PENGARUH VARIASI JARAK ANTAR RING BERPENAMPANG SETENGAH LINGKARAN PADA PERMUKAAN SILINDER TERHADAP KOEFISIEN DRAG
Oleh Dosen Pembimbing
: I Komang Wilantara : Si Putu Gede Gunawan tista ST, MT : Dr. Ir. I Gusti Ngurah Nitya Santhiarsa,MT ABSTRAK
Upaya yang dilakukan untuk mengurangi drag adalah dengan memanipulasi medan aliran fluida. Manipulasi aliran fluida dapat dilakukan secara pasif antara lain dengan menambahkan helical strake pada permukaan silinder, penambahan O-ring pada permukaan silinder, yang bertujuan untuk mengurangi gaya drag. Pada penelitian ini saya menambahkan variasi jarak antar ring berpenampang setengah lingkaran pada permukaan silinder yang bertujuan untuk memanipulasi medan aliran fluida sehingga mengurangi koefisien drag. Dalam penelitian ini pengujian dilakukan pada wind tunnel, yang terdiri dari blower, manometer, timbangan digital, pipa pitot, pipa silinder, dan ring berpenampang setengah lingkaran dan variasi jarak antar ring 30mm, 40mm, 50mm, 60mm dan 70mm. Bilangan Reynolds berdasarkan diameter silinder utama (D = 60) adalah Re =3,8 x 10 Dari hasil penelitian menunjukkan bahwa terjadi penurunan koefisien drag dibandingkantanpavariasi ring. Nilaikoesisiendrag paling rendah didapat dari variasi jarak antar ring 50mm dengan nilai 0,369, dimanater jadi penurunan drag sebesar 24,38% dibandingkan dengan silinder tanpa ring. Kata Kunci : Ring, Jarak Antar Ring, Gaya Hambat,Pengurangan Drag
iv
PENGARUH VARIASI JARAK ANTAR RING BERPENAMPANG SETENGAH LINGKARAN PADA PERMUKAAN SILINDER TERHADAP KOEFISIEN DRAG
By Guidance
: I Komang Wilantara : Si Putu Gede Gunawan Tista,ST.,MT : Dr. Ir. I Gusti Ngurah Nitya Santhiarsa, MT ABSTRACT
Efforts are made to reduce drag is by manipulating the fluid flow,Manipulation of fluid flow can be done passively, among others, by adding a helical strake on the surface of the cylinder, adding a variation of the angle O-ring on the surface of the cylinder which aims to reduce the drag force.The purpose of this study was to analyze the effect of variations in the semi-circle on the surface of the cylinder on the drag coefficient. This study was conducted in a wind tunnel consisting of a blower, Pitot pipe, manometer, digital scales, and cylinders,and ring visible semi-circle and variations in distance between the ring of 30mm, 40mm, 50mm, 60mm and 70mm. The Reynolds number, based on cylinder diameter (60mm) is Re = 3,64x10 . The results showed that a decline in the coefficient of drag than without variation ring, Drag coeffisient lowest value obtained from the variation distance between 50mm ring with a value of 0.369, with reduced drag by 24.385% compared to the cylinder without a ring. Keywords: Ring, Spacing Ring, Style Inhibition, Drag Reduction
v
KATA PENGANTAR
Puja dan puji syukur penulis panjatkan kehadapan Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat dan Rahmat-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul“Pengaruh Variasi Jarak Antar Ring Berpenampang Setengah Lingkaran Pada Permukaan Silinder Terhadap Koefisien Drag ” Dalam pembuatan skripsi ini penulis banyak mendapat bantuan serta bimbingan dari berbagai pihak sehingga pada kesempatan ini penulis tidak lupa mengucapkan terima kasih kepada : 1. Bapak Prof. Ir. Ngakan Putu Gede Suardana, MT, PhD selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Udayana. 2. Bapak Dr. Ir. I Ketut Gede Sugita,MT selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana. 3. Bapak Ketut Astawa,ST.,MT,selaku Koordinator Skripsi. 4. Bapak Si Putu Gede Gunawan Tista,ST., MT, selaku Dosen Pembimbing I dalam penulisan skripsi ini. 5. Bapak Dr. Ir. I Gusti Ngurah Nitya Santhiarsa,MT, selaku Dosen Pembimbing II dalam penulisan skripsi ini. 6. Bapak I Gusti Komang Dwijana, ST,.MT, selaku Dosen Pembimbing Akademik 7. Bapak/ Ibu dosen, Selaku pengajar di Program Studi Teknik Mesin khususnya Program Non Reguler Fakultas Teknik Universitas Udayana. 8. Rekan-rekan di Fakultas Teknik Khususnya di Fakultas Teknik Mesin.. 9. Semua Pihak yang telah banyak membantu dalam penyusunan skripsi ini yang tidak dapat penulis sebutkan satu - satu. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna mengingat terbatasnya pengetahuan yang penulis miliki, untuk itu saran dan kritik yang bersifat membangun,sangat penulis harapkan demi kesempurnaan skripsi ini.
Denpasar, Nopember 2016 Penulis
vi
DAFTAR ISI
Halaman LEMBAR JUDUL ...................................................................................................... i LEMBAR PENGESAHAN ....................................................................................... ii LEMBAR PERSETUJUAN.....................................................................................iii ABSTRAK. ................................................................................................................ iv ABSTRACK ............................................................................................................... v KATA PENGANTAR .............................................................................................. vi DAFTAR ISI ............................................................................................................ vii DAFTAR TABEL ..................................................................................................... ix DAFTAR GAMBAR ................................................................................................ xi
BAB I PENDAHULUAN ......................................................................................... 1 1.1. Latar Belakang..................................................................................................... 1 1.2. Perumusan Masalah ....................................................................................... 2 1.3. Batasan Masalah ............................................................................................ 3 1.4. Tujuan Penelitian ........................................................................................... 3 1.5. Manfaat Penelitian ......................................................................................... 3
BAB II LANDASAN TEORI ................................................................................. 4 2.1. Lapisan Batas (Boundary layer).................................................................... 4 2.2.Bilangan Reynolds (Reynolds Number) ......................................................... 5 2.3.Pengaruh Gradiasi Tekanan Pada Aliran Separasi ......................................... 6 2.4.Aliran Melintasi Silinder ................................................................................ 10 2.5.Koefisien Gesek.............................................................................................. 12 2.5.1. Gaya gesek statis................................................................................... 12 2.5.2. Gaya gesek kinetis ................................................................................ 13 2.5.3. Gaya menggelinding pada bidang datar ............................................... 13 2.6.Koefisien Drag ............................................................................................... 15 2.7.Alat Ukur (U Tube Manometer) ..................................................................... 17 2.7.1. Metode-metode Penguragan Gaya Drag ............................................ 19
vii
BAB III METODE PENELITIAN.......................................................................... 21 3.1.Skema Rancangan Penelitian................................................................................ 21 3.2. Variabel Penelitian............................................................................................... 24 3.2.1. Variabel Bebas................................................................................................. 24 3.2.2. Variabel Terkontrol .......................................................................................... 24 3.2.3. Variabel Terikat ................................................................................................ 24 3.3. Alat dan Bahan Penelitian ............................................................................. 24 3.3.1. Bahan dan Alat ...................................................................................... 24 3.3.2. Alat Ukur ............................................................................................... 30 3.4. Prosedur Pengujian .............................................................................................. 31 3.4.1. Persiapan Pengujian.................................................................................... 31 3.4.2. Prosedur Pengambilan Data........................................................................ 31 3.5. Diagram Alir Pengolahan Data............................................................................ 34
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................................. 35 4.1. Data Hasil Penelitian ........................................................................................... 35 4.2. Pengolahan Data .................................................................................................. 43 4.2.1. Menghitung Kecepatan Aliran.................................................................... 43 4.2.2. Menghitung Tekanan Dinamis ................................................................... 44 4.2.3. Menghitung Tekanan Statis Lingkungan.................................................... 44 4.2.4. Menghitung Koefisien Tekanan Permukaan Silinder (Cp) ........................ 45 4.2.5. Menghitung Koefisien Drag (Cd) ............................................................. 47 4.3. Pembahasan Hasil Perhitungan Koefisien Tekanan Pada Permukaan Silinder (Cp) dan Koefisien Drag (Cd) ................................................................ 55 4.3.1. Pembahasan Grafik Hubungan Distribusi Koefisien Tekanan Pada Permukaan Silinder (Cp) Terhadap Variasi Jarak Ring Pengujian ...................... 55 4.3.2. Pembahasan Grafik Hubungan Koefisien Drag (Cd) Terhadap Variasi Jarak Antar Ring ...................................................................................... 57
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN.................................................................... 59 5.1. Kesimpulan .......................................................................................................... 59 5.2. Saran .................................................................................................................... 59
viii
DAFTAR PUSTAKA................................................................................................ 60 LAMPIRAN .............................................................................................................. 61 PERNYATAAN ........................................................................................................ 63 FOTO – FOTO.......................................................................................................... 64
ix
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1. Nilai Pressure Drag ...................................................................................... 8 Tabel 2.2. Nilai Koefisien Drag .................................................................................... 9 Tabel 4.1. Data Hasil Pengujian Kecepatan Aliran ....................................................... 35 Tabel 4.2.Data Hasil Pengukuran Tekanan Statis Lingkungan ..................................... 35 Tabel 4.3. Data Pengukuran ∆h Permukaan Silinder Tanpa Ring................................. 36 Tabel 4.4.Data Pengukuran ∆h Permukaan Silinder Dengan Variasi Jarak Antar Ring 30mm.. ............................................................................................ 37 Tabel 4.5.Data Pengukuran ∆h Permukaan Silinder Dengan Variasi Jarak Antar Ring 40mm .............................................................................................. 38 Tabel 4.6. Data Pengukuran ∆h Permukaan Silinder Dengan Variasi Jarak Antar Ring 50mm ............................................................................................. 39 Tabel 4.7. Data Pengukuran ∆h Permukaan Silinder Dengan Variasi Jarak Antar Ring 60mm .............................................................................................. 40 Tabel 4.8. Data Pengukuran ∆h Permukaan Silinder Dengan Variasi Jarak Antar Ring 70mm .............................................................................................. 41 Tabel4.9.Data Hasil Pengukuran Gaya Drag.. .............................................................. 42 Tabel 4.10.Hasil Perhitungan ∆h, Kecepatan aliran Bebas (V ͚ ), Tekanan Statis Lingkungan ( ), Tekanan Permukaan Silinder (P), Dan Koefisien Tekanan Permukaan Silinder (Cp) Pada Silinder Tanpa Ring ...................................... 49 Tabel 4.11.Hasil perhitungan ∆h, Kecepatan Aliran Bebas (V ͚ ), Tekanan Statis Lingkungan ( ), Tekanan Permukaan Silinder (P), Dan Koefisien Tekanan Permukaan Silinder (Cp) Dengan Variasi Jarak 30mm...................... 50 Tabel 4.12.Hasil Perhitungan ∆h, Kecepatan Aliran Bebas (V ͚ ), Tekanan Statis Lingkungan ( ), Tekanan Permukaan Silinder (P), Dan Koefisien Tekanan Permukaan Silinder (Cp) Dengan Variasi Jarak 40mm.................................. 51 Tabel 4.13.Hasil Perhitungan ∆h, Kecepatan Aliran Bebas (V ͚ ), Tekanan Statis Lingkungan ( ), Tekanan Permukaan Silinder (P), Dan Koefisien Tekanan Permukaan Silinder (Cp)Dengan Variasi Jarak 50mm................................... 52
x
Tabel 4.14.Hasil Perhitungan ∆h, Kecepatan Aliran Bebas (V ͚ ), Tekanan Statis Lingkungan ( ), Tekanan Permukaan Silinder (P), Dan Koefisien Tekanan Permukaan Silinder (Cp) Dengan Variasi Jarak 60mm...................... 53 Tabel 4.15.Hasil Perhitungan ∆h, Kecepatan Aliran Bebas (V ͚ ), Tekanan Statis Lingkungan( ), TekananPermukaanSilinder(P), Dan Koefisien Tekanan Permukaan Silinder (Cp) Dengan Variasi Jarak 70mm...................... 54 Tabel 4.16.Hasil Perhitungan Koefisien Drag (Cd) Silinder Tanpa Ring Dan Dengan Variasi Jarak Antar Ring .................................................................................. 55
xi
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 2.1. Boundary Layer ................................................................................. .....5 Gambar 2.2. Distribusi Kecepatan.......................................................................... .....7 Gambar 2.3. Pola Aliran Melewati Silinder ........................................................... .....7 Gambar 2.4.Kualititatif Aliran Pada Silinder ......................................................... .....10 Gambar 2.5.Pengaruh Turbulensi Pada Separasi.................................................... .....10 Gambar 2.6.Distribusi Aliran Pada Silinder ........................................................... .....11 Gambar 2.7.Sketsa Pola Aliran............................................................................... .....12 Gambar 2.8.Benda Dan Gaya Yang Bekerja .......................................................... .....13 Gambar 2.9. Aliran Fluida Ke Arah X ................................................................... .....16 Gambar 2.10. U Tube Manometer .......................................................................... .....17 Gambar 2.11. Pengukuran Tekanan Stagnasi ......................................................... .....18 Gambar 2.12. Analogi Aliran Turbulen.................................................................. .....19 Gambar 2.13. Gangguan Aliran Akibat Silinder Bulat........................................... .....20 Gambar 2.14.Ganguan Aliran Dibelakang Silinder................................................ .....20 Gambar 2.15. Cerobong Asap Dengan Helical Strake ........................................... .....20 Gambar 3.1. Skema Instalasi Penelitian ................................................................. .....21 Gambar 3.2. Detail Benda Uji ................................................................................ .....23 Gambar 3.3. Detail 36 Lubang Pengujian Cp......................................................... .....23 Gambar 3.4.Detail Potongan Benda Uji .......................................................................23 Gambar 3.5. Foto Wind Tunnel............................................................................... .....24 Gambar 3.6. Foto U Tube Manometer.................................................................... .....25 Gambar 3.7. Foto Timbangan ................................................................................. .....26 Gambar 3.8. Foto Rel/ Lintasan.............................................................................. .....26 Gambar 3.9. Foto Blower........................................................................................ .....27 Gambar 3.10. Foto Spesiment................................................................................. .....28 Gambar 3.11. Foto Minyak Tanah.......................................................................... .....28 Gambar 3.12. Foto Jarum Suntik............................................................................ .....29 Gambar 3.13. Foto Plastisin.................................................................................... .....29 Gambar 3.14. U Tube Manometer .......................................................................... .....30 Gambar 3.15. Pengukuran Stagnasi dan Tekanan Statis ........................................ .....30 xii
Gambar 4.1. Gerafik Koefisien Tekanan (Cp)........................................................ .....55 Gambar 4.2. Gerafik Koefisien Drag (Cd)............................................................. .....58
xiii
1
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Aerodinamika, sebagai salah satu cabang ilmu pengetahuan, mengalami perkembangan teknologi seperti cabang-cabang ilmu pengetahuan yang lain. Aerodinamika dapat diartikan sebagai cabang ilmu yang mempelajari interaksi antara aliran fluida dengan benda-benda solid yang bergerak secara relative di dalam aliran tersebut.
Salah satu penerapan aerodinamika digunakan dalam
rangka perancangan maupun peningkatan kemampuan pesawat terbang serta kendaraan yang bergerak lainnya, baik darat maupun air seperti mobil, maupun kapal laut dan lain-lainnya. Selain itu ilmu aerodinamika diterapkan juga pada bangunan-bangunan statis seperti jembatan maupun gedung-gedung bertingkat.
Gerakan suatu fluida melintasi suatu benda(bluff body) memiliki peranan penting dalam aplikasi engineering seperti pada penukaran kalor. Aliran tersebut menjadi sangat penting jika dikaitkan dengan efisiensi perpindahan panas, pressure drop dan efisiensi energi. Aliran fluida yang melewati suatu benda berbeda-beda tergantung pada geometri bluff body seperti tiang penyangga jembatan berbentuk silinder. Hal ini disebabkan karena angin (udara bergerak) melewati tiang penyangga jembatan terutama yang berbentuk silinder akan mengakibatkan terjadi vortex (turbulen) di belakang tiang yang akan memicu terjadinya getaran dan kelelahan pada suatu struktur.
Selain terjadi pada tiang penyangga jembatan, dalam aplikasi teknik, contohnya banyak sekali kontruksi yang menggunakan silinder, hal ini telah mendorong banyak peneliti untuk melakukan penelitian tentang aliran melintasi silinder. Oleh karena itu sampai saat ini penelitian aliran melintasi silinder tetap sebagai salah satu hal yang penting dalam mekanika fluida. Sehingga, penting untuk melakukan penelitian dengan silinder sebagai objek. Sebuah silinder digunakan dalam praktek memiliki gaya hambat (drag) dinamik yang besar akibat separasi aliran melintasi silinder tersebut. (Bouak, f.,Lemay,J, 1998).
2 Dalam upaya mengurangi gaya hambat (FD) dari sebuah silinder, banyak metode yang telah dilakukan, seperti:
Yudana (2010), melakukan penelitian dengan menempatkan penghalang berbentuk segitiga di depan silinder dengan memvariasikan dimensi segitiga penghalang. Dari hasil penelitian didapat bahwa semakin besar dimensi segitiga penghalang, nilai koefisien drag cenderung turun. Nilai koefisien drag terkecil di dapat dari dimensi segitiga penghalang dengan panjang sisi 8mm atau S/D = 0,19 dengan nilai koefisien drag (Cd) = 0,01695. Suanjaya (2014), melakukan penelitian drag dengan menggunakan pariasi diameter O-ring pada permukaan silinder dengan jarak yang sama, Dari hasil penelitian menunjukkan bahwa terjadi penurunan koefisien drag dibandingkan tanpa variasi O-ring. Nilai koesisien drag paling rendah didapat dari variasi diameter O-ring 5mm atau d/D=0,08 dengan nilai 0,650259, dimana terjadi penurunan drag sebesar 24,15% dibandingkan dengan silinder tanpa Oring. Penelitian ini akan membahas suatu metode lain untuk mengurangi pada silinder dengan penambahan ring setengah lingkaran, sebagai salah satu usaha untuk memanipulasi medan aliran sehingga gaya hambat (drag) dapat dikurangi. Pada penelitian ini dilakukan dengan memvariasikan jarak antar ring, sehingga didapat jarak antar ring yang terbaik menghasilkan drag terkecil.
1.2 Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang di atas maka dapat disusun rumusan masalah sebagai berikut: Bagaimana pengaruh variasi jarak antar ring berpenampang setengah lingkaran pada permukaan silinder terhadap koefisien drag (Cd).
3 1.3
Batasan Masalah
1. Fluida kerja adalah udara 2. Kondisi udara di dalam wind tunnel tetap atau konstankarena jika kondisi udara dalam wind tunnel tidak konstan akan mempengaruhi hasil dari masing-masing pengujian dan hasilnya berbeda 3. Pengujian dilakukan dalan sebuah wind tunnel 4. Gesekan pada rel yang terjadi diabaikan. 5. Berat setiap benda uji sama agar afek berat benda uji sama pada setiap benda uji. 1.4
Tujuan Penelitian
Penelitian
ini
bertujuan untuk
mengetahui pengaruh variasi ring
berpenampang setengah lingkaran pada permukaan silinder terhadap koefisien drag (Cd).
1.5
Manfaat Penelitian
Adapun manfaat dilakukannya penelitian ini adalah: 1. Mengembangkan ilmu pengetahuan dan teknologi terutama tentang aliran fluida yang melintasi permukaan benda padat. 2. Dengan adanya penelitian ini diharapkan mahasiswa dapat mengenal lebih jauh serta memahami tentang pengaruh variasi jarak ring berpenampang setengah lingkaran pada permukaan silinder terhadap gaya hambat yang terjadi. 3. Dapat memberikan referensi tambahan untuk
penelitian selanjutnya,
sehingga dapat menghasilkan hasil penelitian baru yang lebih baik.
