STUDI EKSPERIMEN ALIRAN FLUIDA DISEKITAR OBSTACLE 3 - DIMENSI BERPENAMPANG MELINTANG BUJUR SANGKAR DAN PERSEGI PANJANG PADA FREESTREAM 15 m/s

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR - RM 1542 STUDI EKSPERIMEN ALIRAN FLUIDA DISEKITAR OBSTACLE 3 - DIMENSI BERPENAMPANG MELINTANG BUJUR SANGKAR DAN PERSEGI PANJANG PADA FREESTREAM 15 m/s FRESIAN VALINT VICTOR NRP Dosen Pembimbing Prof.Ir. SUTARDI, M Eng, Phd JURUSAN TEKNIK MESIN Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2008

2 FINAL PROJECT - RM 1542 EXPERIMENTAL STUDY OF FLUID FLOW ARROUND 3-D WITH SQUARE AND RECTANGULAR CROSS SECTION WITH FREESTREAM VELOCITY OF 15 m/s. FRESIAN VALINT VICTOR NRP Academic Supervisor Prof.Ir. SUTARDI, M Eng, Phd DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING Faculty of Industrial Technology Sepuluh Nopember Institute of Technology Surabaya 2008

3 STUDI EKSPERIMEN ALIRAN FLUIDA DISEKITAR OBSTACLE 3-DIMENSI BERPENAMPANG MELINTANG BUJUR SANGKAR DAN PERSEGI PANJANG PADA FREESTREAM 15 m/s TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik pada Bidang Studi Program Studi S-1 Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Oleh : FRESIAN VALINT VICTOR Nrp Disetujui oleh Tim Penguji : 1. Prof. Ir. Sutardi, M.Eng., Phd.... (Pembimbing) 2. Dr. Ing. Herman Sasongko... (Penguji I) 3. Wawan Aries Widodo, ST, MT... (Penguji II) 4. Ir. Astu Pudjanarsa, MT... (Penguji III) SURABAYA AGUSTUS, 2009

4 V STUDI EKSPERIMEN ALIRAN FLUIDA DISEKITAR OBSTACLE 3-DIMENSI BERPENAMPANG MELINTANG BUJUR SANGKAR DAN PERSEGI PANJANG PADA FREESTREAM 15 m/s. Nama Mahasiswa : FRESIAN VALINT VICTOR NRP : Jurusan : Teknik Mesin FTI-ITS Dosen Pembimbing : Prof. Ir. SUTARDI, M.eng, Phd. Abstrak Karakteristik aliran viscous melalui suatu kontur selalu menjadi topik yang menarik untuk dikaji. Pada penelitian kali ini, yang dikaji adalah karakteristik aliran turbulen melintasi plat datar dengan gangguan berupa obstacle 3-D berpenampang melintang bujur sangkar (PMBS) dan penampang melintang persegi panjang (PMPP). Studi eksperimen ini dilakukan pada subsonic wind tunnel dengan freestream 15 m/s. Penelitian ini difokusan terhadap struktur aliran 3-D di sekitar dasar (akar) obstacle, atau daerah yang dekat dengan pelat datar. Total pressure tube digunakan untuk mengukur freestream aliran fluida dan untuk mendapatkan profil kecepatan pada upstream obstacle dan downstream obstacle. Pressure tap digunakan untuk mengukur tekanan statis pada dinding obstacle di daerah akar. Visualisasi oil aliran digunakan untuk mengetahui pola streamline aliran di atas pelat datar di dalam wind tunnel dan pola aliran pada dinding obstacle. Pengaruh dari obstacle 3-D terhadap karakteristik perkembangan boundary layer di sepanjang test section di dalam wind tunnel, dapat diketauhi dari adanya kenaikan kecepatan di dekat dinding samping wind tunnel dan terjadi penurunan kecepatan di centerline wind tunnel pada daerah upstream obstacle. Pada daerah downstream dari obstacle terdapat wake.

5 VI Obstacle berpenampang melintang bujur sangkar (PMBS) memiliki daerah wake yang lebih sempit dibandingkan dengan obstacle berpenampang melintang persegi panjang (PMPP). Dari nilai koefisien tekanan (Cp) pada dinding obstacle dapat diketahui daerah stagnasi pada PMPP dan PMBS yang identik, dimana semakin menjauhi pelat datar daerah stagnasi semakin sempit. Pada PMBS terjadi bubble separation pada seluruh permukaan samping, pada ketinggian 2,5 mm, 27,5 mm, dan 52,5 mm di atas pelat datar. Berbeda dengan PMBS, pada PMPP terjadi bubble separation hanya terdapat pada ketinggian 2,5 mm di atas pelat datar. Pada PMBS terjadi separasi massive pada sisi downstream obstacle untuk tiga ketinggian yang diamati (2,5, 27,5, dan 52,5 mm), tetapi pada PMPP telah terjadi separasi massive pada upstream obstacle pada ketinggian 27,5 dan 52,5 di atas pelat datar. Kata kunci: obstacle, koefisien tekanan (Cp), stagnasi, bubble separation, separasi massive, wake.

6 VII EXPERIMENTAL STUDY OF FLUID FLOW ARROUND 3-D WITH SQUARE AND RECTANGULAR CROSS SECTION WITH FREESTREAM VELOCITY OF 15 m/s. Name : FRESIAN VALINT VICTOR NRP : Department : Mechanical Engineering FTI-ITS Academic Supervisor : Prof. Ir. SUTARDI, M.eng. Phd. Abstract The characteristic of viscous flow passing by a contour is an interesting topic to investigated. The flow that is flow passing on a flat plate with 3-D obstacles. The cross section of the obstacles are square and reactangle. This experiment was done in a subsonic wind tunnel, whit freestream velocity of 15 m/s. The experiment is focused on 3-D flow structure on the region near the flat plate. The velocity was obtained by a total pressure tube at upstream and downstream of the obstacle. Oil flow visualization was used to obtain pathline on the flat plate in wind tunnel and on the obstacle walls. The effect of the 3D obstacle can be seen on the velocity in front of the oobstacle. At the near wall of the wind tunnel, there is an increase in velocity, while in the centerline of the wind tunnel, there is a decrease in velocity. Rectangle cross section has wake region narrow or than square cross section. Square cross section and rectangle cross section have identical stagnation region. For the square cross section, bubble separation occurred over all side surfaces, on height 2,5 mm, 27,5 mm and 52,5 mm from the flat surface, while for the rectangle cross section, bubble separation occurred on height 2,5 mm from the flat plate. For the PMBS, massive separation occurred on down stream obstacle for all of three heights that observed. On the contrary, for the PMPP,

7 VIII massive separation occurred on upstream obstacle on height 27,5 mm and 52,5 mm from the flat plate. Keyword: obstacle, Coeffisient Pressure (Cp), stagnation, bubble separation, massive separation, wake.

8 XI KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, Dzat Yang Maha Pengasih dan Penyayang, yang telah melimpahkan keluasan nikmat, karunia dan ilmunya sehingga penulis dapat menyelesaikan ini dengan baik dan tepat pada waktunya. Sholawat dan Salam semoga selalu tercurahkan kepada junjungan tercinta Nabi Besar Muhammad SAW yang telah memberi suri tauladan yang sempurna dan membimbing manusia ke jalan yang benar. Atas terselesaikannya ini penulis menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Prof. Ir. Sutardi, M.Eng., Ph.D, selaku Dosen Pembimbing yang telah banyak memberikan bimbingan, saran, dan motivasi sehingga penulis dapat menelesaikan ini. 2. Bapak Dr. Ing. Herman Sasongko, Bapak Ir. Astu Pudjanarsa, MT, Bapak Wawan Aries W., ST, MT, Ibu Vivien Suphandhani, ST, M.Eng.Sc terima kasih atas segala saran dan bimbingannya selama ini. 3. Bapak Nur Rochman dan Bapak Sutrisno selaku karyawan Laboratorium Mekanika dan Mesin-Mesin Fluida. 4. Seluruh pengajar dan karyawan Teknik Mesin FTI ITS yang telah banyak sekali memberikan ilmu pengetahuan dan pendidikan yang tiada ternilai. 5. Ayahanda Ir Abdul Wahid, M.si, dan Ibunda Hartutik tercinta yang telah mendidik anakmu dengan sabar dan penuh kasih sayang hingga menjadi seorang "Sarjana Teknik", semoga apa yang bapak dan ibu cita-citakan atas anakmu dapat terkabul. 6. Andhika, Ahmad, Sumianto, Indro dan adik Steviana tercinta yang telah memberikan dukungan dan semangatnya. 7. Taman-teman seperjuangan (Wiliam, Ngantuk, Wira dan Andes). "Akhirnya kita jadi sarjana juga boz... Terimakasih atas semuanya"

9 XII 8. Teman-teman Laboratorium Mekanika dan Mesin-Mesin Fluida (Fahmi, Toni, Ardi, Dian, Achong, Saras dan Julek), yang telah banyak memberikan diskusi dan berbagi ilmunya. 9. Semua teman-teman M-46, yang telah memberi dukungan. "Tetep solid dan semoga semester depan jadi Sarjana Teknik semua...amien". 10. Semua pihak yang telah turut membantu tetapi tidak dapat penulis sebutkan satu persatu. Penulis menyadari masih banyak sekali kekurangan dalam ini. Oleh karena itu penulis mohon saran dan kritik untuk kesempurnaan ini. Penulis berharap semoga ini dapat memberikan manfaat yang sebesarbesarnya. Amin. Surabaya, Agustus 2009 Penulis

10 XIII DAFTAR ISI Halaman Judul...I Abstrak...V Abstract...VII Lembar Pengesahan...IX Kata Pengantar...XI Daftar Isi... XIII Daftar Gambar...XV Daftar Tabel...XVIII Bab I Pendahuluan Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Batasan Masalah Manfaat Penelitian Bab II Tinjauan Pustaka Aliran Viscous dan Non Viscous Konsep Lapisan Batas (Boundary Layer) Koefisien tekanan (Cp) Separasi Penelitian Terdahulu Tentang Separasi Aliran pada Bluff Body Bab III Metodelogi Penelitian Parameter yang diukur Analisa Dimensi untuk Koefisien Tekanan Benda Uji Pengukuran yang Dilakukan dalam Eksperimen Peralatan Eksperimen Prosedur Pengambilan Data Langkah Kerja A. Pengukuran Tekanan Statis B. Pengukuran Tekanan Dinamis C. Visualisasi Aliran menggunakan Oil... 34

11 XIV D. Analisa Hasil Percobaan Flowchart Langkah Penelitian Bab IV Analisa Data Data Penelitian Contoh Perhitungan Perhitungan Koefisien Tekanan (C p ) Perhitungan Kecepatan Aliran di Depan Penampang Melintang Persegi Panjang (+450 mm) Analisa Analisa Aliran Fluida Melintasi Penampang Bujur Sangkar (PMBS) Analisa Aliran Fluida Melintasi Penampang Persegi Panjang (PMPP) Profil Kecepatan Pada Pelat Datar Profil Kecepatan Pada Pelat Datar Dengan Model Penampang Melintang Bujur Sangkar (PMBS) Profil Kecepatan Pada Pelat Datar Dengan Model Penampang Melintang Persegi Panjang (PMPP) Visualisasi Aliran dengan Menggunakan Oil Bab V Penutup Kesimpulan Saran Daftar Pustaka... 83

12 XV DAFTAR GAMBAR 1. Gambar 2.1 Aliran fluida melalui silinder sirkular Gambar 2.2 Profil kecepatan aliran di atas plat datar Gambar 2.3 Boundary layer laminer dan turbulant sepanjang pelat datar Gambar 2.4 Pengaruh bentuk kontur saluran terhadap perkembangan boundary layer Gambar 2.5 Waktu rata-rata streamline dilihat di lantai pada Reynolds number yang berbeda Gambar 2.6 Fluida melewati obstacle square Gambar 2.7 Computed streamline fluida melewati obstacle square dengan input yang berbeda Gambar 2.8 Koefisien tekanan pada obstacle 2D Gambar 2.9 Koefisien tekanan rata rata pada obstacle berbentuk kubus Gambar 2.10 Koefisien tekanan rata rata pada permukaan sebuah obstacle berbentuk kubus Gambar 3.1 Benda uji penelitian Gambar 3.2 Pandangan atas obstacle PMBS dan PMPP Gambar 3.3 Skema wind tunnel yang digunakan dalam penelitian Gambar 3.4 Skema dinding plat datar di dalam wind tunnel yang digunakan Gambar 3.5 Manometer Gambar 3.6 Obstacle PMBS 3-D Gambar 3.7 Pandangan PMBS Upstream Gambar 3.8 Pandangan PMBS Downstream Gambar 3.9 Pandangan PMBS Kanan Gambar 3.10 Pandangan PMBS Kiri Gambar 3.11 Peletakan benda uji berupa obstacle PMBS pandangan atas (x,y) pada plat datar...28

13 XVI 22. Gambar 3.12 Peletakan benda uji berupa obstacle PMBS pandangan samping (x,z) pada plat datar di dalam wind tunnel Gambar 3.13 Obstacle PMPP 3-D Gambar 3.14 Pandangan PMPP Gambar 3.15 Pandangan PMPP Downstream Gambar 3.16 Pandangan PMPP Kanan Gambar 3.17 Pandangan PMPP Kiri Gambar 3.18 Peletakan benda uji berupa obstacle PMPP pandangan atas (x,y) pada plat datar Gambar 3.19 Peletakan benda uji berupa obstacle PMPP pandangan samping (x,z) pada plat datar di dalam wind tunnel Gambar 3.20 Diagram alir penelitian Gambar 4.1 Identifikasi lokasi PMPS bawah, tengah, dan atas di dalam lorong wind tunnel (z/x) Gambar 4.2 Identifikasi lokasi (A, B, E, dan F) pandangan atas (y/x) di dalam lorong wind tunnel dan pembagian sudut kontur pada permukaan PMBS Gambar 4.3 Koefisien tekanan (Cp) pada Penampang Melintang Bujur Sangkar dengan variasi perbedaan ketingian kontur Gambar 4.4 Koefisien tekanan (Cp) pada front side mengunakan metode numerik Gambar 4.5 Koefisien tekanan (Cp) pada right side mengunakan metode numerik Gambar 4.6 Kecepatan rata-rata streamline melewati obstacle cube mengunakan metode numerik Gambar 4.7 Identifikasi lokasi PMPP bawah, tengah, dan atas didalam lorong wind tunel (z/x) Gambar 4.8 Identifikasi lokasi (A, B, E, dan F) pandangan atas (y/x) di dalam lorong wind tunnel dan pembagian sudut kontur pada permukaan PMPP...54

14 XVII 39. Gambar 4.9 Koefisien tekanan (Cp) pada Penampang Melintang Persegi Panjang dengan variasi perbedaan ketinggian kontur Gambar 4.10 (a) Profil kecepatan di depan PMBS pada jarak x = mm Gambar 4.10 (b) Profil kecepatan di depan PMBS pada jarak x = mm Gambar 4.10 (c) Profil kecepatan di depan PMBS pada jarak x = mm Gambar 4.10 (d) Profil kecepatan di belakang PMBS pada jarak x = + 50 mm Gambar 4.10 (e) Profil kecepatan di belakang PMBS pada jarak x = mm Gambar 4.11 Profil kecepatan di belakang benda Gambar 4.12 (a) Profil kecepatan di depan PMPP pada jarak x = mm Gambar 4.12 (b) Profil kecepatan di depan PMPP pada jarak x = mm Gambar 4.12 (c) Profil kecepatan di depan PMPP pada jarak x = mm Gambar 4.12 (d) Profil kecepatan di depan PMPP pada jarak x = mm Gambar 4.12 (e) Profil kecepatan di depan PMPP pada jarak x = mm Gambar 4.13 Visualisasi oil PMBS yang menempel pada dinding benda uji Gambar 4.14 Visualisasi oil PMPP yang menempel pada dinding benda uji Gambar 4.15 Visualisasi oil PMBS yang menempel pada pelat datar di sekitar PMBS Gambar 4.16 Visualisasi oil PMPP yang menempel pada pelat datar disekitar PMPP...78

15 XVIII DAFTAR TABEL 55. Tabel 4.1 Perbadingan letak stagnasi, tekanan minimum, bubble separation PMBS Tabel 4.2 Perbadingan letak stagnasi, tekanan minimum, bubble separation PMPP... 57