Simulasi Numerik Karakteristik Aliran Fluida Melewati Silinder Teriris Satu Sisi (Tipe D) dengan Variasi Sudut Iris dan Sudut Serang Astu Pudjanarsa Laborotorium Mekanika Fluida Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS Kampus ITS Keputih-Sukolilo Surabaya, 60111 E-mail:
[email protected]
Abstrak Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi telah mendorong kita untuk mengadakan berbagai eksperimen untuk menciptakan berbagai hal yang bertujuan untuk memudahkan dan memberikan keuntungan bagi manusia dan bermanfaat bagi kelanjutan penelitian berikutnya. Salah satu cara dalam bidang Mekanika fluida untuk mengurangi gaya seret (drag) yang terjadi pada sebuah benda dapat dilakukan dengan memodifikasi bendanya atau mengontrol lapisan batas aliran di atas permukaan benda. Silinder yang teriris pada satu sisi (upper) yang dialiri fluida akan terbentuk boundary layer yang tidak simetris. Pada simulasi ini digunakan silinder dengan sudut pengirisan (θ ) 00, 360, 530, dan 660 dengan variasi sudut serang aliran (α) 00, 150 dan 300 , hal ini untuk mengetahui karakteristik aliran dua dimensi dengan adanya variasi sudut iris dan variasi sudut serang aliran fluida, Seluruh penelitian dilakukan secara eksperimental dengan menggunakan wind tunnel pada Re = 63000. Dari hasil simulasi diperoleh kesimpulan bahwa aliran pada perubahan kontur mendadak akan terseparasi sesaat (bubble separation) yang kemudian akan mengikuti kontur lagi (reattachment) karena adanya tambahan momentum dari aliran diatasnya. Dengan adanya variasi sudut pengirisan pada sudut datang aliran konstan, maka dengan semakin besar sudut pengirisan letak titik stagnasi semakin mendekati bidang irisan kemudian terjadi bubble separation pada awal perubahan kontur yang mendadak (pengirisan). Dengan adanya variasi sudut serang pada sudut iris konstan, maka dengan semakin besar sudut serang letak titik stagnasi semakin kebawah, sedangkan titik permulaan terjadinya massive separation semakin ke depan pada bagian upper dan semakin ke belakang pada bagian lower. Kata kunci: sudut pengirisan, sudut serang, massive separation, bubble separation.
menciptakan berbagai hal yang bertujuan memudahkan dan memberikan keuntungan bagi manusia. Salah satu contoh adalah silinder penyangga bangunan lepas pantai atau jembatan sungai bila diiris pada bidang yang sejajar aliran akan mengurangi gaya drag yang timbul. Hal ini tentu sangat menguntungkan dari segi teknis dan ekonomis, karena kekuatannya bertambah dan buaya bahan makin berkurang. Bahwa aliran fluida di laut maupun angin di darat adalah berubah-ubah arahnya, sehingga silinder penyangga jembatan di darat maupun dilaut akan menerima aliran yang berubah-ubah, kadang tegak lurus pengirisan
Benda yang dilewati fluida yang bergerak, akan mengalami gaya akibat interaksi dengan fluida yakni normal stress (tegangan normal) dan shear stress (tegangan geser). Tegangan normal terjadi karena adanya tekanan dari fluida yang mengalir tegak lurus terhadap bidang, sedangkan tegangan geser disebabkan oleh fluida viskos yang mengalir sejajar dengan bidang. Untuk aliran dua dimensi, gaya-gaya yang sejajar dengan aliran fluida disebut dengan drag, sedangkan gaya yang tegak lurus terhadap arah aliran dinamakan lift. Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi mendorong untuk mengadakan berbagai simulasi dan eksperimen untuk 7
8
Jurnal Teknik Mesin, Volume 5, Nomor 1, Januari 2005
dan juga pada waktu tertentu sejajar dengan pengirisan. Simulasi ini mempelajari tentang pengaruh besar sudut iris silinder dan sudut datang aliran fluida terhadap karakteristik distribusi kecepatan melintas silinder teriris pada bagian atas (upper side). Simulasi dilakukan pembatasan-pembatasan sebagai berikut : 1. Fluida yang dipakai adalah udara dengan asumsi alirannya disisi upstream bersifat fluida incompressible, steady flow, dan uniform . 2. Kemungkinan adanya perpindahan panas dapat diabaikan. 3. Benda kerja yang digunakan adalah silinder dengan dimensi yang konstan dan bahan yang sama. Penelitian tentang perilaku aliran melewati kontur sebuah silinder telah dilakukan oleh Aiba dan Watanabe (1997) dengan memberikan variasi pengirisan pada sisi depan (up stream) dan dan sisi belakang (down stream). Pada Silinder dengan sudut pengirisan (θs) 530 aliran laminar dari sisi freestream yang mengenai kontur teriris akan mengalami percepatan yang mengikuti kontur, kemudian aliran laminar tersebut akan mengalami perlambatan dikarenakan adanya perubahan penampang (pengirisan) sehingga aliran laminar mengalami separasi pada sudut 570 dimana aliran mulai terpisah dari kontur yang ditunjukkan adanya kecepatan yang konstan. Kemudian pada sudut 690 aliran laminar akan mendapatkan tambahan momentum dari aliran freestream sehingga alianmenjadi turbulent yang mengalami percepatan kemudian aliran akan kembali melewati kontur (reattachment). Kemudian aliran turbulent akan mengalami penurunan kecepatan hal ini terjadi karena gradien tekanannya yang meningkat, sampai pada sudut 1100 momentum aliran tidak mampu lagi menahan gradien tekanan sehingga aliran turbulent mengalami separasi. Harga koefisien drag yang terjadi pada silinder sirkular sebesar 1,2. Pada pengirisan sudut 45o akan mulai terjadi penurunan drag yang sangat tajam, sehingga drag terkecil pada pengirisan 53o yakni koefisien dragnya 0,6. Kemudian harga koefisien drag akan mengalami kenaikan seiring dengan naiknya
sudut pengirisan sampai dengan sudut pengirisan 65o. Dari data hasil eksperimen tersebut dapat ditampilkan dalam bentuk grafik hubungan antara coefisien drag (CD) dengan sudut iris (θs) seperti pada gambar dibawah ini.
Gambar 1. Grafik coefisien drag terhadap sudut iris (Aiba & Watanabe,1997) Tina Murti Agustini (2001) melakukan eksperimen dengan menggunakan spesimen yang berbentuk silinder teriris dengan besar sudut iris divariasikan, sedang sudut datang fluida tidak divariasikan. Hasil dari penelitian ini ditampilkan dalam sebuah grafik Cp = f (θI) dengan sudut datang (α = 0o). Tampilan grafik dapat dilihat pada gambar 2. Dari hasil penelitian ini terlihat hasil bahwa pada sudut datang aliran (α) = 0o, adanya pengirisan pada silinder ini berpengaruh cukup signifikan pada pressure coeficient yang terbentuk. Pada silinder bulat tanpa irisan, pressure minimum terjadi pada θ = 70o. Sedangkan separasi terjadi pada θ = 95o. Pada silinder bulat dengan θi = 30o, pressure minimum terjadi pada θ = 70o. Setelah titik tekanan minimum terlewati, maka separasi terjadi pada θ = 105o. Pada silinder bulat dengan θi = 45o, pressure minimum terjadi pada θ = 70o. Setelah titik tekanan minimum terlewati, maka separasi terjadi pada θ = 110o. Hal ini menunjukkan bahwa efek disturbance dari bidang iris ini lebih efektif dari silinder bulat dengan θi = 30o. Pada silinder bulat dengan θi = 50o, pressure minimum terjadi pada θ = 70o. Setelah titik tekanan minimum terlewati, maka separasi terjadi pada θ = 95o.
Pudjanarsa, Simulasi Numerik Karakteristik Aliran Fluida
Sehingga terlihat bahwa pengirisan sebesar θi = 50o tidak lagi efektif membuat separasi menjadi tertunda ke belakang.
Gambar 2. Perbandingan Cp pada berbagai sudut irisan saat sudut datang aliran 0o
dari bidang iris, sedangkan pada sudut serang 300 massive separation terjadi pada pertengahan bidang iris.
Gambar 3. Sudut Iris 36o dengan sudut serang 00
Metode Simulasi Kondisi Simulasi - Sudut datang aliran (α): 0o, 15o, dan 30o. - Bilangan Reynold: 63000 (diukur berdasar diameter silinder) Pemilihan bilangan Reynold sebesar 63000 karena pada bilangan Reynold (104 s/d 105) aliran melintasi silinder harga koefisien drag (Cd) harganya relative konstan. Pemodelan Numerik Dengan Fluent Untuk visualisasi dengan fluent ini data masukannya disesuaikan dengan data pada kondisi simulasi, yaitu sebagai berikut : Meshing : • Elements: Quad/Tri. • Type: Pave • Spacing: 5 Up Strem (Velocity Inlet): 16.84 m/s Down Stream (Pressure Outlet): 1 atm Fluil Type: Air Turbulence Mode: K- Epsilon Visualisasi Aliran Pada Silinder Teriris dengan Fluent 6.0 Visualisasi Sudut Iris 360 Dengan bertambahnya sudut serang titik stagnasi bergeser kebawah, pada sudut serang 00 massive separation terjadi beberapa derajat setelah bidang iris, pada sudut serang 150 massive separation terjadi pada bagian ujung
9
Gambar 4. Sudut Iris 36o dengan sudut serang 150
Gambar 5. Sudut Iris 36o dengan sudut serang 300
10 Jurnal Teknik Mesin, Volume 5, Nomor 1, Januari 2005 Visualisasi Sudut Iris 530 Dengan bertambahnya sudut serang titik stagnasi bergeser kebawah, pada sudut serang 00 massive separation terjadi pada bagian ujung dari bidang iris, pada sudut serang 150 massive separation terjadi mendekati pertengahan dari bidang iris, sedangkan pada sudut serang 150 massive separation terjadi mendekati bagian depan dari bidang iris.
Visualisasi Sudut Iris 660 Dengan bertambahnya sudut serang titik stagnasi bergeser kebawah, pada sudut serang 00 massive separation terjadi pada bagian ujung dari bidang iris, pada sudut serang 150 massive separation terjadi mendekati pertengahan dari bidang iris, sedangkan pada sudut serang 150 massive separation terjadi mendekati bagian depan dari bidang iris.
Gambar 6. Sudut Iris 53o dengan sudut serang 00
Gambar 9. Sudut Iris 66o dengan sudut serang 00
Gambar 7. Sudut Iris 53o dengan sudut serang 150
Gambar 10. Sudut Iris 66o dengan sudut serang 150
Gambar 8. Sudut Iris 53o dengan sudut serang 300
Gambar 11. Sudut Iris 66o dengan sudut serang 300
Pudjanarsa, Simulasi Numerik Karakteristik Aliran Fluida
Secara umum untuk sudut iris (θ) konstan dengan sudut serang (α) berubah membesar maka titik stagnasi bergeser ke bawah , hal ini dapat dianalogikan dengan teori silinder diputar atau airfoil ( airfoil terbalik ) dengan sudut serang negatif (Gambar 12).
3.
4.
5.
6.
Gambar 12. Steamlines aliran pada (a) silinder diputar, (b) airfoil Kesimpulan Dari penelitian yang sudah dilakukan dapat ditarik beberapa kesimpulan yang antara lain: 1. Aliran mempunyai kecenderungan mengikuti kontur silinder, tapi dengan adanya perubahan kontur yang mendadak karena pengirisan maka aliran akan terlepas dari kontur (separasi) dan karena adanya penambahan momentum dari aliran bebas (free stream) maka aliran akan kembali mengikuti kontur lagi (reattachment). Proses terpecahnya aliran dari kontur kemudian kembali mengikuti kontur dinamakan bubble separation. 2. Dengan adanya variasi sudut pengirisan pada sudut datang aliran 00, maka dengan semakin besar sudut pengirisan letak titik stagnasi semakin keatas dan akan terjadi bubble separation dimana bubble separation akan terjadi pada awal perubahan kontur yang mendadak (pengirisan).
11
Dengan adanya variasi sudut pengirisan pada sudut datang aliran 150 dan 300, maka dengan semakin besar sudut pengirisan letak titik stagnasi semakin keatas. Akan tetapi tidak terjadi bubble separation. Dengan adanya variasi sudut serang pada sudut iris 360, maka dengan semakin besar sudut serang letak titik stagnasi semakin kebawah, sedangkan titik permulaan terjadinya massive separation semakin ke depan pada bagian upper dan semakin ke belakang pada bagian lower. Dengan adanya variasi sudut serang pada sudut iris 530, maka dengan semakin besar sudut serang letak titik stagnasi semakin kebawah, sedangkan titik permulaan terjadinya massive separation semakin ke depan pada bagian upper dan semakin ke belakang pada bagian lower. Dengan adanya variasi sudut serang pada sudut iris 660, maka dengan semakin besar sudut serang letak titik stagnasi semakin kebawah, sedangkan titik permulaan terjadinya massive separation semakin ke depan pada bagian upper dan semakin ke belakang pada bagian lower
Referensi [1] Aiba, S and Watanabe, H., 1997, “Flow Characteristics of a Bluff Body Cut from a Circular Cylinder”, Journal of Fluids Engineering, Vol 120 pp. 851-853. [2] Aiba, S., 1998, “Fluid Dynamic Drag of an Axially Symmetrical Bluff Body Consisting of a Plane Surface and a Spherical Surface”, ASME Journal of Fluid Engineering, Vol. 120 pp. 851-853. [3] Anderson Jr, John, D., 1991, Fundamental of Aerodynamics, McGraw Hill Inc. [4] Fox, R., & Mc. Donald, A.T., 1985, Introduction to Fluid Mechanics, 3rd Edition, John Willey & Sons, Inc. [5] Tina Murti. A, 2001 “Studi Eksperimental Karakteristik Lapis Batas Aliran Melintasi Silinder Teriris”, Tugas Akhir, Teknik Mesin, FTI – ITS. [6] Shapiro, Ascher H., 1961, Shape and Flow, Anchor Books Doubleday & Co.
