Seminar Nasional Teknik Mesin 3 30 April 2008, Surabaya, Indonesia
STUDI EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK KARAKTERISTIK BOUNDARY LAYER PADA PERMUKAAN PELAT DATAR DENGAN GANGGUAN SEBUAH OBSTACLE BERBENTUK RECTANGULAR
·-
Sutardi 1>, Wawan Aries Widodo2>, Laboratorium Mekanika dan Mesin-Mesin Fluida Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS 1•2J Kampus ITS Keputili Sukolilo Surabaya - 60 111 1•2) Phone : 0062-31-5946230, Fax : 0062-31-5922941 1•2) E-mail :
[email protected] 1),
[email protected],
ABSTRAK Penelitian dVokuskan pada analisa a/iran di atas pelat datar, dan pada pelat datar tersebut diletakkan sebuah pengganggu (obstacles) yang dipasang secara melintang. Bentuk obstacle tersebut adalah persegipatifang (rectangular obstacle). Studi ini dilakukan secara eksperimen dengan menggunakan open circuit subsonicwind-tunnel, dan secara numerik yang menggunakan commercial CFD solver Fluent 6.2. Pengukuran secara eksperimen meliputi medan kecepatan dengan menggunakan stagnation pressure tube. Pengukuran secara kuantitatiftesebut juga dilengkapi dengan studi visualisasi a/iran dengan menggunakan smoke tunnel. Pengambilan gambar visualisasi dibantu dengan sebuah high-speed camera yang dilengkapi dengan laser beam untuk membangkitkan laser sheet. Dalam hal ini, sebuah lensa si/indris ditaruh di antara laser beam source dan benda (model) uji. Studi numerik menggunakan software Fluent menghasi/kan distribusi kecepatan rata-rata, intensitas turbulensi, struktur pathlines dan vektor-vektor kecepatan, serta distribusi tekanan, baik pada permukaan kontur (obstacles) maupun di dalam medan a/iran. Pemodelan turbulen yang digunakan adalah Reynolds stress model (RSM), dikaji pada studi kali ini. H asi/ secara kuantitatif yang diperoleh antara lain distribusi (profil) kecepatan rata-rata, intensitas turbulensi akibat adanya obstacles melintang, dan distribusi tekanan. Demikian juga, friction drag pada kontur benda uji akan diperoleh. Hasi/ kualitatif dari visua/isasi a/iran akan melengkapi hasi/-hasil kuantitatif tersebut diatas, terutama yang menunjukkan daerah resirkulasi (recirculation zone) dan letak reattachment. Kata kunci : rectangular obstacle, profil kecepatan rata-rata, distribusi tekanan, visualisasi a/iran
1. Pendahuluan Meskipun telah dipelajari bertahun-tahun, masalah lapis batas turbulen, terutama yang berkembang diatas permukaan kasar, masih belum terpecahkan secara tuntas. Gambaran yang lengkap mengenai interaksi antara sifat lapis batas turbulen yang sangat dekat dengan dinding itu sendiri belumjelas. Usaha yang sungguh-sungguh masih tercurahkan didalam studi tentang lapis batas turbulen karena sangat banyaknya penerapannya didalam kehidupan, khususnya di bidang keteknikan. Sifat pertumbuhan dari lapis batas (boundary layer) berkaitan erat dengan proses terjadinya gaya geser dinding (skin friction drag) dan karakteristik perpindahan panas dan momentum. Pada ujung depan (leading edge) dari suatu permukaan, lapis batas yang terbentuk adalah laminer. Sejalan dengan pertumbuhan lapis batas tersebut, pada suatu harga angka Reynolds (Reynolds number) tertentu, terjadilah transisi dari lapis batas laminer menjadi lapis batas turbulen. Didalam lapis batas laminer, gaya gesek dinding adalahjauh lebih kecil dibandingkan hila lapis batas tersebut turbulen. Namun demikian, pada kebanyakan pada kasus aliran
melintasi plat datar, lapis batas yang terbentuk adalah lapis batas turbulen. Gambar I menunjukkan transisi aliran dari laminar menjadi turbulent boundary layer pada plat datar. 1-------,---o-
X
l~:;:::~~·· ~:S~i~~ Turbule~:~::n::~· 1~
layer
Gambar l. Transisi aliran dari laminar menjadi turbulent boundary layer pada plat datar. Struktur aliran di sekitar suatu bodi memegang peranan penting dalam hal terbentuknya gaya drag pada bodi tersebut. Aliran yang terpisah merupakan faktor yang berkontribusi terhadap gaya drag tersebut. Telah banyak kajian tentang aliran terseparasi dari sebuah obstacle. Dua diantaranya yang bisa disebutkan disini ialah: aliran terseparasi dari sebuah segitiga (V enas dan Saetran, [14]), dan aliran terseparasi dari permukaan
Seminar Nasional Teknik Mesin 3 30 April 2008, Surabaya, Indonesia yang melengkung secara konvek (Joko, [9]; Fatchan, [6]). Pada gambar 2 ditunjukkan profil kecepatan rata-rata yang diukur sepanjang aliran fluida. Skala pada gam bar tersebut !u/H = 1 sesuai dengan u/U = 1,5. Pada gambar juga disajikan garis yang menunjukkan daerah separasi dan kecepatan balik (back flow) rata-rata yang sangat dekat dengan permukaan. Gambar 2, menunjukkan teijadi percepatan aliranfreestream di atas daerah separasi mulai dari x/H = 0 sampai x/H = 3 dan setelah itu terjadi perlambatan (Venas dan Saetran, [14]). Dari gambar 2 juga dapat diketahui titik reattachment terjadi pada x/H = 9.7. Dari penelitian yang dilakukan oleh Venas dan Saetran [14], dapat disimpulkan bahwa separasi pada obstacle segitiga terjadi pada puncak obstacle. Hal ini dikarenakan pada puncak obstacle terjadi perubahan sudut yang tajam sehingga boundary layer menjadi tidak kontinu dan mengakibatkan aliran terseparasi.
Fatchan [6] menunjukkan bahwa semakin besar jarak permukaan kasar terhadap pelat melengkung maka tingkat turbulensi aliran yang dibangkitkan lebih besar sehingga aliran mempunyai ketahanan yang lebih terhadap terjadinya separasi. Dari penelitian tersebut juga didapatkan bahwa semakin besar sudut kelengkungan pelat maka separasi akan terjadi lebih awal. Studi kali ini juga dimotivasi oleh kajian tentang interaksi antara wake dan turbulent boundary layer yang dikerjakan oleh Gete dan Evan [8]. Mereka menunjukkan bahwa struktur turbulent boundary layer, dalam hal ini velocity shape factor (H) dan turbulence intensity (Tu) sangat dipengaruhi oleh adanya wake pada upstream. Bila di dalam boundary layer yang telah "terkontaminast' oleh adanya wake tersebut ada struktur baru, maka interaksi antara struktur ini dengan incoming boundary layer akan berbeda dibandingkan bila incoming boundary layer-nya tanpa adanya "kontaminast'. AbuOmar dan Martinuzi [1] mengkaji aliran terseparasi dari sebuah model piramid. Dengan menggunakan visualisasi oil-film, mereka mendapatkan daerah pada permukaan dengan saddle point dan horseshoe vortex. Counter-rotating vortex di belakang model juga teridentifikasi denganjelas. Aliran 3-dimensi di belakang dua silinder dengan panjang terbatas yang dipasang di dalam turbulent boundary layer telah dikaji
oleh Park dan Lee [12]. Terbentuknya counter rotating vortices di belakang model dua silinder ini yang dikombinasi dengan irrotational flow entrainment menyebabkan adanya wake tiga dimensi. Dengan demikian, struktur boundary layer dan alirannya secara umum menjadi lebih komplek dibandingkan dengan bila silinder yang dipasang dianggap mempunyai panjang tak terbatas. Pengaruh inlet disturbance terhadap karakteristik boundary layer dan gejala separasi pada pelat melengkung menunjukkan bahwa semakin besar kekasaran inlet disturbance maka tingkat turbulensi aliran yang dibangkitkan lebih besar sehingga aliran mempunyai ketahanan yang lebih terhadap terjadinya separasi (Fatchan, [6]). Interaksi antara turbulent boundary layer dengan struktur yang ditempatkan di dalammya telah banyak dikaji karena sangat banyak aplikasinya di dalam engineering (Choi dan Lee, [3]; Fohanno dan Polidori, [7]; Chun dan Shun, [4]; Cheng dan Castro, [2]). Didalam studi yang dilakukan oleh Sutardi dan Vivin [13], ditunjukkan bahwa penggunaan software Fluent untuk analisa struktur lapis batas turbulen belum maksimal. Hal ini ditunjukkan dengan adanya perbedaan yang signifikan antara hasil studi eksperimen dengan basil analisa dari Fluent. Dengan menggunakan Large Eddy Simulation (LES), Farhadi dan Rahnama (5) mengkaji tentang aliran fluida di sekitar kubus yang diletakkan pada permukaan datar. Berbagai parameter turbulen berhasil diekstrak dari studi yang dilakukannya, antara lain streamwise velocity, cross stream velocity, intensitas turbulensi, tegangan Reynolds, dan enrgi kinetik turbulen. Namun demikian, informasi mengenai distribusi tekanan pada permukaan kubus tersebut tidak dibahas pada studi yang dilakukannya. Secara terpisah, Nigro dkk. [10] melakukan kajian yang serupa (juga menggunakan LES) dengan yang dilakukan oleh Farhadi dan Rahnama. Nigro dkk menyebutkan bahwa studi-studi yang lebih intensif tentang aliran terseparasi secara tiga dimensi masih perlu dilakukan dalam rangka memperbaiki hasil-hasil dari studi simulasi yang selama itu telah dilakukan. Berdasarkan penelitian-penelitian tersebut, maka muncul pemikiran untuk melakukan suatu kajian yang lebih komprehensif tentang aliran melewati obstacle berbentuk setengah lingkaran, segitiga dan persegi panjang tanpa diberi inlet disturbance dengan variasi 2 bilangan Reynolds. Sepengetahuan penulis, sampai saat ini belum pemah ada kajian secara simultan tentang pengaruh bentuk obstacle terhadap struktur turbulent boundary layer dan wake yang terbentuk di belakang obstacle tersebut.
2. Metodologi Penelitian ini dilakukan dalam dua set pekerjaan penelitian: (i) penelitian secara eksperimen dan (ii) penelitian secara numerik. Penelitian eksperimen yang
Seminar Nasional Teknik Mesin 3 30 April 2008, Surabaya, Indonesia
'-----
dilakukan meliputi set-up alat ukur, perencanaan model uji, dan teknik pengambilan data dengan urutan kegiatan sebagai berikut: - Set-up dari alat ukur Set-up alat ukur ini meliputi set-up stagnation pressure tube beserta alat ukur yang lain, seperti manometer dan set-up untuk visualisasi aliran. - Pembuatan model uji. - Pengukuran medan kecepatan, distribusi tekanan, dan visualisasi aliran. Sementara itu, penelitian numerik dilakukan menggunakan software komersial Fluent versi 6.2 dengan model sesuai dengan bentuk yang dilakukan didalam penelitian secara eksperimen. 2.1 Penelitian Eksperimen 2.1.1. Peralatan Percobaan Bagian-bagian dari peralatan eksperimen adalah sebagai berikut. a. Wind Tunnel dan Stagnation Pressure Tube Pada penelitian ini digunakan low-speed wind tunnel yang sudah ada di Laboratorium Mekanika Fluida Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS. Satu set stagnation pressure tube dipasang pada wind tunnel tersebut untuk mengukur karakteristik kecepatan aliran. Stagnation pressure tube (diameter luar- 0,7 mm) digunakan untuk mengukur kecepatan yang terjadi diatas permukaan benda uji. Alat ini dihubungkan dengan manometer (skala minimum 1 mm) yang dapat membaca perbedaan tekanan dalam perbedaan ketinggian. Sedangkan mikrometer digunakan untuk melakukan pergeseran titik pengukuran kecepatan diatas permukaan plat (benda uji). Alat ukur ini mempunyai rentang pengukuran terkecil 10 J..lm.
b. Pembangkit asap Untuk keperluan visualisasi aliran, maka dipergunakan sebuah pembangkit asap. Ukuran dan bentuk dari pembangkit asap ini beserta sumber asapnya disesuaikan dengan kecepatan aliran yang digunakan. Semakin besar kecepatan aliran, maka sumber asapnya juga harus lebih banyak agar aliran udara mampu untuk divisualisasikan. Secara skematis, pembangkit asap terse but bisa dilihat pada gambar 3. Peralatan ini sama dengan yang digunakan pada studi Nuch (2004) dan Susanto (2004). ¥eJeot .'llfim
Drivinfuni eat
Rnbqj
JBlJl1lll ail' I
,
/A!pbllmpim iiqjttmitl
:il; I
.
............
J
·I
..
~
~ ~ l'
..........
Gambar 3. Diagram skematis dari pembangkit asap dan saluran-salurannya ke wind tunnel.
c. High Speed Camera Kamera ini digunakan untuk pengambilan gambar pada saat melakukan visualisasi. Alat ini dapat mengambil 8000 frame/second, kemudian dari pengambilan gambar tersebut dapat di-playback dengan kecepatan yang dinginkan. Jadi alat ini sangat membantu untuk mengetahui perubahan struktur aliran yang teJjadi secara detail. d. Model uji Bentuk obstacle persegi panjang (retangular) yang dipasang secara melintang diatas pelat (Gambar 4). Dimensi dari obstacle adalah sebagai berikut: Iebar obstacle (w): 42mm; tinggi obstacle (h): 2lmm; Iebar pelat (L ): 31 Omm; panjang pelat (P): 700mm.
Gambar 4. Bentuk obstacle persegipanjang yang digunakan pada kajian eksperimental 2.1.2. Pengambilan Data Parameter yang diukur untuk memperoleh karakteristik aliran adalah kecepatan rata-rata ( U), distribusi tekanan (p ), dan karakeristik drag. Selain itu, distribusi I profil wake di belakang model uji juga bisa dilakukan. Parameter-parameter diatas merupakan ukuran secara kuantitatif dari karakteristik aliran fluida. Ruang lingkup yang dikaji meliputi koefisien tekanan (Cp) dan profil kecepatan rata-rata. Selain itu, kajian kali ini juga dirnaksudkan untuk mem-visualisasikan fenomena aliran yang terseparasi di daerah downstream dari rintangan-rintangan tersebut diatas menggunakan metode visualisasi dengan asap. Dengan sebuah sumber cahaya yang kuat (dari laser beam) dan dengan menggunakan sebuah kamera berkecepatan tinggi (high-speed camera), maka gambar aliran dapat didokumentasikan. Secara skematis, proses penyinaran untuk pengambilan gambar pada visualisasi aliran ditunjukkan pada gambar 5. Gambar dari visualisasi aliran menunjukkan tentang adanya streak Gejak) didalam suatu lapis batas turbulent dan adanya struktur wake di belakang model uji. Dengan adanya data pendukung dari visualisasi aliran ini, gambaran mengenai aliran di sekitar model uji terlihat lebihjelas.
Seminar Nasional Teknik Mesin 3 30 April 2008, Surabaya, Indonesia
Gambar 5. Skema pengambilan gam bar metode visualisasi aliran dengan asap. 2.2. Studi Numerik Bersamaan dengan pengambilan data di laboratorium, maka studi numerik menggunakan software komersial Fluent 6.2 juga dilakukan di CAE Jurusan Teknik Mesin. Gambar 6 menunjukkan geometri set-up 2D-obstacle yang digunakan sebagai acuan didalam studi numerik. Studi numerik ini dilaksanakan dengan dua tahap: - Penyusunan pemodelan dengan Gambit. - Evaluasi dari pemodelan dengan Gambit menggunakan Fluent 6.2.
Kajian numerik yang berkaitan dengan 2D-obstacle dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak FLUENT 6.2, untuk mendapatkan karakteristik aliran melintasi obstacle dengan bentuk geometri setengah lingkaran. Bentuk geometri set-up dari 2D-obstacle tersebut dapat ditunjukkan pada gambar 6. Pemilihan bentuk geometri 2-D (2 dimensi) dimaksudkan untuk dibandingkan dengan basil kajian eksperimental, yang melakukan pengukuran aliran melintasi obstacle di daerah mid-span saja, sehingga dalam kajian numerik bentuk yang demikian dianggap dapat mewakili kuantitas dari basil pengukuran kajian eksperimen. Pemodelan numerik tersebut menggunakan pendekatan 2D-steady flow turbulent viscous Reynolds Stress Model 4 (RSM) pada dua bilangan Reynolds yaitu 1.3 x 10 dan 4 2.1 x 10 , didasarkan pada ketinggian atau thickness 2D-obstacle tersebut. Sebagaimana ditunjukkan pada gambar 4.4, kondisi batas pada sisi inlet adalah kecepatan inlet uniform (9, 75 m/s dan 15,5 m/s), dan pada sisi outlet adalah outflow. Pada saat memasuki inlet pada sisi lower wall, ditetapkan dua kekasaran permukaan yang berbeda, yang diawali dengan memberikan kekasaran yang lebih tinggi sekitar 0,0005 meter dan selanjutnya hingga pada geometry obstacle, kekasaran permukaannya adalah 0,00015 meter, harga tersebut termasuk pada seluruh upper wa/1-nya. Gambar 7 menunjukkan initial meshing pada berbagai bentuk benda uji.
, Outte( '! (' t~: i
Gambar 7. Bentuk meshing dari 2D-obstacle persegi panjang adalah quadrilateral-map Gambar 6. Geometri set-up 2D-obstacle berbentuk persegipanjang Selain dilakukan studi numerik di CAE Jurusan Teknik Mesin, maka studi ini juga dilakukan dengan menggunakan sebuah personal computer (PC). Dengan studi menggunakan PC ini proses penyelesaian penelitian ini lebih cepat karena tingkat ketergantungan terhadap pihak lain bisa dikurangi. Namun demikian, untuk mendukung penyelesaian problem Gambit dan Fluent dengan cepat dan akurat, dibutuhkan sebuah PC yang handal. Untuk itu, maka satu langkah penting yang telah dilakukan didalam penelitian ini ialah upgrading dari PC yang ada dengan cara meningkatkan kapasitas memory-nya dan kecepatan eksekusinya (speed). Dalam hal ini kapasitas hard-disk-nya dan kecepatan RAM-nya telah di up-grade.
Bentuk grid dari geometri 2D-obstacle berikut interiomya adalah quadrilateral-map. Pada sisi inlet ditetapkan harga intensitas turbulensi sekitar 0,6% dan harga ini sama dengan harga intensitas turbulen pada subsonic wind tunnel di laboratorium Mekanika dan Mesin-Mesin Fluida di Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS. Sementara itu harga turbulence length scale-nya ditetapkan sama dengan Iebar dari 2D-obstacle-nya (0,001 meter). Selanjutnya, solution control pada pemodelan numerik ditunjukkan pada gambar 8 (a)- (c). Berdasarkan pemodelan numerik tersebut dapat dihasilkan informasi tentang detail karakteristik aliran yang tidak dapat terakomodasi sepenuhnya melalui basil pengukuran pada kajian eksperimen. Karakteristik tersebut antara lain meliputi detail vektor kecepatan sebelum obstacle, pada obstacle, maupun sesudah
Seminar Nasional Teknik Mesin 3 30 April 2008, Surabaya, Indonesia obstacle (fenomena separasi bubble, reattachment), distribusi tekanan (koefisien tekanan, Cp), intensitas turbulensi, serta visualisasi aliran melintasi obstacle (distribusi pathline, kontur kecepatan, static pressure, maupun intensitas turbulensi).
~~~c~~~J~=~-, =~~:~-=----:~-~_:2~-;~07''-~
r
r _ t~
r
V~ludty Sp~dllcatiun Mt'thod !hf;g~!-f.';..e, Nel'tfnll ~~- - · --- ---_:]
VdorJty
Hrim :nn
frame fAh ~utMe-
-
__
_
-
_:1
W~onitudr. (m/SJJ"f5."S~~~ - ___-_Jc:cm~~--- - ~~
Turbul ~n~ Sp~!'clrif'"..ation ~thl.Jrj f'nlcn tJity •nd _L~ng.th SC'lJc
lu•buJence ln1ens:Uy
:
~
""fD.6~-- --------
t rmb<den~ Lengtfl Scale (11'1) ~·--} Reynalds -Stte&s. Spedneetlon Metnod fK~7T;tbulen~~fensJty~--- ..;..;..;.-:--""'~ ! ' ~
L ~ cen!!!J ~ ________"'"',. .,. ' "'-Gambar 8 (a). Boundary pada sisi inlet pemodelan numerik dengan software Fluent 6.2.
Gambar 8. (b) Boundary pada sisi outlet pemodelan numerik dengan software Fluent 6.2.
3.1. Distribusi tekanan (Cp) pada kontur obstacle dan plat datar Perbandingan antara distribusi Cp hasil eksperimen dengan distribusi Cp hasil simulasi numerik untuk bentuk obstacle setengah lingkaran pada dua harga Re ditunjukkan pada gambar 9 dan 10 . Pada kedua gambar tersebut terlihat adanya overestimate harga Cp hasil simulasi numerik pada daerah upstream dan downstream obstacle terhadap Cp hasil eksperimen. Kesesuaian harga Cp antara hasil simulasi dengan Cp hasil eksperimen terjadi hanya pada sisi depan dan sebagian sisi belakang obstacle tersebut (Gambar 9). Harga Cp hasil simulasi yang sedikit lebih tinggi daripada harga Cp hasil eksperimen ini diperkirakan disebabkan oleh pemilihan harga kondisi inlet, seperti turbulence length scale dan pressure inlet, yang mungkin kurang sesuai. Pemilihan harga kondisi awal yang kurang sesuai ini lebih terasa pengaruhnya pada harga Re yang lebih tinggi (Gambar 9 (b)). Dalam hal ini, harga minimum Cp hasil simulasi jauh berbeda dengan harga Cp hasil eksperimen, dimana perbedaan harga minimum Cp relatif lebih kecil untuk harga Re yang rendah (Gambar 9 (a)). Rectangular Bump (Re
=13000)
:r:=
1 0.5
Cp o
,_
-~
-
-
'
-
Eksp•rlm•ntaJ
------
- -------
· "-- -- ' ---~----- --
I~
..,_. -'1
. , _. ---------
,__ __ _ __ __
------- ----- --
.."'_. 0
0.1
0.2
0.3
--=-
..-----" ;----
... ...
0.4
0.7
0.8
0 .9
1
xJw
(a)
Gambar 8. Solution control pada pemodelan numerik dengan software Fluent 6.2.
Rectangular Bump (Re = 21000) 1
,
0.$ ~ -
3. Hasil dan Pembahasan Pada bagian ini akan disajikan hasil-hasil dari kajian eksperimental yang diperoleh dengan melakukan pengukuran distribusi tekanan pada kontur permukaan plat datar maupun kontur obstacle berbentuk persegi panjang (rectangular), dan pengukuran profil kecepatan aliran (u!U) pada beberapa posisi (x/w = -3; 0,5; dan 3) serta visualisasi aliran dengan asap. Keterbatasan alat ukur menjadikan perangkat lunak CFD solver Fluent 6.2 sebagai solusi agar dapat menjelaskan interaksi aliran yang terjadi, sepanjang fluida melintasi plat datar maupun obstacle berbentuk persegi panjang. Hasil post-processing berupa kontur tekanan, kecepatan, dan intensitas turbulensi, serta vektor kecepatan dapat diinformasikan dengan detail untuk menambah informasi yang disajikan dari kajian eksperimental.
_ __
ll:::;;
;...........
•aM"'_, I
,
__ ___ __
Cp .D
..._. - -'1
-
·1 .5 -2
. _. 0
0.1
0 .2
0.3
u
0.5
0.6
'------
0.7
0.8
0 .0
1
xJw
(b) Gambar 9. Distribusi tekanan (Cp) pada kontur obstacle persegi panjang pada bilangan Reynolds (a) Re = 1,3 x 104 ; (b) Re 2,1 x 104 •
C~
Seminar Nasional Teknik Mesin 3 30 April 2008, Surabaya, Indonesia
:,:!J Rectangular Bump (Re =13000)
I
..
1
~· r Cp~:
I
•••
.
. ;...
y
••
...
' . . . ' .
: . .. •
• T
~
•
•
!
-- Ekspertm•~l ti
i - ~ -e- Ntl'llertkRSM
.. .
•
•
•
.'i t T
I ..., ' •
••
~~
...
_,;
.....
• • !
'
•
•a•u•84U4~0M1U2U8M4U0~6"7U8U
I
xlw
(a) Rectangular Bump (Re., 210001
I
4.2
Ob
I
0.4
D.li
11.1
Ul
t.2
1.4
1.1
"'"
IICp .o.5o
(c) Gambar 11. Profil kecepatan (u!U) pada bebagai posisi (a) x/w = -3; (b) x/w = 0.5; dan (c) x/w = 3, pada bilangan Reynolds 1,3 x 104 •
•
I ·" .. i.,.., .j • I ~· t~J=ClllJJ.L~Lll.~:t:±J.JLJ=lilTLL I .4.$..,. .a.& .a o oJ :s •.s s t .! 1 e.6 4
.2.5 .:l -U -t
1
4.$
':,.:
2.6
3.6
"
5.6
7 .&
15
8
(b) Gambar 10. Distribusi tekanan (Cp) pacta kontur obstacle persegi panjang dan plat datar pacta bilangan 4 Reynolds (a) Re = 1,3 x 104 ; (b) Re 2,1 x 10 •
3.3. Visualisasi Aliran Dari visualisasi yang telah dilakukan pada obstacle persegi panjang diperoleh basil yang ditunjukkan pada Gambar 12. Gambar 12 (a) menunjukkan aliran pada saat me1intasi obstacle persegi panjang dan gambar 12 (b) menunjukkan aliran pada daerah di belakang o?stacle . set~ngah lingkaran. Dari gambar 12(a) dapat diketahUI ahran mengalami separasi bubble di daerah sebelum obstacle (titik A). Dari basil visualisasi didapatkan separasi massive terjadi sesudah aliran melewati puncak obstacle yang ditunjukkan oleh titik B (Gambar 12 (a) dan (b)). Dari gambar 12(b) dapat dilihat adanya daerah wake di belakang obstacle yang d~~njuk~an oleh titik C. Dari gambar 12 (b) juga dapat d1hhat ahran yang terseparasi tersebut kembali attach di titik D.
3.2. Profil kecepatan (u/U) Gambar 11 menunjukkan distribusi profil kecepatan rata-rata (U) aliran fluida di daerah sebelum obstacle pacta obstacle, dan daerah sesudah obstacle pada Re ~ 21000 basil simulasi numerik. Dalam hal ini distribusi kecepatan U pacta Re = 13000 untuk obstacle yang sama tidak ditunjukkan pacta laporan ini. Secara kualitatif, distribusi U di sekitar obstacle persegi panjang basil simulasi pada Re = 13000 ini tidak berbeda dengan basil eksperimen pacta Re = 21000 (Gambar 11 ). Satu hal yang kurang memuaskan dari basil simulasi ialah lokasi titik re-attachment untuk dua harga Re yang berbeda (Re = 21000 dan 13000) basil simulasi tidak menunjukkan Iokasi yang berbeda. Hal ini berbeda dengan basil eksperimen, dimana titik re-attachment pada Re yang lebih tinggi terletak pada lokasi yang lebih dekat dengan obstacle dibandingkan lokasi titik re-attachment pada Re yang lebih rendah. Profll Keeepatan Rectangular Sump (>t1W•..3danRe• 13000}
I~ :
.-
Gambar 12. Visualisasi aliran dengan asap melintasi obstacle persegi panjang
~
•
3.4. Hasil post-processing dengan CFD solver Fluent
\
"'"I J_,..;-'
-'f-. '-' --'
!/" . . .
6.2 l.J
• •
0.0 0.1 02 G.l OA U
U
0.7 lUI U
U
1.1
t.2
""' (a)
a u u u u u
) M
Salah satu keuntungan dengan dilakukannya numerik ialah dihasilkannya kontur kecepatan d1 seluruh medan aliran yang menjadi obyek studi. Distribusi dari kontur kecepatan untuk jenis obstacle persegi panjang pada Re = 21000 ditunjukkan pada Gambar 13 dan 14. Didalam studi numerik selain diperoleh kontur kecepatan yang menunjukk~ besar (magnitude) kecepatan tersebut, juga diperoleh arab (vektor) kecepatan yang bersangkutan. Baik kontur kecepatan maupun arab kecepatan tersebut amat sulit diperoleh dari studi eksperimen, dan pada kajian/penelitian kali ini tidak akan bisa dilakukan s~ulasi
u u u u
(b)
Seminar Nasional Teknik Mesin 3 30 Apri/2008, Surabaya, Indonesia karena keterbatasan alat ukur yang tersedia. Gambar 15 menunjukkan struktur streamline di sekitar obstacle persegi panjang. Secara kualitatif, basil simulasi numerik menggunakan Software Fluent 6.2 menunjukkan basil yang serupa dengan visualisasi dengan asap. Dari gambar tersebut terlibat bahwa lokasi titik separasi massive basil visualisasi terletak lebih di depan daripada letak titik separasi massive basil simulasi. Perbedaan lokasi titik separasi massive dari basil simulasi dengan basil visualisasi dipekirakan akibat perbedaan harga angka Reynolds yang digunakan, dimana pada studi visualisasi digunakan barga Re yang lebib rendah dibandingkan harga Re pada simulasi. RECTANGULAR BUMP 4 Re=2,1x10
Gambar 14. Vektor kecepatan melintasi obstacle persegi panjang pada Re = 2,1 x 104 •
1:1«!7~!
I'LHEtit;iZ(<1'!!, '\lt> $oa!J'<w!ed R.~l~
I~~-: · - ' ·:
RECTANGULAR BUMP Re =2 ,1x10A
Yr·&
Gambar 15. Visualisasi aliran dengan pathline pada obstacle persegi panjang
31.2_'
~'
2!)?
4. Kesimpulan
I~:~ ·. ,
'
L ' . l :t
1~
!I
~~- . I
141 1~.00
' ·~- 41;n .'""'
I
~
f)]l
;
1007
' L"'m: 17,2007
1-Ll'tN! 4> ~(~d . tJ;>, s;,o()t~<4Sld. i'I$.\A)
(c) Gambar 13. Hasil post-processing pada obstacle persegi panjang berupa (a) kontur tekanan statis; (b) kontur intensitas turbulensi; (c) kontur kecepatan
Dari analisa basil pengujian aliran melintasi pelat datar dengan obstacle berbentuk persegi panjang, dengan kecepatan freestream 9.75 m/s dan 15.5 m/s dapat diambil beberapa kesimpulan yang menjelaskan interaksi aliran fluida. Kesimpulan-kesimpulan ini dibagi kedalam dua kelompok: i) kesimpulan basil eksperimen dan ii) kesimpulan basil simulasi numerik. Hasil Eksperimen Hasil studi eksperimen dapat menyimpulkan hal-hal sebagai berikut: 1. Separasi massive pada obstacle terjadi akibat momentum aliran tidak mampu mengatasi advarse pressure gradient dan tegangan geser antara permukaan obstacle dengan aliran fluida, sehingga untuk harga Re yang Iebih besar akan mengakibatkan letak titik separasi lebih tertunda. 2. Titik re-attachment semakin dekat dengan bertambahnya Re. 3. Visualisasi dengan asap menunjukkan kesesuaian yang baik basil dengan visualisasi numerik. Hasil Simulasi Numerik Hasil studi simulasi numerik dapat menyimpulkan hal-hal sebagai berikut: 1. Terjadi perbedaan basil yang cukup siginifikan dibandingkan dengan basil eksperimen dalam hal profil kecepatan. 2. Lokasi titik-titik re-attachment yang didapat dari basil simulasi numerik secara umum lebib jauh dibandingkan dengan yang didapat dari basil eksprimen.
Seminar Nasional Teknik Mesin 3 30 April 2008, Surabaya, Indonesia
Daftar Pustaka M. & Martinuzi, R. J., 2003, "Experimental study of the pressure field and flow structuresaround surface-mounted pyramids, Proc. 161h ASCE Engineering Mechanics Conference, Univ. Washington, Seatle, July 16-18, pp. 1-9. 2. Cheng, H. & Castro, I. P., 2002, "Near-wall flow development after a step change in surface roughness", Boundary-Layer Meteorology, Vol. 105, pp. 411-432. 3. Choi, J. -H. & Lee, S. J., 2000, Ground effect of flow around an elliptic cylinder in a turbulent boundary layer, J. Fluids Structures, Vol. 14, pp. 697-709. 4. Chun, S. & Shun, H. J., 2003, "Large-scale vortical structure of turbulent separation bubble affected by unsteady wake, Exp. Fluids, Vol. 34, pp. 572-584. 5. Farhadi, M. dan Rahnama, M. (2006), "Large Eddy Simulation of Separated Flow over a Wall-Mounted Cube", Scientia Iranica, Vol. 13, No.2, pp 124-133. 6. Fatchan, N., 2000, "Studi Eksperimental Pengaruh Inlet Disturbance Terhadap Karakteristik Boundary Layer Dan Gejala Separasi Pada Pelat Lengkung", Laporan Tugas Akhir, Jurusan Teknik Mesin FTI ITS. 7. Fohanno, S. & Polidori, G., 2005, "Effect of the gap size in the start-up free convective flow around a square prism near a wall", Int. J: Heat Fluid Flow, Vol. 26, pp. 25-33 . 8. Gete, Z. & Evan, R. L., 2003, "An experimental investigation of unsteady turbulent-wake/boundary-layer interaction", J: Fluids Structures, Vol. 17, pp. 43-55. 9. Joko, A., 2001, "Studi Eksperimental Pengaruh Lokasi Permukaan Kasar Sebagai Inlet Disturbance Terhadap Karakteristik Boundary Layer Dan Gejala Separasi Pada Pelat Lengkung", Laporan Tugas Akhir, Jurusan Teknik Mesin FTI - ITS. 10. Nigro, N., Filippini, G., Gerardo Franck, G., Mario Storti, M., dan D'Elia, D. (2005), "Flow around a sharp-edge surface-mounted cube by Large Eddy Simulation", Mecanica Computacional Vol. XXIV, pp. 1299-1318. 11. Nuch, M., 2004, "Studi Eksperimental Karakteristik Turbulent Boundary Layer setelah Single Square Groove pada palat datar", Laporan Tugas Akhir, Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS. 12.Park, C.W. & Lee, S. J., 2003, "Flow structure around two finite circular cylinders located in an atmospheric boundary layer: side-by-side arrangement", J. Fluids Structures, Vol. 17, pp. 1043-1058. 13. Sutardi dan Vivin, S. (2004), " Laser Doppler Anemometry (LDA), Hot-wire anemometry, and Turbulent Model Study for a Turbulent Boundary Layer at Low Reynolds Number", Seminar Nasional Perkembangan Riset dan Teknologi di Bidang lndustri UGM, Yogyakarta 1. AbuOmar,
14. Venas, B. & Saetran, L. R., 1999, "Space-Time Correlations in Separated Flow Behind a Surface Mounted Obstacle", Internal Report ofDepartment ofMechanics, Thermo and Fluid Dynamics Norwegian University ofScience and Technology N-7034 Trondheim, Norway.
