ANALISA ALIRAN VORTEX PADA PEMBESARAN SALURAN PIPA DENGAN TEKNOLOGI COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)

Transkripsi

1 ANALISA ALIRAN VORTEX PADA PEMBESARAN SALURAN PIPA DENGAN TEKNOLOGI COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) Ridwan [1] ; A. Indra Siswantara [2] ; Supriyanto [3] [1] Staff Pengajar Jurusan Teknik Mesin, Universitas Gunadarma, Depok [2] Staff Pengajar Jurusan Teknik Mesin Universitas Indonesia, Depok [3] Alumni Teknik Mesin Universitas Gunadarma, Depok Abstrak Aliran vortex adalah pusaran yang merupakan efek dari aliran rotasional dimana viskositas berpengaruh di dalamnya dapat berupa aliran free vortex atau forced vortex. Penelitian ini menyajikan studi aliran vortex yang terjadi diakibatkan dengan adanya kecepatan aliran fluida yang mengalir dari diameter (D 1 ) kecil ke diameter (D 2 ) besar, yang melalui pembesaran mendadak. Metodologi penelitian ini menggunakan system komputer dengan teknologi CFD (Computataional Fluid Dynamics) yang berbasis pada elemen hingga. Hasil penelitian menunjukan bahwa wilayah medan aliran yang berpusar pada daerah pembesaran mendadak akan semakin luas seiring dengan besarnya perbandingan diameter, selain itu terjadi tekanan yang rendah dan kecepatan tinggi pada daerah pembesaran mendadak, yang dapat mengakibatkan pusat aliran vortex makin bergerak ke hilir. Kata kunci: Vortex, kecepatatan, CFD 1. Pendahuluan Aliran vortex yang juga dikenal sebagai aliran pulsating atau pusaran dapat terjadi pada suatu fluida yang mengalir didalam pipa yang mengalami perubahan mendadak. Aliran vortex cendrung dianggap suatu kerugian dalam suatu aliran fluida. Belakangan ini prinsip aliran vortex digunakan untuk mengembangkan teknologi pada pengeboran minyak, memisahkan air dan minyak, industri kimia dan lain-lain. Pada penelitian ini, akan dicoba menganalisis fenomena aliran vortex dalam pipa dengan menggunakan system komputer dengan teknologi CFD (Computataional Fluid Dynamics). Penelitian ini bertujuan untuk mengamati pola aliran dan distribusi tekanan pada aliran vortex. 2. Dasar Teori 2.1. Kinematika Elemen Fluida Pergerakan elemen fluida dapat dibedakan atas tiga jenis yaitu: a) Translasi murni atau translasi irotasional b) Rotasi murni atau translasi rotasional c) Distorsi atau deformasi murni, baik angular maupun linier. Aliran fluida dapat merupakan aliran berolak (rotational) atau tak berolak (irrotational). Aliran tak berolak terjadi apabila elemen fluida di setiap titik tidak mempunyai kecepatan sudut netto terhadap titik tersebut. Sebaiknya aliran berolak terjadi apabila elemen fluida mempunyai kecepatan sudut netto. Gerak vortex atau pusaran air termasuk dalam aliran bergolak. Vortex digambarkan sebagi pusaran air yang bergerak berputar terhadap sumbu vertikal sehingga terjadi perbedaan tekanan antara bagian sumbu dan sekelilingnya. D-1-

2 D-2 Proceedings, Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2002) Auditorium Universitas Gunadarma, Jakarta, Agustus Terjadinya Vortex Aliran vortex dapat berupa aliran vortex paksa atau aliran vortex bebas, tergantung pada ada atau tidaknya gaya yang bekerja membentuk aliran vortex. A. Aliran Vortex Paksa Air dalam tabung diputar dengan gaya torsi sehingga permukaan air terlihat seperti gambar 2, partikel P pada permukaan air, berjarak x dari pusat sumbu putaran, bekerja gaya-gaya : 1. Berat partikel, arah ke bawah (W) 2. Gaya sentrifugal dengan arah menjauhi pusat putaran (Fc) 3. Gaya reaksi zat cair yang mendesak partikel (R) Bekerjanya gaya selain gaya gravitasi pada air dalam tabung menghasilkan aliran vortex yang dikenal sebagai aliran vortex paksa. Pada putaran silinder, N dan kecepatan sudut, ψ, partikel P mempunyai sudut tangen ψ, berat partikel W dan gaya sentrifugal, f c. Gaya sentrifugal didefinisikan sebagai : W 2 F c = ( ωx )...(1) g dimana ω = kecepatan sudut (rad/sec) W = berat partikel (kg) G = gaya gravitasi (m/sec 2 ) X = jarak dari sumbu ( m ) B. Aliran Vortex Bebas Pada aliran vortex bebas, dengan menganggap sebuah elemen air mempunyai: l = panjang elemen air dr = ketebalan elemen air v = kecepatan tangensial dp = beda tekanan dari ketebalan elemen air dan aliran bebas mempunyai gaya, tekanan yang sebanding dengan aksi gaya sentrifugal air. 2 ( wldr. ) v dpxl. = gr 2 dp v dr = ( 2) w gr Dan diketahui energi keseluruhan elemen air 2 P v E = ( 3) w gh Didefinisikan maka : dp vdv de = + w g 2 2 v dr vdv dp vdr = + = gr dr w gr de v v dv = + + dr g r dr Dalam vortex bebas, tidak ada perubahan energi melintas pada aliran lurus, jadi persamaan di atas sama dengan nol.

3 Analisa Aliran Vortex Pada Pembesaran Saluran Pipa Berbantu Komputer D-3 v g v + + r d v j d r = 0 v r d v + = d r 0 d v v d r + = r Setelah diintegralkan persamaan di atas menjadi log v + log r = C e e vr = C,( identik dengan teori Jika digeneralisasikan v r = v r =... = v r n n kinematika fluida) C v = r Jika C= konstan, dapat diketahui kekuatan vortex, nampak jelas bahwa kecepatan partikel berbanding terbalik dengan jarak dari pusat vortex CFD (Computer Fluid Dynamic) CFD adalah analisa sistem yang mencakup aliran fluida, aliran kalor dan berhubungan dengan phenomena seperti reaksi kimia dengan seperangkat simulasi komputer. Pemakaian CFD ini sangat baik diterapkan untuk mencakup semua penggunaannya didalam dunia industri diantaranya: Aerodinamik pada pesawat terbang dan kendaraan, menganalisa gaya angkat, pergerakan air yang dihasilkan oleh perahu, p embakaran didalam IC mesin dan turbin gas pada power plan, aliran didalam putaran lubang pada mesin turbo, percampuran dan pemisahan polimer moulding dalam proses kimia dll. Penggunaan CFD pada penelitian ini dimaksudkan untuk menvisualisasikan aliran di dalam sebuah vortex dan memberi informasi properti aliran yang sulit diperoleh secara menyeluruh pada eksperimen. Dalam visualisasi CFD dikenal Solver, processor dan simulasi numeris. 3. Prosedur Simulasi Numeris. Sebelum memulai simulasi numeris terlebih dahulu di definisikan dimensi laluan dan properties fluida yang digunakan dalam tulisan ini nilai nilai yang digunakan adalah sebagai berikut: Dimensions dan Propertis Panjang Pipa Saluran Masuk Tinggi Pipa Saluran Masuk Panjang Pipa Saluran Keluar Tinggi Pipa Saluran Keluar Pipa Tambahan Pada Saluran Keluar Tinggi Pipa Tambahan Densitas Fluida Viskositas Fluida Densitas Udara Viskositas Udara Kecepatan aliran masuk Tekanan pada aliran udara 5 M 0,0254 M 10 M 0,0762 M 20 M 0,0762 M 1 Kg/m 3 1 x 10 5 Pa.. s kg/m x10 5 Pa. s 2.0 m/s 0 nt/m 2 Nilai

4 D-4 Proceedings, Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2002) Auditorium Universitas Gunadarma, Jakarta, Agustus 2002 Selanjutnya mengikuti langkah atau prosedur sbb: Langkah 1 : Masuk ke Program Ansys. Langkah 2 : Menyeting Analisa. Pada langkah ini diaktifkan FLOTRAN CFD Langkah 3 :Menetapkan Tipe Elemen. Pada langkah ini tipe elemen ditetapkan 2 Dimensi (hanya sumbu X dan Sumbu Y) Langkah 4 : Menggambar Area Pipa, di dalam langkah ini, hanya 2 area saja yang dibutuhkan yaitu area masuk dan keluar. Langkah 5 : Menetapkan Bentuk Element, pada langkah ini didefinisikan jumlah elemen tiap sisi Langkah 6 : Menampilkan Model Mesh. Model Mesh akan tampil sebagai berikut: Gambar 2. Bentuk Aliran Dalam Mesh Langkah 7 : Membuat dan Penggunaan Toolbar Baru Langkah 8 : Mengaplikasikan Kondisi Batas, dapat mengaplikasikan sebuah 2 velocity didalam arah X (VX) pada arus masuk, dan mengaplikasikan 0 pada velocity di dalam garis potong. Langkah 9 : Memecahakan Analisa Aliran Laminer, dalam hal ini dapat dipecahkan aliran laminar melalui iterasi.

5 Analisa Aliran Vortex Pada Pembesaran Saluran Pipa Berbantu Komputer D-5 Gambar 3. Iterasi Aliran Awal Langkah 10 : Melihat Hasil Analisa Aliran Laminer Akan tampil hasil aliran laminar di dalam pipa. Gambar a

6 D-6 Proceedings, Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2002) Auditorium Universitas Gunadarma, Jakarta, Agustus 2002 Gambar b Gambar 4. Gambar a, b, c Laju Aliran Dan Tekanan Dalam Pipa Langkah 11 : Melihat pengaruh Properties fluida Terhadap Aliran. Langkah 12 : Mengatur Sebuah Analisys Turbulent. Langkah 13 : Membuat Mesh Pada Pipa Baru Langkah 14 : Memberikan Muatan Untuk Analisys Turbulent. Langkah 15 : Perubahan FOLTRAN dan Fluida Propertis Langkah 16 : Memecahkan Analisa Turbulent. Gambar c Gambar 5. Iterasi Datambah Aliran TurbulenAkhir

7 Analisa Aliran Vortex Pada Pembesaran Saluran Pipa Berbantu Komputer D-7 Langkah 17 : Display the Velocity as a Vector Plot and a Plath Plot Gambar 6. Hasil Maksimal Kecepatan Aliran Laminer dan Turbulen Gambar 7. Grafik Kecepatan

8 D-8 Proceedings, Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2002) Auditorium Universitas Gunadarma, Jakarta, Agustus 2002 Langkah 18 : Create a Pressure Contour Plot Gambar a Gambar 8. Gambar a, b, c, d, e Berbagai Pola Tekanan Turbulen dan Laminar Dalam Pipa Langkah 19 : Exit Fom ANSYS 4. Hasil dan Pembahasan Kecepatan Aliran Menuju Pembesaran Mendadak dari diameter kecil (D 1 = 0,0254 m) terlihat berbagai macam kecepatan aliran fluida, profil kecepatan masuk fluida dengan bentuk parabola ditunjukan dengan aliran fluida yang berwarna kuning sebesar 1,924 m/detik. kecepatan tinggi terlihat pada daerah tengah ditunjukan gradasi warna merah sebesar 2,565 m/detik. Pada arah yang mengalir kearah dinding pipa ditunjukan warna biru sebesar 0,32 m/detik dan yang menempel pada dinding relatif (VX) = 0. Kemudian aliran yang menuju ke diameter besar (D 2 = 0,0635 m) akan melalui pembesaran mendadak, maka akan terjadi aliran vortex, dengan adanya perpanjangan pipa pola aliran akan berkembang penuh.

9 Analisa Aliran Vortex Pada Pembesaran Saluran Pipa Berbantu Komputer D-9 Pusat Vortex/Daerah Resulasi Titik Pisah Aliran Hilir Hulu Pola Aliran Berkembang Penuh Gambar a Pola Aliran Berkembang Penuh Gambar b Gambar 9. Gambar a dan b, kecepatan Aliran Pada Pembesaran Diameter (D 2 ) = 0,0635 M Gambar 10, memperlihatkan diameter yang kecil (D 1 = 0,0254 M ) profil kecepatan masuk fluida dengan bentuk parabola ditunjukan dengan aliran fluida yang berwarna kuning sebesar 1,927 m/detik, (kecepatan ini lebih besar di bandingkan pada gambar 1), mengalir dengan kecepatan yang lebih tinggi ditunjukan gradasi warna oranye hingga warna merah sebesar 2,57 m/detik. Pada arah yang mengalir kearah dinding pipa ditunjukan warna hijau dan biru sebesar 0,32 m/detik dan yang menempel pada dinding relativ (VX) = 0. Kemudian aliran yang menuju ke diameter besar (D 2 = M) terlihat terjadi aliran vortex, namun kecepatan aliran fluida yang mengarah ke dinding semakin berkurang hingga pola aliran berkembang penuh.

10 D-10 Proceedings, Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2002) Auditorium Universitas Gunadarma, Jakarta, Agustus 2002 Gambar a Gambar b Gambar 10. Gambar a dan b Kecepatan Aliran Pada Pembesaran Diameter (D 2 ) = 0,0762 M Dari gambar 11, diameter yang kecil (D 1 = 0,0254) profil kecepatan masuk fluida berbentuk para bola ditunjukan dengan aliran fluida yang berwarna kuning sebesar 1,923 m/detik, mengalir dengan kecepatan yang lebih tinggi ditunjukan gradasi warna oranye hingga warna merah sebesar 2,564 m/detik. Pada arah yang mengalir kearah dinding pipa ditunjukan warna hijau ke biru sebesar 0,32 m/detik dan yang menempel pada dinding relativ (VX) = 0. Kemudian aliran yang menuju ke diameter besar (D 2 = 0,0889 M) terlihat terjadi aliran vortex, namun kecepatan aliran fluida yang mengarah ke dinding semakin berkurang hingga pola aliran berkembang penuh.

11 Analisa Aliran Vortex Pada Pembesaran Saluran Pipa Berbantu Komputer D-11 Gambar a Gambar b Gambar 11. Gambar a dan b Kecepatan Aliran Pada Pembesaran Diameter (D 2 ) = 0,0889 M Dari gambar 12, diameter yang kecil (D 1 = 0,0254 M) profil kecepatan masuk fluida berbentuk para bola ditunjukan dengan aliran fluida yang berwarna kuning sebesar 1,926 m/detik, mengalir dengan kecepatan yang lebih tinggi ditunjukan gradasi warna oranye hingga warna merah sebesar 2,568 m/detik. Pada arah yang mengalir kearah dinding pipa ditunjukan warna hijau ke biru sebesar 0,32 m/detik dan yang menempel pada dinding relativ (VX) = 0. Kemudian aliran yang menuju ke diameter besar (D 2 = 0,1016 M) terlihat terjadi aliran vortex, namun kecepatan aliran fluida yang mengarah ke dinding semakin berkurang hingga pola aliran berkembang penuh.

12 D-12 Proceedings, Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2002) Auditorium Universitas Gunadarma, Jakarta, Agustus 2002 Gambar a Gambar b Gambar 12. Gambar a dan b Kecepatan Aliran Pada Pembesaran Diameter (D 2 ) = 0,1016 M Aliran Vortex Pada Pembesaran Mendadak Aliran vortex terjadi diakibatkan dengan adanya kecepatan aliran fluida yang mengalir dari diameter (D 1 ) kecil ke diameter (D 2 ) besar, yang melalui pembesaran mendadak, di daerah pembesaran mendadak dan aliran di pecah atau di bagi oleh sudut pada sambungan diantara kedua pipa. Wilayah medan aliran yang berpusar pada daerah pembesaran mendadak akan semakin luas seiring dengan besarnya perbandingan diameter, selain itu terjadi tekanan yang rendah dan kecepatan tinggi pada daerah pembesaran mendadak, yang dapat mengakibatkan pusat aliran vortex makin bergerak ke hilir. Tabel 1 Perbandingan Pusat Dan Luas Vortex

13 Analisa Aliran Vortex Pada Pembesaran Saluran Pipa Berbantu Komputer D-13 Kasus D 1 /D 2 L (m 2 ) W (m) Pusat (m) 1 0,0254 / 0,0635 0,026 0,015 0, ,0254 / 0,0762 0,027 0,016 0, ,0254 / 0,0889 0,030 0,017 0, ,0254 / 0,1016 0,032 0,019 0, ,5 Grafik Perbandingan Struktur Vortex 3D 2 3,5 4 Pusat W L Grafik 1 Perbandingan Struktur Vortex Keterangan : W = Jarak titik pusat vortex terhadap dinding pipa. L = Luas vortex. Pusat = Jarak titik pusat vortex terhadap batas sambungan Dengan perbandingan diameter yang makin membesar diketahui bahwa pusat vortex semakin bergerak kehilir begitu juga terhadap luas maupun jarak titik pusat vortek terhadap dinding pipa yang semakin bergerak dan meluas seiring dengan besarnya perbandingan diameter, ini terlihat pada perbandingan grafik Kesimpulan Pusat aliran Vortex yang terjadi pada daerah pembesaran mendadak akan bergerak ke hilir jika diameter (D 2 ) akan lebih di perbesar, wilayah medan aliran yang berpusar (Vortex) akan semakin luas seiring dengan besarnya perbandingan diameter. Semakin besar perbandingan diameter pipa besar dan kecil maka kehilangan energi akan bertambah besar. 6. Daftar Pustaka [1] ARIS S ANARDI DAN C.R CAROLINA, Laporan Pendahuluan Mekanika Dinamika Fluida Lanjut, Struktur Vortex Akibat Injeksi Tangensial Di Dalam Silinder Vertikal. Universitas Indonesia 2001 [2] HK VERSTEEG & W MALALASEKERA, An Introduction to Computational Fluid Dynamics. The Finite Volume Method. Penerbit Logman Malaysia, TPC 1995 [3] Ir. Handarto TG, Material Training Mechanical, Piping Design. PT. Sapta Pusaka Nusantara, Jakarta 1997 [4] Muhamad Prabowo, Studi Vissual Aliran Vortex Fluida Inkompresible Dalam Tabung. Universitas Indonesia 2001.

14 D-14 Proceedings, Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2002) Auditorium Universitas Gunadarma, Jakarta, Agustus 2002 [5] Philip M. Gerhart dan Richard J. Grols. Fundamental Of Fluid Mechanics Addison-Weshley Publisih Co. California 1985 [6] RANALD V. GILES, Ir HERMAN WIDODO SOEMITRO, Seri Buku Schaum, Teori Dan Soal-soal. Mekanika Fluida Dan Hidrolik, Edisi Kedua (SI-Metrik). Penerbit Erlangga, Jakarta [7] Reuben M. Olson dan Steven J.Wright. Dasar-dasar Mekanika Fluida Teknik. Gramedia Pustaka Utama, Jakarta 1993.