Tugas Akhir KATA PENGANTAR Alhamdulillah, segala puji dan sukur kita panjatkan kepada Allah SWT. Dengan ijin, kasih sayang serat rahmatNya maka penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul, STUDI EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK KARAKTERISTIK ALIRAN MELINTASI PRISMA TERPANCUNG. Penulis berharap dari Tugas Akhir banyak mamfaat yang dapat di ambil walaupun dalam tulisan ini masih banyak kekurangan. Akhirnya penulis ingin mengucapkan terima kasih serta berbagi kebahagiaan kepada orang-orang disekitar penulis yang secara langsung maupun secara tidak langsung ikut terlibat dalam penulisan tugas akhir ini. Secara khusus penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada : 1. Bapak Prof. Dr. Ir. Tryogi Yuwono, DEA selaku dosen pembibing yang telah banyak meluangkan waktu serta pikirannya dalam membibing dalam penyelesaian Tugas Akhir ini. 2. Bapak wawan aris, ST, MT, bapak Dr.heru Mirmanto MT, yang telah meluangkan waktunya untuk menguji Tugas Akhir ini. 3. Bapak Prof. Dr. Ir. Wajan Berata, DEA sebagai dasen wali yang telah meluangkan waktu, pikiran dan perhatiannya selama penulis dibangku perkuliahan. 4. Bapak Dr.ing. Herman Sasongko, sebagai ketua jurusan Teknik Mesin ITS. 5. Seluruh dosen dan karyawan yang jurusan Teknik Mesin ITS yang telah memberi bimbingan kepada penulis selama kuliah. 6. Kepada kedua orang tua saya, ibu saya yang telah membesarkan saya penuh dengan cinta dan kasih sayang dan juga yang selalu mendoakan, memberi motifasi
vii
Tugas Akhir mudah-mudahan Allah SWT selalu melindunginya, kepada almarhum ayah saya, kepada saudara-saudara tercinta abang alen, abang dodi, kakak ini, kakak nurma dan anggi pandi yang selalu memberi penulis motivasi dan selalu mendoakan kelancaran Tugas Akhir ini, mudah-mudahan kami menjadi keluarga yang bahagia. 7. Teman-teman saya kahanggi topik yang selalu membantu saya, atas sir yang telah meminjamkan printer, bang duon yang selalu memberikan motivasi, jaki yang telah meminjamkan komputer semoga Allah membalasnya, bang nanang yang sudah meminjamkan printer dan seluruh teman-teman POSNI ROHA. 8. Teman-teman kelompok prisma yang selama ini membantu penulis. 9. Teman teman M47 yang telah menjadi teman seperjuangan mulai dari pengkaderan. Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih terdapat kekurangan yang dapat digunakan sebagai pertimbangan untuk penelitian selanjutnya. Akhir kata , penulis mengharapkan kritik serta saran di masa mendatang. Surabaya, Agustus 2009
penulis
viii
Tugas Akhir DAFTAR ISI Abstrak………………………………………………………...….i Halaman Pengesahan.....................................................................v Kata Pengantar.............................................................................vii Daftar Isi...………………………………………………...…….ix Daftar Gambar............................................................................xiii Daftar Tabel................................................................................xxi Daftar Simbol dan Satuan.........................................................xxiii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang……….……………………………...1 1.2 Perumusan Masalah………………………...……….3 1.3 Tujuan Penelitian…………………………….……...4 1.4 Batasan Masalah…………………………….………4 1.5 Manfaat Penelitian…………………………..………4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Dasar Teori..................................................................5 2.1.1 Aliran Viscous dan Non Viscous........................5 2.1.2 Konsep Boundary Layer....................................6 2.1.3 Aliran Laminar dan Turbulen............................7 2.1.4 Bilangan Reynolds…………………………….8 2.1.5 Tekanan Statis, Tekanan Stagnasi dan Tekanan Dinamis........................................................9
ix
Tugas Akhir 2.1.6 Koefisien Tekanan...........................................10 2.1.7 Koefisien Drag..............……………………..10 2.1.8 Aliran Melintasi Silinder Sirkular...................13 2.1.9 Separasi Bubble...............................................15 2.2 Penelitian Terdahulu.................................................16 2.2.1 Penelitian silinder sirkular...............................16 2.2.2 Penelitian aliran melintasi prisma…….…......18 2.2.3 Penelitian aliran melintasi plat tumpul…........30 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Analisa Dimensi........................................................43 3.1.1 Analisa Dimensi Koefisien Tekanan ( Cp ).....44 3.1.2 Analisa Dimensi Koefisien Drag................... 58 3.2 Peralatan Penelitian...................................................46 3.3 Prosedur Penelitian...................................................48 3.4 Langkah-Langkah Penggunaan Metode Komputasi Fluida(CFD)………………………………….…….......50 3.5 Urutan Langkah Penelitian……………….…….…..54 3.5 Alokasi Waktu Penelitian..........................................55 BAB IV ANALISA DAN DISKUSI 4.1 Contoh Perhitungan...................................................56 4.1.1 Perhitungan Bilangan Reynolds .....................56 4.1.2 Perhitungan Koefisien Tekanan, Cp................58
x
Tugas Akhir 4.1.3 Perhitungan Kecepatan Aliran di Belakang Prisma ......................................................................60 4.1.4 Perhitungan Koefisien Pressure Drag (CDp) ......................61 4.1.5 Perhitungan Koefisien Total Drag (CDt) ............................64 4.2 Analisa Grafik dan Visualisasi...............................................66 4.2.1 Karakteristik Aliran Fluida Melintasi Prisma Terpancung Dengan Perbandingan Rusuk b/a = 12/12...........................66 4.2.2 Karakteristik Aliran Fluida Melintasi Prisma Terpancung Dengan Perbandingan Rusuk b/a = 2/12........................69 4.2.3 Karakteristik Aliran Fluida Melintasi Prisma Terpancung Dengan Perbandingan Rusuk b/a = 1/12............................72 4.2.4 Karakteristik Aliran Fluida Melintasi Prisma Terpancung Dengan Perbandingan Rusuk b/a = 0/12............................75 4.2.5 Perbandingan Karakteristik Aliran Fluida Melintasi PrismaTerpancung Dengan Perbandingan Rusuk b/a = 12/12, 2/12, 1/12, 0/12..............................................79 4.3 Pengaruh Variasi Perbandingan Rusuk (b/a) pada Prisma Terpancung Terhadap Gaya Drag ……….. .......................82 4.4 Koefisien Total Drag pada Prisma Terpancung untuk Setiap Variasi Perbandingan Rusuk (b/a).......................................83 4.5 Koefisien Shear Drag pada Prisma Terpancung untuk Setiap Variasi Perbandingan Rusuk (b/a)..................................... 84
xi
Tugas Akhir 4.6 Perbandingan Karakteristik Aliran Fluida Melintasi Prisma Terpancung dengan (b/a) = 0/12 hingga 12/12……...….....85 4.7 Pengaruh Variasi Perbandingan Rusuk (b/a) pada Prisma Terpancung Terhadap Gaya Drag dengan (b/a) =12/12 sampai (b/a) =0/12...............................................................88 4.8 Perbandingan Penelitian Secara Eksperimental dengan Secara Numerikal untuk perbandingan rusuk (b/a) = 12/12…………………………………………………..…..90 4.9 Perbandingan Penelitian Secara Eksperimental dengan Secara Numerikal untuk perbandingan rusuk (b/a) = 2/12 ........................................................................93 4.10 Perbandingan Penelitian Secara Eksperimental dengan Secara Numerikal untuk perbandingan rusuk (b/a) = 1/12…………………………………….....……….96 4.11 Perbandingan Penelitian Secara Eksperimental dengan Secara Numerikal untuk perbandingan rusuk (b/a) = 0/12 ……………………………...…………99 BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan..........................................................................102 5.2 Saran.....................................................................................103 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
xii
Tugas Akhir DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1
Aliran fluida melalui silinder sirkular
8
Gambar 2.2 Strstruktur boundary layer
10
Gambar 2.3
Penguraian komponen gaya drag
15
Ganbar 2.4
Control volume persamaan gaya drag
17
Gambar 2.5
Mekanisme terjadinya separasi pada aliran melewati silinder
20
Gambar 2.6
Separasi bubble ( Bao & Dallmann, 2004 )
22
Gambar 2.7
Distribusi tekanan pada separasi bubble
Gambar 2.8
( Bao & Dallmann, 2004 ) Skema percobaan (Anisa P.S.,2008)
Gambar 2.9
Perbandingan grafik Cp = f(θ) tiap benda
Gambar 2.10
uji (Anisa P.S.,2008) Gambar 2.10 Koefisien drag pada silinder tipe – D θs = 65° untuk setiap variasi axis ratio (Anisa P.S.,2008)
Gambar 2.11
skema percobaan(Luo, dkk,1993)
Gambar 2.12
koefisien gaya normal(CN) = f (α) untuk tiap benda uji (Luo, dkk,1993)
Gambar 2.13
koefisien gaya aksial(CA) = f (α) untuk tiap benda uji (Luo, dkk,1993)
xiii
23 24 25
26 27
28
30
Tugas Akhir Gambar 2.14
koefisien lift (CL) dan koefisien drag (CD) = f (α) untuk tiap benda uji (Luo,
Gamabr 2.15 Gambar 2.16
Gambar 2.17
dkk,1993) skematik aliran dan sisitem kordinat (Cheng dan Liu, 1999) perbandingan antara eksperimen dan komputasi (Cheng dan Liu, 1999)
33
34
distribusi tekanan dan pola aliran aliran melintasi bodi (Cheng dan Liu, 1999)
Gambar 2.18
32
36
distribusi tekanan dan pola aliran aliran melintasi bodi (λ = 0) (Cheng dan Liu, 1999)
39
t = 91, (b) t = 93, (c) t = 95, (d) t = 97, (e) Gamabr 2.19
t = 99 (Cheng dan Liu, 1999) Cp untuk masing-masing percobaan (Cheng dan
Gambar 2.20
Liu,1999) nilai koefisien drag untuk masing-masing benda uji (Cheng dan Liu, 1999)
Gambar 2.21
benda uji (Yaghoubi dan Mahmoodi,
Gambar 2.22
2004) vector kecepatan melintasi plat (Yaghoubi
xiv
40 41 42
Tugas Akhir dan Mahmoodi, 2004) Gambar 2.23
44
variasi U/Umax sepanjang plat (Yaghoubi 45
dan Mahmoodi, 2004) Gambar 2.24
variasi intensitas turbulensi sepanjang plat
Gambar 2.25
(Yaghoubi
46
dan Mahmoodi, 2004) variasi momentum tichnes dan displacement tichnes sepanjang plat
Gambar 2.26
(Yaghoubi dan Mahmoodi, 2004) variasi koefisien gesek sepanjang plat
Gambar 2.27
49
(Yaghoubi dan Mahmoodi, 2004) rata-rata kecepatan (PIV)dan model L/D
Gambar 2.30
49
(Yaghoubi dan Mahmoodi, 2004) variasi AR terhadap posisi reattach
Gambar 2.29
48
(Yaghoubi dan Mahmoodi, 2004) intensitas turbulensi sepanjang plat
Gambar 2.28
47
= 0,67 (Higuchi, dkk, 2006) rata-rata profile kecepatan dengan
xv
50
Tugas Akhir Re=10000 Gambar 2.31
52
Dye flow visualisasi, L/D = 1,5 (Higuchi, dkk, 2006)
Gambar 2.32
53
Dye flow visualizations, ReD = 10 000: (a) L/D = 0.67; (b) L/D = 1.5;
(c ) L/D = 3
(Higuchi, dkk, 2006) Gambar 2.33
vektor kecepatan melewati benda uji (Higuchi, dkk, 2006)
Gambar 2.34
54
profile kecepatan di daerah wake (Higuchi, dkk, 2006)
Gambar 2.35
54
55
Proper Orthogonal Decomposition dari medan kecepatan melintasi benda uji L/D= 1.5
57
Gambar 3.1
Skema Percobaan
59
Gambar 3.2
Skema Wind Tunnel yang digunakan
64
Gambar 3.3
Profil prisma yang digunakan
65
Gambar 3.4
Skema visualisasi pada profil prisma
67
Gambar 3.5
Pengukuran profil kecepatan di daerah
xvi
6
Tugas Akhir wake
8
Gambar 3.6
Meshing pada prisma terpancung dengan (b/a) = 12/12
Gambar 3.7
Meshing pada prisma terpancung dengan (b/a) = 2/12
Gambar 3.8
Meshing pada prisma terpancung
Gambar 3.9
dengan (b/a) = 1/12 Meshing pada prisma terpancung dengan (b/a) = 0/12
Gambar 4.1
Grafik Cp = f(θ) prisma terpancung dengan (b/a) = 12/12
Gambar 4.2
2 Hasil visualisasi aliran melintasi
Gambar 4.3
prisma terpancung dengan (b/a) = 12/12 Profil kecepatan di belakang prisma
Gambar 4.4 Gambar 4.5
Gambar 4.6
terpancung dengan (b/a) = 12/12 Grafik Cp = f(θ) prisma terpancung dengan (b/a) = 2/12. Hasil visualisasi aliran melintasi prisma terpancung dengan (b/a) = 2/12 Profil kecepatan prisma terpancung dengan (b/a) = 2/12
69
69 70 70 85
87 8 8 89 9 1 92
Gambar 4.7 Grafik Cp = f(θ) prisma terpancung dengan (b/a) = 1/12
xvii
9 3
Tugas Akhir Gambar 4.8
Hasil visualisasi aliran melintasi prisma
95
terpancung dengan (b/a) =1/12 Gambar 4.9
Gambar 4.10 Gambar 4.11 Gambar 4.12 Gambar 4.13 Gambar 4.14 Gambar 4.15
Profil kecepatan di belakang prisma terpancung dengan (b/a) = 1/12 Grafik Cp = f(θ) prisma terpancung dengan (b/a) = 0/12 Hasil visualisasi aliran melintasi prisma terpancung dengan (b/a) = 0/12 Profil kecepatan di belakang prisma terpancung dengan (b/a) = 0/12 Perbandingan grafik Cp = f(θ) tiap benda uji Perbandingan profil kecepatan di belakang tiap benda uji Koefisien Total Drag pada Prisma Terpancung untuk Setiap Variasi (b/a)
Gambar 4.16
Perbandingan grafik Cp = f(θ) tiap
Gambar 4.17
benda uji Perbandingan profil kecepatan di
Gambar 4.18
belakang tiap benda uji Koefisien Drag pada Prisma Terpancung untuk Setiap Variasi (b/a)
96 9 7 99 100 101 103 105 106 109 111
Gambar 4.19
Perbandingan grafik Cp = f(θ) dengan (b/a) = 12/12 secara eksperimental dan numerikal.
112
Gambar 4.20
Hasil visualisasi aliran melintasi prisma
113
xviii
Tugas Akhir terpancung dengan (b/a) = 12/12 dengan Gambar 4.21
menggunakan fluent Perbandingan profil kecepatan di belakang tiap benda uji yang dilakukan
Gambar 4.22
secara eksperimental dan numerikal Perbandingan grafik Cp = f(θ) dengan (b/a) = 2/12 secara eksperimental dan
Gambar 4.23
numerikal Hasil visualisasi aliran melintasi prisma terpancung dengan (b/a) = 2/12 dengan
Gambar 4.24
menggunakan fluent Perbandingan profil kecepatan di belakang tiap benda uji yang dilakukan
Gambar 4.25
secara eksperimental dan numerikal Perbandingan grafik Cp = f(θ) dengan (b/a) = 1/12 secara eksperimental dan
Gambar 4.26
numerikal Hasil visualisasi aliran melintasi prisma terpancung dengan (b/a) = 1/12 dengan
Gambar 4.27
menggunakan fluent Perbandingan profil kecepatan di belakang tiap benda uji yang dilakukan
Gambar 4.28
secara eksperimental dan numerikal Perbandingan grafik Cp = f(θ) dengan (b/a) = 0/12 secara eksperimental dan numerikal
xix
11 4
115
116
117
118
119
120
121
Tugas Akhir Gambar 4.29
Hasil visualisasi aliran melintasi prisma terpancung dengan (b/a) = 0/12 dengan
Gambar 4.30
menggunakan fluent Perbandingan profil kecepatan di belakang tiap benda uji yang dilakukan secara eksperimental dan numerikal
xx
122
123
Tugas Akhir DAFTAR TABEL
Tabel 3.1
Alokasi waktu penelitian
74
Tabel 4.1
Integrasi u untuk menghitung gaya drag total
84
Tabel 4.2
nilai Cpb untuk (b/a) = 12/12 sampai dengan (b/a) = 0/12
103
Tabel 4.3
nilai Cpb benda uji dari (b/a) = 12/12 sampai dengan (b/a) = 0/12
108
xxi
Tugas Akhir
HALAMAN INI SENGAJA DIKOSONGKAN
xxii
Tugas Akhir DAFTAR SIMBOL DAN SATUAN A
luasan tekan (m2)
a
panjang sisi alas prisma (m)
b
panjang sisi puncak prisma (m)
b/a
perbandingan panjang sisi puncak dengan panjang sisi
alas CD
koefisien drag
CDp
koefisien pressure drag
CDf
koefisien friction drag
CDt
koefisien total drag
CD1
koefisien drag prisma bagian lower dan upper side
Cp
koefisien tekanan
Cpb
koefisien base pressure
D
diameter silinder (m)
FDf
skin friction drag (N)
d
diameter silinder pengganggu (m)
FDf
skin friction drag (N)
FDp
pressure drag (N)
FD
gaya drag (N)
FL
gaya lift (N)
g
percepatan gravitasi (m/s2)
h
lebar test section pada wind tunnel (m)
xxiii
Tugas Akhir Δh
selisih pembacaan manometer (m)
L
panjang silinder (m); panjang karakteristik (m)
n
jumlah pressure tap
p
tekanan statis aliran fluida (N/m2)
po
tekanan stagnasi (N/m2)
psk
tekanan statis kontur (N/m2)
ps∞
tekanan statis freestream (N/m2)
pb
base pressure (N/m2)
pd
tekanan dinamis (N/m2)
Re
bilangan Reynolds
SG
specific gravity
U∞
kecepatan freestream (m/s)
U max
kecepatan lokal maksimum (m/s)
V
kecepatan lokal aliran (m/s)
x
jarak longitudinal dari pitot tube (m)
y
lebar test section wind tunnel (m)
θS
sudut iris silinder pengganggu (deg)
θ
sudut kontur silinder (deg)
∆p
perbedaan antara tekanan freestream dengan tekanan pada dinding
prisma (N/m2)
τyx
tegangan geser (N/m2)
µ
viskositas udara (N.s/m2)
xxiv
Tugas Akhir du dy
gradient kecepatan aliran (s-1)
u
kecepatan lokal aliran (m/s)
δ
boundary layer thickness
ρ
massa jenis udara (kg/m3)
∂p ∂θ
gradient tekanan pada kontur
π
grup bilangan tak berdimensi
xxv
Tugas Akhir
xxvi
