Pengaruh Viskositas terhadap Aliran Fluida Gas-Cair melalui Pipa Vertikal dengan Perangkat Lunak Ansys Fluent 13.0

Transkripsi

1 Jurnal Kompetensi Teknik Vol. 3, No. 1, November Pengaruh Viskositas terhadap Aliran Fluida Gas-Cair melalui Pipa Vertikal dengan Perangkat Lunak Ansys Fluent 13.0 Khairul Muhajir Jurusan Teknik Mesin, Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta Abstrak: Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh viskositas terhadap beda tekanan aliran dua fase (cair dan gas) dalam pips vertikal Pipa yang digunakan jenis flexiglass dengan diameter dalam adalah 32 mm, posisi vertikal dengan panjang 2000 mm. dengan udara sebagai fluida kerja gas serta dua fluida cair yang berbeda viskositas yaitu air dan air + CMC 0, 25%. Metode yang digunakan eksperimental yaitu fluida kerja di alirkan searah ke atas dilakukan dengan memberikan variasi debit cairan mulai 1,8 Ipm - 10,5 Ipm serta variasi debit udara mulai 101pm - 701pm dan beda tekanan (AP) diukur menggunakan manometer U dan menggunakan ANSYS FLUENT 13.0 untuk memvisualisasikan pola aliran serta distribusi tekanan yang terjadi. Hasil penelitian menunjukan pada debit cairan 1,8 Ipm dan debit udara 10 Ipm bahwa aliran air + CMC 0,25% - udara menghasilkan nilai Viskositas aliran homogen (Nn) yang lebih besar yaitu 0,00279 kglm.s dari pada nilai Viskositas aliran homogen (Irn) pads aliran air-udara yang bemilai 0, kg/m.s sehingga nilai beda tekanan aliran air + CMC 0,25% - udara cenderung lebih besar dan hasil yang lainnya adalah beda tekanan pipa vertikal di masing-masing aliran yaitu akan memiliki kecenderungan turun pada saat debit cairan konstan dan debit udara semakin besar. Kata kunci : viskositas, aliran gas-cair, pipa vertikal, ANSYS FLUENT Pendahuluan 1.1. Latar Belakang Aliran dua fase merupakan aliran yang banyak di jumpai, wujud atau fase dari suatu zat dapat dibedakan menjadi tiga yaitu cair (liquid), padat (solid), dan gas (gas). Studi mengenai aliran dua fase dibedakan atas tiga bagian, yaitu batas wujud fase, arah aliran dan kedudukan aliran. Dilihat dari wujud-wujud fasenya yaitu aliran cair-gas (liquid-gas), cairpadat (liquid-solid), dan gas-padat (gassolid). Berdasarkan arah aliran adalah aliran searah (cocurrent) dan aliran berlawanan arah (counter-current) sedangkan dari kedudukan saluran dikelompokan aliran horizontal, aliran vertikal dan miring. Aliran dua fase dijumpai di alam misalnya aliran darah dalam tubuh, badai pasir, hujan, banjir lumpur dan masih banyak contoh lainya. Sedang dalam bidang industri yaitu: pada penambangan pasir besi dan emas, pengeboran minyak bumi, pembuatan semen, ketel uap dan lainnya. 1.2 Perumusan Masalah Berdasarkan uraian di atas maka penulis akan mencoba untuk melakukan penelitian tentang karakteristik pengaruh viskositas dari dua fluida cair yang berbeda viskositasnya dalam aliran fluida gas-cair searah ke atas di dalam sistem perpipaan. Permasalahan timbul dalam kaitannya dengan karakteristik pengaruh viskositas dari dua fluida cair dalam aliran gas-cair searah ke atas

2 32 Jurnal Kompetensi Teknik Vol. 3, No. 1, November 2011 pada pipa vertikal dirumuskan sebagai berikut: a. Bagaimana distribusi tekanan aliran gas-cair searah ke atas melalui pipa vertikal? b. Bagaimana visualisasi pola aliran gas-cair searah ke atas melalui pipa vertikal menggunakan ANSYS FLUENT 13.0? 1.2. Landasan Teori Sihombing (2010) melakukan penelitian tentang karakteristik aliran gas cair berlawanan arah pada pengecilan mendadak berpenampang segi empat saluran vertikal. Dari penelitiannya dapat disimpulkan bahwa penurunan tekanan akan meningkat pada saat debit udara konstan dan debit air yang semakin diperbesar. Irawan (2008) melakukan percobaan untuk menunjukkan sifat-sifat aliran. Pada aliran fluida satu fase horizontal, semakin besar prosentase kenaikan kapasitas aliran fluida pipa venturi, semakin besar pula tekanan yang dihasilkan. Jenis aliran yang terjadi pada aliran fluida dalam pipa venturi adalah jenis aliran turbulen karena bilangan Renoldanya lebih dari 4000 dari seluruh operasi pompa sentrifugal baik tunggal maupun paralel. Fluida diklasifikasikan sebagai fluida Newton atau fluida bukan Newton. Dalam fluida Newton terdapat hubungan linear antara besarnya tegangan geser yang diterapkan dan laju perubahan bentuk yang diakibatkan, seperti yang ditunjukan Gambar 1. Dalam fluida bukan-newton terdapat hubungan tak linear antara besarnya tegangan geser yang diterapkan dan laju perubahan bentuk sudut. Suatu plastik ideal mempunyai hubungan linear yang konstan antara r dan du/dy 2. Metode 2.1. Bahan Penelitian Berikut ini adalah bahan-bahan percobaan yang dipakai dalam penelitian: a. Fluida gas yang dipergunakan hádala udara bertekanan dari kompresor dengan tekanan 1 atm pada kondisi temperatur 30 C. Dengan p = 1,165 kg / M 3 p = 1,85 x 10-5 kg/m.s b. (1) Fluida cair pertama berupa air pada kondisi temperatur ruang 27 C. Dengan p = 996,54 kg / M 3 u= 8,568 x 10' kg/m.s Gambar 1. Diagram rheologi (Sumber : Streeter & Wyle, 1992, hal; 5)

3 Jurnal Kompetensi Teknik Vol. 3, No. 1, November Pada Gambar menunjukkan metode pengujian dalam penentuan suatu fluida, dimana terdapat dua buah lempengan sejajar terpisah-pisah jarak y yang kecil. (2) Fluida cair kedua berupa air yang dicampur dengan CIVIC 0,25% pada kondisi temperatur ruang 27 C. Dengan p = 999,27 kg/m 3 p= 80 x 10-3 kgfm.s c. Zat pewarna. d. Pipa transparan jenis plexiglass dengan diameter datam 32 mm dan panjang 2 m. Software yang digunakan pada proses pendekatan akiran gas-cair melalui simulasi dan iterasi numerik adalah dengan menggunakan metode Computional Fluid Dynamic (CFD) jenis ANSYS FLUENT 13.0 serta Microsoft Excel dalam penyajian grafik Gambar 2. Rangakaian seksi uji Keterangan: 1. Outlet 6. Flow meter udara 11. Reservoir 2. Penjebak tekanan 7. Tangki pembagi air 12. Katup pengendali udara 3. Seksi uji 8. Flow meter air 13. Tabung udara 4. Inlet 9. Katup pengendati air 14. Kompresor 5. Injektor udara 10. Pompa

4 34 Jurnal Kompetensi Teknik Vol. 3, No. 1, November Diagram Alir Penelitian Pada penelitian ini dapat dijelaskan dalam gambar diagram alir di bawah. Gambar 3. Diagram alir penelitian

5 Jurnal Kompetensi Teknik Vol. 3, No. 1, November Tabel 1. Beda tekanan (AP) teoritis aliran dua fase udara-air model aliran homogen pada debit cairan konstan 1,8 I m. (Ipm} ( m~%s) V 9 (m/s) V, (m/s). (kg~s). (kg/s) x 10 0, , , , , , , , , , , , ,0005 0, , , , , , , , , , , , , , , , , ,001 1, , , , , , , , , , , Beda tekanan aliran dua fase yang dihitung dengan menggunakan model aliran homogen, nilai beda tekan dari air + CMC 0,25% - udara cenderung lebih besar dari pada nilai beda tekan air - udara hal ini karena nilai Viskositas aliran homogen (P h ) air + CIVIC 0,25% - udara lebih besar dari nilai Viskositas aliran homogen (Ph) air - udara (Tabel 1.), karena nifai Viskositas aliran homogen (N,,) mempengaruhi dari faktor gesekan antara fluida dengan dinding pipa yang berakibat mempengaruhi nilai beda tekanan. Hasil perhitungan yang disajikan tadi adalah nilai akhir untuk mencari nilai beda tekanan ( P) secara teoritis, pada contoh tadi merupakan perhitungan dengan formulasi yang sudah tersedia. Untuk hal itu, maka hasil dari formulasi tersebut selanjutnya dibandingkan dengan beda tekanan sebenarnya atau pada saat melakukan percobaan. Gambar 4. Hubungan debit udara (Q 9 ) terhadap beda tekanan Eksperimen (OP Eksperimen)

6 36 Jurnal Kompetensi Teknik Vol. 3, No. 1, November Hasil dan Pembahasan Visualisasi dilakukan dengan pemotretan, serta simulasikan menggunakan software Ansys Fluent 13.0, dilakukan terhadap aliran dua fase gas-cair pada kondisi debit air konstan. Pola aliran yang terbentuk pada aliran kondisi awal adalah pola aliran transisi gelembung ke kantung udara dan kemudian bila debit udara semakin meningkat maka gelembung akan menjadi kantung udara dan menjadi pola aliran kantung udara. Pada gambar 4. adalah hubungan debit udara (Q 9 ) terhadap beda tekanan Eksperimen udara mampu mendorong cairan hingga berlaku sebagai film tebal pada dinding pipa. Peralihan pola aliran ini berbentuk kantung udara yang panjang clan bergerak cepat tetapi tidak putus (batas antara cairan dan udara masih terlihat). Pada aliran ini aliran cincin belum dapat terbentuk karena kecepatan udara belum cukup tinggi untuk mendukung terjadinya film secara kontinu. Pola ini yang disebut peralihan pola aliran kantung udara ke aliran cinicin. Kondisi ini terjadi pada kecepatan air 0,01 m/s - 0, m/s clan kecepatan udara 0,05-0,09 m/s Pada gambar 5. adalah visualisasi aliran untuk debit air 1,8 Ipm dan debit udara 10 fpm. Dalam aliran cincin lapisan film muncul pada dinding pipa sedangkan gas atau uap pada bagian tengah secara kontinu. Film cairan berisi gelembung dan inti gas mampu mengangkut butir cairan. Gelembung dapat muncul dipermukaan film cairan ini merupakan sumber pengangkutan butir cairan. Kondisi ini terjadi pada kecepatan air 0,01 m/s - 0, m/s dan kecepatan udara 0,9-1,6 mjs. Dalam pemetaan pola aliran dapat digambarkan sebagai bidang grafik. Pada sistem koordinat diberi titik-titik sebagai pengambilan data, pola aliran yang diperoleh daerah masing-masing pola akan berbeda, maka titik-titik tersebut sebagai acuan dalam menentukan batas dari tiap pola aliran yang terjadi. Sehingga diperoleh peta pola aliran yang jelas. Berikut gambar peta pola aliran dua fase air-udara. Gambar 5. Grafik hasil update 20 iterasi per 100 time step

7 Jurnal Kompetensi Teknik Vol. 3, No. 1, November Gambar 6. Contour dari tekanan (Vair = 0, mls; V dara = 0, m/s; x = 0,006453; = 0,847458) Gambar 7. Contour dari distribusi Kecepatan di sepanjang pipa (V air = 0, m/s; V udara = 0, m/s; x = 0,006453; α = 0,847458) Gambar 8. Streamline dari distribusi Kecepatan di sepanjang pipa (V air = 0, m/s; V udara = 0, m/s; x = 0,006453; α = 0,847458)

8 38 Jurnal Kompetensi Teknik Vol. 3, No. 1, November 2011 Dengan Ansys Fluent simulasi ini dihitung dengan parameter 20 iterasi per 100 time step. Dari simulasi menggunakan parameter kecepatan air+ CMC 0,25%konstan yaitu 0, m/s, kecepatan udara adalah 0, m/s dengan fraksi hampa 0, dan kualitas aliran adalah 0, Gambar 8. memperlihatkan contour dari Turbulence Eddy Dissipationdengan gambar bidang-bidang yang tak beraturan terbentuk. Dari gambar tersebut diperlihatkan juga nilai dari tubulensinya. Nilai dari tekanan terlihat bahwa nilai terbesar terletak di bagian dasar dan semakin keatas semakin menurun. Nilai hasil dari keluaran terlihat bervariasi antara fluida yang terletak di dekat dinding pipa dengan yang ditengah pipa. Streamline dari distribusi Kecepatan di sepanjang pipa menunjukan nilai distribusi kecepatan yang berupa garis. Nilai dari Streamline yang menunjukkan kecepatan adalah nilai pelengkap dari nilai kecepatan yang tidak bisa di tunjukan pada nilai contour. Dalam gambar memperlihatkan garis-garis Streamline yang menunjukan nilai kecepatan dan selanjutnya garis-garis tersebut dianimasikan pada gambar disebelahnya. Dalam hal ini semua hasil yang ditunjukan oleh contour dan streamlinetadi dari simulasi menggunakan Ansys Fluent 13.0 dapat disimpulkan karena perbedaan viskositas yang lebih besar simulasi aliran dua fase air + CMC 0,25% - udara menghasilkan nilai lebih besar dibandingkan dengan aliran dua fase air udara. Maka hal ini sesuai dengan hasil sebelumnya dalam perhitungan secara teoriris dan hasil dari percobaan. 3. Penutup 3.1. Kesimpulan 1. Beda tekanan (OP) aliran gas-cair yang diukur dengan kondisi debit cairan konstan dan debit udara berubah-ubah, dapat dijelaskan jika debit aliran udara mengalami peningkatan, maka akan berpengaruh terhadap beda tekanan yang terjadi artinya adalah nilai debit udara berbanding lurus dengan beda tekanan, yaitu beda tekanan mengalami penurunan seiring naiknya debit aliran udara. 2. Beda tekanan ( P) hasil pengamatan memiliki nilai berbeda dengan beda tekanan hasil teoritis, namun memiliki prinsip yang sama yaitu semakin besar debit udara maka beda tekanan akan semakin menurun. Beda tekanan (AP) yang semakin menurun disebabkan karena kualitas aliran (x) dan fraksi hampa (a) yang semakin meningkat. 3. Beda tekanan (AP) aliran dua fase yang dihitung dengan menggunakan model aliran homogen, nilai beda tekanan dari air + CMC 0,25% - udara cenderung lebih besar dari pada nilai beda tekanan air - udara hal ini karena nilai Viskositas aliran homogen ( v,,) air + CMC 0,25% - udara lebih besar dari nilai Viskositas aliran homogen (p,,) air - udara, karena nilai Viskositas aliran homogen (Vh) mempengaruhi dari faktor gesekan antara fluida dengan dinding pipa yang berakibat mempengaruhi nilai beda tekanan. 4. Perubahan pola aliran bergantung pada variasi kenaikan debit udara dan debit air. Pada debit cairan konstan dan debit udara semakin meningkat aliran kantung dapat berubah menjadi aliran cincin apabila debit udara dinaikkan. 5. Untuk visualisasi menggunakan software ANSYS FLUENT 13.0 pola aliran menggunakan pendekatan Turbulence Eddy Dyssipation, hal ini dikarenakan dari aliran debit udara menyebabkan aliran air menjadi tidak stabil Saran 1. Pengukuran beda tekanan (AP) pada proses penelitian sebaiknya dilakukan berulang-ulang agar diperoleh hasil yang sebaik mungkin.

9 Jurnal Kompetensi Teknik Vol. 3, No. 1, November Dibutuhkan ketelitian dan kecermatan dalam membaca perubahan tekanan pada manometer U. Karena perubahan tekanan pada manometer U tidak bisa langsung stabil. 3. Untuk mendapatkan visualisasi aliran yang baik, sebaiknya menggunakan kamera digital dengan kecepatan tinggi agar pola aliran dapat terlihat dengan jelas. Lebih baik lagi bila dilengkapi dengan sensor aliran. 4. Daftar Pustaka Aribowo, Yusia., 2006, Studi Eksperimental Aliran Gas-Cair Searah Melalui Pipa Venturi, Tugas Akhir Teknik Mesin,IST AKPRIND, Yogyakarta. Buku, Atus., 2007, Penurunan Tekanan Aliran slug-churn (Gas-Cair) Searah Ke atas pada Sambungan Pembesaran dan Pengecilan Saluran, UGM, Yogyakarta Biksono, Damawidjaya., 2006, Karakteristik dan Visualisasi Aliran Dua Fasa pada Pipa Spiral, Jumal Teknik Mesin Vol. 8, No. 2, Oktober 2006: 69-7 Irawan, Didik., 2008, Studi Eksperimental Pengaruh Kapasitas Aliran Fluida Terhadap Beda Tekanan Melalui Pipa Venturi Pada Operasi Pompa Sentrifugal, Tugas Akhir Teknik Mesin, IST AKPRIND, Yogyakarta. Koestoer, Raldi A, & Proborini, S., 1994, Aliran Dua Fase dan Fluks Kalor Kritis, Pradnya Paramita, Jakarta. Alih Bahasa: Harinaldi & Budiarso, Erlangga, Jakarta. Najib, Muhammad, 2011, Perencanaan Framework Menggunakan ANSYS 12.1, Tugas Akhir Teknik Mesin, IST AKPRIND, Yogyakarta. Putra, Riki A., 2007, Karakteristik Aliran Gas-Cair Searah Ke Atas pada Pipa Vertikal Berdiameter Dalam 32 mm, Skripsi Teknik Mesin, IST AKPRIND, Yogyakarta. Sihombing, 2010, Karakteristik Afiran GasCair Berlawanan Arah pada Pengecilan Mendadak Berpenampang Segiempat Saluran Vertikal, Jurnal Teknik Mesin Streeter, Victor L, & Wyle E. B., 1992, Mekanika Fluida, Jilid 1, Edisi Delapan, Alih Bahasa: Arko Prijono, Erlangga, Jakarta. Susmanto, Teguh., 2006, Visualisasi Pola Aliran Gas-Cair Pada Saluran Vertikal Dengan Air, CMC C 0,3%, CMC C 1,1%, Tugas Akhir Teknik Mesin, IST AKPRIND, Yogyakarta. Syaiputra, Syaiful A., 2006, Pengaruh Densitas Cairan Terhadap Gradien Tekanan Pada Aliran Gas-Cair Searah Keatas Pipa Vertikal, Tugas Akhir Teknik Mesin, ist AKPRIND, Yogyakarta. Tuakia, Firman, 2008, Dasar-Dasar CFD Menggunakan Fluent, Bandung, Informatika. Munson, Bruce R., Young, Donald F. & Okiishi, Theodore H., 2003.a, Mekanika Fluida, Jilid 1, Edisi ke 4, Alih Bahasa: Harinaldi & Budiarso, Erlangga, Jakarta. Munson, Bruce R., Young, Donald F. & Okiishi, Theodore H., 2003.b, Mekanika Fluida, Jilid 2, Edisi ke 4,

10 40 Jurnal Kompetensi Teknik Vol. 3, No. 1, November 2011