ANALISA DAN VISUALISASI MEDAN ALIRAN PADA GEOMETRI BACKWARD-FACING STEP DENGAN INJEKSI GAS ISHOTERMAL MENGGUNAKAN PARTICLE IMAGE VELOCITIMETRY

Transkripsi

1 ANALISA DAN VISUALISASI MEDAN ALIRAN PADA GEOMETRI BACKWARD-FACING STEP DENGAN INJEKSI GAS ISHOTERMAL MENGGUNAKAN PARTICLE IMAGE VELOCITIMETRY Izhar Mohamad rahman Departemen Teknik, FTM UI, Kampus UI Depok Teknik Mesin, Program Ekstensi Universitas Indonesia Abstrak Penelitian ini dilakukan dengan metode pengukuran dan visualisai dengan menggunakan particle image velocimetry. Untuk memprediksi medan aliran kecepatan, streamline, vortisitas, dan intesitas turbulen pada aliran dalam kanal backward facing step pada zona resirkulasi dan reattachment Dalam penelitian ini, parameter yang menjadi perhatian adalah rasio spesifiki momentum injeksi I=,1 dan I=,5 dengan tinggi step H=2 mm dan H=1mm serta penggunaan injeksi udara dengan temperatur isothermal atau suhu kamar 3 C. Metode komputasi atau pengolahan data menggunakan software DANTEC DYNAMIC STUDIO 3.2, hasil pengolahan secara komputasi digunakan sebagai acuan untuk menjelaskan hasil yang didapat pada penelitian ini. Abstract The research was done by the method of measurement and visualization using particle image velocimetry. To predict the flow field velocity, streamline, vortices, and turbulence intensity on the flow in the channel facing backward step in the recirculation zone and reattachment In this study, the parameters of concern is the ratio of specific momentum injection I =.1 and I =.5 with step height H = 2 mm and H = 1 mm, and the use of air injection with isothermal temperature or room temperature 3 C. The method of computing or data processing using software DANTEC DYNAMIC STUDIO 3.2, the processing of computationally used as a reference to explain the results obtained in this study. Keywords: backward facing step,particle imege velocimetry,recirculation,reattachment,specific momentum

2 PENDAHULUAN Particle Image Velocitimetry adalah sebuah metode optikal dari visualisasi aliran yang biasa digunakan dalam bidang pendidikan dan penelitian. PIV digunakan untuk mendapatkan kecepatan sesaat dan property property yang terkait dalam fluida. Fluida primer yang ditaburi partikel tambahan berupa minyak zaitun disumsikan mengikuti lintasan dari aliran fluida primer. Fluida primer yang telah tercampur disinari agar pertikel partikelnya terlihat. Gerakan dari partikel pencampur digunakan untuk menghitung laju dan arah ( medan vector kecepatan ) dalam fluida yang diamati. Pada perconaan kali ini metode PIV digunakan pada geometri backward facing step. Backward-facing step merupakan suatu geometri dimana suatu jalur aliran mendapatkan pelebaran (contaction) mendadak sehingga tampak seperti anak tangga yang terbalik(²²)(²³). Aliran yang melewati geometri ini akan menghasilkan aliran separasi sehingga terbentuk lapisan geser, zona resirkulasi dan lapisan batas yang berkembang kembali. Gambar 1 menjelaskan secara umum gambaran dari geometri backstep dimana geometri ini sudah dilengkapkan titik injeksi beserta parameter yang berperan dalam aliran tersebut. Masalah yang ditelusuri adalah peningkatan parameter laju perpindahan momentum, kalor dan massa melalui analisa gambaran karakteristik medan aliran resirkulasi pada backward-facing step dengan injeksi gas (suhu kamar). Pengatur rasio momentum ditentukan dengan mengatur kecepatan supply udara dari compressor (kecepatan aliran bebas dari blower). Tujuan dari penelitian ini adalah mendapatkan gambaran karakteristik dari medan aliran khususnya medan kecepatan sebagai fungsi parameter dinamika fluida aliran dalam bentuk gambar medan vector kecepatan menggunakan Particle Image Velocimetry (PIV). Metode visualisasi ini akan menggambarkan baik secara kualitatif maupun secara kuantitatif karakteristik aliran resirkulasi yang hendak dipelajari. Melalui penggunaan metode ini diharapkan dapat diperoleh data berupa visualisasi aliran yang secara lebih jauh dapat dianalisa baik secara kualitatif maupun kuantitatif. Gambar 1. Konfigurasi aliran backward facing step Sistem Resirkulasi pada alat yang akan diteliti pada makalah yaitu aliran kanal dimana terjadi pembesaran mendadak. Pembesaran mendadak ini diwujudkan dengan geometri sedemikian rupa sehingga terbentuk seperti tangga terbalik sehingga dinamakan backward facing step. Beberapa elemen

3 penting dalam system resirkulasi ini diantaranya adalah 1. proses aliran resirkulasi (resirculation zone), 2. lapisan geser terseparai (shear layer) 3. lapisan aliran berkembang kembali (redeveloping boundary layer) dimana sebelum memasuki test section akan melalui heater untuk dipanaskan dulu.. Skema peralatan secara keseluruhan terdapat pada gambar berikut. METODE PENELITIAN Penelitian yang berdasarkan turbulensi pada geometri backward-facing step ini merupakan tahap lanjutan dari penelitian penelitian yang telah dilakukan sebelumnya dimana bila pada penelitian sebelumnya menjelaskan aspek distribusi temperatur, sifat pembakaran dalam test section hingga analisa CFD, maka masalah dalam penelitian kali ini mempunyai metode dan hasil yang berbeda. Menggunakan nebulizer sebagai pemecah partikel, maka akan ditangkap citra oleh alat perekam gambar seperti digital camera atau high speed camera pada bagian test sevtion. Pengaturan cahaya dilakukan dengan membuat dark room di sekitar gtest section agar kualitas gambar yang ditangkap berdasarkan light sheet based visualization of flow field menjadi semakin baik. Suplai dari aliran bebas berasal dari blower sedangkan injeksi dilakukan dengan memasukkan compressed air dari kompresor gedung j. Kamera Cross-Correlation k. Personal Computer(PC) Pada penelitian ini dilakukan beberapa asumsi, diantaranya: Titik injeksi dari partikel diposisikan sebelum bagian test section dan pada dinding step dengan jarak 5mm dari top base, dan menggunakan dua unit nebulizer. Menggunakan konsep dark room sebagai upaya pengendalian cahaya untuk proses penangkapan medan aliran resirkulasi. Gambar 2. Skema alat uji Peralatan dalam penelitian untuk pengambilan data eksperimental antara lain: a. Blower sentrifugal b. Sistem pemipaan dan katup buan c. Wind Tunnel d. Test Section e. Kompresor udara f. Nebulizer g. Voltage Regulator h. Dark Room i. Double-cavity Nd:YAG laser Parameter yang digunakan dalam penelitian adalah rasio momentum.1 untuk temperature ambient. Geometri dari test section divariasikan pada ketinggian 2 [ mm ]. Penelitian ini menggunakan unit PIV untuk mendapatkan medan vector kecepatan Aliran injeksi gas dari yang keluar dari slot dianggap seragam untuk parameter kecepatan dan temperatur, sehingga hanya satu titik saja, yaitu titik tengah dari slot yang diukur. Fluida Aliran bebas yang terjadi mempunyai kecepatan yang seragam.

4 Pengambilan data dapat dilakukan setelah melakukan beberapa tahapan prosedur terlebih dahulu dan pengaturan beberapa parameter tersebut harus berdasarkan rasio spesifik momentum injeksi yang telah ditentukan, sesuai persamaan dibawah: I = ρi x vi x vi ρo x vo x vo.3.1 Dimana I = Rasio momentum spesifik ρo = Massa jenis udara suplai Vi = Kecepatan udara injeksi Vo = Kecepatan udara suplai Terdapat berbagai kondisi percobaan diantaranya adalah rasio injeksi. Tinggi dari step, jarak step hingga temperature injeksi yang masuk pada slot injeksi jet. Berikut adalah kombinasinya. ρi = Massa jenis udara injeksi kondisi Jarak injeksi Rasio momentum spesifik Kecepatan udara suplai dan temperatur Kecepatan injeksi dan temperatur injeksi m/s, t = 3 C.49 m/s, t = 3 C m/s, t = 3 C.78 m/s, t = 3 C 2H = 4 mm m/s, t = 3 C 1.9 m/s, t = 3 C m/s, t = 3 C 2.43 m/s, t = 3 C m/s, t = 3 C.49 m/s, t = 3 C m/s, t = 3 C.78 m/s, t = 3 C 2H = 2 mm m/s, t = 3 C 1.9 m/s, t = 3 C m/s, t = 3 C 2.43 m/s, t = 3 C HASIL DAN PEMBAHASAN Visualisasi Stream line, Garis arus (streamlines) adalah sebuah garis yang menyinggung (tangen terhadap) medan kecepatan. Jika aliran tunak, tidak ada yang berubah terhadap waktu disebuah titik (termasuk juga arah kecepatan), sehingga garis-garis arusnya adalah garis-garis tetap didalam ruang. Untuk aliran tak tunak, garis-arus dapat berubah bentuknya menurut waktu. Garis arus diperoleh secara analitik dengan mengintegralkan persamaan garis yang menyinggung medan kecepatan. untuk aliran dua dimensi kemiringan dari garis-arus, dy/dx, harus sama dengan tangen dari sudut yang dibuat oleh vektor kecepatan dengan sumbu-x, Jika medan kecepatan diketahui sebagai fungsi dari x dan y (dan t jika aliranya tak-tunak), maka persamaan ini dapat diintegralkan untuk mendapatkan persamaan dari garis-arus. Untuk menghasilkan garis-arus secara eksperimental dilaboratorium, penggunaan asap atau bahan penjejak lainya yang diinjeksikan kedalam aliran dapat memberikan informasi yang berguna berkaitan dengan garis-arus pada aliran tak tunak Visualisasi kondisi 1-4

5 Gambar 3 Gambar 6 Gambar 3-6 adalah hasil visualisasi PIV dari percobaan yang telah dilakukan Gambar 3 adalah visualisai dari kondisi 1, gambar 4 adalah visualisasi dari kondisi 2, gambar 5 adalahvisualisai dari kondisi 3, dan gambar 6 adalah visualisasi dari kondisi 4. Parameter dari percobaan tersebut telah ditunjukan padal tabel 1. Kondisi 1 4 memiliki kajian parameter yang sama yaitu pada ketinggian step 2h = 4mm. Yang membedakan adalah rasio momentum tiap kondisi (kecepatan saluran masuk dibagi dengan kecepatan Gambar 4 injeksi).dari percobaan yang telah dilakukan, didapatkan semakin besar rasio momentum yang terjadi luasan resirkulasi yang didapat semakin panjang. Visualisasi kondisi 5-8 Gambar 5 Gambar 7

6 V u( x, y, z, t) iˆ v( x, y, z, t) ˆj w( x, y, z, t) kˆ (2.2) Gambar 8 Dimana u, v, dan w adalah komponen-komponen vektor kecepatan dalam arah x, y, dan z. Menurut definisi, kecepatan sebuah partikel adalah laju perubahan per satuan waktu dari vektor posisi partikel tersebut. Seperti diilustrasikan pada Gb. 2.2, posisi partikel A relatif terhadap sistem koordinat diberikan oleh vektor posisi, ra, yang merupakan fungsi dari waktu (jika partikel bergerak). Turunan terhadap waktu dari posisi ini memberikan kecepatan dari partikel tersebut dr / dt V A A, dengan menuliskan kecepatan untuk seluruh partikel, kita dapat memperoleh gambaran medan dari vektor kecepatan V=V(x,y,z,t). Gambar 9 Gambar 1 Kondisi 5 8 memiliki kajian parameter yang sama yaitu pada ketinggian step 2h = 2mm. Yang membedakan adalah rasio momentum tiap kondisi (kecepatan saluran masuk dibagi dengan kecepatan injeksi) Kecepatan vektor Salah satu variabel fluida yang paling penting adalah medan kecepatanya. Gambar 11. Tempat kedudukan partikel yang dinyatakan dengan vektor posisi Berikut adalah grafik kecepatan vektor dari percobaan yang telah dilakukan, nilai kecepatan vektor yang didapat merupakan hasil analisa menggunakan software DANTEC DYNAMIC STUDIO 3.2.

7 35 Kondisi 1 9 Kondisi R y/h5 R y/h 1 R y/h 15 R y/h R y/h5 R y/h 1 R y/h 15 R y/h x (mm) Kondisi Kondisi R y/h5 R y/h 1 R y/h 15 R y/h R y/h 2,5 R y/h 5 R y/h 7,5 R y/h Kondisi 3 6 Kondisi R y/h5 R y/h 1 R y/h 15 R y/h R y/h 2,5 R y/h 5 R y/h 7,5 R y/h

8 6 Kondisi 7 TI u rms U R y/h 2,5 R y/h 5 R y/h 7,5 R y/h 1 Besaran kecepatan yang dimasukan kedalam persamaan tersebut didapatkan dari software DANTEC DYNAMIC STUDIO 3.2. kemudian dibagi dengan kecepatan saluran masuk (blower) Berikut adalah tabel dari nilai intensitas turbulent yang Kondisi 8 R y/h 2,5 R y/h 5 R y/h 7,5 R y/h Dari analisa yang dilakukan dengan menggunakan software DANTEC DYNAMIC STUDIO 3.2 dapat diketahui besaran kecepatan vektor yang terjadi pada area penelitian Berdasarkan analisa besaran kecepatan vektor melalui nilai yang ditunjukan pada moving average validation maka dapat diketahui kecepatan pada setiap titik yang ditunjukan grafik. Intensitas Turbulen Turbulensi dapat dianggap sebagai aliran fluida yang berfluktuasi dan merupakan sifat fluida yang sangat penting apabila berbicara mengenai aliran yang terjadi pada kendaraan. didapat dari percobaan. Kondisi 1 X it y/h 5 it y/h 1 it y/h 15 it y/h 2 5,3849,7213,6441,3352 1,827,8814,8163, ,11589,1952,5832, ,6859,4378,7232, ,3964,3269,15257, ,466,3494,38916, ,16612,38235,138476, ,33224,11187,33879,1531 Kondisi 2 x it y/h 5 it y/h 1 it y/h 15 it y/h 2 5,637222,837394, ,6976 1,826335, ,1329 6, ,16111,635146, , ,824979, , , ,96667, , , ,99444, , , , , , , , ,741957, ,3781 Turbulensi juga dapat dinyatakan dengan intensitas turbulensi. Intensitas turbulensi adalah suatu skala yang mengkarakteristikan turbulen dalam persen. Persamaan dari intensitas turbulensi adalah

9 Kondisi 3 X it y/h 5 it y/h 1 it y/h 15 it y/h 2 5,14571,728816, ,9552 1,688795,776133, , ,9267 1,458, , ,165138,444584, , ,444, ,7991 2,7921 3,584947, , , , , , , , , , ,87176 Kondisi 6 X it it it it 5 2, , , , ,754 3, , , ,7469 3, , , , ,829 5, , , , , , , , , , , , , , , , , ,74977 Kondisi 4 x it it it it 5,698639,52458, , ,798547,6569 1, , ,494, , , , , , , , , , , , , , , , , ,8327 3, ,5883 5, , ,71292 `kondisi 7 X It it it it 5 6, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,912 2, ,87155 Kondisi 5 X it y/h 2,5 it y/h 5 it y/h 7,5 it y/h 1 5,246836,36678, , ,27493,632195, , ,165758, , , ,145471, , , ,281961, , ,369 3, , , , , , , , , , , ,6998 Kondisi 8 X it y/h 2,5 it y/h 5 it y/h 7,5 it y/h 1 5,26487,792466, , , , , , ,286 1, , , ,5848 1, , , , , , , , , , , , , , , , , , ,89871

10 KESIMPULAN Dari eksperimental menggunakan PIV yang telah dilakukan pada geometri backward facing step dengan pengaruh injeksi gas isothermal dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : REFERENSI Harinaldi, 2. Flow structure and mixing behind a backward facing step with the existence of non reactive gas injection, Keio, Japan Rhakasywy, Damora, 21. Karakteristik sifat transport 1. Penambahan kecepatan aliran pada saluran masuk (blower) mempengaruhi panjang resirkulasi, dimana semakin besar nilai kecepatan blower pola aliran resirkulasi pada visualisasi streamline semakin terlihat. 2. Rasio kompresi berpengaruh terhadap terbentuknya pola resirkulasi.pada rasio momentum,5 pola resirkulisasi lebih jelas dibandingkan dengan rasio,1 3. Kecepatan maksimum vektor ditiap kondisi berada pada posisi yang sama, yaitu pada garis alir yang terdekat dengan aliran mainstream. Yaitu pada y/h = 2 dan y/h = 1 mm 4. Intensitas turbulensi maksimum berada pada range % untuk semua kondisi.dan terjadi pada y/h 2 mm dan y/h 1 mm 5. Pada tiap kondisi percobaan nilai vortisitas yang terbentuk berupa nilai vortisitas positif dan vortisitas negatif. Terbentuknya vortisitas terjadi pada area upstream dan downstream. dan struktur aliran resirkulasi dibawah pengaruh eksistasi eksternal, Depok, Indonesia Setiadji, Nanda, 212. Studi PIV pengaruh kontrol aktif aliran syntetic jet pada medan aliran luar disekitar model bluff body, depok, Indonesia Munson, B. (22). Mekanika Fluida (Dr.Ir. Harinaldi & Ir. Budiarso, M.Eng, Penerjemah). Jakarta:Erlangga. Barton, I.E, Laminar flow past an enclosed and open backward facing step. Phys.fluids, 6, K.D Jansen, flow measurement, Dantec Dynamics Inc. (24), Vol. XXVI, No. 4 / 41.