STUDI NUMERIK DAN EKSPERIMEN KARAKTERISTIK ALIRAN MELINTASI TIGA BUAH SILINDER SIRKULAR YANG TERSUSUN SECARA EQUILATERAL TRIANGULAR

Transkripsi

1 TUDI NUMERIK DAN EKPERIMEN KARAKTERITIK ALIRAN MELINTAI TIGA BUAH ILINDER IRKULAR YANG TERUUN ECARA EQUILATERAL TRIANGULAR DENGAN PENAMBAHAN INLET DITURBANCE BODY (IDB) PADA JARAK TAGGER /D = 2,5 Intan Hardiatama 1), Wawan Aries Widodo 2) Laboratorium Mekanika & Mesin Fluida Jurusan Teknik Mesin 1,2) Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi epuluh Nopember, Keputih ukolilo, urabaa Indonesia 1,2) Phone: intan1@mhs.me.its.ac.id 1), wawanaries@me.its.ac.id 2) ABTRAK Aliran eksternal melintasi bluff bod berkembang pesat setelah ditemukan konsep boundar laer oleh Ludwig Prandtl (1904), seiring perkembangan aplikasi teknik aliran melintasi bluff bod ang diaplikasikan pada heat echanger, dll. Penelitian ini terfokus pada bilangan Renolds 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 ang terbentuk pada ketiga buah silinder ang 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 = 0 0 ), diameter silinder sirkular utama (D) penelitian ini adalah 25 mm. Jarak stagger ( /D) penelitian ini sebesar 2,5. Bilangan Renolds ang digunakan berdasarkan diameter silinder sirkular utama dan kecepatan freestream. Penelitian dilakukan dengan permodelan numerik dan eksperimen. Permodelan numerik dilaksanakan secara dua dimensi (2D) Untead RAN dengan turbulence viscous model k-ω hear tress Transport. Penelitian secara eksperimen dilakukan menggunakan subsonic open-circuit wind tunnel dengan dimensi test section 600 mm X 00 mm X 00 mm. Hasil post processing permodelan numerik dan hasil eksperimen menunjukkan bahwa pada tiga buah silinder sirkular utama pada jarak stagger (/D) = 2,5 dengan penambahan dua buah bodi pengganggu (θ = 0 0 ) menebabkan perbedaan nilai koefisien drag (Cd), koefisien pressure (Cp) serta letak separasi masif ang terjadi bila dibandingkan dengan penelitian sebelumna pada kelompok silinder dengan susunan ang sama tanpa penambahan silinder pengganggu. Dengan penambahan silinder pengganggu pada bagian upstream dari tiga buah silinder tersusun equilateral triangular berhasil mereduksi gaa hambat dan menunda letak separasi masif. Kata kunci: bluff bod, equilateral triangular, silinder pengganggu. 1. PENDAHULUAN Ada beberapa fase aliran ang terjadi disekitar bluff bod sebelum terjadi transisi aliran dari laminar menjadi turbulen. Fase fase tersebut antara lain: fase stagnasi, fase pembentukan boundar laer, fase separasi dan fase pembentukan wake di belakang bluff bod. Terjadina separasi disebabkan oleh adana gaa drag dan gaa lift. Dalam upaa mereduksi gaa drag ang terbentuk pada aliran, telah dilakukan melalui metode pengendalian pasif melalui penambahan inlet disturbance bod (silinder tunggal) dan variasi rasio jarak (silinder berkelompok). Adapun penelitian ang telah dilakukan sebelumna antara lain penelitian Alam, dkk [1], Gu dan un [2], Tatsuno [] 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 b side, tandem dan single. Bilangan Renolds ang digunakan 5.5 X 10 4, dengan hasil menunjukkan adana reduksi optimum gaa drag ang terjadi pada silinder utama. Penelitian Gu dan un [2] dilakukan secara eksperimen pada silinder berkelompok susunan equilateral triangular dan divariasikan pada sudut putarna dan jarak N/d. Bilangan Renolds ang digunakan 5.5 X Hasilna menunjukkan bahwa incident flow sangat berpengaruh terhadap model aliran dan distribusi tekanan pada masing-masing silinder karena adana lateral force. Distribusi tekanan pada silinder downstream lebih kompleks. Pada small gap spacing pengaruh antar silinder dalam grup, shear laer reattachment, dan wake dangat berpengaruh. Tatsuno, dkk[] 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 Renolds 6.2 X 10 4 pada aliran uniform. Terbukti bahwa ketiga silinder saling berpengaruh pada rasio jarak kecil. Ketika dua buah silinder tersusun side b side pada upstream maupun downstream dari ketigana pada rasio jarak kecil, model aliran dari kedua silinder tidak simetris karena adana pengaruh koefisien drag dan lift ang terbentuk pada silinder ang tersusun side b side tidak sama. Bao, dkk[4] melakukan penelitian secara numerik pada tiga buah silinder tersusun equilateral triangular pada bilangan Renolds rendah (Re = 100), unstead, 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 ang berbeda aliran terpengaruh dominan oleh efek antar KE-12

2 silinder (rasio jarak kecil) dan wake (rasio jarak terbesar). Rasio jarak menengah dipengaruhi jarak antar silinder dan wake. Efek transisi sangat berpengaruh terhadap variasi gaa fluktuasi dan angka strouhal. Berdasarkan penelitian terdahulu ang telah dipaparkan tersebut, belum ditemukan penelitian tentang gabungan dari penelitian ang telah ada tersebut, aitu penelitian tentang pengaruh penambahan dua buah inlet disturbance bod berbentuk silinder sirkular pada kelompok silinder ang tersusun secara equilateral triangular. Hal ini menebabkan adana keinginan untuk melakukan penelitian gabungan dari penelitian terdahulu pada jarak /D 2,5 ang masih termasuk ke dalam medium gap spacing untuk mengetahui efektifitas pengendalian pasif terkait upaa dalam mereduksi gaa drag. Fenomena ang terjadi pada aliran akan dikaji melalui simulasi numerik menggunakan perangkat lunak CFD komersial dan secara eksperimen menggunakan subsonic windtunnel. 2. METODOLOGI Penelitian ang dilakukan disini merupakan gabungan dari penelitian Alam, dkk [1] dan Gu dan un [2] ang dilakukan secara numerik dan eksperimen untuk menganalisis karakteristik aliran ang melewati tiga buah silinder sikular tersusun secara equilateral triangular dengan penambahan dua buah inlet disturbance bod (silinder sirkular) secara stagger (α = 0 0 ) pada bagian upstream masing-masing silinder. Diameter silinder sirkular utama (D) sebesar 25 mm, diameter IDB (d) sebesar 4 mm. Blockage ratio ang digunakan sebesar 29,16% dengan tinggi (H) sebesar 00 mm. Jarak gap silinder utama terhadap bodi pengganggu konstan (δ) sebesar 0,4 mm. UPPER WALL (YMETRY) U, P d g 1 D 2 4D Gambar 2. Geometri et-up Eksperimen Rasio jarak stagger (/D) ang digunakan disini sebesar 2,5. Bilangan Renolds (Re D )ang digunakan adalah 2,2 X 10 4 berdasar diameter silinder sirkular utama. Domain simulasi numerik dan bentuk meshing ang digunakan berupa quadrilateral submap, seperti ditunjukkan pada Gambar 1(a) dan (b). imulasi numerik dilakukan secara dua dimensi (2D) URAN dengan turbulence viscous model k ω hear tress 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.. HAIL DAN PEMBAHAAN Data-data ang 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 un [2] seperti ditunjukkan pada Tabel 1. Tabel 1. Nilai Cd ilinder sirkular 6D 6D INLET (VELOCITY INLET) U, P d g 1 D 2 OUTLET (OUTFLOW) 6D (a) LOWER WALL (YMETRY) 20D 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 un [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 ang tidak terlalu rapat. (b) Gambar 1. (a) Geometri et Up Tiga Buah ilinder irkular dengan Penambahan Bodi Pengganggu Berupa ilinder irkular; (b) Bentuk Meshing 2-Dimensi (2-D) quadrilateral map. Distribusi Koefisien Tekanan (Cp) Tiga Buah ilinder Utama dengan Penambahan Inlet Disturbance Bod (IDB) pada variasi /D = 2,5. Distribusi koefisien tekanan (Cp) disebabkan oleh interaksi antara bluff bod dan aliran ang melintasi. Grafik koefisien tekanan seperti pada Gambar di bawah ini menunjukkan tentang evolusi aliran saat melintasi permukaan KE-1

3 lengkung bluff bod (silinder sirkular). Grafik koefisien tekanan ang terbentuk berkorelasi dengan fenomena aliran berdasarkan visalisasi velocit pathline ang akan ditunjukkan pada Gambar 4 di bawah ini. (a) (b) Gambar. Grafik Distribusi Koefisien Tekanan Tiga Buah ilinder irkular Tersusun Equilateral Triangular dengan penambahan IDB secara (a) eksperimen, (b) numerik pada /D = 2,5. Gambar 4. Velocit Pathlines tiga buah silinder pada /D = 2,5 Pada rujukan penelitian terdahulu dalam kasus tiga buah silinder tersusun equilateral triangular, untuk jarak stagger antar silinder /D = 2,5 masih termasuk ke dalam medium gap dimana antara satu silinder dengan ang lain masih saling berpengaruh. Dari data hasil eksperimen ang terdapat pada grafik di Gambar (a) silinder 1 terlihat simetri pada bagian upper dan lower berkaitan dengan bentuk vorte ang terbentuk di belakang silinder 1 seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Nilai akselerasi maksimum di daerah upper pada silinder pengganggu terjadi pada θ = 5 0 pada nilai Cp = -0,850, sedangkan di daerah lower akselerasi maksimum terjadi pada θ = 20 0 dengan nilai Cp = -1,14. eparasi pada inlet disturbance bod di daerah upper terjadi pada θ = ± 40 0 sedangkan di daerah lower terjadi pada posisi θ = ± eparasi pada daerah upper silinder utama terjadi pada posisi θ = ±15 0 dan θ = ± (lower). Data hasil numerik ang ditampilkan pada Gambar (b) silinder 1 juga terlihat simetri pada bagian upper dan lower. Yang membedakan dengan hasil eksperimen adalah pada grafik koefisien tekanan hasil numerik memperlihatkan terjadina reattachment aliran pada silinder utama setelah terseparasi dari inlet disturbance bod karena terbentukna bubble separation baik pada bagian upper maupun lower. eparasi aliran dari silinder pengganggu terjadi di posisi sudut θ = ± 0 kemudian reattach ke silinder utama pada posisi θ = ± 48 0, aliran terseparasi dari silinder utama pada θ = ± Fenomena aliran ang terjadi dan dijelaskan pada grafik koefisien tekanan pada Gambar (b) silinder 1 divisualisasikan berdasar velocit pathline ang 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. elain itu beberapa hal juga dapat berpengaruh terhadap perbedaan hasil antara data eksperimen dan numerik ini, diantarana data numerik diambil dengan turbulence model, kondisi awal dan boundar condition ang berbeda dengan kondisi aktual pengambilan data eksperimen. Pada silinder 2 Gambar (a) ang diambil secara eksperimen dan Gambar (b) data hasil numerik memiliki bentuk grafik distribusi koefisien tekanan ang hampir sama, ang membedakan hana di bagian upper saja. Dapat terlihat pada bagian upper pada grafik hasil eksperimen posisi saat aliran mengalami reattach pada silinder utama, aliran mengalami akselerasi ang 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 ang diambil pada detik tertentu. Fenomena terjadina bubble separation terlihat lebih jelas pada hasil numerik seperti tampak pada titik Gambar 5 sedangkan pada eksperimen tidak tampak. Adana perbedaan hasil kuantitatif maupun kualitatif antara hasil simulasi numerik dengan hasil eksperimen dapat disebabkan berbagai faktor, dari segi numerik bisa disebabkan karena model turbulensi ang digunakan pada simulasi numerik, kondisi awal dan kondisi batas ang diinputkan, dan properti aliran fluida ang diinputkan tidak persis sama dengan kondisi saat pengambilan data secara eksperimen. edangkan dari segi eksperimen bisa disebabkan karena kurangna ketelitian alat ukur ang digunakan dan set up benda uji, hal ini seperti disampaikan pada penelitian Vinaa (201). Berdasarkan grafik distribusi koefisien tekanan hasil eksperimen (a) silinder 2, akselerasi maksimum terjadi pada posisi θ = ± 5 0 (bodi pengganggu) dan θ = ± 85 0 (silinder utama) untuk sisi upper. edangkan pada lower side akselerasi maksimum hana terjadi pada posisi θ = ± 25 0 dengan nilai koefisien tekanan pada posisi tersebut sebesar -1,840. Hasil data numerik pada grafik koefisien tekanan tersebut KE-14

4 menunjukkan hana ada dua buah peak ang terbentuk aitu pada posisi θ = ± 1 0 pada bagian upper dan θ = ± Aliran mengalami perlambatan dengan nilai koefisien tekanan tertinggi berada di daerah upper aitu pada posisi θ = ± Hal ini disebabkan karena adana aliran balik ang terbentuk akibat terbentukna vorte didaerah wake dari silinder 2 seperti ditunjukkan pada Gambar 5. eparasi aliran pada silinder utama terjadi pada θ = ± dan θ = ± = separasi IDB Nilai Koefisien Drag Pressure pada Tiga Buah ilinder Berpengganggu Tersusun ecara Equilateral Triangular pada /D = 2.5. Tabel 2. Nilai Koefisien Drag Pressure Pada Jarak tagger (/D = 2,5) /D ilinder CDp Numerik Eksperimen 1 0,429 0,452 2,5 2 0,144 0,467 0,157 0,29 1 =titik stagnasi Tabel. Nilai Koefisien Drag Penelitian Gu dan un (2000) Gambar 5. Velocit pathlines silinder 2 pada /D = 2,5 Fenomena ang sama terjadi pada variasi jarak stagger terjauh pada penelitian ini aitu pada /D = 2,5 dimana nilai koefisien drag pressure dari hasil simulasi numerik lebih rendah bila dibandingkan nilai koefisien drag pressure ang diambil secara eksperimen. Berdasarkan tabel 2 dan tabel diatas dapat diketahui bahwa pada jarak /D ang sama, penelitian dengan penambahan IDB menghasilkan reduksi drag ang lebih optimum bila dibandingkan penelitian Gu dan un [2] ang dilakukan tanpa IDB pada konfigurasi ang sama. trouhal Number Gambar 6. Velocit pathlines silinder pada /D = 2,5 Kedua grafik baik Gambar (a) dan (b) silinder diatas memiliki trend ang identik hana terdapat perbedaan pada daerah base pressure. Nilai base pressure pada hasil numerik mengalami perlambatan pada θ = dan θ = ang disebabkan karena adana bentuk aliran di daerah wake seperti ditunjukkan pada Gambar 6 ang bersifat seperti difuser. Titik separasi pada silinder utama hasil eksperimen (Gambar a silinder ) terletak pada posisi θ = ± dan edangkan titik separasi hasil numerik (Gambar b silinder ) terletak pada posisi θ = ± 69 0 dan Peak ang 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 terpengaruh kuat oleh shear laer ang terseparasi dari kedua sisi silinder 1. ilinder 2 dan silinder mengalami fluktuasi pada nilai base pressure baik pada Gambar (a) grafik hasil eksperimen maupun (b) grafik hasil numerik, hal ini juga disebabkan karena pengaruh wake pada silinder lebih kuat pada rasio jarak ini (Gambar 4), sehingga pada grafik ditunjukkan nilai Cp silinder 2 pada θ = menunjukkan kemiringan ang curam ang menunjukkan adana perlambatan pada sudut tersebut. Perlambatan ang terjadi disini karena aliran tidak dapat menghadapi tekanan ang ditimbulkan karena adana pertemuan shear laer permukaan lower dari silinder 2 dengan aliran ang keluar dari gap hasil dari wake silinder 1. Gambar 7. Grafik Fluktuasi Koefisien Lift (Cl) Pada ilinder 1 Gambar 8. Grafik Fluktuasi Koefisien Lift (Cl) Pada ilinder 2 Gambar 9. Grafik Fluktuasi Koefisien Lift (Cl) Pada ilinder Berdasarkan sheding time pada grafik fluktuasi Cl (Gambar 7, 8 dan 9) diatas didapatkan nilai trouhal number untuk setiap silinder berturut turut dari silinder 1, 2 dan sebesar 0,218; 0, dan 0, KE-15

5 4. KEIMPULAN Berdasarkan hasil simulasi numerik ang telah dilakukan secara 2D URAN dengan turbulence viscous model k ω hear tress Transport dan eksperimen pada subsonic windtunnel pada Red = 2, dan /D = 2,5. Didapatkan data data kuantitatif maupun kualitatif untuk menjelaskan fenomena aliran ang terjadi pada aliran melewati tiga buah silinder sirkular dengan penambahan bodi pengganggu berupa silinder sirkular. Diketahui dengan adana penambahan bodi pengganggu pada masing-masing bagian upstream dari ketiga buah silinder ang diletakkan pada sudut 0 0 dengan ditambahkan variasi rasio jarak stagger (/D), pada /D = 2,5 separasi lebih tertunda ke belakang serta memiliki nilai koefisien drag (Cd) ang lebih tereduksi. Nilai koefisien drag (Cd) tertinggi terletak pada silinder 1. Hal ini disebabkan karena silinder 1 terkena gaa terbesar karena terletak di upstream. Reduksi drag optimum pada silinder 1 sebesar 6,7% (numerik), 61,86% (eksperimen), silinder 2 sebesar 8,7% (numerik), 47,4% (eksperimen), dan silinder sebesar 86,28% (numerik), 79,1% (eksperimen) dibandingkan dengan penelitian dari Gu dan un. ecara visualisasi hasil numerik lebih bisa menjelaskan fenomena ang terjadi pada aliran secara detail dibandingkan dengan hasil eksperimen seperti ditunjukkan pada grafik distribusi koefisien tekanan(cp) dimana grafik koefisien tekanan hasil eksperimen tidak dapat menjelaskan secara detail fenomena terbentukna bubble separation dan reattachment aliran. Adana perbedaan antara hasil numerik dan eksperimen disebabkan karena eksperimen dilakukan secara D, sedangkan numerik dilakukan secara 2D. DAFTAR PUTAKA 1. Alam, M.Md., 200, Reduction of fluid forces acting on a single circular clinder and two circular clinders b using tripping rods. J. Fluids and tructures 18 (200), Gu, Z. Dan un, T., 2000, Classification of flow pattern on three circular clinders in equilateral triangular arrangements. J. Wind Engineering and Industrial Aerodnamics 89 (2001), Tatsuno, M., Amamoto, H. Dan Ishi i, K., 1997, Effect of interference among three equidistantl arranged clinders in a uniform flow, Fluid Dnamics Research 22 (1998), Bao, Y., Zhou, D. Dan Huang, C., 2010, Numerical simulation of flow over three circular clinders in equilateral arrangements at low Renolds number b a second order characteristics based split finite element method. J. Computers and Fluids 9 (2010), KE-16