SIMULASI CFD ALIRAN ANNULAR AIR-UDARA SEARAH PADA PIPA HORIZONTAL Sukamta1, Thoharuddin2, Achmad Virza Mubarraqah3 1,2,3
Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Yogyakarta Jalan Lingkar Selatan, Tamantirto, Kasihan, Bantul, Yogyakarta 55183 1
[email protected],
[email protected]
Intisari : Aliran dua fasa dapat dibedakan menurut arah alirannya, yaitu searah dan berlawanan arah. Dapat juga dibedakan menurut salurannya yaitu horizontal, vertikal dan miring. Pola aliran dua fasa cair-udara pada pipa horizontal paling banyak ditemukan pada pola aliran bubble, aliran stratified, aliran stratified wavy, aliran plug, aliran slug dan aliran annular. Penelitian ini dilakukan untuk menentukan pola aliran annular dengan menggunakan software Computational Fluid Dynamics (CFD) Ansys FLUENT 15.0. Model yang digunakan Volume Of Fluid (VOF) dengan jenis aliran turbulensi K-đ realizable. Fluida kerja yang digunakan adalah airudara dengan panjang pipa 1000 mm, diameter dalam 19 mm dan diameter luar 25,4 mm. Besar kecepatan superfisial air (JL) adalah 1 m/s, 1,5 m/s, 2 m/s dan 2,5 m/s, sedangkan besar kecepatan superfisial udara adalah 35 m/s, 45 m/s, 55 m/s dan 65 m/s. Hasil simulasi menunjukkan bahwa dalam simulasi CFD pola aliran annular dapat terlihat dengan jelas karena udara mengalir ditengah pipa dalam jumlah yang lebih besar dan membentuk cincin (annular), sedangkan air mengalir lebih sedikit disepanjang pipa. Pada dasar permukaan pipa, air mengalir lebih banyak dibandingkan diatas permukaan pipa. Pola aliran tidak konstan atau berubahubah bentuk tergantung dari kecepatan superfisial udara (J G) dan kecepatan superfisial air (JL) serta waktu pengambilan data. Semakin lama waktu yang diambil maka aliran annular yang dihasilkan semakin sempurna.Kenaikan nilai JG akan menyebabkan tingginya gelombang dan aliran air yang ada diatas permukaan pipa semakin sedikit. Kata kunci : aliran air-udara, aliran annular, CFD, VOF 1. PENDAHULUAN
ditemui pada pada ketel uap, kondensor, reaktor nuklir, proses produksi minyak bumi.
Dalam kehidupan sehari-hari banyak dijumpai berbagai macam aliran fluida. Jika ditinjau dari fasanya, aliran fluida dapat dibagi menjadi dua macam, yaitu aliran satu fasa dan aliran dua fasa. Sebuah aliran dikatakan satu fasa apabila media yang mengalir dalam suatu pipa berupa satu jenis fluida saja (cair atau gas). Sedangkan aliran dua fasa apabila media yang mengalir dalam suatu pipa berupa dua jenis fluida, yaitu cair-gas, padat-cair, padatgas dan sebagainya. Aliran dua fasa banyak
Suryadi (2013) melakukan penelitian tentang distribusi liquid hold up pada aliran cincin (annular) air-udara di pipa horizontal menggunakan C.E.C.M. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai liquid hold-up sangat tergantung pada besar dan kecilnya kecepatan superfisial gas. Hal ini ditandai dengan nilai liquid hold-up yang tinggi yang sebanding dengan menurunnya nilai kecepatan superfisial gas.
1
Suandi, A, dkk (2013) melakukan penelitian tentang pengaruh viskositas terhadapliquid hold-up dan kecepatan gelombang aliran annular dua fasa gas-cair pada pipa horizontal. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa pengaruh viskositas terhadap liquid hold-up ditandai dengan nilai liquid hold-up rata-rata larutan gliserin 30% yang lebih tinggi dibandingkan dengan liquid hold-up air 100%. Hermawan (2015) melakukan penelitian tentang deteksi mulai terbentuknya aliran cincin pada pipa horizontal menggunakan sensor elektrode. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa meningkatnya kecepatan superfisial udara terhadap kecepatan superfisial air yang konstan menghasilkan tebal film rata-ratanya semakin menipis. Biksono, D (2006) melakukan penelitian tentang karakteristik dan visualisasi aliran dua fasa pada pipa spiral. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa koefisien gesek dua fasa lebih besar dibandingkan data satu fasa. Aliran transisi lebih cepat terjadi pada aliran dua fasa, yaitu pada bilangan reynold (đ
đ ) antara (1.600-1.700). Efek penambahan variasi kecepatan udara (đ˘đ ), menyebabkan kenaikan nilai koefisien gesek. Tzotzi, C, dkk (2010) melakukan penelitian tentang pengaruh properti pada pola aliran gas-cair dua fasa pada pipa horizontal dan pipa bawah. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa penurunan tegangan permukaan dari 72 mN/m (air) ke 35 mN/m (dengan menggunakan butanol) hasil penurunan gas dari tingkat yang lebih besar diperlukan untuk terjadinya ganguan pertama untuk tingkat cairan yang sama. Roul, K. M, dkk (2012) melakukan penelitian tentang permodelan numerik dari penurunan tekanan akibat aliran satu fasa dan aliran dua fasa dari udara-air melalui lubang tebal. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa aliran melalui lubang tipis (s/d = 0.025), kontak vena terbentuk diluar pembatasan, sedangkan untuk lubang tebak (s/d = 0.59) kontak vena selalu terbentuk
didalam pembatasan. Penurunan tekanan âP dilubang meningkat dengan penurunan ketebalan orifice dan penurunan tekanan berkurang dengan peningkatan rasio daerah. Sadatomi, M, dkk (2010) melakukan pengujian tentang pengaruh tegangan dua fasa gas-cair pada pipa horizontal berdiameter kecil. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa sifat cair dan diameter pipa berpengaruh kuat pada transisi pola aliran, terutama dalam masa transisi aliran slug dan bubble. Purnama, G (2013) melakukan penelitian tentang kajian eksperimen mengenai topologi dasar dari aliran annular air-udara pada pipa horizontal. Adapun hasil penelitian menunjmukkan bahwa terjadi perubahan mean liquid hold-up, wave velocity, dan wave number tergantung pada kecepatan superficial cairan dan gas. Mean liquid hold-up berkurang terhadap peningkatan kecepatan superficial gas dan meningkat terhadap kenaikan kecepatan superficial cairan. Selanjutnya wave velocity dan wave number meningkat terhadap peningkatan kecepatan superficial cairan dan gas. Isyad, M (2012) melakukan penelitian tentang pengaruh aliran dua fasa gas-cair terhadap fluktuasi gaya pada dinding pipa horizontal. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa gaya terbesar terjadi pada saat pola aliran gelembung (bubble), sedangkan pada pola aliran sumbat liquid lebih menunjukkan gaya yang ditimbulkan lebih berfluktuasi dibandingkan dengan pola aliran yang lain. Fauzi, M, dkk (2014) melakukan penelitian tentang karakteristik aliran dua fase (air-udara) pada horizontal circular channel melalui orifice. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa distribusi tekanan pada aliran dua fase memiliki kecenderungan yang sama dengan aliran satu fasa. Sukamta, dkk (2010) melakukan penelitian tentang identifikasi pola aliran dua fasa uapkondensat berdasrkan pengukuran beda tekanan pada pipa horizontal. adapun hasil
2
penelitian menunjukkan pola aliran yang teridentifikasi pada aliran dua fasa air-uap air (kondensat) dari hasil kondensasi uap pada pipa horizontal ini meliputi pola aliran stratified, wavy, plug, pre-slug dan slug. 2. METODE PENELITIAN
hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva dan animasi.
2.1 Geometri dan Mesh Sebuah sketsa geometri yang digunakan dalam simulasi ini adalah pipa berdiameter 19 mm dan panjang pipa 1000 mm. Menggunakan 2 inlet yaitu inlet air dan inlet udara serta 1 outlet.
1000 mm
Gambar 2. Pipa tampak samping
Gambar 1. Diagram Alir Simulasi CFD Menggunakan Ansys Fluent Secara umum proses simulasi CFD dibagi menjadi 3 yaitu pre-processing, Processing dan post-processing.
Setelah geometri dibuat, perlu dilakukan proses meshing (membagi volume menjadi bagian-bagian kecil) agar dapat dianalisis pada program CFD.Ukuran mesh yang terdapat pada suatu obyek akan mempengaruhi ketelitian dan daya komputasi analisis CFD. Semakin kecil/halus mesh yang dibuat, maka hasil yang didapatkan akan semakin teliti, namun dibutuhkan daya komputasi yang makin besar pula. Pada penelitian ini mesh yang digunakan jenis triangle atau tidak terstruktur. Setelah itu tiap pipa diberi nama sesuai dengan fungsi dan bagian pipa.
Pre-processing adalah tahap awal dalam simulasi CFD yang perlu dilakukan, seperti: membuat geometri dan melakukan pengecekan mesh. Processing (program inti pencari solusi) CFD menghitung kondisi-kondisi yang diterapkan pada saat pre-processing. Post-processing merupakan langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan pada langkah ini adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data
Gambar 2.2. Hasil meshing
3
Penelitian ini menggunakan metode simulasi Computational Fluid Dinamic (CFD) dengan menggunakan software Ansys Fluent 15.0.Dengan memilih model Multiphase jenis VOF (Volume Of Fluid), untuk mengetahui pengaruh tegangan permukaan dan digunakan untuk memprediksi terjadinya pola aliran. Untuk viscous disetting menggunakan kepsilon dengan model realizable. Pada kasus simulasi ini, Realizable k-epsilon dipilih karena memiliki tingkat akurasi yang lebih baik dibanding metode standard k-epsilon ataupun RNG k-epsilon. Material yang digunakan adalah acrylic flexyglass sedangkan untuk fluidanya menggunakan water-liquid dan air.Simulasi ini menggunakan skema SIMPLE, persamaan yang digunakan untuk aliran transient atau untuk mesh yang mengandung cells dengan skewness yang lebih tinggi dari rata-rata. Metode ini didasarkan pada tingkatan yang lebih tinggi dari hubungan pendekatan antara faktor koreksi tekanan dan kecepatan. Dalam proses iterasi tidak menunggu konvergensi dikarenakan ini jenis aliran transient. Dengan tingkat akurasi time stepnya 0,0001.Dengan variasi kecepatan superfisial air (JL) = 3 m/s, 5 m/s, 7 m/s, 8 m/s dan kecepatan superfisial udara (JG) = 25 m/s, 27 m/s, 30 m/s, 33 m/s. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Pengaruh Kecepatan Superfisial Udara (JG) Terhadap Kecepatan Superfisial Air ( JL) = 2 m/s a)
Pola aliran air-udara dengan JG = 35 m/s dan JL = 2 m/s Air Udara Air
c) Pola aliran air-udara dengan JG = 55 m/s dan JL = 2 m/s
d) Pola aliran air-udara dengan JG = 65 m/s dan JL = 2 m/s
e)
Skala warna dan koordinat
Gambar 3.1. Hasil simulasi pola aliran annular terhadap pengaruh kecepatan superfisial udara (JG) dengan JL = 2 m/s, pada saat t = 0,1 detik, serta skala warna dan koordinat Pembahasan : Simulasi dengan JL = 2 m/s menunjukkan bahwa telah terjadi aliran annular yang ditandai dengan udara berada ditengah pipa sedangkan air berada di atas dan bawah permukaan pipa. Pada simulasi dengan J G = 65 m/s dan JL = 2 m/s terjadi wavy yang disebabkan karena kecepatan udara mulai bertambah dan akan terbentuk gelombang pada antar-muka disepanjang arah aliran. Semakin besar kecepatan superfisial udara (JG) yang masuk kedalam pipa maka tekanan yang masuk kedalam pipa semakin besar pula.
b) Pola aliran air-udara dengan JG = 45 m/s dan JL = 2 m/s
4
f)
3.2 Pengaruh Waktu Terhadap Kecepatan Superfisial Udara (JG) Dengan JL = 2 m/s a)
Skala warna dan koordinat
Pola aliran air-udara dengan JG = 35 m/s pada saat t = 0,01 detik
Gambar 3.2. Hasil simulasi pola aliran terhadap pengaruh waktu pada JG = 35 m/s b) Pola aliran air-udara dengan JG = 35 m/s pada saat t = 0,03 detik
dengan JL = 2 m/s, serta skala warna dan koordinat Pembahasan :
c)
Pola aliran air-udara dengan JG = 35 m/s pada saat t= 0,05 detik
d) Pola aliran air-udara dengan JG = 35 m/s pada saat t = 0,07 detik
Simulasi aliran air-udara dengan JG = 35 m/s dan JL = 2 m/s, pola aliran yang dihasilkan pada detik ke 0,03 terjadi disturbance wave karena gelombang pada aliran annular yang memiliki amplitudo yang besar dan aliran airudara yang masuk kedalam pipa dengan tekanan yang tinggi, sedangkan pada detik ke 0,09 terjadi wavy yang disebabkan karena kecepatan udara mulai bertambah dan akan terbentuk gelombang pada antar-muka disepanjang arah aliran.
4. Kesimpulan e)
Pola aliran air-udara dengan JG = 35 m/s pada saat t = 0,09 detik
Berdasarkan hasil simulasi yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa: 1.
2.
Dalam simulasi CFD pola aliran annular dapat terlihat dengan jelas karena udara mengalir ditengah pipa dalam jumlah yang lebih besar dan membentuk cincin (annular), sedangkan air mengalir lebih sedikit disepanjang pipa. Pada dasar permukaan pipa, air mengalir lebih banyak dibandingkan diatas permukaan pipa. Pola aliran tidak konstan atau berubahubah bentuk tergantung dari kecepatan superfisial udara (JG) dan kecepatan superfisial air (JL) serta waktu pengambilan data. Semakin lama waktu yang diambil maka aliran annular yang dihasilkan semakin sempurna.
5
3.
Ishimura. 2010. âEffects of Surface Tension On Two-Phase Gas-Liquid Flows In Horizontal Small Diameter Pipesâ. Journal of Power and Energy Systems. 4(2): 290-300.
Kenaikan nilai JG akan menyebabkan tingginya gelombang dan aliran air yang ada diatas permukaan pipa semakin sedikit.
4. DAFTAR PUSTAKA Suandi, Biksono, Damawidjaya. 2006. âKarakteristik dan Visualisai Aliran Dua Fasa Pada Pipa Spiralâ. Jurnal Teknik Mesin, Universitas Kristen Petra. 8(2): 69-74. Fauzi, Muhammad, Widya Wijayanti dan Agung Widodo. 2014. âKarakteristik Aliran Dua Fase (Air-Udara) Pada Horizontal Circular Channels Melalui Orificeâ. Jurnal Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Brawijaya. Hlm. 1-7. Hermawan. 2015. âDeteksi Mulai Terbentuknya Aliran Cincin Pada Pipa Horizontal Menggunakan Sensor Electrodeâ. Seminar Nasional Teknik Mesin (Jurnal Ilmiah Teknik Mesin dan Industri, Universitas Gadjah Mada). Irsyad, Muhammad. 2012. âPengaruh Aliran Dua Fasa Gas-Cair Terhadap Fluktuasi Gaya Pada Dinding Pipa Horizontalâ. Jurnal Mekanikal (jurnal ilmiah Teknik Mesin, Universitas Lampung). 3(1): 205-212. Purnama, Guntur. 2013. Tugas Akhir âKajian Eksperimen Mengenai Topologi Dasar dari Aliran Annular Air-Udara Pada Pipa Horizontalâ. Yogyakarta: Teknik Mesin UGM.
Agus, Ade Indra Wijaya, Deendarlianto, Khasani dan Indarto. 2013. âPengaruh Viskositas Terhadap Liquid Hold-Up dan Kecepatan Gelombang Aliran Annular Dua Fase Gas-Cair Pada Pipa Horizontalâ. Seminar Nasional Teknik Mesin XII (Jurnal Ilmiah Teknik Mesin, Universitas Gadjah Mada). Hlm. 6570.
Suryadi, Indarto dan Deendarlianto. 2013. âDistribusi Liquid Hold-Up Pada Aliran Cincin (Annular) Air-Udara di Pipa Horizontal Menggunakan C.E.C.Mâ. Seminar Nasional Teknik Mesin (Jurnal Ilmiah Teknik Mesin, Universitas Gadjah Mada). Tzotzi, Christina, Vasilis Bontozoglou and Nikolas Andritsos. 2010. âEffect of Fluid Properties On Flow Patterns In Two-Phase Gas-Liquid Flow In Horizontal and Downward Pipesâ. Department of Mechanical Engineering, University of Thessaly. Sukamta, Indarto, Purnomo dan Tri Agung Rohmat. 2010. â Identifikasi Pola Aliran Dua Fasa Uap-Kondensat Berdasarkan Pengukuran Beda Tekanan Pada Pipa Horizontalâ. jurnal ilmiah semesta teknika. 13(1): 83-94.
Roul, Manmatha. K., and Sukanta K. Dash. 2012. âNumerical Modeling Of Pressure Drop Due To Single-Phase of Water and Two-Phase Flow of AirWater Mixtures Through Thick Orificesâ. International Journal of Engineering Trends and Technology. 3(4): 544-551. Sadatomi, Michio, Akimaro Kawahara, Masatoshi Masuo and Katsuhiro
6
7
