SISTEM AKUISISI DAN PENGOLAHAN DATA ALIRAN TURBULEN DENGAN ULTRASONIK VELOSIMETER. Fariduzzaman *

Transkripsi

1 SISTEM AKUISISI DAN PENGOLAHAN DATA ALIRAN TURBULEN DENGAN ULTRASONIK VELOSIMETER Fariduzzaman * ABSTRAK SISTEM AKUISISI DAN PENGOLAHAN DATA ALIRAN TURBULEN DENGAN ULTRASONIK VELOSIMETER. Intensitas turbulensi (ε) merupakan salah satu parameter penting dalam analisis aliran fluida, karena beberapa fenomena fisika sangat dipengaruhi oleh tingkat turbulensi ini. Untuk keperluan uji aerodinamika di terowongan angin, LAGG telah mengembangkan satu sistem pengukuran aliran turbulen, yang terdiri dari software sistem akuisisi dan pengolahan data ultrasonik velosimeter (SAPTA-UV), DAQ controller dan transducer ultrasonic velocimeter. Sekalipun sistem ditujukan untuk aliran udara, namun pada dasarnya sistem ini dapat digunakan pula untuk pengukuran dinamika fluida secara umum, baik cairan ataupun gas (angin), di lingkungan terbuka (atmosfir permukaan bumi) atau lingkungan tertutup (pipa, saluran atau terowongan). Pengembangan sistem dilakukan di salah satu terowongan angin LAGG, yakni LMW (LAGG Mini Windtunnel), menggunakan software builder LABVIEW dari National Instrument. Makalah ini akan menjelaskan sepintas tentang teori dasar velocimetry, konsep dasar perancangan software, serta penerapannya pada pengukuran karakteristik aliran. Kata-kata kunci: turbulensi, velocimetri, ultrasonik transducer ABSTRACT ACQUISITION SYSTEM AND TURBULENT FLOW DATA PROCESSING USING ULTRASONIC VELOCIMETER. Turbulent Intensity (ε) is an important parameter on fluid flow analysis, because several physical phenomena are influenced by the parameter. As part of wind tunnel aerodynamic testing, LAGG has developed a measurement system for turbulent flow, namely software system for data acquisition and processing of ultrasonic velocimeter, DAQ controller and ultrasonic transducer. Although the system was developed for airflow, the system can also be used to measure general fluid dynamic cases, liquid or gas (wind), open environment (atmospheric earth surface) or close environment (pipe, channel or tunnel). The system development was carried out in LAGG Mini Windtunnel (LMW), supported by a software builder LABVIEW from National Instrument. The following paper describes a highlight of velocimetry basic theory, basic concept of software design, and its application to the measurement of flow characteristics. Keywords: turbulence, velocimetry, ultrasonic transducer * UPT-LAGG BPPT, PUSPIPTEK Serpong, Tangerang-15314, INDONESIA 289

2 PENDAHULUAN Secara mikro, struktur aliran fluida dapat dikelompokkan kepada 2 keadaan ekstrim: aliran smooth (laminar) dan aliran turbulen. Aliran smooth adalah aliran fluida yang tidak memiliki ulakan-ulakan (vortex) di dalamnya, partikel-partikel udara mengalir hampir lurus, seragam dan teratur. Sedangkan aliran turbulen adalah aliran yang memiliki banyak ulakan-ulakan di dalamnya, baik yang kecil maupun yang besar serta berfluktuasi secara random. Dengan kata lain, aliran turbulen dapat dikatakan sebagai aliran yang takteratur. Karena itu analisis aliran tidak dapat dilakukan dengan pendekatan deterministik, melainkan harus dengan pendekatan statistik. Aliran smooth adalah aliran ideal, yang jarang sekali terjadi di alam. Sebagai contoh, aliran angin atmosfir di permukaan bumi selalu mengandung aspek turbulensi karena terjadi gesekan dengan permukaan atau karena perbedaan suhu / tekanan yang bervariasi. Gambar 1. Pembentukan Aliran Turbulen di Daerah Lapis Batas Atmosfir [1] Turbulensi dapat pula terjadi karena aliran fluida diganggu secara sengaja melalui turbulen generator (digunakan di terowongan angin) atau turbulen promoter (digunakan di pipa atau heat exchanger). Dengan demikian aliran turbulensi yang diperoleh merupakan aliran turbulen yang terkendali, tingkat intensitas maupun spektrumnya diatur dari parameter turbulen generator. 290

3 TEORI Dalam aliran fluida yang turbulen, besar dan arah kecepatan aliran senantiasa berfluktuasi secara random. Dengan demikian analisis aliran seperti ini memerlukan beberapa penyederhanaan, agar mudah difahami dan diperoleh beberapa kesimpulan penting. Penyederhanaan awal yang dapat dilakukan adalah dengan menganggap bahwa aliran fluida berlangsung secara 2 dimensional, artinya terjadi pada bidang x-y atau x-z saja (jika x merupakan aliran longintudinal / searah aliran). Dengan demikian, vektor kecepatan aliran fluida (H) dapat diuraikan menjadi [4], u = H cosα pada arah sumbu X (1) v = H sinα pada arah sumbu Y di mana, α : sudut datang aliran Karena sifatnya yang senantiasa berfluktuasi, maka komponen kecepatan aliran H dapat pula dipisahkan antara komponen rata-rata ( H ) dan komponen fluktuasi ( h ~ ). ~ H = H + h (2) Tingkat fluktuasinya aliran turbulen biasa dinyatakan dengan simpangan baku, ( u H ) i 2 su = (3) n( n 1) di mana: u i : kecepatan aliran sumbu x sampling ke i untuk arah sumbu x, sedangkan untuk arah sumbu y, ( v H ) i ( 1) 2 sv = (4) n n di mana: v i : kecepatan aliran sumbu y sampling ke i 291

4 Kemudian tingkat fluktuasi aliran ini secara praktisnya dinyatakan sebagai parameter Intensitas Turbulen (ε), yakni rasio simpangan baku (dalam %) terhadap kecepatan rata-ratanya. Semakin besar persentasi intensitas turbulen, semakin tinggi tingkat turbulensinya. s u ε = u H (5) s u ε = u H (6) Gambar 2. (a) Re rendah, (b) Re tinggi [4] Apabila tingkat fluktuasi arah sumbu x setara dengan tingkat fluktuasi arah sumbu lainnya, maka aliran fluida tersebut dapat dikatakan sebagai aliran isotropic. Aspek lain yang mempengaruhi tingkat turbulensi aliran adalah parameter bilangan Reynolds (Re), yakni suatu bilangan non-dimensional yang merupakan fungsi dari viskositas fluida. Aliran turbulen selalu terjadi pada bilangan Reynolds tinggi. Dengan kata lain aliran turbulen berasal dari aliran laminar yang menjadi tak stabil ketika bilangan Reynolds-nya menjadi tinggi. 292

5 - Aliran pipa berubah menjadi turbulen pada Re ~ Aliran lapis batas dengan gradient tekanan nol, menjadi tak-stabil pada Re ~ Aliran shear bebas (aliran mixing-layers) menjadi tak stabil pada Re lebih rendah lagi Turbulensi merupakan fenomena dinamika fluida yang sangat tergantung kepada pasokan energi luar, jika pasokan energi ini menurun atau tidak ada maka turbulensi tak dapat bertahan lama dan aliran akan kembali laminar. Sumber energi yang umum untuk fluktuasi kecepatan aliran turbulen adalah shear aliran rata-rata atau bouyancy. SIMULASI ALIRAN TURBULEN Di dalam uji terowongan angin, aliran turbulen dapat dibangkitkan secara buatan menggunakan perangkat yang disebut Turbulen Generator. Pada prinsipnya alat ini berfungsi memberikan gangguan pada aliran yang smooth sedemikian rupa sehingga tingkat turbulensi yang dihasilkan dapat dikendalikan dengan mudah. Salah satu bentuk yang digunakan untuk pengembangan SAPTA-UV adalah turbulen generator berbentuk grid, yakni suatu susunan batang-batang bulat (bar) yang dianyam (woven) atau gabungan dua bidang grid (plane) dan ditempatkan tegak lurus aliran menyerupai screen. Gambar 3. Turbulen Generator Turbulen generator ini bekerja berdasarkan prinsip pembangkitan aliran wake vortex dari susunan (grid) batang silinder bulat (circular rod) [2]. Karena itu tingkat turbulensi aliran dapat diatur dari: diameter batang, jarak antar batang dan jarak alat ukur ke grid turbulen generator. 293

6 Turbulensi terjadi karena timbul produksi vortex di aliran downstream-nya, adapun kemampuan regenerasi turbulensinya tergantung kepada koefisien drag dari screen, dikenal pula dengan efek damping. Efek damping dari screen sangat penting dalam mengendalikan turbulensi (terutama pada Re rendah). Dryden dan Schrubauer [5] telah meneliti bahwa turbulensi aliran free-stream (ε o ) dan turbulensi setelah-screen (ε sc ) tidak berkorelasi satu sama lainnya, karena itu turbulensi total setelah screen dapat ditulis sebagai, ε ε o + ε sc 2 2 = (7) Dryden dan Schrubauer juga menurunkan suatu persamaan empirik untuk menghitung tingkat turbulensi aliran setelah grid, K x x ε sc = (8) ε M M 0 di mana, ] M : dimensi pembukaan grid x : jarak longintudinal (searah aliran angin, downstream) dan K adalah koeffisien yang berbanding lurus dengan gaya-hambat / drag grid. K = 1 2 p ρu 2 di mana, p : perbedaan tekanan U : kecepatan aliran sebelum grid (free-stream) ρ : kerapatan jenis dari fluida (9) SISTEM AKUISISI DAN PENGOLAHAN DATA Ada berbagai instrumen yang dapat digunakan untuk pengukuran aliran turbulen, yang terkenal adalah Hotwire, LDV (Laser Doppler Velocimetry) dan sebagainya. Masing-masing dengan kelemahan dam keunggulannya. 294

7 Pengembangan alat ukur turbulensi yang dibahas dalam makalah ini adalah menggunakan transducer / instrument ultrasonic [1]. Dibanding LDV dan Hotwire, Ultrasonic velocimeter (UV) kemampuannya untuk mengukur turbulensi agak kurang. Hal ini terjadi karena panjang gelombang suara umumnya terlalu panjang untuk mendapatkan resolusi spasial yang baik, dalam arti kurang mampu menangkap fluktuasi aliran fluida yang cepat (frekuensi tinggi), juga ukuran transducer yang besar. Namun pada aliran subsonic, penggunaan UV sudah cukup memadai [3]. Ukuran transducer yang besar menjadi keterbatasan khusus, sehingga transducer ini hanya dapat digunakan dalam seksi uji yang cukup besar atau dipasang di alam terbuka, ω d = U (10) ω c di mana, ω d : frekuensi sonic yang diterima receiver (telah bergeser oleh efek Doppler) ω : frekuensi sonic dari transmitter U : kecepatan angin C : kecepatan suara di udara Data analog dari transducer, dibaca oleh data acquisition controller dari National Instrument, DAQ AT-MIO. Kemudian pada komputer PC tersebut dibuat sistem software SAPTA-UV untuk akuisisi dan pengolahan data yang dibuat sendiri oleh penulis, menggunakan software builder LABVIEW. Gambar 4. Transducer Ultrasonic Velocimeter (YOUNG M85000) 295

8 Gambar 5. Antar Muka Software Akuisisi dan Pengolahan Data Ultrasonic Velocimeter (SAPTA-UV) 296

9 ANALISIS SISTEM ALGORITMA DAN HASIL PENGUKURAN Algoritma SAPTA-UV disusun dalam diagram Nassi-Schneidermann berikut, Pengukuran MULAI Loop sampai STOP.TRUE. Baca data volt oleh DAQ card melalui analog input dari port transducer Konversi data analog (volt) ke data fisik (m/s) menggunakan koeffisien kalibrasi Tampilkan hasilnya dalam Graphical Waveform maupun Digital Numeric Apakah Intensitas Turbulensi akan diukur? YA Loop sampai N=100 TIDAK Hitung kecepatan rata-rata dan standar deviasi dari fluktuasinya Hitung Intensitas Turbulen Tampilkan hasilnya secara digital numerik Pengukuran SELESAI Gambar 6. Algoritma SAPTA-UV 297

10 Sistem Akusisi dan Pengolahan Data (SAPTA) yang dikembangkan telah berfungsi dengan baik. Ternyata prestasi atau performance sistem ini sangat tergantung kepada Data Acquisition (DAQ) card yang digunakan. Sekalipun spesifikasi card menyatakan mampu mengambil data pada 2 ks/s, namun untuk pengukuran turbulensi tampaknya diperlukan DAQ card yang khusus, yakni jenis continous sampling. Dengan demikian sistem SAPTA-UV tidak kehilangan data akibat adanya jeda waktu (sekalipun sangat singkat) antara titik-titik pengambilan data, sekalipun dilakukan dalam loop yang kontinyu. Measurement of εu for d=2mm, m=10mm εu (%) Longintudinal 500 Distance 1000 from Grid (mm) Gambar 7. Contoh Hasil 298

11 KESIMPULAN Aliran angin turbulen di alam maupun simulasi di laboratorium (misalnya terowongan angin), tidak lain adalah aliran yang analisisnya memerlukan pendekatan statistik, pendekatan deterministik hampir tidak dapat dilakukan. Dengan demikian algorithma SAPTA-UV harus dirancang untuk mempertimbangkan proses statistik tersebut. Aliran turbulen adalah aliran yang proses terbentuknya memerlukan pasokan energi, karena itu aliran turbulen secara buatan di laboratorium atau langsung di alam, akan berlangsung dalam jangka waktu tertentu, secara cepat maupun lambat. Dengan demikian pemilihan instrumen yang akan digunakan dan sistem software yang akan dibangun harus memperhatikan jangka waktu dari proses turbulensi yang akan diukur. DAQ controller yang digunakan hendaknya jenis continous sampling. Pada aliran subsonic, penggunaan ultrasonic velocimeter (UV) untuk menentukan tingkat turbulensi sudah cukup memadai, karena proses fluktuasi aliran berlangsung pada frekuensi rendah. UV tidak dapat digunakan untuk mengukur turbulensi pada aliran berkecepatan tinggi dan berfluktuasi lebih besar dari panjang gelombang suara. Sekalipun batas-batas kecepatan aliran maupun intensitas turbulennya di mana UV dapat digunakan, belum dapat dibahas pada makalah ini, karena memerlukan beberapa kajian eksperimental yang lebih intensif di waktu yang akan datang. 299

12 DAFTAR PUSTAKA 1. SACHS, P.; Wind Forces in Engineering, Pergamon Press, Oxford (1978) 2. GORLIN, S.M. and SLEZINGER, I.I., Wind Tunnels and Their Instrumentation, Israel Program for Scientific Translation Ltd., Jerusalem (1966) 3. BRADSHAW, P., An introduction to turbulence and its measurement, Pergamon Press, Oxford (1971) 4. TENNEKES, H., and LUMLEY, A first course in turbulence, MIT Press. 5. DERBUNOVICH, G.I., ZEMSKAYA, A.S., REPIK, YE.U. and SOSEDKO, YU.P., Optimum wire screens for control of turbulence in wind tunnels, Fluid Mechanics Soviet Research, 10 (5) September-October (1981) 6. WALSHE, D.E.J., Wind-excited oscillations of structures, National Physical Laboratory, London (1972) 300

13 DAFTAR RIWAYAT HIDUP 1. Nama : Fariduzzaman 2. Tempat/Tanggal Lahir : Cianjur, 17 Mei Instansi : UPT-LAGG, BPPT 4. Pekerjaan / Jabatan : Peneliti 5. Riwayat Pendidikan : 1986, S1 Fisika-ITB 1990, S2 Software Technology-THAMES POLY, UK S2 Teknik Penerbangan-ITB 6. Pengalaman Kerja : ,Data Processing Engineer ILST-BPPT 1999, Ka. Sub Bid Informatika-Elektronika, LAGG 2004-Sekarang,Industrial Aerodynamic Specialist 301