JURNAL TEKNIK ITS Vol. 1, No. 1, (2014) ISSN: 2334-234300
1
STUDI EKSPERIMEN dan NUMERIK PENGARUH PENAMBAHAN KEKASARAN PERMUKAAN TERHADAP KARAKTERISTIK BOUNDARY LAYER MELINTASI BUMP (Re = 21000) Mega Dewi Rimba Kusumawardani, Sutardi Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] Abstrak Adanya perbedaan tekanan yang melewati sebuah benda menyebabkan terjadinya separasi aliran dimana hal tersebut penting untuk dikaji. Pada penelitian kali ini, obyek yang dikaji adalah karakteristik aliran yang melintasi bump dengan penambahan kekasaran permukaan sebelum plat yang berfungsi sebagai pengganggu. Penelitian ini dilakukan secara eksperimen dan numerik. Studi eksperimen dilakukan di dalam subsonic wind tunnel pada kecepatan 16.17 m/s (Re=21.000). Bentuk bump yang digunakan adalah setengah lingkaran dengan radius 20mm. Koefisien tekanan (Cp) didapatkan dari pengukuran tekanan statis yang dilakukan sepanjang kontur bump dan pada permukaan pelat datar dengan menggunakan wall pressure tap. Sedangkan koefisien drag tekanan (CDp) didapatkan dari perhitungan berdasarkan tekanan statis. Pengukuran kecepatan aliran menggunakan Pitot tube. Pengukuran profil kecepatan diambil sebanyak 8 posisi, 2 posisi sebelum bump, 1 posisi di puncak bump, dan 5 posisi setelah bump. Studi numerik mengunakan perangkat lunak yaitu program Fluent 6.3.26 dengan model turbulen k-ω shear-stress transport (SST). Pada penelitian ini, adanya penganggu berupa kekasaran permukaan tidak dapat menunda terjadinya separasi pada bump. Semntara itu harga koefisien drag total dan koefisien gesek yang dihasilkan meningkat dengan penambahan panjang permukaan kekasaran. Adanya penambahan kekasaran sepanjang 50mm memberikan kenaikan koefisien drag (CD) sebesar 21.3 %, dan penambahan kekasaran sepanjang 100mm memberikan kenaikan CD sebesar 24%. Kata kunci- bump, koefisien drag (CD), kekasaran permukaan.
I. PENDAHULUAN
D
alam kehidupan sehari-hari banyak ilmuwan yang menciptakan teknologi-teknologi yang canggih untuk mempermudah pekerjaan manusia, untuk memberikan kenyamanan haruslah diperhatikan faktor dari lingkungan yang dapat berpengaruh. Salah satunya adalah memperhatikan karakteristik aliran fluida yang melewati suatu benda. Karasteriktik yang timbul tersebut akan memberikan pengaruh tertentu terhadap performance. Pada saat fluida melewati suatu benda padat akan terbentuk boundary layer atau yang disebut dengan lapisan batas yang disebabkan oleh gesekan aliran fluida dengan permukaan benda yang dilewatinya. Ketika aliran fluida melewati benda yang memiliki bentuk permukaan lengkung akan terjadi perubahan tekanan dan kecepatan di sepanjang permukaan dari benda lengkung tersebut. Adanya perbedaan tekanan dan kecepatan ini akan menyebabkan terjadinya separasi, dimana momentum dari aliran fluida tidak mampu melawan adanya kenaikan dan penurunan takanan dan gesekan yang terjadi di permukaan benda lengkung. Jongnyon and Hyung (2006) melakukan penelitian terhadap adanya fluktuasi tekanan di dinding pada boundary
layer turbulen yang melintasi sebuah bump, dimana pengetahuan tentang fenomena fluktuasi tekanan pada dinding ini sangat penting untuk diketahui, salah satu contoh permasalahan adalah timbulnya kebisingan yang disebabkan oleh aliran yang melintasi sonar tranducer yang dirangkai pada sebuah kapal. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh dari kelengkungan terhadap fluktuasi tekanan pada dinding lengkungan, dan hasilnya terjadi perubahan tekanan sepanjang lengkungan dari sisi upstream ke sisi downstream dari kelengkungan. Sebelumnya telah dilakukan penelitian terhadap karakteristik boundary layer yang melewati plat lengkung. Seperti yang telah dilakukan oleh Wahyu (2005) mengenai separasi dan reattachment aliran di belakang gundukan (bump) setengah lingkaran, segitiga dan persegi panjang. Dari penelitianya didapatkan bahwa separasi massive dan bump setengah lingkaran terjadi akibat momentum aliran tidak mampu mengatasi adverse pressure gradient dan tegangan geser. Sedangkan pada bump segitiga dan persegi panjang, separsi massive terjadi karena adverse pressure yang tajam akibat perubahan sudut yang tajam pada permukaan bump. Dari penelitian ini juga didapatkan bahwa pada bump berbentuk setengah lingkaran besarnya Re berpengaruh pada titik separasi. Sedangkan pada bump berbentuk segitiga dan persegi panjang,besarnya Re tidak berpengaruh terhadap titik separasi. Penelitian oleh Herry (2011) mengenai studi eksperimen dan numerik tentang aliran boundary layer yang melintasi bump dengan radius kelengkungan yang kecil. Penelitian tersebut menunjukkan bahwa adanya bump dengan ketirusan maupun tanpa ketirusan akan memberikan pengaruh terhadap karakteristik dari boundary layer turbulen yang terjadi,dimana adanya ketirusan akan menyebabkan penundaan terjadinya separasi dan tidak terjadi perubahan displacement thickness dan momentum thickness sehingga adanya ketirusan akan memberikan momentum tambahan pada aliran. Penelitian lainya mengenai boundary layer dilakukan oleh Guntur (2011) mengenai studi eksperimen dan numerik tenteng aliran boundary layer yang melintasi bump dengan radius kelengkungan yang besar. Dari penelitian tersebut menunjukkan bahwa adanya bump setengah lingkaran dengan ketirusan yang diberikan pada pelat datar dengan dimensi pada penelitian tersebut akan memberikan pengaruh terhadap karakteristik boundary layer turbulen yang terjadi, dimana terjadi perubahan harga displacement thickness dan momentum thickness pada pelat datar dengan bump setengah lingkaran dengan ketirusan, setelah aliran melewati bump terbentuk wake, daerah wake yang terjadi pada bump tanpa ketirusan lebih besar dibandingkan daerah wake yang ada pada bump dengan ketirusan. Berdasarkan penelitian-penelitian tersebut, maka muncul pemikiran untuk melakukan penelitian tentang
JURNAL TEKNIK ITS Vol. 1, No. 1, (2014) ISSN: 2334-234300 aliran melewati bump yang diberikan gangguan berupa kekasaran permukaan, gangguan ini diberikan pada permukaan sebelum bump. Penelitian ini dilakakukan secara eksperimen dan numerik. II.
METODE
Penelitian ini akan dilakukan secara eksperimen dan numerik. Untuk Pengambilan data secara eksperimen dilakukan di terowongan angin (wind tunel), sedangkan untuk simulasi numerik dilakukan menggunakan software fluent 6.3.26. Data yang didapatkan dari metoda eksperimen dan simulasi numerik akan dibandingkan dan dievaluasi. Gambar 2.1 merupakan ilustrasi dari benda uji yang digunakan.
Tinggi kekasaran 1.5 mm
Gambar 3.1 Ilustrasi benda uji metode eksperimen Peralatan yang digunakan pada metode eksperimen adalah wind tunnel dengan dimensi 30cm x 30 cm dengan kecepatan freestream yang digunakan sebesar 16.17 m/s, inclined manometer yang digunakan untuk membaca tekanan, wall pressure tap yang dipasang pada permukaan plat datar dan bump yang berguna untuk mengukur tekanan statis sepanjang plat datar dan bump, Pitot tube yang digunakan untuk mengukur tekanan dinamis dan mikrometer yang digunakan untuk mengukur jarak ke arah y. Prosedur yang dilakukan pada penelitian numerik terbagi menjadi dua tahap yaitu: 1. Pre-processing Tahap pre-processing ini merupakan tahapan awal dalam sebuah penelitian secara numerik yang dilakukan dengan memasukan data awal. Data awal yang dimaksud adalah skema geometry, meshing dan boundary type untuk benda uji. Setelah melakukan pembutan geometry, langkah selanjutnya adalah melakukan proses meshing dan menentukan boundary type. Pada langkah pembuatan geometry, meshing dan boundary type ini dilakukan pada gambit Bentuk geometry, meshing, dan boundary type ditunjukkan pada gambar 2.2.
2 Gambar 2. Skema meshing pada silinder dengan penambahan bodi pengganggu.
2. Post-processing Tahap simulasi numerik ini dilakukan dengan software Fluent 6.3.26 yang dimulai dengan read data hasil eksport GAMBIT. Kemudian dilakukan pengecekan grid. Setelah itu ditentukan skala. Pada penelitian ini menggunakan skala dalam mm. Turbulence model yang digunakan adalah k-ω SST. Pengisian material yang akan digunakan yaitu udara pada temperature 25° dengan nilai density (ρ) sebesar 1,19 kg/m3 dan viskositas (µ) sebesar 1,84 x 10-5 kg/ms dan pengisian operating condition disesuaikan dengan kondisi daerah dimana operasi dan lingkungan di sekitar benda uji. Proses pemberian nilai dari boundary condition yaitu pada daerah inlet diasumsikan sebagai velocity inlet dengan nilai kecepatan ditentukan dari kondisi angka Reynolds (ReD). Re yang digunakan adalah 2.1 x 104 sedangkan pada outlet adalah outflow, wall merupakan batasan semua dinding, main body dan disturbance body. Untuk bump dengan pengganggu, kekasaran didefinisikan sebagai wall dan memiliki ketinggian 1.5mm. Solusi yang digunakan dalan simulasi ini adalah second order. Langkah berikutnya adalah initialize yang merupakan perhitungan awal untuk memudahkan dalam mendapatkan hasil yang konvergen pada tahap iterasi. Kriteria konvergensi ditetapkan sebesar 10-6, artinya proses iterasi dinyatakan telah konvergen setelah residualnya mencapai harga lebih kecil daripada 10-6. Tahap terakhir adalah iterate dilakukan sampai convergence criterion sebesar 10-6. III. HASIL DAN PEMBAHASAN Data yang didapatkan dari metode eksperimen meliputi koefisien tekanan dan kontur kecepatan pada plat datar dan bump. Hasil yang didapatkan dari metode eksperimen dan numerik akan dibandingkan sehingga dapat diketahui perbedaan yang ada. 1. Koefisien tekanan (Cp) Gambar 3.1 menunjukkan perbandingan distribusi koefien tekanan sepanjang plat datar dan bump tenpa pengganggu yang didapatkan dari hasil eksperimen dan simulasi numerik. Pada grafik tersebut dapat dilihat bahwa nilai koefisien yang didapatkan dari hasil eksperimen dan numerik yang relatif sama. Tekanan statis mengalami kenaikan pada plat datar sebelum bump yang ditunjukkan dengan peningkatan koefien tekanan (Cp), akibat adanya favorable pressure gradient yang kuat di sisi upstream bump, koefisien tekanan mengalami penurunan hingga mencapai titik maksimum pada x/d = -0.1175. hal ini terjadi pada hasil yang didapat dari metode eksperimen dan numerik. Setelah itu akibat adanya adverse pressure gradient tekanan mengalami kenaikan hingga pada akhirnya takanan menjadi konstan dan aliran mengalami separasi. Gambar 3.2 dan 3.3 menunjukkan perbandingan distribusi koefisien tekanan sepanjang plat datar dan bump dengan pengganggu yang didapatkan dari hasil eksperimen dan simulasi numerik. Pada grafik tersebut dapat dilihat bahwa nilai koefisien tekanan yang didapatkan dari hasil eksperimen dan numerik relatif sama. Tekanan statis mengalami kenaikan pada plat datar sebelum bump yang
JURNAL TEKNIK ITS Vol. 1, No. 1, (2014) ISSN: 2334-234300 ditunjukkan dengan peningkatan koefien tekanan (Cp), akibat adanya favorable pressure gradient yang kuat di sisi upstream bump, koefisien tekanan mengalami penurunan hingga mencapai titik maksimum pada x/d = -0.1175. hal ini terjadi pada hasil yang didapat dari metode eksperimen dan numerik. Setelah itu akibat adanya adverse pressure gradient tekanan mengalami kenaikan hingga pada akhirnya takanan menjadi konstan dan aliran mengalami separasi. Berdasarkan hasil koefisien tekanan yang didapatkan pada bump tanpa pengganggu dan bump tanpa pengganggu tidak memiliki perbedaan yang begitu signifikan dan nilai yang didapatkan hampir menyerupai.
Gambar 3.1 Distribusi koefisien tekanan (Cp) pada plat datar dan bump tanpa pengganggu dari hasil eksperimen dan numerik
3
didapatkan dari metode eksperimen dan numerik menunjukkan bentuk yang sama dan hampir brimpit. Gambar tersebut menunjukkan bahwa aliran mengalami percepatan sebelum melewati bump pada daerah diatas boundary layer. Percepatan ini ditunjukkan oleh harga u/U yang semakin membesar searah dengan aliran yang mendekati bump. Saat aliran melewati bump juga terjadi percepatan aliran, percepatan aliran ini disebabkan oleh pengecilan luas permukaan akibat adanya bump. Hal ini dapat dilihat pada kontur path line dari masing masing bump. Percepatan ini ditunjukkan oleh profil kecepatan di x/d = 0.0 yang memiliki kecepatan u/U = 1.04 pada y =1 mm untuk bump tanpa pengganggu dan u/U = 1.01 untuk bump dengan penambahan kekasaran 5cm dan u/U = 0.95. Setelah melewati bump aliran akan mengalami perlambatan hingga kecepatannya akan mengalami perlambatan.
Gambar 3.4 Perbandingan profil kecepatan eksperimen dan numerik bump tanpa pengganggu
Gambar 3.5. Perbandingan profil kecepatan eksperimen dan numerik bump pengganggu 50mm
Gambar 3.2 Distribusi koefisien tekanan (Cp) pada plat datar dan bump dengan pengganggu 50mm dari hasil eksperimen dan numerik
Gambar 3.6. Perbandingan profil kecepatan eksperimen dan numerik bump pengganggu 100mm
Gambar 3.3 Distribusi koefisien tekanan (Cp) pada plat datar dan bump dengan pengganggu 100mm dari hasil eksperimen dan numerik 2. Profil Kecepatan Gambar 3.4, 3.5 dan 3.6 merupakan perbandingan profil kecepatan eksperimen dan numerik. Profil kecepatan yang
Akibat adanya adverse pressure gradient di sisi downstream bump mengakibatkan aliran mengalami separasi. Daerah separasi ditunjukkan oleh profil kecepatan yang memiliki harga u/U = 0. daerah separasi ini semakin jauh akan semakin mengecil hingga akhirnya profil kecepatan kembali normal. Titik dimana aliran terseparasi kembali normal dinamakan titik reattachment. Pengecilan daerah separasi ini disebabkan karena adanya transfer energi antara aliran yang berada di daerah yang tidak terseparasi menuju ke aliran yang berada di daerah yang terseparasi sehingga aliran yang terseparasi berangsur-angsur kembali normal. Titik reattachment pada bump setngah lingkaran dapat diketahui dengan metode numerik yang terletak pada
JURNAL TEKNIK ITS Vol. 1, No. 1, (2014) ISSN: 2334-234300
4
x/d = 4.5 untuk bump dengan penambahan kekasaran 100mm, dan x/d = 4.75 untuk bump tanpa pengganggu dan bump dengan penambahan kekasaran 50mm.
3. Visualisasi Numerik Gambar 3.7, 3.8 dan 3.9 merupakan kontur path line dari plat datar dan bump. Dari gambar tersebut dapat dilihat distribusi kecepatan aliran fluida yang mengalir di atas pemukaan pelat datar dan bump dengan pengganggu maupun tanpa pengganggu. Saat melewati bump, aliran mengalami percepatan sampai mencapai kecepatan maksimum, yaitu pada puncak bump, hal ini dikarenakan aliran melewati streamtube yang mengecil sehingga aliran mengalami percepatan. Setelah melewati puncak bump aliran mengalami penurunan kecepatan dan kenaikan tekanan sehingga terjadi adverse pressure gradient dan tegangan gesek hingga aliran terseparasi. Akibat adanya separasi menimbulkan daerah yang memiliki tekanan rendah dan aliran balik yang disebut dengan daerah wake. Daerah ini ditunjukkan dengan warna biru yang menyerupai pusaran aliran.
Gambar 4.15 Kontur intensitas turbulensi pada bump tanpa pengganggu
Gambar 4.16 Kontur intensitas turbulensi pada bump dengan pengganggu 50mm
Gambar 3.7 Velocity pathline bump tanpa pengganggu Gambar 4.17 Kontur intensitas turbulensi pada bump dengan pengganggu 100mm
Gambar 3.8. Velocity pathline bump dengan pengganggu 50mm
Gambar 3.9. Velocity pathline bump dengan pengganggu 100mm Dari gambar 3.10, 3.11 dan 3.12 menunjukkan bahwa semakin bertambah kekasaran akan menimbulkan boundary layer yang turbulen. Sehingga adanya boundary layer yang turbulen maka dapat menunda terjadinya separasi pada bump.
4. Koefisien drag (CD) Harga koefisien drag total (CD) dihitung dengan menggunaan persamaan perubahan momentum aliran sebelum melewati bump dengan momentum aliran setelah melewati bump. Dari hasil penelitian dan proses perhitungan yang telah dilakukan didapatkan harga koefisien total drag (CD) yang terjadi diatas permukaan plat datar dan bump dengan pengganggu maupun bump tanpa pengganggu. Koefisien drag yang terjadi di sepanjang plat datar dan merupakan gabungan dari koefisien gesek (Cf) yang terjadi sepanjang permukaan dan koefisien pressure drag (CDp) yang terjadi akibat adanya bump. Tabel 4.1 menunjukkan hasil koefisien drag pada metode eksperiman dan numerik. Tbel 4.1 Koefisien drag total Cdp Cd Eksperimen 0.48 0.65 1.13 0.76 0.61 1.37 0.81 0.59 1.40 Numerik 0.18 1.09 1.27 0.20 1.16 1.35 0.36 1.00 1.36 Cdf Tanpa Pengganggu Dengan pengganggu 50mm Dengan pengganggu 100mm Tanpa pengganggu Dengan pengganggu 50mm Dengan pengganggu 100mm
JURNAL TEKNIK ITS Vol. 1, No. 1, (2014) ISSN: 2334-234300 Dari hasil yang didapatkan melalui eksperimen dan numerik. keduanya menunjukkan fenomena yang sama yakni koefisien drag total semakin meningkat dengan adanya penambahan pengganggu berupa kekasaran. Hal ini dikarenakan adanya penambahan kekasaran pada permukaan menyebabkan gesekan antara aliran dan plat datar besar sehingga koefisien gesek yang dihasilkan juga membesar dan akan berpengaruh juga pada koefisien total drag.
IV KESIMPULAN Berdasarkan hasil data yang didapatkan pada penelitian dengan metode eksperimen maupun numerik untuk plat datar dan bump tanpa pengganggu maupun dengan pengganggu pada kecepatan freestream 16.17 m/s dan Re = 21000, dapat disimpulkan bahwa Separasi yang terjadi pada bump tanpa pengganggu maupun dengan pengganggu terjadi tepat pada puncak bump. Penambahan kekasaran permukaan pada plat datar tidak mampu menunda terjadinya separasi. Distribusi koefisien tekanan yang dihasilkan masing-masing bump tidak memberikan perbedaan nilai yang signifikan baik dengan metode eksperimen maupun simulasi numerik. Adanya penambahan kekasaran permukaan memberikan perubahan nilai koefisien drag total (CD), dimana koefisien drag total meningkat dengan penambahan panjang permukaan kasar. Fenomena ini terjadi pada metode eksperimen dan simulasi numerik. Distribusi data yang didapat dari hasil simulasi numerik memiliki kecenderungan yang lebih smooth dibandingkan dengan distribusi data yang didapatkan dari hasil eksperimen. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada laboratorium Mekanika dan Mesin-Mesin Fluida Jurusan Teknik Mesin Faklutas Teknologi Industri ITS yang telah banyak mendukung kelancaran penelitian kali ini. DAFTAR PUSTAKA [1]. [2]. [3]. [4].
[5].
[6].
[7].
[8].
Dewit, David P. and Incopera, Frank P, 2007, Fundamental of Heat and Mass Transfer, 6th edition, John Wiley and Son, Inc. Fox, Robert W. and McDonald, Alan T, 1998, Introduction to Fluid Mechanics, 4th edition, John Wiley and Son, Inc. Gerasimov, Aleskey, 2006, Modelling Turbulent Flows with Fluent, Fluent Europe Ltd. Guntur, Muda Ali Akbar. 2011, “Studi Eksperimen dan Numerik tentang Aliran boundary layer yang melintasi bump dengan radius kelengkungan yang Besar”, Laporan Tugas Akhir, Jurusan Teknik Mesin FTI – ITS. Herry, Sufyan Hadi. 2011, “Studi Eksperimen dan Numerik tentang Aliran boundary layer yang melintasi bump dengan radius kelengkungan yang kecil”, Laporan Tugas Akhir, Jurusan Teknik Mesin FTI – ITS. Joongnyon, Kim and Hyung, Jing Sun, 2006, “Wall Pressure Fluctuation in a Turbulent Boundary Layer over Bump”, Korea Advance Institute of Science and Techneology. Nurul, Fatchan. 2000, “Studi Eksperimental Pengaruh Inlet Disturbance Terhadap Karakteristik Boundary Layer Dan Gejala Separasi Pada Pelat Lengkung”, Laporan Tugas Akhir, Jurusan Teknik Mesin FTI – ITS. Wahyu, wijanarko. 2005, “Separasi dan Reattachment Aliran di Belakang Gundukan Bump setengah lingkaran, segitiga, dan persegi panjang”, Laporan Tugas Akhir, Jurusan Teknik Mesin FTI – ITS.
5
