lebih tinggi dibandingkan dengan titik lainnya. UCL adalah kecepatan aliran udara pada titik (0,0) yang keluar dari ujung orifis, sedangkan Ux adalah kecepatan aliran udara lokal pada titik tertentu. Hasil-hasil perbandingan kecepatan ini dapat dilihat pada grafik dibawah ini.

Gambar 10 adalah grafik yang menunjukkan nilai perbandingan Ux/UCL pada K5 dari hasil eksperimen dan hasil simulasi CFD. Kedua grafik ini menunjukkan hasil yang cenderung mengalami kemiripan. Pada daerah 0 < X/D < 1 memperlihatkan nilai Ux/UCL nya yang cukup tinggi dibandingkan dengan daerah yang lain, karena posisi ini berada pada daerah jet. Pada daerah 1 < X/D < 2, nilai Ux/UCL cenderung menurun dan kemudian tidak nilainya tidak mengalami perubahan yang cukup signifikan. Daerah 1 < X/D < 2 ini dimungkinkan adanya daerah yang membatasi antara daerah jet dengan daerah yang tidak terkena jet. Ini terlihat dari besarnya perubahan nilai Ux/UCL pada daerah tersebut, terutama pada Y/D = 0. Grafik Y/D = 0 ini, mengalami penurunan nilai Ux/UCL cukup tajam dibandingkan dengan grafik Y/D lainnya.

Gambar 9 adalah grafik hasil perbandingan Ux/UCL pada K3. Pada grafik hasil eksperimen menunjukkan bahwa pada daerah 0 < X/D < 1, nilai Ux/UCL lebih besar dibandingkan dengan daerah lainnya. Artinya pada posisi 0 < X/D < 1 ini merupakan daerah jet aktuator jet sintetik. Sedangkan untuk daerah 1 < X/D < 2, nilai Ux/UCL mulai mengalami penurunan dan fluktuasinya cukup besar. Ini ditandai dengan adanya penurunan nilai Ux/UCL yang cukup signifikan pada daerah ini. Sedangkan pada daerah 2 < X/D < 4, nilai Ux/UCL semakin menuruh ke arah kanan.

Gambar 11 memperlihatkan grafik perbandingan Ux/UCL pada K8 yang berasal dari hasil eksperimen dan hasil simulasi CFD. Kedua grafik memperlihatkan hasil yang mirip antara hasil eksperimen dengan hasil simulasi. Tetapi pada grafik hasil simulasi memperlihatkan hasil yang cukup merata, terutama pada X/D = 0. Nilai KE-23


Ux/UCL hasil eksperimen pada X/D = 0 lebih terlihat perbedaannya dibandingkan dengan hasil simulasi CFD. Perbedaan nilai Ux/UCL pada X/D = 0 terlihat lebih jelas dan penurunan nilai ini cukup tajam pada daerah tersebut. Ini terjadi pada daerah 0 < X/D < 1, sedang-kan pada 1 < X/D < 4 penurunan nilai Ux/UCL terlihat tidak terlalu besar dan cenderung mendatar. Sedangkan pada grafik hasil simulasi CFD terlihat bahwa hanya pada Y/D = 0 dan Y/D = 1 saja yang memperlihatkan perbedaaan nilai Ux/UCL lebih dominan dibadingkan pada grafik Y/D lainnya. Hal ini berarti bahwa jet yang dihasilkan oleh aktuator jet sintetik pada cavity tidak menghasilkan jet yang besar. Hal ini terlihat bahwa, nilai Ux/UCL pada Y/D = 0 dan Y/D = 1 saja yang lebih dominan besarannya. Sedangkan untuk Y/D lainnya cenderung membentuk garis lurus dan sejajar dengan sumbu X/D.

Karakateristik dari kecepatan aliran pada jet sintetik diambil dari kecepatan pada garis tengah, UCL, sebagai asumsi dari profil kecepatan yang paling tinggi pada sisi keluar orifis. Jika profil kecepatan spasial dapat menunjukkan simpangan deviasi dari bentuk yang paling tinggi, beberapa skala kecepatan merupakan waktu terhadap kecepatan aliran rata-rata melalui langkah dorong (expulsion stroke), yaitu :

U

1 1 T / 2 An



T /2

0

[3]

U (t , An )dtdAn

An

Dimana U adalah kecepatan aksial fasa rata-rata, T adalah perioda eksitasi dan An adalah luas penampang dari sisi keluar nosel. Kecepatan rata-rata ini dapat digunakan untuk menentukan bilangan Reynold jet. Hal yang penting skala panjang pada aliran jet sintetik adalah panjang langkah (stroke length) Lo/D, yaitu :

1.2 Y/D = Y/D = Y/D = Y/D = Y/D = Y/D = Y/D = Y/D = Y/D = Y/D = Y/D =

a)

1.0

0.8

0.6

Ux / UCL

Ux / UCL

3.4 Menentukan Terjadinya Cincin Vorteks

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1.2

0.8

0.6

0.4

0.4

0.2

0.2

0.0

0.0 0

1

2

3

4

Y/D = Y/D = Y/D = Y/D = Y/D = Y/D = Y/D = Y/D = Y/D = Y/D = Y/D =

b)

1.0

5

0

1

2

3

4

5

X/D

X/D

Gambar 9 Gafik perbandingan Ux/UCL pada K3, a) eksperimen, b) simulasi CFD

KE-23

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 1.2

a)

1.0

0.8

0.6

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ux / UCL

Ux / UCL



b)

1.0

0.8

0.6

0.4

0.4

0.2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0.2

0.0

0.0 0

1

2

3

4

5

0

X/D

1

2

3

4

5

X/D


a)

1.0

0.8

0.6

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

2.0

b)


1.5

Ux / UCL

Ux / UCL


0.4

1.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0.5

0.2

0.0 0.0

0

1

2

3

4

5

0

X/D

1

2

3

4

X/D

5


Lo  

T /2

0

sikan sebagai pembentukan jet sintetik, dimana [4] :

U ave (t ) dt

Uave adalah kecepatan aliran rata-rata spasial. Panjang langkah merupakan jarak yang fluida yang ditempuh selama proses pendorongan dari bagian siklus. Frekwensi eksitasi dapat dinon-dimensionalkan sebagai bilangan Stokes, S, yaitu :

S

ReU C S2 dimana C adalah konstanta yang sama dengan 0,16 untuk aksis simetris dan 1 untuk nozel persegi panjang. Menurut Utturkar et al [19], syarat terjadinya cincin vorteks adalah ReU/S2 > 1. Sedangkan menurut Smith dan Swift [5] berpendapat bahwa vortex ring dapat terjadi jika :

2fD 2 

Parameter ini non-dimensional secara unik menentukan kondisi operasi dari jet sintetis dan sangat mempengaruhi kemampuannya untuk mentransfer momen-tum linear. Secara khusus, Holman et al. [19] menunjukkan bahwa untuk mencapai pusaran keluar setelah langkah dorongan keluar (expulsion stroke) didefini-

L0  St  6 D

KE-23


Tabel 3 Hasil perhitungan terjadinya cincin vorteks pada cavity kerucut f

Lo

Uo

Cavity [Hz]

[mm]

ReU

Stroke ratio

Stokes ratio

ReU/S2

[m/s]

Ket.

K3

120

57.57

69.08

1418.34

19.20

21.54

3.05

Ada

K5

110

45.44

49.98

1711.13

9.09

34.38

1.44

Ada

K8

110

18.13

19.94

1091.83

2.26

55.01

0.36

Tidak

Gambar 12. Gambar visualisasi pembentukan cincin vorteks pada K3 dan K5

Gambar 12 memperlihatkan visualisasi kontur kecepatan aliran dari simulasi CFD terhadap SJA pada K3 dan K5. Pada saat terjadinya tiupan (blowing), hasil simulasi CFD telah terlihat adanya pembentukan cincin vorteks. Hal ini lebih jelas pada saat tiupan mengalami puncak, yaitu pada posisi t/T = 1/4. Kemudian membran mulai melakukan isapan (suction). Sebagian udara yang berada disekitar ujung orifis tertarik kembali ke dalam cavity, sehingga menyebabkan cincin vorteks yang sudah terbentuk ini seakan-akan terlepas dari ujung orifis, seperti yang terlihat pada posisi t/T = 3/8. Padahal laju cincin vorteks ini tertahan oleh dimulainya isapan dari gerakan membran. Cincin vorteks terlihat sedikit tertarik oleh isapan ini tapi tidak membuat cincin vorteksnya jadi pecah atau bubar. Ini jelas terlihat pada posisi t/T = 5/8 dan t/T = 3/4. Tetapi setelah dimulainya gerakan tiup pada posisi t/T = 7/8, maka cincin vorteks ini mulai

terbentuk lagi dan kemudian melepaskan ikatannya pada posisi t/T = 1.

Tabel 4 TerjadinyaVorteks oleh SJA Ukuran Orifis

Eksperimen

Simulasi CFD

dia. 3 mm

Ada

Ada

dia. 5 mm

Ada

Ada

dia. 8 mm

Tidak

Tidak

Jadi, dapat dikatakan bahwa pada metoda eksperimen dan metoda simulasi CFD memberikan hasil yang sama.

4. Kesimpulan Dari hasil penelitian tentang karakteristik aktuator jet sintetik ini, maka dapat diambil beberapa kesimpulan. Frekwensi yang KE-23

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 diperoleh untuk mendapatkan kecepatan aliran maksimum jet dari SJA K3 adalah pada frekwensi 120 Hz, untuk K5 dan K8 adalah pada frekwensi 110 Hz. Dari banyaknya data yang diambil, maka nilai uncertainty sudah tercapai dibawah 2%. Hasil pengukuran kecepatan aliran secara absolut melalui eksperimen dan simulasi CFD memberikan hasil yang mendekati. Distribusi kecepatan rata-rata aliran jet lebih tinggi terjadi pad X/D < 1, kemudian mengalami penurunan setelah X/D > 1. Kecepatan aliran secara absolut aliran jet maksimum terjadi pada K3. Dalam menentukan apakah terjadinya vortex ring akibat gerakan SJA, maka hasil eksperimen yang diolah dalam persamaan yang ada dan hasil yang didapat dari simulasi CFD, memberikan hasil yang sama. Vortex ring dapat terjadi pada K3 dan K5, sedangkan pada K8, SJA ini tidak dapat membentuk vortex ring.

5.

Dynamics, Institute of Thermomechanics AS CR, v.v.i., Prague [7] Conan B., Anthoine J., and Planquart P., 2011, Experimental Aerodynamic study of a car-type bluff body, Experimental of Fluids, 50, pp. 247 – 259 [8] Cooper, K. P., 1985, SAE Paper No. 850288 [9] Friedler H. E., and Frernholz, H. H., 1990, On Management and Control of Turbulent Shear Flows, Prog. Aerospace Sci. 27, pp. 305 – 395 [10] Gak-El-Hak, M., 1996, Modern Development in Flow Control, Appl. Mech. Rev., 9, pp. 365-379 [11] Hucho W.H., 1998, Aerodynamics of Road Vehicle, Annu. Rev. Fluid Mech., 25, pp 285-537 [12] Kourta A. & Gillieron P., 2009, Impact of automotive Control on the Economic Issues, Journal of Applied Fluid Mechanics, vol. 2, no. 2, pp. 69 – 75 [13] Hucho W. H., 2002, Aerodynamik der stumpfer K’’orper – Physikalische Grundlagen und Anwendung in der Praxis, Vieweg-Verlag [14] Brunn A. & Nitschew, 2005, Active Control of Turbulent Separated Flow by Means of Large Scale Vortex Excitation. In : RODI W. and MULAS M. (Eds.) Engineering Turbulence Modelling and Experiments 6, Elsevier Science Ltd., 555 – 564 [15] Roumeas M., Gillieron P., and Kuorta A., 2009, Analysis and Control of near wake flow over a square back geometry, Computers & Fluids, 38, pp. 60 – 70 [16] Roumeas M., Gillieron P., and Kuorta A., 2009, Drag Reduction by Flow Separation Control on a Car after Body, International Journal for Numerical Method in Fluids, 60, pp. 1222 – 1240 [17] Bruneau C. H., Creuse E., Depeyras D., Gilleron P., and Mortazavi I., 2009, International Journal Aerodynamics, Inderscience Enterprises Ltd. [18] Feeroa, Mark A., Lavoiea, Philippe, Sullivan, Pierre E, Influence of cavity shape on synthetic jet performance.

Daftar Pustaka

[1] Ahmed S.R., G. Ramm and G. Faltin., 1984, SAE paper, Detroit, Michigan, USA, 8400300-01 [2] IEA, 2007, World Energy Outlook 2007, Executive Summary, China and India insights, International Energy Agency IEA, ISBN : 978-92-64-02730-5 [3] Hintenberger C., Villalba M. G. & Rodi W., 2004, Large eddy simulation of flow around the Ahmed body, Institute for Hydromechanics, University of Karlsruhe, Germany [4] Fares E., 2006, Unsteady flow simulation of the Ahmed reference body using a lattice Boltzmann approach, Computers and Fluids, 35, pp. 940-950 [5] Minguez M., Pasquetti R. & Serre E., 2008, High-order Large Eddy Simulation of Flow over the Ahmed Body’ Car Model’, Physics of Fluids, 20 [6] Uruba V., and Hladik O., 2009, On the Ahmed Body Wake, Colloquium Fluid KE-23


Sensors and Actuators A: Physical 223 (2015) page 1 – 10, Elsavier, 2014. [19] R. Holman, Y. Utturkar, R. Mittal, B.L. Smith, L. Cattafesta, Formation criterionfor synthetic jets, AIAA J. 43 (10) (2005) 2110–2116. [20] Glezer, M. Amitay, Synthetic jets. Annu. Rev. Fluid Mech. 34 (1) (2002) page 503–529.

KE-23

Karakteristik Pembentukan Cincin Vorteks pada Jet Sintetik akibat Perubahan Frekwensi Eksitasi pada Aktuator Ber-cavity Kerucut

Recommend Documents