Seminar Nasional Teknik Mesin 10 13 Agustus 2015, Surabaya
STUDI NUMERIK DAN EKSPERIMEN KARAKTERISTIK ALIRAN MELINTASI TIGA BUAH SILINDER SIRKULAR YANG TERSUSUN SECARA EQUILATERAL TRIANGULAR DENGAN PENAMBAHAN INLET DISTURBANCE BODY (IDB) PADA JARAK STAGGER S/D = 2,5 Intan Hardiatama1), Wawan Aries Widodo2)
Laboratorium Mekanika & Mesin Fluida Jurusan Teknik Mesin1,2) Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Keputih Sukolilo, Surabaya 60111. Indonesia1,2) Phone: 085211234709 E-mail:
[email protected]),
[email protected])
ABSTRAK Aliran eksternal melintasi bluff body berkembang pesat setelah ditemukan konsep boundary layer oleh Ludwig Prandtl (1904), seiring perkembangan aplikasi teknik aliran melintasi bluff body yang diaplikasikan pada heat exchanger, dll. Penelitian ini terfokus pada bilangan Reynolds tinggi sesuai kebutuhan aplikasi teknik. Tujuan penelitian ini mengetahui efektifitas pengontrolan pasif lapis batas fluida, karakteristik wake, pengaruh blockage ratio terhadap kecepatan rata – rata pada Re konstan, menganalisis pola aliran melalui koefisien pressure drag dan koefisien pressure, sehingga karakteristik wake yang terbentuk pada ketiga buah silinder yang tersusun secara equilateral triangular dengan penambahan dua buah pengganggu berbentuk silinder sirkular pada bagian upstream masing – masing silinder utama diketahui. Gap silinder pengganggu dari silinder utama (δ) sebesar 0,4 mm. Diameter bodi pengganggu (d) = 4 mm, posisi sudut pengganggu (θ = 300) , diameter silinder sirkular utama (D) penelitian ini adalah 25 mm. Jarak stagger ( S/D) penelitian ini sebesar 2,5. Bilangan Reynolds yang digunakan 2.2 x 104 berdasarkan diameter silinder sirkular utama dan kecepatan freestream. Penelitian dilakukan dengan permodelan numerik dan eksperimen. Permodelan numerik dilaksanakan secara dua dimensi (2D) Unteady RANS dengan turbulence viscous model k-ω Shear Stress Transport. Penelitian secara eksperimen dilakukan menggunakan subsonic open-circuit wind tunnel dengan dimensi test section 600 mm X 300 mm X 300 mm. Hasil post – processing permodelan numerik dan hasil eksperimen menunjukkan bahwa pada tiga buah silinder sirkular utama pada jarak stagger (S/D) = 2,5 dengan penambahan dua buah bodi pengganggu (θ = 300) menyebabkan perbedaan nilai koefisien drag (Cd), koefisien pressure (Cp) serta letak separasi masif yang terjadi bila dibandingkan dengan penelitian sebelumnya pada kelompok silinder dengan susunan yang sama tanpa penambahan silinder pengganggu. Dengan penambahan silinder pengganggu pada bagian upstream dari tiga buah silinder tersusun equilateral triangular berhasil mereduksi gaya hambat dan menunda letak separasi masif. Kata kunci: bluff body, equilateral triangular, silinder pengganggu.
1. PENDAHULUAN Ada beberapa fase aliran yang terjadi disekitar bluff body sebelum terjadi transisi aliran dari laminar menjadi turbulen. Fase–fase tersebut antara lain: fase stagnasi, fase pembentukan boundary layer, fase separasi dan fase pembentukan wake di belakang bluff body. Terjadinya separasi disebabkan oleh adanya gaya drag dan gaya lift. Dalam upaya mereduksi gaya drag yang terbentuk pada aliran, telah dilakukan melalui metode pengendalian pasif melalui penambahan inlet disturbance body (silinder tunggal) dan variasi rasio jarak (silinder berkelompok). Adapun penelitian yang telah dilakukan sebelumnya antara lain penelitian Alam, dkk [1], Gu dan Sun [2], Tatsuno [3] serta Bao, et al [4]. Fokus penelitian dari Alam, dkk[1] lebih ke penambahan dua buah silinder sirkular pengganggu pada bagian upstream dari silinder utama pada α tertentu, sedangkan silinder utama tersusun secara side by side, tandem dan single. Bilangan Reynolds yang digunakan 5.5 X 104, dengan hasil menunjukkan adanya reduksi optimum gaya drag yang terjadi pada silinder utama. Penelitian Gu dan Sun [2] dilakukan secara eksperimen pada silinder berkelompok susunan equilateral triangular dan divariasikan pada sudut putarnya dan jarak N/d. Bilangan KE-12
Reynolds yang digunakan 5.5 X 104. Hasilnya menunjukkan bahwa incident flow sangat berpengaruh terhadap model aliran dan distribusi tekanan pada masing-masing silinder karena adanya lateral force. Distribusi tekanan pada silinder downstream lebih kompleks. Pada small gap spacing pengaruh antar silinder dalam grup, shear layer reattachment, dan wake dangat berpengaruh. Tatsuno, dkk[3] meneliti tentang pengaruh antar silinder pada tiga buah silinder tersusun equidistant. Yang divariasikan pada penelitian ini adalah incident angle dan rasio jarak. Penelitian dilakukan pada bilangan Reynolds 6.2 X 104 pada aliran uniform. Terbukti bahwa ketiga silinder saling berpengaruh pada rasio jarak kecil. Ketika dua buah silinder tersusun side by side pada upstream maupun downstream dari ketiganya pada rasio jarak kecil, model aliran dari kedua silinder tidak simetris karena adanya pengaruh koefisien drag dan lift yang terbentuk pada silinder yang tersusun side by side tidak sama. Bao, dkk[4] melakukan penelitian secara numerik pada tiga buah silinder tersusun equilateral triangular pada bilangan Reynolds rendah (Re = 100), unsteady, second order characteristic, berdasar metode elemen hingga. Yang divariasikan pada penelitian ini adalah rasio jarak dan incident angle. Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa pada α yang berbeda aliran terpengaruh dominan oleh efek antar
Seminar Nasional Teknik Mesin 10 13 Agustus 2015, Surabaya
silinder (rasio jarak kecil) dan wake (rasio jarak terbesar). Rasio jarak menengah dipengaruhi jarak antar silinder dan wake. Efek transisi sangat berpengaruh terhadap variasi gaya fluktuasi dan angka strouhal. Berdasarkan penelitian terdahulu yang telah dipaparkan tersebut, belum ditemukan penelitian tentang gabungan dari penelitian yang telah ada tersebut, yaitu penelitian tentang pengaruh penambahan dua buah inlet disturbance body berbentuk silinder sirkular pada kelompok silinder yang tersusun secara equilateral triangular. Hal ini menyebabkan adanya keinginan untuk melakukan penelitian gabungan dari penelitian terdahulu pada jarak S/D 2,5 yang masih termasuk ke dalam medium gap spacing untuk mengetahui efektifitas pengendalian pasif terkait upaya dalam mereduksi gaya drag. Fenomena yang terjadi pada aliran akan dikaji melalui simulasi numerik menggunakan perangkat lunak CFD komersial dan secara eksperimen menggunakan subsonic windtunnel.
2. METODOLOGI Penelitian yang dilakukan disini merupakan gabungan dari penelitian Alam, dkk [1] dan Gu dan Sun [2] yang dilakukan secara numerik dan eksperimen untuk menganalisis karakteristik aliran yang melewati tiga buah silinder sikular tersusun secara equilateral triangular dengan penambahan dua buah inlet disturbance body (silinder sirkular) secara stagger (α = 300) pada bagian upstream masing-masing silinder. Diameter silinder sirkular utama (D) sebesar 25 mm, diameter IDB (d) sebesar 4 mm. Blockage ratio yang digunakan sebesar 29,16% dengan tinggi (H) sebesar 300 mm. Jarak gap silinder utama terhadap bodi pengganggu konstan (δ) sebesar 0,4 mm.
d
2
y x
S
D
1
S
3 4D
Gambar 2. Geometri Set-Up Eksperimen Rasio jarak stagger (S/D) yang digunakan disini sebesar 2,5. Bilangan Reynolds (ReD)yang digunakan adalah 2,2 X 104 berdasar diameter silinder sirkular utama. Domain simulasi numerik dan bentuk meshing yang digunakan berupa quadrilateral – submap, seperti ditunjukkan pada Gambar 1(a) dan (b). Simulasi numerik dilakukan secara dua dimensi (2D) – URANS dengan turbulence viscous model k – ω Shear Stress Transport. Pengambilan data secara eksperimen dilakukan dengan geometri set-up eksperimen seperti ditunjukkan pada Gambar 2 dengan jarak pitot tube 4D dibelakang silinder downstream dihitung dari pusat silinder downstream.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN Data-data yang ditampilkan pada penelitian ini berupa koefisien tekanan di permukaan silinder utama (Cp), koefisien drag serta visualisasi aliran berupa pathline. Grid Independensi Data hasil simulasi numerik akan dibandingkan dengan hasil eksperimen Gu dan Sun [2] seperti ditunjukkan pada Tabel 1.
2
U f , Pf
OUTLET (OUTFLOW)
6D
INLET (VELOCITY INLET)
T T
Tabel 1. Nilai Cd Silinder sirkular
UPPER WALL (SYMETRY)
6D
g U f , Pf
g y
T T
1 x
S
D
d 3
S
LOWER WALL (SYMETRY)
6D
20D
(a)
(b) Gambar 1. (a) Geometri Set – Up Tiga Buah Silinder Sirkular dengan Penambahan Bodi Pengganggu Berupa Silinder Sirkular; (b) Bentuk Meshing 2-Dimensi (2-D) quadrilateral – map.
Berdasar Tabel 1 diatas dapat diketahui perbandingan prosentase error nilai koefisien drag masing-masing silinder dari mesh A, B, C dan D terhadap nilai koefisien drag eksperimen Gu dan Sun [2]. Dari beberapa nilai prosentase error diatas dipilih mesh C dengan pertimbangan memiliki prosentase error terkecil secara keseluruhan erhadap nilai koefisien drag hasil eksperimen, selain itu juga dengan pertimbangan jumlah node yang tidak terlalu rapat. Distribusi Koefisien Tekanan (Cp) Tiga Buah Silinder Utama dengan Penambahan Inlet Disturbance Body (IDB) pada variasi S/D = 2,5. Distribusi koefisien tekanan (Cp) disebabkan oleh interaksi antara bluff body dan aliran yang melintasi. Grafik koefisien tekanan seperti pada Gambar 3 di bawah ini menunjukkan tentang evolusi aliran saat melintasi permukaan KE-13
Seminar Nasional Teknik Mesin 10 13 Agustus 2015, Surabaya
lengkung bluff body (silinder sirkular). Grafik koefisien tekanan yang terbentuk berkorelasi dengan fenomena aliran berdasarkan visalisasi velocity pathline yang akan ditunjukkan pada Gambar 4 di bawah ini.
(a)
(b) Gambar 3. Grafik Distribusi Koefisien Tekanan Tiga Buah Silinder Sirkular Tersusun Equilateral Triangular dengan penambahan IDB secara (a) eksperimen, (b) numerik pada S/D = 2,5.
Flow
y x
Gambar 4. Velocity Pathlines tiga buah silinder pada S/D = 2,5 Pada rujukan penelitian terdahulu dalam kasus tiga buah silinder tersusun equilateral triangular, untuk jarak stagger antar silinder S/D = 2,5 masih termasuk ke dalam medium gap dimana antara satu silinder dengan yang lain masih saling berpengaruh. Dari data hasil eksperimen yang terdapat pada grafik di Gambar 3(a) silinder 1 terlihat simetri pada bagian upper dan lower berkaitan dengan bentuk vortex yang terbentuk di belakang silinder 1 seperti ditunjukkan pada Gambar 4. KE-14
Nilai akselerasi maksimum di daerah upper pada silinder pengganggu terjadi pada θ = 350 pada nilai Cp = -0,850, sedangkan di daerah lower akselerasi maksimum terjadi pada θ = 3200 dengan nilai Cp = -1,134. Separasi pada inlet disturbance body di daerah upper terjadi pada θ = ± 400 sedangkan di daerah lower terjadi pada posisi θ = ± 3150. Separasi pada daerah upper silinder utama terjadi pada posisi θ = ±1350 dan θ = ± 2250 (lower). Data hasil numerik yang ditampilkan pada Gambar 3(b) silinder 1 juga terlihat simetri pada bagian upper dan lower. Yang membedakan dengan hasil eksperimen adalah pada grafik koefisien tekanan hasil numerik memperlihatkan terjadinya reattachment aliran pada silinder utama setelah terseparasi dari inlet disturbance body karena terbentuknya bubble separation baik pada bagian upper maupun lower. Separasi aliran dari silinder pengganggu terjadi di posisi sudut θ = ± 330 kemudian reattach ke silinder utama pada posisi θ = ± 480, aliran terseparasi dari silinder utama pada θ = ± 1230. Fenomena aliran yang terjadi dan dijelaskan pada grafik koefisien tekanan pada Gambar 3(b) silinder 1 divisualisasikan berdasar velocity pathline yang tertera pada Gambar 4. Perbedaan bentuk grafik hasil distribusi koefisien tekanan antara pengambilan data secara eksperimen maupun numerik disebabkan karena pengaruh blockage pada eksperimen lebih dominan dibandingkan hasil numerik. Selain itu beberapa hal juga dapat berpengaruh terhadap perbedaan hasil antara data eksperimen dan numerik ini, diantaranya data numerik diambil dengan turbulence model, kondisi awal dan boundary condition yang berbeda dengan kondisi aktual pengambilan data eksperimen. Pada silinder 2 Gambar 3(a) yang diambil secara eksperimen dan Gambar 3(b) data hasil numerik memiliki bentuk grafik distribusi koefisien tekanan yang hampir sama , yang membedakan hanya di bagian upper saja. Dapat terlihat pada bagian upper pada grafik hasil eksperimen posisi saat aliran mengalami reattach pada silinder utama, aliran mengalami akselerasi yang lebih besar dibandingkan dengan hasil numerik. Hal ini bisa disebabkan karena pembentukan bubble separation tidak tampak pada hasil eksperimen, seperti diketahui untuk data hasil eksperimen diambil pada menit tertentu (time average), sedangkan data hasil numerik diambil dari rata-rata data yang diambil pada detik tertentu. Fenomena terjadinya bubble separation terlihat lebih jelas pada hasil numerik seperti tampak pada titik 3 Gambar 5 sedangkan pada eksperimen tidak tampak. Adanya perbedaan hasil kuantitatif maupun kualitatif antara hasil simulasi numerik dengan hasil eksperimen dapat disebabkan berbagai faktor, dari segi numerik bisa disebabkan karena model turbulensi yang digunakan pada simulasi numerik, kondisi awal dan kondisi batas yang diinputkan, dan properti aliran fluida yang diinputkan tidak persis sama dengan kondisi saat pengambilan data secara eksperimen. Sedangkan dari segi eksperimen bisa disebabkan karena kurangnya ketelitian alat ukur yang digunakan dan set up benda uji, hal ini seperti disampaikan pada penelitian Vinaya (2013). Berdasarkan grafik distribusi koefisien tekanan hasil eksperimen 3(a) silinder 2, akselerasi maksimum terjadi pada posisi θ = ± 350 (bodi pengganggu) dan θ = ± 850 (silinder utama) untuk sisi upper. Sedangkan pada lower side akselerasi maksimum hanya terjadi pada posisi θ = ± 3250 dengan nilai koefisien tekanan pada posisi tersebut sebesar -1,840. Hasil data numerik pada grafik koefisien tekanan tersebut
Seminar Nasional Teknik Mesin 10 13 Agustus 2015, Surabaya
menunjukkan hanya ada dua buah peak yang terbentuk yaitu pada posisi θ = ± 310 pada bagian upper dan θ = ± 3290. Aliran mengalami perlambatan dengan nilai koefisien tekanan tertinggi berada di daerah upper yaitu pada posisi θ = ± 580. Hal ini disebabkan karena adanya aliran balik yang terbentuk akibat terbentuknya vortex didaerah wake dari silinder 2 seperti ditunjukkan pada Gambar 5. Separasi aliran pada silinder utama terjadi pada θ = ± 1000 dan θ = ± 2800. 2 = separasi IDB
Flow
Nilai Koefisien Drag Pressure pada Tiga Buah Silinder Berpengganggu Tersusun Secara Equilateral Triangular pada S/D = 2.5. Tabel 2. Nilai Koefisien Drag Pressure Pada Jarak Stagger (S/D = 2,5) S/D
Silinder
2,5
1 2 3
CDp Numerik 0,429 0,144 0,157
Eksperimen 0,452 0,467 0,239
Tabel 3. Nilai Koefisien Drag Penelitian Gu dan Sun (2000) 1 =titik
3
stagnasi
y x
Gambar 5. Velocity pathlines silinder 2 pada S/D = 2,5
Flow
Fenomena yang sama terjadi pada variasi jarak stagger terjauh pada penelitian ini yaitu pada S/D = 2,5 dimana nilai koefisien drag pressure dari hasil simulasi numerik lebih rendah bila dibandingkan nilai koefisien drag pressure yang diambil secara eksperimen. Berdasarkan tabel 2 dan tabel 3 diatas dapat diketahui bahwa pada jarak S/D yang sama, penelitian dengan penambahan IDB menghasilkan reduksi drag yang lebih optimum bila dibandingkan penelitian Gu dan Sun [2] yang dilakukan tanpa IDB pada konfigurasi yang sama. Strouhal Number
y x
Gambar 6. Velocity pathlines silinder 3 pada S/D = 2,5 Kedua grafik baik Gambar 3(a) dan 3(b) silinder 3 diatas memiliki trend yang identik hanya terdapat perbedaan pada daerah base pressure. Nilai base pressure pada hasil numerik mengalami perlambatan pada θ = 810 - 1210 dan θ = 18502370 yang disebabkan karena adanya bentuk aliran di daerah wake seperti ditunjukkan pada Gambar 6 yang bersifat seperti difuser. Titik separasi pada silinder utama hasil eksperimen (Gambar 3a silinder 3) terletak pada posisi θ = ± 1400 dan 2200. Sedangkan titik separasi hasil numerik (Gambar 3b silinder 3) terletak pada posisi θ = ± 690 dan 2800. Peak yang terbentuk pada bagian upper antara hasil eksperimen dan numerik juga sedikit berbeda. Hal ini bisa disebabkan karena pada kasus eksperimen ini bagian upper dari silinder 3 terpengaruh kuat oleh shear layer yang terseparasi dari kedua sisi silinder 1. Silinder 2 dan silinder 3 mengalami fluktuasi pada nilai base pressure baik pada Gambar 3(a) grafik hasil eksperimen maupun 3(b) grafik hasil numerik, hal ini juga disebabkan karena pengaruh wake pada silinder 3 lebih kuat pada rasio jarak ini (Gambar 4), sehingga pada grafik ditunjukkan nilai Cp silinder 2 pada θ = 1800 - 1900 menunjukkan kemiringan yang curam yang menunjukkan adanya perlambatan pada sudut tersebut. Perlambatan yang terjadi disini karena aliran tidak dapat menghadapi tekanan yang ditimbulkan karena adanya pertemuan shear layer permukaan lower dari silinder 2 dengan aliran yang keluar dari gap hasil dari wake silinder 1.
Gambar 7. Grafik Fluktuasi Koefisien Lift (Cl) Pada Silinder 1
Gambar 8. Grafik Fluktuasi Koefisien Lift (Cl) Pada Silinder 2
Gambar 9. Grafik Fluktuasi Koefisien Lift (Cl) Pada Silinder 3 Berdasarkan sheding time pada grafik fluktuasi Cl (Gambar 7, 8 dan 9) diatas didapatkan nilai Strouhal number untuk setiap silinder berturut – turut dari silinder 1, 2 dan 3 sebesar 0,233318; 0,216944 dan 0,212851. KE-15
Seminar Nasional Teknik Mesin 10 13 Agustus 2015, Surabaya
4. KESIMPULAN Berdasarkan hasil simulasi numerik yang telah dilakukan secara 2D – URANS dengan turbulence viscous model k – ω Shear Stress Transport dan eksperimen pada subsonic windtunnel pada Red = 2,2 x 104 dan S/D = 2,5. Didapatkan data –data kuantitatif maupun kualitatif untuk menjelaskan fenomena aliran yang terjadi pada aliran melewati tiga buah silinder sirkular dengan penambahan bodi pengganggu berupa silinder sirkular. Diketahui dengan adanya penambahan bodi pengganggu pada masing-masing bagian upstream dari ketiga buah silinder yang diletakkan pada sudut 300 dengan ditambahkan variasi rasio jarak stagger (S/D), pada S/D = 2,5 separasi lebih tertunda ke belakang serta memiliki nilai koefisien drag (Cd) yang lebih tereduksi. Nilai koefisien drag (Cd) tertinggi terletak pada silinder 1. Hal ini disebabkan karena silinder 1 terkena gaya terbesar karena terletak di upstream. Reduksi drag optimum pada silinder 1 sebesar 63,7% (numerik), 61,86% (eksperimen), silinder 2 sebesar 83,7% (numerik), 47,4% (eksperimen), dan silinder 3 sebesar 86,28% (numerik), 79,13% (eksperimen) dibandingkan dengan penelitian dari Gu dan Sun. Secara visualisasi hasil numerik lebih bisa menjelaskan fenomena yang terjadi pada aliran secara detail dibandingkan dengan hasil eksperimen seperti ditunjukkan pada grafik distribusi koefisien tekanan(Cp)
KE-16
dimana grafik koefisien tekanan hasil eksperimen tidak dapat menjelaskan secara detail fenomena terbentuknya bubble separation dan reattachment aliran. Adanya perbedaan antara hasil numerik dan eksperimen disebabkan karena eksperimen dilakukan secara 3D, sedangkan numerik dilakukan secara 2D.
DAFTAR PUSTAKA 1. Alam, M.Md., 2003, “Reduction of fluid forces acting on a single circular cylinder and two circular cylinders by using tripping rods”. J. Fluids and Structures 18 (2003), 347366. 2. Gu, Z. Dan Sun, T., 2000, “Classification of flow pattern on three circular cylinders in equilateral – triangular arrangements”. J. Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 89 (2001), 553 – 568. 3. Tatsuno, M., Amamoto, H. Dan Ishi – i, K., 1997, “Effect of interference among three equidistantly arranged cylinders in a uniform flow”, Fluid Dynamics Research 22 (1998), 297 – 315. 4. Bao, Y., Zhou, D. Dan Huang, C., 2010, “Numerical simulation of flow over three circular cylinders in equilateral arrangements at low Reynolds number by a second order characteristics based split finite element method”. J. Computers and Fluids 39 (2010), 882 – 899.
