TESIS (TM ) HERDI MUHAMMAD Dosen Pembimbing Dr. WAWAN ARIES WIDODO, ST., MT.

Transkripsi

1 L JURUSAN TEKNIK MESIN Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2010 TESIS (TM ) STUDI EKSPERIMEN PENGARUH PENGGUNAAN INLET DISTURBANCE BODY TERHADAP KARAKTERISTIK ALIRAN MELINTASI EMPAT BUAH SILINDER SIRKULAR YANG TERSUSUN IN-LINE SQUARE Studi kasus rasio jarak antar silinder 1.5 L/D 2.5 pada sudut stagger 30 0 dan 60 0 HERDI MUHAMMAD Dosen Pembimbing Dr. WAWAN ARIES WIDODO, ST., MT. PROGRAM MAGISTER BIDANG KEAHLIAN REKAYASA KONVERSI ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2014

2 L JURUSAN TEKNIK MESIN Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2010 TESIS (TM ) EXPERIMENTAL STUDY ABOUT THE INFLUENCE OF INLET DISTURBANCE BODY ON THE FLOW CHARACTERISTICS PASSING THROUGH FOUR CIRCULAR CYLINDER WITH IN-LINE SQUARE ARRANGEMENT Case study for distance ratio 1.5 L/D 2.5 at angle of 30 0 and 60 0 HERDI MUHAMMAD Advisor Lecturer Dr. WAWAN ARIES WIDODO, ST., MT. MASTER PROGRAM CONVERSION OF ENERGY ENGINEERING MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT FACULTY OF INDUSTRIAL TECHNOLOGY INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2014

3 Tesis disusun untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Magister Teknik ( MT) di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Oleh: Herdi Muhammad NRP Tanggal Ujian : 8 Juli 2014 Peri ode Wisuda : September 2014 Disetujui oleh : 1. Dr. Wawan Aries Widodo. ST. MT. N[P: rvflj)... lk.... (Pembimbing) 2. Prof. Ir. Sutardi. M.Eng., Ph.D. ~P: (Penguji I) 3. Dr. Ir. Heru Mirmanto, MT. ~P: Dedy Zulhidayat Noor, ST., MT., Ph.D. ~P: ~ (Penguji II) (Penguji Ill)

4 STUDI EKSPERIMEN PENGARUH PENGGUNAAN INLET DISTURBANCE BODY TERHADAP KARAKTERISTIK ALIRAN MELINTASI EMPAT BUAH SILINDER SIRKULAR YANG TERSUSUN IN-LINE SQUARE Studi Kasus Rasio Jarak Antar Silinder 1.5 L/D 2.5 Pada Sudut Pengganggu 30 0 dan 60 0 Nama : Herdi Muhammad NRP : Jurusan : Teknik Mesin FTI-ITS Dosen Pembimbing : Dr. Wawan Aries Widodo, ST., MT. Abstrak Penelitian ini adalah untuk mendapatkan informasi mengenai fenomena evolusi aliran dari momentum fluida yang attachment pada kontur permukaan benda lengkung seperti silinder sirkular. Karakteristik yang diperoleh sangat bermanfaat dalam memprediksi gaya-gaya aerodinamik pada silinder sirkular, terutama yang berkenaan dengan reduksi gaya hambat (drag reduction). Untuk mereduksi gaya drag dengan cara menambahkan bodi pengganggu di daerah upstream, modifikasi geometri, dan meningkatkan kekasaran permukaan. Karakteristik aliran yang melintasi silinder sirkular susunan in-line square dengan tambahan bodi pengganggu ini diteliti secara eksperimental pada open circuit subsonic wind tunnel, Laboratorium Mekanika Mesin Fluida ITS Surabaya. Riset ini dilakukan secara eksperimental, dimana benda uji yang digunakan berupa empat buah silinder sirkular (main bluff body) berdiameter (D) 25 mm dengan susunan in-line square. Variasi jarak antar silinder L/D 1.5; 2; dan 2.5, silinder pengganggu berdiameter (d) 4 mm dengan gap (δ) 0.4 mm dari permukaan silinder upstream pada sudut stagger (α) 30 0 dan 60 0 serta pada bilangan Reynolds 2.2 x10 4. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa dengan adanya penambahan empat buah inlet disturbance body pada sudut stagger 30 0 dan dibandingkan dengan tanpa bodi pengganggu pada rasio jarak L/D = 2, terjadi fenomena reattachment pada silinder sirkular. Fenomena reattacthment tersebut menyebabkan separasi aliran lebih tertunda. Tertundanya separasi aliran diindikasikan dengan nilai koefisien drag jauh lebih kecil. Reduksi koefisien drag pressure (C DP ) paling efektif pada silinder sirkular terjadi pada penambahan bodi pengganggu α = 30 0, adapun reduksi koefisien drag pressure yang diperoleh masing-masing silinder 1=1.088, silinder 2 = 0.859, silinder 3 = dan silinder 4 = Kata kunci : Empat silinder sirkular, susunan in-line, inlet disturbance body koefisien drag, ii

5 EXPERIMENTAL STUDY ABOUT THE INFLUENCE OF INLET DISTURBANCE BODY ON THE FLOW CHARACTERISTICS PASSING THROUGH FOUR CIRCULAR CYLINDER WITH IN-LINE SQUARE ARRANGEMENT Case study for distance ratio 1.5 L/D 2.5 at angle of 30 0 and 60 0 Abstract This study is to obtain information about the evolution of the phenomenon of momentum fluid flow attachment to the curved contour of the surface objects such as circular cylinder. Acquired characteristics are very helpful in predicting the aerodynamic forces on a circular cylinder, especially with regard to drag reduction (drag reduction). To reduce the drag force by inlet disturbance body in the upstream area, geometry modification, and increase the surface roughness. Flow characteristics across the circular cylinder in-line square arrangement with additional inlet disturbance body is investigated experimentally in an open circuit subsonic wind tunnel, Laboratory of Fluid Mechanics Engineering ITS Surabaya. This research was carried out experimentally, where the test object is used in the form of four circular cylinder (main bluff body) the diameter of circular cylinder (D) 25 mm with an in-line square arrangement. Variation distance between the cylinder L / D 1.5; 2; and 2.5, the diameter inlet disturbance body (d) 4 mm with a gap (δ) of 0.4 mm from the surface upstream cylinder at a stagger angle (α) of 30 0 and 60 0 as well as the Reynolds number 2.2 x10 4. The experimental results show that with the addition of four body inlet disturbance at a stagger angle of 30 0 and compared to the body without confounding the spacing ratio L/D = 2, occurs at the reattachment phenomenon circular cylinder. Reattachment phenomenon causes flow separation is delayed. The delay of flow separation is indicated by the value of the drag coefficient is much smaller. Reduction of pressure drag coefficient (C DP ) most effective in circular cylinder occurs on the inlet disturbance body at stagger α = 30 0, while the reduction of pressure drag coefficient obtained each cylinder 1 = 1088, cylinders 2 = 0859, cylinder 3 = and cylinder 4 = Keywords: Four circular cylinder, in-line square arrangement, drag coefficient, inlet disturbance body. ii

6 KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT, karena atas ijin dan karunia-nya serta Hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tesis ini dengan judul: Studi Eksperimen Pengaruh Penggunaan Inlet Disturbance Body Terhadap Karakteristik Aliran Melintasi Empat Buah Silinder Sirkular Yang Tersusun In-Line. Penulisan Tesis ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan studi di Program Pasca Sarjana, Bidang Keahlian Rekayasa Konversi Energi, Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Dalam Penulisan Tesis ini, penulis menyampaikan terima kasih yang tak terhingga kepada yang terhormat: 1. Bapak Dr. Wawan Aries Widodo S.T., M.T., selaku dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan arahan yang sangat berarti bagi penulisan tesis ini. 2. Bapak Prof. Ir. Sutardi, M.Eng., Ph.D., selaku koordinator Progaram Studi S2 Teknik Mesin ITS, sekaligus sebagai dosen penguji. 3. Bapak Dr. Ir. Heru Mirmanto, M.T., selaku dosen penguji yang telah memberikan arahan serta masukan pada penulisan tesis ini. 4. Bapak Dedy Zul Hidayat Noor, S.T., M.T., Ph.D, selaku dosen penguji yang telah memberikan arahan masukan pada penulisan tesis ini. 5. Istri dan anakku yang tercinta yang banyak memberikan dukungan penuh pada penyelesaian studi serta terima kasih yang tak terhingga atas pengorbanannya selama studi. 6. Almarhum Ayah dan Almarhumah Ibunda tercinta yang semasa hidup telah memberikan dasar pijakan hidup bagi ananda untuk menuntut ilmu yang setinggi-tingginya, oleh sebab itu seluruh ilmu pengetahuan yang ananda sumbangkan bagi kemaslahatan umat, seluruh pahalanya ananda persembahkan kehadapan ayah bunda tercinta. Amin iv

7 7. Romy Djafar, Ageng, Elsa dan Dea, terima kasih atas bantuannya selama pengambilan data serta seluruh teman-teman crew asisten Laboratorium yang telah banyak memberikan support pada penelitian. 8. Ibu Aida Annisa Amin Daman, ST.,MT. terimakasih atas bantuan dan arahannya dalam proses penelitian. 9. Bapak Nur dan Tris, terimakasih atas bantuannya dalam pembuatan benda uji dalam riset ini. 10. Rekan-rekan seperjuangan RKE dan KE, Anton, Bantacut, terimakasih atas dukungannya selama studi. 11. Terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu kelancaran dalam penyusunan tesis ini yang tidak dapat saya sebut satu-persatu. Penulis menyadari bahwa dalam penulisan tesis ini masih terdapat kekurangan. Oleh sebab itu segala saran dan kritik sangat diharapkan demi penyempurnaan di kemudian hari. Akhir kata penulis berharap semoga riset ini bermanfaat bagi seluruh umat manusia serta bagi kemajuan dunia industri di tanah air. Surabaya, Juli 2014 Herdi Muhammad v

8 DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN... ABSTRAK... ABSTRACT... KATA PENGANTAR. DAFTAR ISI... DAFTAR TABEL... viii DAFTAR GRAFIK... ix DAFTAR SIMBOL DAN SATUAN... x DAFTAR GAMBAR... xi BAB 1 PENDAHULUAN Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan Penelitian Batasan Masalah Sistematika Penulisan... 6 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA Konsep Boundary Layer Aliran Viscous dan Inviscid Pengaruh Batang Pengganggu Terhadap Reduksi Gaya Drag Pada Silinder Sirkular Tunggal Pengaruh Geometri Bluff Body Dan Saluran (Blockage Ratio) Terhadap Reduksi Koefisien Gaya Drag Pengaruh Intensitas Turbulensi Pada Sisi Free Stream Terhadap Gaya Drag Karakteristik Aliran Yang Melewati Sekelompok Bluff Body BAB 3 METODELOGI PENELITIAN Desain Eksperimen Peralatan Benda Uji vi i ii iii iv vi

9 3.3 Alat Ukur Prosedur Eksperimen Kalibrasi Tranduser Tekanan dan Data Aquisisi Tahapan Kalibrasi Analisa Grup Tak Berdimensi Hasil Percobaan dan Analisa Data BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN Intensitas Turbulensi Pada Saluran Kosong Karakteristik Aliran Melintasi Silinder Tanpa IDB Distribusi Koefisien Tekanan pada Kontur Silinder Tanpa IDB Distribusi Profil Kecepatan Pada Silinder Tanpa IDB Karakteristik Aliran Melintasi Silinder Dengan IDB Analisa Fenomena Distribusi koefisien Tekanan Pada Kontur Silinder Pada IDB Analisis Distribusi koefisien pressure drag silinder dan koefisien drag pada IDB Analisa Fenomena Distribusi Koefisien Tekanan pada Kontur Silinder Dengan IDB Distribusi Koefisien Pressure Drag Silinder Utama Diskusi 70 Bab 5 K esimpulan Dan Saran Kesimpulan Saran 75 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN vii

10 BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN Karakteristik Aliran pada Silinder Sirkular Tunggal Analisa Karakteristik Aliran pada Silinder Sirkular Tunggal dengan Penambahan Pengganggu Berupa Silinder Sirkular Posisi Bodi Pengganggu Analisa Karakteristik Aliran pada Silinder Sirkular Tunggal dengan Penambahan Pengganggu Analisa Karakteristik Aliran pada Silinder Sirkular Tunggal dengan Penambahan Pengganggu Analisa Karakteristik Aliran pada Silinder Sirkular Tunggal dengan Penambahan Pengganggu Analisa Karakteristik Aliran pada Silinder Sirkular Tunggal dengan Penambahan Pengganggu Perbandingan Distribusi Koefisien Tekanan (Cp) pada Silinder Sirkular dengan Variasi (d/d) Silinder Sirkular dengan Variasi D = 25 mm (d/d = 0,16) Silinder Sirkular dengan Variasi D= 37, 5 mm (d/d= 0,107) Analisa Koefisien Drag Pressure (Cdp) Nilai Koefisien Drag Pressure (Cdp) pada Silinder D = 25 mm (d/d = 0,16 ) pada Bilangan Reynolds 1, dan 1, Nilai Koefisien Drag Pressure (Cdp) pada Silinder D = 37,5 mm (d/d = 0,107) pada Bilangan Reynolds 1, dan 1, Analisa Strouhal Number Nilai Strouhal Number (St) pada Silinder D = 25 mm (d/d = 0,16 ) pada Bilangan Reynolds 1, dan 1, viii

11 4.5.2 Nilai Strouhal Number (St) pada Silinder D = 37,5 mm (d/d = 0,107 ) pada Bilangan Reynolds 1, dan 1, Perbandingan Numerik dengan Hasil Eksperimen Perbandingan Numerik dengan Hasil Eksperimen pada Silinder D = 25 mm Pengganggu 20 0 dengan Bilangan Reynolds 1, Perbandingan Numerik dengan Hasil Eksperimen pada Silinder D = 25 mm Pengganggu 20 0 dengan Bilangan Reynolds 1, Perbandingan Numerik dengan Hasil Eksperimen pada Silinder D = 37,5 mm Pengganggu 20 0 dengan Bilangan Reynolds 1, Perbandingan Numerik dengan Hasil Eksperimen pada Silinder D = 37,5 mm Pengganggu 20 0 dengan Bilangan Reynolds 1, BAB 5 KESIMPULAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN ix

12 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Nilai Korelasi Koefisien Drag. (Weidman, 1964) Tabel 2.2 Nilai Strouhal Numbers. (Sayers, 1990), (Lam Dan Fang,1995) Tabel 3.1 Spesifikasi Inverter Tabel 3.2 Parameter yang Berpengaruh Tabel 3.3 Jadwal Penelitian Tabel 4.1 Distribusi Koefisien Drag Pressure (C DP ) viii

13 DAFTAR SIMBOL DAN SATUAN C Dp koefisien pressure drag C p koefisien tekanan D diameter silinder (m) F D gaya drag (N) g percepatan gravitasi (m/s 2 ) i arus (ma) IT intensitas turbulensi L jarak antar silinder (m) n jumlah pressure tap p tekanan statis aliran fluida (N/m 2 ) p o tekanan stagnasi (N/m 2 ) pc tekanan statis kontur (N/m 2 ) p tekanan statis freestream (N/m 2 ) p d tekanan dinamis freestream (N/m 2 ) Re bilangan Reynolds U kecepatan freestream (m/s) X panjang silinder (m) y jarak ke arah tinggi test section wind tunnel (m) α sudut IDB dari sumbu silinder upstream (deg) d diameter inlet disturbance body (mm) s jarak center to center antara IDB dengan silinder utama h tinggi center to center antara IDB dengan silinder utama sudut kontur silinder (deg) p perubahan tekanan (N/m 2 ) Δh selisih pembacaan manometer (m) viskositas udara (N.s/m 2 ) boundary layer thickness ρ massa jenis udara (kg/m 3 ) x

14 BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Fenomena fluida yang mengalir melintasi permukaan luar bluff body seperti silinder sirkular atau pun bentuk elips banyak mengalami perkembangan pesat pasca konsep boundary layer ditemukan. Konsep ini berhasil menguak jawaban atas pengaruh tegangan geser terhadap karakteristik gaya hambat disekitar benda yang dialiri fluida. Distribusi tekanan pada kontur dipengaruhi oleh bentuk geometri kontur yaitu pengaruhnya terhadap tegangan geser permukaan benda tersebut. Aplikasi aliran eksternal pada sebuah benda seperti sebuah silinder dalam dunia engineering sangat banyak dijumpai misalnya; pada heat exchanger, struktur lepas pantai, aliran disekitar airfoil, kenderaan, gedung, chimney, sistem anjungan minyak lepas pantai dan lain-lain. Aliran eksternal melibatkan aliran dengan Reynolds number yang rendah maupun Reynolds number yang tinggi. Fluida viscous saat melewati silinder mempunyai karakteristik aliran antara lain; mengalami stagnasi, boundary layer, separasi dan wake di belakang silinder. Sedangkan untuk benda yang bergerak dalam fluida viscous akan mengalami gaya drag dan gaya lift, hal ini sangat erat hubungannya dengan terjadinya separasi aliran. Separasi aliran akan menyebabkan timbulnya wake di belakang silinder, di mana parameter seperti rasio sumbu, sudut serang dan profil kecepatan awal dapat mempengaruhi karakteristik aliran wake. Pada umumnya teknik pengentrolan aliran fluida pada benda tumpul (bluff body) diklasifikasikan dalam dua metode, yaitu metode pengentrolan pasif dan metode pengentrolan aktif. Metode pengontrolan aktif berfungsi untuk mengontrol aliran fluida dengan cara mensuplai energi dari luar seperti penambahan hembusan jet, sedangkan metode pengontrolan pasif yaitu mengontrol aliran fluida dengan cara memodifikasi bentuk bluff body dengan cara menempatkan alat tambahan seperti batang pengontrol atau dengan menempelkan elemen tambahan ke bluff body serta menambah kekasaran 1

15 permukaan. Metode pengontrolan aktif memerlukan peralatan yang sangat kompleks untuk mensuplai energi dari luar aliran. Untuk mendapatkan performa terbaik dengan gaya hambat yang kecil pada suatu aliran fluida yang melewati bluff body, maka salah satu upaya yakni pemberian inlet disturbance body sebagai cara untuk menunda letak titik separasi pada bodi utama. Pada prinsipnya diduga kandungan vortisitas pada shear layer yang dihasilkan oleh upstream disturbance body akan mampu mempercepat terbentuknya boundary layer turbulen. Adanya dominasi lapis batas turbulen pada permukaan bodi utama menyebabkan terjadinya penundaan separasi lebih ke belakang. Silinder sirkular adalah salah satu contoh bluff body yang memiliki kelengkungan kontur permukaan dengan karakteristik adverse pressure gradient yang kuat (strong APG) ketika aliran fluida melintasinya. Walaupun bentuk geometrinya relatif sederhana, namun aliran eksternal yang melintasinya akan menjadi sangat kompleks, baik pada saat aliran fluida mengalami transisi dari laminar menjadi turbulen pada kontur permukaan padatnya dan kemudian terseparasi massif. Momentum fluida yang terseparasi massif akan menjadi shear layer dan akan membentuk wake atau vortex street. Alam, dkk (2003) meneliti pengaruh penggunaan dua buah bodi pengganggu berupa silinder sirkular terhadap silinder sirkular yang disusun secara tunggal, side by side maupun tandem. Penambahan dua buah bodi pengganggu menggunakan sudut α sebagai upstream. Dengan penambahan bodi pengganggu tersebut, maka didapatkan fenomena reattactment pada beberapa variasi sudut. Fenomena reattachement tersebut menyebabkan separasi jauh lebih tertunda. Weidman (1968) dan Bell (1983), melakukan penelitian terhadap blockage ratio yang dapat berpengaruh terhadap nilai gaya drag. Mereka meneliti sebuah bluff body yang ditempatkan pada wind tunnel dengan Reynolds number yang konstan, tetapi diameter bluff body yang digunakan semakin besar, ditunjukkan dengan nilai koefisien drag ( C D ) semakin meningkat. Bertambahnya nilai C D berbanding lurus dengan terbentuknya daerah wake yang besar sehingga nilai gaya drag semakin besar pula. 2

16 Bell (1983), penelitian yang dilakukan mengenai pengaruh intensitas turbulent pada free stream terhadap gaya drag pada silinder sirkular, telah diperoleh pengurangan gaya hambat yang signifikan akibat penguatan intensitas turbulent (penguatan vortisitas) free stream. Kesimpulannya adalah terjadinya transisi lebih awal boundary layer dari laminar menjadi turbulen pada kontur silinder akibat penguatan intensitas turbulent free stream sebagai faktor yang mempengaruhi tertundanya separasi massif pada kontur silinder bagian belakang. Penyempitan daerah wake dibelakang silinder akan menyebabkan pengurangan gaya drag pada silinder. Namun Bell (1983), belum mengungkap secara detail intensitas turbulent dekat kontur setelah proses terjadinya transisi yang dipercepat. Lam dan Zou (1994), meneliti secara eksperimental aliran yang melewati empat buah silinder sirkular dalam konfigurasi equispaced. Penelitian ini fokus pada pengaruh coefficient of pressure pada empat silinder dengan variasi rasio jarak silinder terhadap diameter silinder (L/D) dan sudut serang (α) = 1.26 sampai dengan 5.8 pada bilangan Reynolds = 1.28 x Penelitian ini menginformasikan bahwa separasi terjadi pada silinder upstream, sehingga adanya re-attachment dari free shear layer dan pola aliran pada silinder downstream akan berubah dengan adanya penambahan rasio jarak L/D dan menyebabkan coefficient of pressure pada sisi depan silinder downstream akan meningkat. 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan hasil kajian dari beberapa penelitian tersebut di atas, muncul gagasan baru sebagai hipotesa yaitu untuk meningkatkan efektifitas pengendalian pasif boundary layer dengan menempatkan empat buah inlet disturbance body berbentuk silinder sirkular didepan empat buah silinder sirkular sebagai main bluff body menjadi kajian utama. Sejauh ini beberapa penelitian terdahulu belum melakukan penelitian pada penambahan empat buah bodi pengganggu pada main bluff body. Pengembangan ide dasar ini diharapkan akan terjadi fenomena transisi pintas lapisan batas pada inlet disturbance body yang dapat meningkatkan vorticity dari free shear layer yang terseparasi dari inlet disturbance body. Efektifitas agitasi pada free shear layer terhadap lapisan batas dari main bluff 3

17 body di belakangnya bisa meningkat. Dari peningkatan ini akan mempercepat terjadinya transisi lapisan batas laminar menjadi turbulen pada kontur main bluff body, sehingga gaya hambat pada bluff body lebih cepat tereduksi. Penambahan bodi pengganggu di depan silinder sirkular menjadi salah satu pilihan untuk dapat mengurangi gaya-gaya fluida pada silinder sirkular. Dengan adanya tambahan bodi pengganggu di depan silinder sirkular akan menyebabkan aliran fluida menjadi lebih cepat turbulen sehingga diharapkan dapat melawan adverse pressure gradient yang terjadi. Aliran turbulen memiliki momentum kecepatan yang cukup besar, sehingga akan terjadi penundaan titik separasi dan daerah wake yang terbentuk menjadi lebih kecil. Bertitik tolak dari penjelasan di atas maka bentuk bodi pengganggu yang dikembangkan pada penelitian ini menggunakan empat buah silinder sirkular. Pemilihan jarak didasarkan pada penelitian yang dilakukan oleh Alam dkk (2003), dimana pada jarak 0.4 mm akan memberikan koefisien gaya fluida yang konstan. Peletakan susunan silinder pada saluran wind tunnel tidak mengabaikan adanya pengaruh dinding dan blockage ratio. Pengaruh blockage ratio menyebabkan peningkatan gaya drag silinder seperti penelitian yang dilakukan oleh Weidman (1968). 1.2 Tujuan Penelitian Fokus penelitian yaitu peningkatan efektifitas pengendalian secara pasif lapisan batas melalui penempatan empat buah upstream disturbance body dengan kontur silinder sirkular yang berdiameter 4 mm. Penelitian ini dimaksudkan untuk mengetahui pengaruh rasio jarak main bluff body dan penempatan empat buah inlet disturbance body yang berbentuk silinder sirkular, serta untuk mengevaluasi pengaruh modus wake yang berbeda (wake impingement mode or cavity mode) terhadap transisi lapisan batas pada kontur bagian depan main bluff body yang melintas pada empat buah silinder sirkular dengan susunan in-line. Pemilihan silinder sirkular dikarenakan geometrinya tergolong strong contour gradient sehingga mudah menimbulkan terjadinya separasi massif aliran dekat kontur. 4

18 Lebih detail lagi, terdapat dua hal yang dapat dikembangkan dalam penelitian lanjutan ini, agar secara ilmiah mampu mengungkap mekanisme fisis terjadinya percepatan transisi lapisan batas dari bluff body yang dikaji. Pertama evaluasi secara detail fenomena terjadinya separation dari inlet disturbance body yang kemudian reattachment ke main bluff body. Kondisi ini dilakukan melalui analisis data velocity profile dan intensitas turbulen sepanjang kontur hingga lokasi terjadinya separasi massif, baik pada inlet disturbance body maupun main bluff body. Kedua evaluasi pengaruh variasi rasio jarak (L/D) terhadap karakteristik aliran yang terbentuk akibat interaksi timbal balik empat buah main bluff body dalam susunan in-line terhadap terjadinya separasi aliran. Adapun tujuan khusus dari penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Menganalisa distribusi koefisien tekanan (Cp) pada silinder sirkular upstream dan downstream, untuk mengetahui pola aliran yang terjadi pada permukaan silinder serta menghitung koefisien pressure drag (C DP ). 2. Menjelaskan korelasi fisis karakteristik aliran yang dipengaruhi oleh susunan in-line antara inlet disturbance body dengan main bluff body. 3. Menganalisa distribusi kecepatan rata-rata akibat blockage ratio pada angka Reynolds yang konstan. 1.4 Batasan Masalah Pada penelitian ini perlu adanya batasan masalah sehingga pembahasan yang dilakukan lebih fokus pada tujuan yang telah ditentukan. Adapun batasan masalah dari penelitian ini sebagai berikut: 1. Fluida udara yang mengalir di dalam open-circuit subsonic wind tunnel pada kondisi steady flow,incompressible flow dan uniform pada sisi upstream. 2. Benda uji berupa silinder sirkular dan empat buah batang pengganggu berbentuk silinder sirkular in-line. 3. Tidak menganalisa fenomena perpindahan panas yang ditimbulkan oleh adanya gesekan aliran dengan benda uji maupun dengan dinding wind tunnel. 5

19 1.5 Sistematika Penulisan Sistematika penulisan dalam penelitian ini diawali dengan bab pendahuluan, kemudian tinjauan pustaka, metode penelitian, hasil dan pembahasan, dan terakhir kesimpulan dan saran. Berikut detail uraian sistematika penelitian: 1. Bab I Pendahuluan Bab ini berisi tentang latar belakang pengambilan topik, perumusan masalah merujuk pada tulisan pada jurnal, tujuan penelitian untuk memberikan konstribusi yang signifikan terhadap pengembangan ilmu pengetahuan dibidang Mekanika Fluida khususnya mengenai interaksi aliran fluida viscous yang melintasi empat buah bluff body susunan in-line, dan batasan masalah agar kajiannya lebih fokus dan terarah. 2. Bab II Tinjauan Pustaka Bab ini menjelaskan berbagai kajian ilmiah yang memuat penelitian-penelitian sebelumnya yang berkorelasi dengan penelitian yang dilakukan saat ini, sehingga akan mendukung analisa data dari hasil eksperimen yang dilakukan. 3. Bab III Metode Penelitian Bab ini menjelaskan peralatan yang digunakan dalam kajian eksperimental, benda uji, skema setup eksperimental, metode penelitian/prosedur pengambilan data yang dilakukan untuk mendapatkan berbagai fenomena fisis yang menjadi tujuan. 4. Bab IV Analisa Hasil Eksperimen Bab ini menampilkan hasil-hasil yang diperoleh dari kajian eksperimental berupa data kuantitatif (distribusi koefisien tekanan (Cp), profil kecepatan u/u serta koefisien drag. 5. Bab V Kesimpulan dan Saran Pada bab ini menyajikan kesimpulan atas hasil analisa yang telah dibahas secara detail pada bab-bab sebelumnya, selanjutnya saran agar kiranya penelitian ini dapat dilanjutkan untuk mengungkap fenomena interaksi aliran pada bluff body dengan model geometri dan konfigurasi tertentu. 6

20 Halaman ini sengaja dikosongkan 7

21 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA Pada penelitian ini, telah dilakukan beberapa penelusuran pustaka dengan mengambil beberapa referensi yang relevan dengan lingkup penelitian yang terdapat dalam buku teks, makalah, tesis, disertasi dan informasi yang berkaitan dengan aliran melintasi silinder sirkular. Fokus utama yang akan dikaji adalah fenomena aliran yang melintasi empat buah silinder sirkular susunan in-line, dengan menambahkan silinder pengganggu untuk mereduksi gaya drag pada silinder utama. Ada beberapa penelitian serta teori dasar yang relevan menjadi referensi utama dari penelitian ini yaitu : 2.1 Konsep Boundary Layer Suatu lapis batas (boundary layer) akan terbentuk ketika aliran fluida melintasi suatu kontur permukaan. Lapis batas ini terbentuk karena adanya gesekan yang terjadi antara permukaan padat dengan fluida. Gesekan paling besar adalah ketika dekat dengan permukaan benda sehingga menyebabkan kecepatan fluida sesaat menjadi nol. Semakin menjauh dari permukaan benda padat pengaruh gaya gesek ini juga akan semakin berkurang hingga batas dimana pengaruh gaya gesek ini sudah tidak ada. Daerah yang sudah tidak terpengaruh oleh gaya gesek ini disebut daerah freestream. Antara daerah freestream dengan permukaan benda akan terbentuk profil kecepatan akibat adanya gaya gesek. Batas yang memisahkan antara daerah freestream dengan daerah yang masih dipengaruhi gaya gesek itulah yang dinamakan boundary layer edge. Gambar 2.1 Boundary layer on a plate (Fox dkk, 2010) 8

22 2.1.1 Aliran Viscous dan Inviscid Aliran fluida jika dikaji dari pengaruh viskositasnya, dapat dibedakan menjadi dua aliran yaitu aliran viscous (viscous flow) dan aliran non viscous (inviscid flow). Aliran fluida dapat digolongkan sebagai aliran viscous yang terbentuk boundary layer jika efek viskositasnya tidak diabaikan, sedangkan jika efek viskositasnya diabaikan, maka aliran tersebut dikatakan sebagai aliran inviscid (inviscid flow). Fluida yang kontak langsung dengan suatu batas padat pada aliran viscous akan mempunyai kecepatan yang sama dengan batas padat itu sendiri. Dengan kata lain tidak terjadi slip antara aliran fluida dengan batas padat. Shear stress pada aliran viscous laminar dipengaruhi oleh viskositas fluida dan gradien kecepatan yang ada dalam aliran fluida tersebut. Gaya yang berpengaruh pada aliran fluida ideal (non viscous) hanya pressure force, karena dalam aliran tersebut tidak ada tegangan geser yang berpengaruh dimana viskositas fluida dianggap tidak ada, dan aliran tersebut dapat juga disebut aliran inviscid. Perbedaan antara kedua aliran yang melalui sebuah silinder sirkular dapat dilihat dalam Gambar 2.2. di bawah ini: Gambar 2.2 Aliran fluida melalui silinder sirkular (Fox dkk, 2010) Pada gambar 2.2 di atas menunjukkan aliran pada suatu silinder. Titik A adalah titik stagnasi dan selanjutnya terbentuk boundary layer. Dari titik A ke titik B terjadi kenaikan kecepatan yang mengakibatkan penurunan tekanan dan selanjutnya dari titik B ke titik C terjadi penurunan kecepatan yang berarti terjadi kenaikkan tekanan dari titik B ke titik C. Pada titik C momentum aliran tidak cukup melawan adverse pressure gradient dan tegangan geser sehingga menyebabkan terjadi pecahnya boundary layer, titik ini disebut titik separasi. Daerah antara kedua titik separasi disebut daerah wake. Makin besar daerah wake 9

23 yang terbentuk berarti makin besar pula perbedaan tekanan di depan silinder dan dibelakang silinder yang mengakibatkan makin besar gaya drag yang terjadi. Oleh karena itu harus dilakukan upaya untuk menunda terjadinya titik separasi sehingga daerah wake yang terbentuk akan semakin kecil yang berarti mengurangi gaya drag. Upaya untuk mengurangi gaya drag tersebut maka dilakukanlah penelitian baik secara eksperimental maupun numerik seperti yang berikut ini Pengaruh Batang Pengganggu Terhadap Reduksi Gaya Drag Pada Silinder Sirkular Tunggal Kajian tentang reduksi gaya drag dengan penambahan batang pengganggu telah dilakukan oleh Alam, dkk (2003). Fokus dari penelitian ini tentang reduksi gaya fluida pada silinder sirkular tunggal dengan bodi pengganggu berbentuk silinder sirkular. Diameter bodi pengganggu yang digunakan adalah 4, 5, dan 6 mm. Diameter silinder sirkular utama adalah 49 mm. Posisi sudut bodi pengganggu yang digunakan adalah α = 20 0 hingga Gap (δ) yang digunakan dalam penelitian adalah mm. Bilangan Reynolds yang digunakan adalah Sketsa pengujian dapat dilihat pada gambar 2.3 sebagai berikut: Gambar 2.3. Variasi Sudut Bodi Pengganggu Terhadap Silinder Sirkular (Alam, dkk, 2003) Pada penelitian yang dilakukan oleh Alam, dkk (2003) diawali dengan melakukan investigasi terhadap gap (δ) dengan diameter bodi pengganggu 5 mm dan α = Hasil investigasi ditampilkan dalam bentuk koefisien gaya drag (C D ), koefisien drag fluktuasi (C Df ), serta koefisien lift fluktuasi (C Lf ) sebagai fungsi 10

24 dari gap ratio (δ/d), dimana nilai δ/d = Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa nilai δ/d 1,5 untuk setiap koefisien gaya fluida dapat memberikan hasil yang hampir independen, seperti ditunjukkan oleh gambar 2.4 sebagai berikut: Gambar 2.4. Komparasi Rasio Gap dengan Koefisien Drag (C D ), koefisien drag fluktuasi (C Df ), serta Koefisien lift fluktuasi (C Lf ) (Alam, dkk, 2003) Pada pengukuran tahap berikutnya gap dipertahankan pada 0,4 mm dengan sudut α. Gambar 2.4 menunjukkan nilai C D, C Df, C Lf pada bodi pengganggu dengan diameter 4, 5, 6 mm. Gambar 2.3 (a) menunjukkan bahwa nilai C D minimum diberikan pada α = 30 0 dengan pengurangan sebesar 67% pada bodi pengganggu 5 mm. Gambar 2.5 (b) dan (c) menunjukkan bahwa nilai C Df dan C Lf berkurang secara signifikan pada sudut α ( ). 11

25 Gambar 2.5 Grafik Pengaruh Posisi Sudut Batang Pengganggu Terhadap Koefisien Gaya (Alam, dkk, 2003) 12

26 Gambar 2.6. Grafik Koefisien Tekanan. (Alam, dkk, 2003) Gambar 2.7 Grafik Strouhal Number pada silinder tunggal dan silinder tunggal+pengganggu., d/d = 0.08;, d/d = 0.10;, d/d = (Alam, dkk, 2003) 13

27 Pada gambar grafik 2.6 (a) menunjukkan bahwa tertundanya separasi masif yang paling signifikan terjadi pada sudut α sebesar 30 0, hal ini disebabkan karena adanya reattachment aliran pada silinder utama akibat penambahan bodi pengganggu. Pada sudut 60 0 aliran setelah melewati silinder langsung terseparasi tanpa terdefleksi kembali ke silinder utama. Pada gambar grafik 2.7 dapat dilihat pengaruh variasi bodi pengganggu terhadap Strouhal number (St). Nilai Strouhal number yang diperoleh menunjukkan kebalikan dari nilai koefisien drag (C D ). Berdasarkan gambar gafik diatas batang pengganggu dengan sudut α = 30 0 memiliki nilai strouhal number terbesar sedangkan nilai Strouhal number terkecil diperoleh pada batang pengganggu dengan sudut α = Pengaruh Geometri Bluff Body Dan Saluran (Blockage Ratio) Terhadap Reduksi Koefisien Gaya Drag Aliran fluida membutuhkan media berupa saluran untuk tempat mengalir. Dengan adanya media penyaluran maka fluida lebih mudah untuk diarahkan laju alirannya walaupun disatu sisi penggunaan saluran akan menimbulkan efek terhadap karakteristik aliran fluida. Efek yang ditimbulkan berupa koefisien hambatan fluida yang menjadi lebih tinggi dibandingkan tanpa saluran, hal ini ditunjukkan pada gambar 2.8 hasil penelitian Weidman (1968) dan Bell (1983) sebagai berikut : Gambar 2.8. Grafik Koreksi Koefisien Drag. Weidman (1968) dan Bell (1983) 14

28 Dimensi geometri suatu bluff body serta orientasi benda terhadap arah aliran yang diujikan pada lorong angin akan membawa dampak terhadap aliran fluida. Weidman (1968) dan Bell (1983) telah melakukan penelitian mengenai pengaruh rasio dimensi bluff body terhadap luasan saluran pada kecepatan fluida dan koefisien hambatan yang terjadi. Pengaruh ini dikenal sebagai blockage effect. Adanya blockage effect akan menyebabkan kecepatan free stream lebih cepat (pada titik dimana rasio blockage maksimum) daripada kecepatan real-nya, hal ini disebabkan adanya penyempitan area yang dilalui oleh aliran fluida. Diameter silinder (D) yang diuji divariasikan dari dengan tinggi test section (H) konstan. Berikut adalah hasil perhitungan nilai koreksi koefisien drag (C D) atas beberapa diameter silinder yang digunakan dan blockage ratio yang didapatkan seperti pada tabel 2.1. berikut : Tabel Nilai koreksi koefisien drag Weidmann (1964) Diameter ~D Blockage Ratio (Cp b ) ave C D (inches) ~ D/H Dari tabel di atas diperoleh bahwa nilai koefisien drag semakin tinggi seiring dengan peningkatan nilai blockage ratio, hal ini mengindikasikan bahwa daerah wake yang terbentuk semakin besar yang berbanding lurus dengan peningkatan pressure drop. 2.4 Pengaruh Intensitas Turbulensi pada Sisi Free Stream Terhadap Reduksi Gaya Drag Penelitian yang dilakukan Niemann dan Holscher (1990), penelitian ini lebih banyak mengolah data sekunder yang diperoleh dari penelitianpenelitian sebelumnya dengan membahas interaksi antara aliran fluida dengan silinder sirkular. Dikemukakan bahwa interaksi antara aliran fluida dengan geometri berbentuk bluff body maupun streamlined body, dimana aliran fluida akan bertransisi dari aliran laminar menjadi turbulen hingga terjadi fenomena 15

29 separasi aliran. Terjadinya transisi lapis batas tersebut dipengaruhi oleh antara lain kecepatan pada free-stream serta profil alirannya, free-stream turbulence (intensitas turbulensi), bentuk benda (geometri maupun orientasi terhadap arah alirannya), serta kekasaran permukaan suatu benda. Geometri dari bluff body ketika dilingkupi oleh aliran fluida, pada umumnya mempunyai karakteristik yang menghasilkan adverse pressure gradient yang lebih dominan dibandingkan wall shear stress-nya. Fenomena ini dapat mempengaruhi terbentuknya separasi bubble maupun letak separasi masif dari momentum fluida yang attach pada kontur permukaan padat. Momentum fluida yang telah terseparasi dari kontur permukaan padat menghasilkan defisit momentum pada daerah downstream bluff body tersebut. Defisit momentum pada daerah downstream bluff body dikenal sebagai wake. Semakin lebar wake yang ditimbulkan oleh bluff body yang dialiri oleh fluida, semakin besar pula gaya hambat (drag force) yang ditimbulkannya. Gaya hambat pada bluff body merupakan penjumlahan dari pressure drag dan skin friction drag. Bearman dan Morel (1983). Fokus penelitian tentang intensitas turbulensi terhadap nilai dari koefisien drag (C D ). Konfigurasi yang digunakan adalah sebuah silinder sirkular diuji pada Reynolds number 4x10 4 hingga 3x10 5. Hasil penelitian dapat dilihat dari gambar 2.9 berikut : Gambar 2.9. Pengaruh intensitas turbulensi terhadap coefficient of drag (CD) pada silinder sirkular, Bearman dan Morel (1983). Dari gambar 2.9 di atas terlihat bahwa nilai koefisien drag C D menurun seiring dengan meningkatnya intensitas turbulensi pada bilangan Reynolds 16

30 yang sama. Pada bilangan Reynolds posisi A dengan nilai intensitas turbulensi <1% memiliki nilai C D ±1.15, kemudian pada posisi B dengan nilai intensitas turbulensi 1.9% memiliki nilai CD ±1.0, pada posisi C nilai intensitas turbulensi 2.6% memiliki nilai C D ±0.8 dan pada posisi D dengan nilai intensitas turbulensi 3.2% memiliki nilai C D ±0.6. Dari kondisi ini dapat disimpulkan bahwa korelasi antara intensitas turbulensi terhadap nilai C D, nilai C D akan menurun seiring dengan meningkatnya intensitas turbulensi pada bilangan Reynolds yang sama. 2.5 Karakteristik Aliran Yang Melewati Sekelompok Bluff Body Dalam dunia industri banyak kita jumpai aplikasi dari bluff body yang tersusun berkelompok dalam berbagai bentuk konfigurasi baik berupa tandem, side by side, staggered maupun in-line. Interaksi aliran pada sekelompok bluff body mempunyai karakter aliran yang sangat rumit dan kompleks walaupun disisi lain bentuk geometri dan ukurannya yang sama. Dari fenomena ini lahirlah berbagai macam penelitian untuk mendapatkan solusi yang efektif dalam mendapatkan performa terbaik antara lain dengan melakukan modifikasi bentuk geometri bluff body maupun dengan menyusun bluff body dalam konfigurasi tertentu. Beberapa penelitian yang telah dilakukan tentang interaksi aliran antara dua buah bentuk bluff body yang memiliki bentuk geometri dan ukuran yang berbeda sebagai berikut : Lam dan Zou (1994) melakukan penelitian secara eksperimental dan numerik, menguraikan tentang pengaruh koefisien pressure yang melintasi empat buah silinder sirkular yang disusun secara equispaced pada center line. Variasi yang dilakukan adalah jarak antar silinder L/D dan sudut serang (α) 1.26 sampai 5.8 pada Reynolds = 1.28x10 4. Penelitian ini akan diuraikan lebih detail oleh karena penelitian ini menjadi basis referensi utama yang penulis lakukan dalam kajian eksperimental. Penelitian ini menjadi informasi yang sangat mendasar untuk menjadi bahan support dalam penelitian yang diuraikan dalam tinjauan pustaka ini. Penelitian ini fokus pada pengaruh coefficient of pressure pada empat silinder dengan variasi rasio jarak silinder terhadap diameter silinder (L/D) dan sudut serang (α)

31 sampai 5.8 pada Reynolds = 1.28x10 4. Berikut ini gambar 2.10 skema konfigurasi silinder : Gambar Skema Diagram Konfigurasi Empat Silinder, Lam dan Zou (1994) Ekperimental ini dilakukan pada open circuit wind tunnel dengan test section berukuran 0.35 x 0.35x 0.54 mm dengan diameter luar silinder 12.7 mm dan panjang silinder 360 mm. Pada penelitian dengan α = 0 0 didapatkan grafik Cp seperti pada gambar 2.11 berikut : Gambar Distribusi Cp dengan α =0 0, Re= 12800, Lam dan Zou (1994) Dari gambar grafik di atas diperoleh harga Cp silinder 1 dan 2 hampir mempunyai karakter yang sama pada sisi silinder upstream 1 dan 2, titik stagnasi bergeser ke arah bagian depan silinder (θ = 0 0 ) dengan bertambahnya jarak L/D. Pada L/D 1.26 titik stagnasi berada pada θ = 20 0 untuk silinder 1 dan θ 18

32 = untuk silinder 2. Kedua titik ini bergeser ke arah frontal silinder dan coefficient of pressure menjadi simetris saat rasio L/D mencapai 4. Coefficient of pressure pada downstream silinder menunjukkan perubahan yang signifikan dengan berubahnya L/D. Pada L/D yang kecil (L/D < 2.48) coefficient of pressure tidak lebih dari -1.2 karena telah dekat dengan wake silinder upstream. Selain itu hanya terdapat satu titik maksimum pada silinder 3 dan 4, yaitu pada θ = untuk silinder 3 dan θ= 55 0 untuk silinder 4. Dalam rentang 2.48<L/D<3.10, dua koefisien tekanan tertinggi tidak ditemukan. Hal ini mengindikasikan bahwa adanya re-attachment dari free shear layer dan separasi terjadi pada silinder upstream, sehingga pola aliran pada silinder downstream akan berubah seiring dengan bertambahnya L/D. Dengan penambahan L/D tersebut coefficient of pressure pada sisi depan akan bertambah pada nilai -0.5 saat L/D mencapai 3.10, demikian pula pada L/D yang lebih besar (L/D>3.33) coefficient of pressure pada bagian depan akan mengalami kenaikan positif 0.2. Kesimpulan yang dapat diambil dari fenomena ini adalah base pressure coefficient pada silinder downstream lebih besar dari Cp silinder tunggal pada seluruh L/D. Gambar Drag coefficient pada α = 0 0, Lam dan Zou (1994) Pada gambar 2.12 di atas diperoleh koefisien drag (C D ) silinder 1 dan 2 upestream dengan susunan equipaced mengalami fluktuasi untuk 1 < L/D > 3.9 kemudian mulai konstan pada L/D 3.9, hal ini mengindikasikan bahwa efek interfensi antara kedua silinder tersebut sangatlah kecil. Sedangkan koefisien drag 19

33 (C D ) silinder downstream 3 dan 4 mengalami kenaikan seiring dengan bertambahnya jarak antar silinder untuk 1< L/D >3.3 kemudian konstan untuk L/D > 3.3 dengan nilai 0.6, hal ini menunjukkan bahwa tidak terjadi interfensi wake antar kedua silinder tersebut. Koefisien drag negatif terjadi pada L/D < 2.2, fenomena ini mengindikasikan bahwa gaya dorong kedepan di alami oleh silinder downstream pada rasio jarak yg kecil, kemudian pada rasio jarak L/D = 1.26 terdapat perbedaan koefisien drag antara silinder 2 dan 4 akibat wake yang sempit dan wake yang lebar dibelakang silinder. Gambar Grafik Koefisien Lift (C L ) Pada α = 0 o, Lam dan Zou (1994) silinder 1; silinder 2; silinder 3; silinder 4 Gambar 2.13 di atas menunjukkan pada sudut α = 0 0 silinder 1 dan 4 memiliki harga koefisien lift (C L ) negative untuk semua spasi rasio sedangkan silinder 2 dan 3 memiliki harga koefisien lift (C L ) positif untuk semua spasi rasio, karakteristik koefisien lift silinder 1 relatif sama dengan koefisien lift silinder 2, begitu juga untuk silinder 3 dan 4, karakteristik koefisien lift yang bergelombang hal ini mengindikasikan bahwa kemungkinan ada perubahan pola aliran yang cepat pada rasio jarak meskipun besarnya perubahan koefisien lift tidak lebih dari 0.3. Lam dan Zou (2009), Penelitian dilakukan secara eksperimental dan large eddy simulation (LES) untuk aliran turbulen sekitar empat silinder sirkular berdiameter 20 mm dalam konfigurasi in-line dengan rasio jarak yang berbeda 20

34 1.5; 2.5; 3.5 dan 5.0 pada Reynolds subkritis dari sampai Pengujian dilakukan pada wind tunnel berukuran 0.3 m x 0.6 m dan panjangnya 2.4 m. Pengukuran distribusi kecepatan rata-rata fluktuatif diperoleh dengan menggunakan laser Doppler anemometry (LDA) untuk setiap titik data sampel, sehingga tingkat kesalahan diperkirakan 2%. Penelitian ini membandingkan hasil numerik 3D dengan metode LES hasil eksperimen yang dilakukan oleh Sayers (1988,1990) Lam dan Fang (1995). Hasil yang diperoleh dengan menggunakan metode LES yaitu pada L/D=1.5 pada silinder 1 dan 2 tidak terjadi vortex shedding, kemudian pada silinder 3 dan 4 terjadi vortex shedding yang benar-benar berbeda sedangkan pada hasil simulasi untuk L/D = 3.5 vortex shedding terjadi pada silinder 1 dan 2. Wake yang terbentuk dibelakang silinder terlihat terdefleksi dari arah streamwise dan pada umumnya hasil eksperimen pada silinder sirkular dengan jarak rasio L/D=3.5 menghasilkan Strouhal numbers kurang dari 0.2. Berikut nilai Strouhal numbers yang diperoleh pada tabel di bawah ini: Tabel 2.2. Nilai Strouhal numbers pada konfigurasi in-line empat silinder sirkular, (Sayers,1998,1990), (Lam dan Fang,1995) Tong, dkk (2014). Adapun penelitian yang dilakukan adalah analisa secara numerik 3D. Fokus utama dalam penelitian ini adalah visualisai pembentukan vortex shedding pada 4 buah silinder sirkular dengan konfigurasi inline pada bilangan Reynolds Dari penelitian ini visualisasi pembentukan vortex dibagi menjadi 4 rejim yaitu ; rejim 1 pada Reynolds , rejim 2 pada Reynolds , rejim 3 pada Reynolds dan rejim 4 pada Reynolds

35 Hasil yang diperoleh dari penelitian ini adalah sebagai berikut : Gambar Visualisasi Vortex Shedding, Tong, dkk (2014) Dari gambar 2.14 di atas kesimpulan yang diperoleh dari terbentuknya vortex menurut pembagian rejim yaitu ; Rejim 1 : Terdapat sebuah Karman vortex yang terjadi dibelakang silinder downstream. Rejim 2 : Shearlayer pada inner silinder pada setiap susunan silinder tandem cukup kuat berinteraksi dengan sisi outher side dan hal ini menghasilkan 2 buah Karman vortex. Rejim 3 : Pada rejim ini pembentukan vortex hampir sama dengan rejim 2 akan tetapi pembentukannya tidak terstruktur selain itu Karman vortex lebih kuat dibanding sebelumnya. Rejim 4 : Vortex shedding terjadi di belakang keseluruhan silinder. 22

36 Halaman ini sengaja dikosongkan 23

37 BAB 3 METODE PENELITIAN Untuk melaksanakan penelitian ini, ada beberapa tahapan yang akan dilakukan untuk mewujudkan tujuan yang telah ditetapkan sebelumnya dengan menggunakan kajian secara eksperimental. Rancangan percobaan pada penelitian ini dibagi menjadi rancangan percobaan penelitian pendahuluan dan rancangan percobaan penelitian utama yang terintegrasi secara holistic dan kontinu. Didalam melakukan pengukuran terdapat dua metode pengukuran, yaitu pengukuran secara langsung (direct measurement) dan pengukuran tak langsung (indirect measurement). Metode pengukuran langsung (direct measurement) yaitu hasil pengukuran langsung dipresentasikan atau dibaca, sedangkan pengukuran tak langsung (indirect measurement) yaitu diperlukan suatu proses lebih lanjut untuk penjabaran atau interpretasi dan penalaran terhadap hasil pengukuran. Adapun tahapan-tahapan penelitian adalah sebagai berikut: 3.1 Desain Eksperimen Pada tahapan ini dilakukan pemodelan sistem penelitian yang akan dilakukan seperti pada gambar 3.1, untuk rancangan percobaan pendahuluan dalam rangka mendapatkan dimensi dan geometri yang sesuai dimana letak benda uji empat buah silinder sirkular berdiameter D = 25 mm yang susunanya in-line dengan pengganggu di bagian upstream. Wall-pressure tap diletakkan pada sisi upstream dan downstream test section untuk mendapatkan selisih tekanan yang terjadi. Wall-pressure tap pada sisi upstream berjarak 200 mm dari sumbu silinder utama, sedangkan pada sisi downstream berjarak 4D dari sumbu silinder upstream. Jarak antar silinder divariasikan dari L/D 1.5; 2; 2.5 dan Bilangan Reynolds yang digunakan 2.2 x10 4. Tambahan inlet disturbance body pada sudut stagger 30 0 dan 60 0 pada sisi upstream main bluff body untuk keseluruhan variasi rasio jarak L/D. 24

38 Gap 0.4 mm d L U, P 2 D 4 L y x 1 3 4D Pitot Tube Circular disturbance body Gambar 3.1. Skema susunan silinder sirkular in-line square 3.2. Peralatan Benda Uji 1. Silinder Sirkular Pada eksperimen ini silinder utama yang digunakan sebanyak empat buah, berikut spesifikasi dari geometri masing-masing silinder upstream dan downstream: Diameter = 25 mm Panjang = 125 mm Pressure tap = 2 lubang Bahan = Pipa PVC 2. Bluff Body Pengganggu Tipe = Polos Panjang = 125 mm Diameter = 4 mm 3. Wind Tunnel (Terowongan Angin) Eksperimen ini menggunakan wind tunnel untuk dapat menguji benda dalam skala model. Hal ini disebabkan karena pengukuran sebenarnya yang 25

39 cukup sulit dan membutuhkan biaya yang tidak sedikit. Oleh sebab itu, dibuatlah wind tunnel dengan pembuatan kondisi kondisi yang mendekati kenyataan, sehingga hasilnya cukup akurat dan memadai. Adapun wind tunnel yang digunakan pada eksperimen ini adalah wind tunnel jenis open circuit wind tunnel, dimana udara yang dialirkan dalam wind tunnel langsung dilepas ke udara bebas setelah melalui work section.wind tunnel ini bisa digolongkan sebagai wind tunnel subsonic. Spesifikasi Wind Tunnel : Jenis : Subsonic, open circuit wind tunnel Bentuk saluran uji : Penampang heksagonal Panjang : 600 mm Tinggi : 300 mm Lebar : 300 mm Wall-pressure tap : 4 lubang 3.3. Alat Ukur Untuk mendapatkan tekanan statis dan tekanan stagnasi, pada eksperimental ini menggunakan wall-pressure tap, pitot static tube dan tranducer tekanan berikut data aquisisi. A. Wall-pressure tap Wall-pressure tap yaitu lubang-lubang kecil berdiameter 1 mm yang terhubung pada manometer atau tranducer tekanan serta dipasang sepanjang kontur permukaan benda uji maupun saluran wind tunnel yang searah aliran dan tegak lurus terhadap permukaan. B. Pitot Tube Alat ini berfungsi untuk mengukur besarnya tekanan statis sekaligus tekanan stagnasi aliran di antara dan di belakang benda uji. C. Transducer Tekanan dan Data Aquisisi Tranducer tekanan dan data aquisisi yang digunakan untuk mengukur tekanan secara digital, hal ini dapat dilihat pada lampiran. 26

40 D. Inclined Manometer Alat ini berfungsi untuk mengukur tekanan yang diukur dengan pressure tap dan pitot static tube. Bentuk inclined manometer adalah V dengan sudut kemiringan 15 0 untuk membaca Δh yang terukur. Spesifikasi inclined manometer yang digunakan adalah sebagai berikut : Skala : 1 mm Fluida kerja : Red oil Toleransi : ± 0.5 mm Specific gravity red oil : E. Humidity dan Temperature Meter Adalah untuk mengukur kelembaban dan temperatur fluida kerja agar data yang didapatkan akurat. F. Filler Gauge Digunakan untuk mengukur celah antara sirkular silinder utama dengan batang pengganggu agar jaraknya tetap saat di pindahkan posisi sudutnya. G. Inverter Inverter adalah alat yang digunakan untuk mengatur kecepatan putaran blower, ada pun spesifikasi dari inverter seperti pada tabel 3.1 di bawah ini: Tabel 3.1. Spesifikasi Inverter Jenis Atribut Current Rating 4.8 A Nilai Atribut Series FVR - G5 Type Inverter Auto-Drive Voltage V ac Power Rating 1.5 kw/2 HP Dimensions H x W x D 390 x 235 x 235 mm Number of Phases 1 27

41 3.4. Prosedur Eksperimen Prosedur eksperimen adalah tahapan yang paling urgen dilakukan dalam penelitian ini untuk mendapatkan data-data kuantitatif yang kemudian diolah dan dianalisa dalam bentuk grafik. Langkah-langkah yang dilakukan dalam ekperimen ini sebagai berikut : Kalibrasi Tranduser Tekanan dan Data Aquisi Adapun peralatan yang dipergunakan pada proses kalibrasi ini adalah sebagai berikut : Manometer V Data Aquisisi DAQ PRO 5300 Pressure tranducer Pitot static tube Tahapan Kalibrasi Sebelum melakukan pengambilan data maka ada beberapa tahapan kalibrasi yang dilalui yaitu : a. Validasi tekanan dinamik 1. Pemasangan instalasi untuk keadaan free stream tanpa benda uji 2. Pitot static tube dipasang pada dinding yang tersambung pada manometer serta tranduscer 3. Pengaturan inverter dari Hz dengan interval 4 Hz 4. Diambil data manometer dan pressure tranducer untuk tekanan dinamik 5. Dari manometer didapatkan Δh (mm) dan dari Data Aquisisi didapatkan arus (ma) 6. Data-data yang telah diperoleh tersebut dibuatkan grafik Δh manometer dengan arus (i) sehingga diketahui pula hubungannya dengan sebuah formula. Berikut hasil yang diperoleh dalam validasi tekanan dinamik seperti pada grafik 3.1 berikut : 28

42 Grafik 3.1. Validasi hubungan bacaan manometer dengan arus pressure tranducer b. Validasi tekanan pada dinding Prosedur yang dilakukan untuk validasi tekanan: 1. Pemasangan instalasi untuk keadaan free stream tanpa benda uji 2. Wall-pressure tap disetiap sisi test section disatukan kemudian disambungkan ke manometer serta tranduscer. Data yang diperoleh merupakan tekanan ratarata dari 4 sisi test section 3. Pengaturan inverter dari Hz 4. Diambil data manometer dan pressure tranduser untuk tekanan statis 5. Dari manometer didapatkan Δh (mm) dan dari data aquisisi didapatkan arus (ma) 6. Data-data yang telah diperoleh tersebut dibuatkan grafik Δh manometer dengan formula. c. Pengambilan Data arus (i) sehingga diketahui pula hubungannya dengan sebuah Langkah-langkah dalam proses pengambilan data sebagai berikut: 1. Penataan peralatan dan pemasangan benda uji yang digunakan untuk eksperimental. 2. Pengukuran suhu udara didalam ruangan saat pengujian (temperatur, dan tekanan). Δh (mm) y = x R² = I (ma) 29

43 3. Set-up benda uji pada saluran wind tunnel, yaitu empat buah silinder sirkular berdiameter D = 25 mm dengan konfigurasi in-line dengan jarak L/D 1.5; 2 dan 2.5, kemudian batang pengganggu berdiameter d = 4 mm yang di letakkan pada sudut 30 0 untuk eksperimen pertama, dan untuk eksperimen kedua pada sudut 60 0 yang diletakkan di depan silinder upstream 4. Mengukur kesejajaran silinder dan dinding dengan water pass 5. Menghidupkan wind tunnel dan mengatur kecepatan secara perlahan agar mencapai kondisi steady 6. Pengukuran tekanan stagnasi dan tekanan statis dibagian tengah saluran uji yang terjadi pada wall pressure tap inlet dan outlet pada Re= 2.2 x Pengukuran tekanan disepanjang kontur permukaan silinder yang telah dipasang pressure tap dengan memutar silinder dari sudut 0 0 hingga dengan interval Pengukuran profil kecepatan dibelakang downstream silinder utama berjarak 4D dari centerline silinder. Pengambilan data ini dimulai dari tepi upper wall saluran uji hingga bagian lower dengan jarak pengambilan data setiap 5 mm. Pengukuran ini dilakukan guna memperoleh pola wake yang terbentuk dengan menggunakan pitot static tube Analisa Grup Tak Berdimensi Untuk Koefisien Tekanan Pada Silinder Untuk distribusi tekanan pada silinder dipengaruhi oleh beberapa parameter, oleh sebab itu perbedaan tekanan dapat dituliskan sebagai fungsi dari parameter parameter tersebut. Secara matematik dapat dituliskan sebagai berikut : P f (,, U, D, d, L,, h, s) Adapun parameter yang berpengaruh dalam penelitian ini pada tabel 3.2. berikut: 30

44 dimana : Table 3.2. Parameter yang berpengaruh No. Variabel Unit Dimensi 1. P Perubahan Tekanan 2 N M. L 2 m 2. Massa jenis udara 3 Kg M. L 3 m 3. Viskositas absolut udara 2 N. s M. L. T 2 m 4. 2 U = Kecepatan aliran m L. T 2 s 5. Jarak antara silinder utama dengan m L inlet disturbance body 6. D = Diameter silinder sirkular m L 7. d = Diameter inlet disturbance body m L 8. L = Jarak antara silinder upstream dengan silinder downstream 9. s = Jarak center to center antara inlet disturbance body dengan silinder utama 10. h = Tinggi center to center antara inlet disturbance body dengan silinder utama. P Perbedaan Tekanan (N/m 2 ) Dengan menggunakan Buckingham π-theorema dengan parameter berulang,, V dan D, diperoleh 7 grup tak berdimensi yaitu : P 1. 1, (koefisien tekanan) 2 U 2. 2 ( bilangan Reynolds) U.D d 3. 3, D (perbandingan diameter pengganggu dengan diameter silider sirkular 4. L 4, D (perbandingan jarak antara silinder upstream dengan silinder downstream) 5. s 5, D (perbandingan jarak inlet disturbance body dengan pusat silinder sirkular) h 6. 6, D (perbandingan tinggi inlet disturbance body dengan pusat silinder sirkular) m m m L L L 31

45 s 6 D s 7. 7, (perbandingan jarak inlet disturbance body h 7 D h dengan tinggi inlet disturbance body) Hubungan antar grup tak berdimensi adalah sebagai berikut : f,,,, , P d L h s 1,,,,,, 2 f U U D D D D D D Pada penelitian ini, 7 d ditentukan konstan, sedangkan sudut posisi dari inlet D disturbance body dan jarak rasio (L/D) antar silinder downstream atas dengan silinder downstream bawah di variasikan, untuk melihat perbandingan reduksi gaya hambat yang terjadi diantara variasi tersebut, sehingga diperoleh: P L f2, 2 U D koefisien pressure (Cp) pada silinder utama adalah, P Cp U L,. D f Hasil Percobaan dan Analisis Data : a. Dari hasil pengukuran diperoleh data sebagai berikut : 1. Perbedaan tekanan pada saluran sisi inlet dan outlet dari main bluff body 2. Distribusi tekanan pada tiap silinder b. Pengolahan data hasil pengukuran Dari hasil pengukuran selanjutnya akan diolah untuk menjelaskan berbagai fenomena fisis baik berupa data kuantitatif yaitu Cp, C DP maupun data kualitatif yaitu letak separasi massif, separasi bubble, wake region, vortex. Berikut metode perhitungan untuk mendapatkan nilai Koefisien tekanan (Cp), koefisien pressure drag (C DP ) 32

46 Tekanan statis adalah tekanan yang diukur melalui suatu instrumen atau alat yang bergerak bersama aliran dengan kecepatan relatif alat ukur terhadap aliran adalah nol. Pengukuran tekanan statis menggunakan wall pressure tap, mengingat bahwa tidak ada fluida ideal (nonviscous) di permukaan bumi ini sehingga kecepatan aliran fluida pada permukaan dinding akan menjadi nol. Tekanan stagnasi (tekanan total) adalah tekanan yang diukur pada daerah dimana aliran fluida diperlambat hingga nol dengan proses perlambatan tanpa gesekan. Persamaan Bernoulli dapat diterapkan pada aliran incompressible untuk sepanjang suatu streamline, yang dapat ditulis sebagai berikut : 2 p V 2 gz C 1. Pengukuran tekanan stagnasi (P o ) dimana kecepatannya (V o ) adalah nol dan z o = z maka persamaan Bernoulli di atas menjadi : po Vo P V 2 gz konstan konstan (3.1) 2. Tekanan dinamis merupakan selisih antara tekanan stagnasi dengan tekanan statis V po p (3.2) 2 3. Perhitungan koefisien tekanan (Cp) P Cp = 1 U Perhitungan koefisien drag (C D ) C D = F D 2 U A 5. Perhitungan koefisien pressure drag (C DP ) (3.3) Untuk mendapatkan nilai koefisien pressure drag yaitu dengan mengintegrasikan koefisien tekanan kontur permukaan silinder (Cp) ; (3.4) 33

47 C Dp = ( ) ( ) (3.5) 6. Perhitungan Intensitas Turbulen Intensitas turbulensi adalah perbandingan antara standar deviasi dan nilai rata-rata kecepatan fluida. Turbulensi dapat dianggap sebagai aliran fluida yang berfluktuasi dan merupakan sifat fluida yang sangat penting. Turbulensi juga dapat dinyatakan dengan intensitas turbulensi yang didefinisikan sebagai perbandingan akar kuadrat (root mean square) dari fluktuasi kecepatan u terhadap kecepatan rata rata u avg. Adapun persamaan dari intensitas turbulen (IT) sebagai berikut : x 100 %. (3.6) 34

48 bawah ini: Adapun skema penelitian yang akan dilakukan seperti pada gambar 3.2 di Start Perumusan Masalah Persiapan Peralatan dan Bahan Uji Referensi: 1. Prosiding,jurnal 2. Thesis/ Desertasi 3. Books/ebook 4. Paper 5. Petunjuk Praktikum Eksperimen dan Pengambilan Data Studi Pustaka Analisa Data Pembahasan dan Kesimpulan End Gambar 3.2. Flow chart penelitian 35

49 Adapun jadwal penelitian dapat dilihat pada tabel 3.3 berikut : Tabel 3.2 Jadwal Penelitian SCEDULLE PENELITIAN NO JENIS KEGIATAN NOV. '13 DES. '13 JAN.'14 FEB. '14 MARET '14 APRIL '14 MEI '14 JUNI '14 1 Studi pustaka 2 Penulisan Bab Persiapan bahan dan alat pengujian 4 Pembuatan benda uji 5 Setup pengujian 6 Kalibrasi alat ukur 7 Pengambilan data eksperimen 8 Pengolahan data dan analisis eksperimen 9 Penulisan Bab Ujian Sidang 36

50 Halaman ini sengaja dikosongkan 37

51 BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN Pada bagian ini akan dijelaskan secara komprehensif dan sistematis hasilhasil yang diperoleh dari kajian eksperimental untuk menjelaskan karakteristik interaksi aliran fluida melintasi empat buah main bluff body dengan susunan in line dan modifikasi penambahan empat buah inlet disturbance body silinder sirkular. Adapun kajian eksperimental yang disajikan adalah data hasil pengukuran arus pada instrumen benda uji main bluff body silinder sirkular baik pengukuran tanpa inlet disturbance body maupun dengan tambahan inlet disturbance body pada rasio jarak L/D yang selanjutnya diolah menjadi parameter tekanan, pengukuran tekanan statis dan tekanan stagnasi free stream baik didepan maupun dibelakang main bluff body yang tersusun in-line, serta pengukuran intensitas turbulen pada saluran kosong wind tunnel. Dari hasil riset ini data kuantitatif lainnya diolah dengan melakukan integrasi numerik dengan menggunakan persamaan untuk memperoleh nilai distribusi koefisien tekanan (Cp) kontur, koefisien drag (C D ) dan profil kecepatan di daerah wake. Momentum fluida yang telah terseparasi dari kontur permukaan silinder akan menghasilkan defisit momentum pada daerah downstream bluff body atau dikenal dengan wake. Sistematika penulisan pada bab ini secara garis besar adalah membahas hasil dan analisa fenomena aliran melintasi empat buah silinder sirkular tersusun in line tanpa penambahan inlet disturbance body, yang didahului dengan analisa intensitas turbulensi pada saluran kosong, kemudian dilanjutkan dengan pembahasan hasil dan analisa karakteristik aliran akibat pengaruh penambahan inlet disturbance body pada masing-masing konfigurasi serta distribusi koefisien tekanan silinder upstream dan silinder downstream yang menjadi topik utama dalam kajian ini. 38

52 4.1. Intensitas Turbulensi Pada Saluran Kosong Karakteristik aliran yang menjadi pokok analisa dan pembahasan pada sub bab ini adalah itensitas turbulensi yang terdapat pada saluran kosong pada bilangan Reynolds 2.2 x Nilai intensitas turbulensi pada penelitian ini diperoleh dari perbandingan antara fluktuasi kecepatan dan kecepatan rata-rata pada saluran kosong (tanpa model uji) dengan menggunakan instrument alat ukur berupa static tube yang diletakkan pada center line test section. Eksperimen ini menggunakan wind tunnel yang memiliki test section berupa saluran sempit berpenampang hexagonal. Dari hasil pengukuran kemudian dilakukan pengolahan data fluktuasi kecepatan dengan mengkonversi nilai tekanan dinamis dengan mengunakan persamaan dibawah ini: P D = U 1. (4.1) 2 redoil 2 udu 1. g. h udu. (4.2) redoil ud. g. h. (4.3) Oleh karena nilai intensitas turbulensi adalah perbandingan antara nilai kecepatan rata-rata fluida dengan standar deviasi yang diambil pada satu titik pengukuran maka pengolahannya menggunakan persamaan (3.6), dan untuk nilai fluktuasi kecepatan yang diperoleh dari standar deviasi diolah dengan menggunakan persamaan berikut: ' u ( U U n n ) 2. (4.4).dimana n adalah banyaknya data yang diambil dalam riset, adapun banyaknya data yang diambil adalah 2000 data per detik dan pengambilan data dilakukan selama 32 detik yang menghasilkan data. Hasil pengolahan data distribusi intensitas turbulensi dapat dilihat pada gambar 4.1 berikut ini: 39

53 Grafik 4.1 Distribusi Intensitas Turbulensi Saluran Kosong Berdasarkan gambar 4.1 di atas, diperoleh nilai intensitas turbulensi pada saluran kosong wind tunnel pada bilangan Reynolds 2.2 x 10 4 adalah 1.56% dengan kecepatan rata-rata m/s. 4.2 Karakteristik Aliran Melintasi Silinder Tanpa IDB Distribusi Koefisien Tekanan pada Kontur Silinder Tanpa IDB Pada sub bab ini menampilkan data kuantitatif meliputi distribusi koefisien tekanan pada kontur main bluff body susunan in-line square dengan variasi L/D 1.5; 2; 2.5 beserta profil kecepatan di belakang konfigurasi in-line. Hal ini ditampilkan dalam pembahasan awal dengan maksud untuk mengetahui fenomena evolusi aliran melintasi empat buah silinder sirkular yang tersusun in-line sampai terbentuknya separation bubble, maupun massive separation pada kontur masing-masing benda uji tersebut, selain itu menjadi bahan komparasi dengan bluff body susunan in-line dengan tambahan bodi pengganggu yang diperoleh dari penelitian ini. Perkembangan boundary layer pada konfigurasi tanpa pengganggu adalah dasar pijakan utama dalam menganalisis evolusi aliran yang terjadi pada silinder main bluff body dengan modifikasi geometri tambahan empat buah inlet 40

54 disturbance body yang diposisikan pada sudut 30 0 maupun pada sudut 60 0 dan pada bilangan Reynolds yang konstan yaitu 2.2 x Karakteristik dan distribusi koefisien tekanan pada kontur silinder 1 upstream bawah dan silnder 2 upstream atas dapat dilihat pada gambar 4.2 di bawah ini: (a) (b) Grafik 4.2. Distribusi Koefisien Tekanan (Cp) Silinder Upstream Tanpa IDB (a) Silinder 1; (b) Silinder 2 L/D 1.5; L/D 2 ; L/D

55 Grafik distribusi koefisien tekanan memberikan informasi tentang evolusi aliran yang melintasi permukaan lengkung silinder 1 dan 2 upstream tanpa inlet disturbance body (gambar 4.2 (a) dan (b) hingga terjadinya akselerasi maksimum, daerah terjadinya deselarasi serta daerah base pressure (daerah bertekanan konstan atau telah terjadi separasi masif), pada gambar 4.2 di atas menunjukkan tren grafik hampir mempunyai karakter yang sama untuk keseluruhan variasi jarak L/D, namun berbeda pada titik stagnasi seiring bertambahnya jarak L/D. Dari gambar 4.2 (a) di atas diperoleh titik stagnasi untuk keseluruhan variasi L/D pada sudut kontur θ = 0 0 yang ditandai oleh nilai nilai Cp sebesar 1, namun yang berbeda dari ketiga variasi ini adalah titik stagnasi pada variasi L/D 1.5 dimana nilai Cp menurun secara signifikan dibanding stagnasi pada L/D 2 dan L/D 2.5 yang berangsur-angsur menurun hingga terjadi akselerasi maksimum untuk L/D 1.5 pada sudut θ = ± 90 0 di sisi upper side, L/D 2 pada sudut θ = ± 85 0 di sisi upper side dan L/D 2.5 pada sudut θ = ± 80 0 serta pada sisi lower side masing-masing pada sudut θ = ± ; θ = ± dan θ = ± Setelah itu tekanan cenderung meningkat karena harus melawan adverse pressure dan friksi seperti yang terlihat pada grafik Cp, hingga aliran tidak mampu melawan adverse pressure dan friksi yang menyebabkan terjadinya separasi. Adapun titik separasi untuk masing masing variasi berbeda-beda yaitu untuk L/D 1.5 titik separasi pada sudut di sisi upper side dan disisi lower side pada sudut 290 0, selanjutnya untuk L/D 2 titik separasi berada pada sudut sisi upper side dan sudut untuk sisi lower side, serta untuk rasio jarak L/D 2.5 titik separasi berada pada sudut dan sudut Perbedaan dari masing-masing variasi jarak terlihat pada base pressure. Nilai base pressure terendah pada jarak L/D 2.5 dan nilai tertinggi pada jarak L/D 1.5. Sebagaimana ditunjukkan pada gambar 4.2 diatas memberikan informasi mengenai fenomena timbal balik (separation reattachment), diawali dari leading edge hingga berakhir pada trailing edge. Effect source dari main bluff body (silinder sirkular) pada jarak L/D1.5 menunjukkan nilai base pressure yang tertinggi sehingga luasan wake yang besar, fenomena ini sangat menarik karena hal ini mengindikasikan bahwa rasio jarak sangat mempengaruhi evolusi aliran 42

56 dimana pada rasio jarak L/D 1.5, geometri bluff body terlingkupi secara penuh oleh aliran fluida. Pada gambar di atas 4.2 (b) untuk silinder 2 setelah titik stagnasi pada sudut kontur θ = 0 0 pada rasio jarak L/D = 1.5, dimana titik stagnasi ditunjukkan oleh nilai Cp sebesar 1 kemudian aliran mengalami percepatan yang ditandai dengan grafik Cp yang menurun secara signifikan hingga mencapai nilai Cp yang terendah, dengan menurunnya grafik koefisien tekanan secara drastis maka nilai Cp yang paling rendah mengindikasikan terjadinya akselerasi maksimum. Pada silinder 2 (upper side), akselerasi maksimum terjadi pada sudut θ = 65 0 di sisi upper side dan pada sudut θ = di sisi lower side. Pada variasi L/D = 2, stagnation point pada sudut 0 0 dan akselerasi maksimum terjadi pada sudut θ = 85 0 di sisi upper side dan pada sudut θ = di sisi lower side serta untuk L/D = 2.5, stagnation point terjadi pada sudut kontur θ = 0 0, kemudian akselerasi maksimum terjadi pada sudut θ = 60 0 di sisi upper side dan pada sudut θ =280 0 di sisi lower side. Selanjutnya tekanan cenderung meningkat disebabkan karena harus melawan adverse pressure dan friksi seperti yang terlihat pada tren grafik Cp, hingga aliran tidak mampu melawan adverse pressure dan friksi yang menyebabkan terjadinya separasi massif untuk L/D 1.5 pada sudut θ = 80 0 sisi upper side dan sudut pada sisi lower side, untuk variasi L/D 2 fenomena titik separasi pada sudut θ = 85 0 pada sisi upper side dan sudut pada sisi lower side, kemudian pada jarak L/D 2.5 separation point terjadi pada sudut kontur 70 0 pada sisi upper side dan sudut pada sisi lower side. Dari tren grafik pola aliran yang terdistribusi pada keseluruhan variasi rasio jarak L/D mempunyai karakter yang sama untuk silinder 1 dan 2 upstream sehingga riset ini mempunyai tren grafik yang sama pula dengan penelitian yang telah dilakukan oleh Lam dan Zou Dengan demikian kedua bentuk penelitian tersebut akan saling melengkapi untuk menjawab keinginan yang telah dirumuskan pada tujuan penelitian pada bab sebelumnya. 43

57 Distribusi koefisien tekanan pada kontur permukaan silinder downstream yang tersusun in-line tanpa inlet disturbance body yaitu silinder 3 dan silinder 4 pada gambar 4.3 di bawah ini : (a) (b) Grafik 4.3. Distribusi Koefisien Tekanan (Cp) Silinder Downstream Tanpa IDB (a) Silinder 3 dan (b) Silinder 4 L/D 1.5; L/D 2 ; L/D

58 Dari gambar grafik 4.3 (a) di atas dengan susunan in-line square tanpa IDB terlihat evolusi perubahan tekanan sepanjang kontur pemukaan silinder, dari daerah stagnasi sampai posisi akselerasi maksimum, hingga momentum fluida mengalami separasi masif. Hasil eksperimental menunjukkan bahwa hasil kuantitatif dari distribusi koefisien tekanan (Cp) terdapat perbedaan nilai yaitu pada kontur permukaan silinder 4 downstream bernilai negatif untuk seluruh rasio jarak L/D. Hal ini mengindikasikan bahwa adanya re-attachment dari free shear layer dan separasi terjadi pada silinder upstream, sehingga pattern (pola) aliran pada silinder downstream akan berubah seiring dengan bertambahnya L/D, hal ini disebabkan karena silinder downstream masih terlingkupi oleh wake silinder upstream. Sebagaimana yang disampaikan oleh Alam, dkk (2003) maupun Lam dan Zou (1994) telah menginformasikan bahwa adanya peak pada upper side dan lower side menandakan bahwa shear layer silinder upstream mengalami reattachment pada permukaan silinder downstream kemudian shear layer terbagi menjadi backward shear layer (BSL) yang mengalir ke arah downstream dan forward shear layer (FSL) mengalir ke arah silinder upstream. Coefficient of pressure pada silinder 3 downstream menunjukkan perubahan yang signifikan dengan berubahnya L/D. Trend grafik untuk upper side silinder dengan L/D 1.5, backward shear layer mengalami percepatan hingga sudut 15 0, kemudian terjadi akselerasi maksimum pada sudut 60 0 dan selanjutnya mengalami perlambatan hingga terseparasi pada sudut 70 0 yang disebut sebagai backward separation position (BSp) sedangkan forward shear layer mengalami percepatan dan langsung terseparasi disebut sebagai forward separation position (FSp). Keberadaan peak pada distribusi koefisien tekanan di sisi lower side silinder pada kisaran sudut 290, hal ini mengindikasikan adanya re-attachment pada kontur permukaan sisi lower side silinder 3. Dua peak yang terbentuk pada rasio jarak ini, selain pengaruh re-attachment juga disebabkan oleh tingkat turbulensi aliran yang tinggi pada jarak yang sempit. Adanya re-attachment tersebut diakibatkan oleh blockage effect yang ditimbulkan oleh dinding. Pada silinder 3, blockage effect akan menyebabkan aliran disisi lower side (celah) cenderung terbelokkan dan re-attach pada daerah tersebut. Sedangkan pada silinder 4, fenomena re-attachment ini diduga akibat 45

59 adanya interfensi wake dari silinder upstream sehingga aliran cenderung terbelokkan pada sisi lower side silinder. Nilai negatif pada distribusi koefisien tekanan (Cp) pada silinder 3 dan silinder 4 disebabkan oleh wake dari silinder 1 dan silinder 2 yang melingkupi kedua silinder downstream tersebut. Pada rasio jarak L/D 2 maupun pada rasio L/D 2.5 pada gambar 4.3 (a) tren grafik hampir menyerupai tren grafik silinder L/D 1.5. Namun evolusi aliran dari ketiga variasi L/D tersebut mempunyai karakter yang sangat berbeda baik dari titik re-attachment untuk upper side maupun lower side. Sedangkan separasi BSL terjadi pada sudut yang berbeda-beda untuk upper side dan lower side. Evolusi aliran yang terjadi pada variasi jarak L/D 2 menunjukkan bahwa setelah titik stagnasi nilai aliran mengalami percepatan yang ditandai dengan grafik Cp yang menurun hingga mencapai harga Cp yang terendah, Cp yang paling rendah mengindikasikan terjadinya akselerasi maksimum. Akselerasi maksimum terjadi pada sudut θ = ± 85 0 di sisi upper side dan sudut θ = ± di sisi lower side kemudian mengalami re-attachment yang ditandai dengan adanya peak pada sudut dan selanjutnya aliran mengalami percepatan kembali yang ditandai dengan nilai Cp menurun hingga mencapai akselerasi maksimum pada sudut 200 0, kemudian aliran mengalami perlambatan yang ditandai dengan terjadinya separasi pada sudut di sisi upper side dan sudut di sisi lower side. Untuk variasi rasio jarak L/D 2.5 pada gambar 4.3 (a) menunjukkan setelah mengalami stagnasi yang ditandai nilai Cp menurun sesaat, namun kemudian aliran mengalami tiga kali re-attachment yang ditandai dengan terbentuknya peak pada sudut 30 0 dan sudut 135 0, kemudian aliran mengalami percepatan hingga mencapai sudut dan setelah itu tekanan cenderung meningkat karena harus melawan adverse pressure dan friksi seperti yang terlihat pada grafik Cp, hingga aliran tidak mampu melawan adverse pressure dan friksi sehingga menyebabkan terjadinya separasi pada sudut pada sisi upper side dan sudut pada sisi lower side. Dari gambar 4.3 (b) silinder 4 untuk upper side silinder dengan L/D 1.5, mengalami re-attachment hingga sudut 30 0 dan langsung terseparasi disebut 46

60 sebagai forward separation position (FSp). dan backward shear layer mengalami percepatan hingga sudut 65 dan mengalami perlambatan kemudian terseparasi pada sudut 120 yang disebut sebagai backward separation position (BSp). Sedangkan pada lower side, kemudian mengalami akselerasi maksimum pada sudut serta mengalami re-attachment pada sudut 320 0, BSL terseparasi pada sudut 110 dan sudut Untuk L/D 2, tren grafik hampir menyerupai tren grafik silinder 3, namun titik re-attachment belum tepat pada sudut 0, melainkan pada sudut 65 untuk upper side dan 320 lower side. Sedangkan separasi BSL terjadi pada sudut 135 untuk upper side dan 235 untuk lower side. Untuk variasi L/D 2.5 mengalami re-attachment pada sudut 55 0 untuk upper side dan sudut sisi lower side, kemudian terseparasi pada sudut 90 pada sisi upper side dan sisi lower side pada sudut yang disebut sebagai backward separation position (BSp) Distribusi Profil Kecepatan Pada Silinder Tanpa IDB Pada bagian ini ditampilkan profil kecepatan maksimum thickness maupun pada daerah wake, di belakang konfigurasi silinder untuk berbagai variasi pada gambar 4.4 di bawah ini yang diperoleh dari instrumen pengukuran secara eksperimen. Hasil distribusi profil kecepatan menunjukkan bahwa konfigurasi silinder in-line tanpa IDB pada jarak L/D 1.5 terjadi defisit momentum yang terbesar ditandai dengan nilai V/Vmaks yang paling rendah dibandingkan dengan variasi jarak L/D yang lain, fenomena profil kecepatan ini memberikan harga pada kontur permukaan silinder pada posisi maximum thickness yang bentuknya cenderung lebih fuller, hal tersebut mengindikasikan bahwa pada posisi itu aliran lebih turbulen, namun demikian informasi tersebut menjadi salah satu hal yang dipertimbangkan untuk melihat sejauh mana perubahan transisi aliran dari laminar boundary layer hingga menjadi turbulent boundary layer, sedangkan pada jarak yang lebih sempit wake yang terjadi dari silinder upstream yang melingkupi silinder downstream, luasan wake tersempit terjadi pada jarak L/D 2. Wake yang sempit atau defisit momentum yang kecil menunjukkan bahwa separasi masif lebih tertunda ke belakang. 47

61 Gambar 4.4. Grafik Profil Kecepatan Tanpa IDB Grafik 4.4. Profil Kecepatan Tanpa IDB L/D 1.5; L/D 2 ; L/D 2.5 Dengan semakin bertambahnya rasio jarak maka profil kecepatan yang terbentuk di belakang silinder menjadi semakin besar, hal ini disebabkan karena semakin besar jarak rasio silinder maka semakin banyak pula aliran yang dapat melalui celah antara silinder sehingga kecepatan aliran di belakang silinder semakin besar dan fenomena luasan wake dibelakang empat buah silinder susunan in-line semakin jelas terbentuk sebagaimana ditunjukkan oleh gambar 4.4 di atas untuk L/D 2 dan L/D Karakteristik Aliran Melintasi Silinder Dengan IDB Analisa Fenomena Distribusi Koefisien Tekanan pada Kontur Silinder Pada IDB 30 0 Pokok bahasan pada bagian ini akan menguraikan fenomena evolusi aliran yang terjadi pada kontur permukaan empat buah silinder sirkular dengan konfigurasi in-line dan tambahan modifikasi empat buah bodi pengganggu yang ditempatkan pada sudut 30 0 dan 60 0 di depan silinder main bluff body, yang diolah dari data pengukuran hasil kajian eksperimental. Topik bahasan pada sub bab ini adalah sejauh mana pengaruh penambahan bodi pengganggu terhadap evolusi 48

62 aliran yang dinyatakan dengan distribusi koefisien tekanan (Cp) untuk menggambarkan secara detail perkembangan aliran pada lapis batas dari leading edge hingga trailing edge silinder sirkular, hingga akhirnya aliran terseparasi masif. Distribusi koefisien tekanan (Cp) dari silinder sirkular hasil eksperimental akan dibandingkan dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Alam, dkk (2003) serta Lam dan Zou (1994) untuk meyakini bahwa pada bilangan Reynolds (Re) = 2.2 x 10 4 diperoleh hasil pengukuran yang memiliki tingkat akurasi data yang baik sehingga riset ini dapat memperkaya ilmu pengetahuan serta mampu menjawab tantangan dalam dunia industri. Sesuai gambar grafik distribusi koefisien tekanan (Cp) yang ditunjukkan oleh gambar 4.5 (a) dan (b) berikut, tampak bahwa transisi lapis batas laminar hingga berubah menjadi turbulen yang diindikasikan dengan akselerasi yang mencapai maksimum hingga akhirnya terseparasi masif untuk masing-masing variasi L/D. (a) 49

63 (b) Gambar 4.5. Distribusi Koefisien Tekanan (Cp) Silinder Upstream Pada IDB 30 0 ; (a) Silinder 1 dan (b) Silinder 2 L/D 1.5; L/D 2 ; L/D 2.5 Pada gambar 4.5. (a) dan (b) silinder upstream dengan inlet disturbance body 30 0 di atas menunjukkan konsistensi pada trend dari grafik namun sedikit berbeda dalam hal nilai kuantitatif, pada bagian ini akan dijelaskan interaksi aliran fluida melintasi upstream disturbance body dengan susunan in-line. Pada variasi L/D 1.5, titik stagnasi koefisien tekanan silinder upstream tepat pada sudut 0 0, setelah itu aliran mengalami percepatan yang tidak terlalu signifikan seperti pada gambar 4.5 (a), pasca stagnasi terjadi akselerasi yang ditandai dengan nilai Cp berangsur-angsur menurun, hingga terjadi akselerasi maksimum pada sudut θ = ± 70 0 di sisi upper side dan ± di sisi lower side. Hal ini disebabkan adanya celah antara IDB dan permukaan silinder sehingga aliran mengalami hambatan, oleh karena adanya mixing shear layer antara bodi pengganggu dengan kecepatan freestream sehingga menyebabkan aliran attach ke silinder main bluff body, hingga aliran memiliki energi kembali untuk melawan adverse pressure dan friksi. Fenomena ini disebut reattachment yang ditandai dengan adanya peak (puncak) yakni pada sudut kontur ± 80 0 pada sisi upper side 50

64 dan ± pada sisi lower side. Kemudian koefisien tekanan cenderung turun hingga pada titik minimum. Setelah itu tekanan cenderung meningkat karena harus melawan adverse pressure dan friksi seperti yang terlihat pada grafik Cp, hingga aliran tidak mampu melawan adverse pressure dan friksi yang menyebabkan terjadinya separasi. Titik separasi terjadi pada sudut θ = ± pada sisi upper side dan ± pada sisi lower side. Fenomena evolusi aliran untuk variasi L/D 2 seperti yang ditunjukkan oleh gambar 4.5 (a) grafik distribusi koefisien tekanan silinder 1 dengan penambahan bodi pengganggu, stagnation point pada sudut 0 0 dan nilai Cp berangsur-angsur turun hingga mencapai akselerasi maksimum sudut 40 0 sisi upper side dan sudut sisi lower side. Kemudian karena adanya mixing shear layer antara bodi pengganggu dengan kecepatan freestream menyebabkan aliran attach ke silinder main bluff body, hingga aliran memiliki energi kembali untuk melawan adverse pressure dan friksi, fenomena ini disebut reattachment yang ditandai dengan adanya dua peak (puncak). Letak puncak (peak) pertama pada sudut 60 0 dan kedua pada sudut 95 0 pada sisi upper side. Kemudian koefisien tekanan cenderung turun hingga pada titik minimum, hal ini menandakan daerah akselerasi maksimum. Letak akselerasi maksimum seperti dijelaskan di atas, Setelah itu tekanan cenderung meningkat karena harus melawan adverse pressure dan friksi seperti yang terlihat pada grafik Cp, hingga aliran tidak mampu melawan adverse pressure dan friksi yang menyebabkan terjadinya separasi, titik separasi pada sudut sisi upper side dan sudut lower side. Untuk L/D 2.5 mempunyai tren grafik yang sama pula seperti yang ditunjukkan oleh gambar 4.5 (a), namun yang berbeda hanya pada titik akselerasi maksimum 45 0 lower side dan pada sisi upper side, serta re-attachment ditandai dengan terbentuknya peak pada sudut 60 0 dan Berdasarkan gambar 4.5 (a) terjadi fenomena separasi bubble pada sudut dimana aliran setelah melewati silinder penganggu, fenomena separasi bubble inilah yang menyebabkan distribusi koefisien tekanan menghasilkan reattachment, separasi bubble ini terjadi karena adanya mixing shear layer dari 51

65 silinder pengganggu dengan freestream flow menyebabkan aliran reattach ke silinder main bluff body. Pada gambar grafik 4.5 (b) untuk silinder 2 tren grafik sama dengan gambar 4.5 (b), untuk L/D 1.5 titik separasi pada sudut 0 0 begitu pula untuk variasi jarak yang lain, yang berbeda adalah terbentuknya peak. Peak yang terbentuk pada variasi L/D 1.5 silinder 2 terdapat satu peak berada pada sisi upper side dengan sudut 55 0 upper side dan sudut lower side, sedangkan peak yang terbentuk pada L/D 2 yaitu pada sudut pada sisi lower side sedangkan pada variasi L/D 2.5 peak pada sudut sisi lower side. Pada penelitian sebelumnya tidak ditemukan penjelasan terbentuknya fenomena peak yang berbeda pada setiap variasi akan tetapi diyakini bahwa dengan adanya modifikasi penambahan empat buah bodi pengganggu pada riset ini sangatlah besar pengaruhnya terhadap evolusi aliran, hal ini mengindikasikan bahwa fenomena pola aliran dipengaruhi oleh rasio jarak, blockage effect dan bilangan Reynolds terhadap distribusi kecepatan rata-rata dan pola aliran yang terbentuk akibat efek interfensi aliran melewati silinder sirkular tersusun in-line. Dari keseluruhan grafik koefisien tekanan dengan tambahan bodi pengganggu pada sudut 30 0 kecenderungan trend grafik secara substansial hampir sama untuk keseluruhan variasi yang di uji, akan tetapi sedikit berbeda pada peak yang terbentuk untuk setiap variasi sehingga fenomena ini sangatlah menarik untuk dikaji. Pada variasi L/D 1.5 tampak dari grafik distribusi terbentuknya peak cenderung sama yaitu satu pada sisi upper side dan satu pada sisi lower side, hal ini mengindikasikan bahwa distribusi koefisien tekanan melingkupi secara penuh pada kedua silinder downstream atau struktur aliran yang terbentuk di belakang silinder 1 dan 2 tidak membias sehingga struktur wake dari silinder 3 dan 4 downstream membentuk struktur gabung, namun tidak demikian yang terjadi pada variasi L/D 2, oleh karena rasio jarak yang bertambah dan Reynolds yang tinggi 2.2 x 10 4 maka transformasi pola aliran yang terjadi pada silinder 1 menunjukkan struktur aliran membias ke sisi atas dan sebagian aliran menuju silinder 3 downstream. Defleksi aliran yang terjadi pada jarak gap yang mulai membesar hal ini mengindikasikan bahwa terjadinya re-attachment berasal dari separasi shear 52

66 layer silinder 1. Namun adanya momentum aliran yang lebih besar dari momentum aliran yang terseparasi dan adanya pengaruh wake dari IDB, menyebabkan shear layer yang terlepas mengalami re-attachment pada permukaan silinder upstream yang ditandai dengan adanya peak yang pertama pada sudut kontur Kemudian aliran mengikuti kontur permukaan silinder kembali yang ditandai penurunan tekanan dan selanjutnya terbentuk peak yang kedua pada sudut kontur 95 0, setelah terbentuknya dua buah peak aliran kembali mengikuti kontur permukaan silinder yang ditandai dengan penurunan tekanan hingga terjadi separasi. Untuk variasi L/D 2.5 secara substansial evolusi yang terbentuk sama dengan variasi L/D 2, namun yang berbeda hanya pada terbentuknya peak. Distribusi koefisien tekanan pada kontur permukaan silinder downstream untuk susunan silinder in-line dengan IDB 30 pada gambar 4.6 berikut : (a) 53

67 (b) Grafik 4.6. Distribusi Koefisien Tekanan (Cp) Silinder Downstream Dengan IDB 30 0 ; (a) Silinder 3 dan (b) Silinder 4 L/D 1.5; L/D 2 ; L/D 2.5 Koefisien tekanan pada kontur permukaan silinder downstream dengan tambahan inlet disturbance body pada sudut 30 0 seperti pada gambar 4.6 di atas bernilai negatif untuk keseluruhan variasi jarak antar silinder 1.5 L/D 2.5. Pada gambar 4.6 (a) distribusi koefisien tekanan menunjukkan bahwa silinder downstream masih terlingkupi wake silinder upstream. Adanya peak pada grafik menandakan bahwa shear layer yang terpisah dari silinder upstream mengalami re-attachment pada permukaan silinder downstream. Pengaruh wake silinder upstream terhadap silinder downstream mulai berkurang seiring bertambahnya rasio jarak antar silinder. Rasio jarak L/D 1.5 pada gambar 4.6 (a), titik attachment berada pada titik 0, kemudian aliran mengalami percepatan hingga mencapai kecepatan maksimum pada sudut 80 untuk variasi L/D 2.5. Setelah mencapai kecepatan maksimum, aliran fluida mengalami perlambatan dan mengalami separasi pada sudut 135. backward shear layer mengalami percepatan hingga sudut 155 dan mengalami perlambatan kemudian terseparasi 54

68 pada sudut 250 yang disebut sebagai backward separation position (BSp) sedangkan forward shear layer mengalami percepatan hingga sudut 30 Sedangkan pada lower side, FSL terseparasi pada sudut 350 dan BSL terseparasi pada sudut 220. Pada rasio jarak L/D 2 gambar 4.6 (a) menunjukkan distribusi koefisien tekanan silinder 3 mengalami re-attachment aliran yang terbagi menjadi forward shear layer yang kemudian terseparasi pada sisi depan silinder (FSp) dan backward shear layer yang terseparasi pada sisi belakang silinder (BSp). Namun, titik re-attachment belum tepat pada sudut 0, melainkan sudut 30 untuk upper side dan 345 untuk lower side, dan peak yang terbentuk pada sudut Untuk L/D 2.5 gambar 4.6 (a) ttitik re-attachment pada sudut 30 0 yang ditandai oleh peak pada sudut 130 0, kemudian terseparasi pada sudut sisi upper side dan sudut untuk sisi lower side. Fenomena re-attachment kembali yang di tandai dengan fenomena peak, hal ini menunjukkan bahwa semakin bertambah rasio jarak silinder upstream dan dowmstream, maka pengaruh wake dari silinder upstream semakin berkurang. Pada gambar 4.6 (b) silinder 4 tren grafik sama dengan silinder 3, pada rasio jarak L/D 1.5 ttitik re-attachment pada sudut 25 0 upper side dan pada sisi lower side dan terseparasi pada sudut posisi upper side untuk posisi lower side dan peak pada sudut Selanjutnya untuk rasio jarak L/D 2 re-attachment pada sudut 5 0 upper side dan pada sisi lower side serta peak yang terbentuk pada sudut 60 0 dan sudut 330 0, begitu pula halnya dengan peak yang terbentuk pada L/D 2.5 berada pada sudut 55 0 upper side dan sudut pada sisi lower side. Untuk titik separasi pada rasio jarak L/D 2 pada sudut upper side dan sudut lower side, selanjutnya titik separasi pada rasio jarak L/D 2.5 berada pada sudut upper side serta sudut lower side. Pada bagian berikut ini akan diuraikan profil kecepatan susunan silinder inline dengan penambahan upstream inlet disturbance body pada sudut 30 0 seperti pada gambar 4.7 di bawah ini : 55

69 Grafik 4.7. Profil Kecepatan dengan IDB 30 0 L/D 1.5; L/D 2 ; L/D 2.5 Hasil distribusi profil kecepatan dari hasil riset menunjukkan bahwa konfigurasi silinder susunan in-line square dengan tambahan IDB 30 0, ditinjau dari profil kecepatan diantara silinder terlihat bahwa sisi celah susunan in-lined harga defisit momentumnya semakin berkurang seiring dengan bertambahnya variaisi L/D. Pada jarak L/D 1.5 terjadi defisit momentum yang terbesar ditandai dengan nilai V/Vmaks yang paling rendah yaitu sekitar Hal ini disebabkan karena aliran yang melintasi silinder upstream melingkupi silinder downstream sehingga pada jarak yang sempit wake yang terjadi dari silinder upstream melingkupi silinder downstream, untuk lebar wake tersempit terjadi pada jarak L/D Analisis Distribusi koefisien pressure drag silinder dan koefisien drag pada IDB 30 0 Berdasarkan grafik distribusi koefisien tekanan (Cp) pada gambar 4.5 dan 4.6, selanjutnya dapat diolah untuk mendapatkan koefisien pressure drag (C Dp ) silinder sirkular yang tersusun in-line dengan mengintegrasikan secara numerik dengan menggunakan persamaan. Informasi lainnya tentang interaksi aliran antara fluida dengan silinder sirkular yang tersusun in-line dengan modifikasi empat buah bodi pengganggu dan gaya hambat yang dihasilkan dari hasil pengukuran. Profil kecepatan pada 56

70 gambar 4.7 tersebut merupakan indikasi terjadinya defisit momentum, ketika aliran fluida melintasi sekelompok bluff body maupun dalam susunan tertentu. Selisih defisit momentum aliran fluida pada sisi upstream dan downstram dapat digunakan untuk menghitung koefisien drag total. Secara keseluruhan pada berbagai rasio jarak L/D, defisit momentum di belakang silinder sirkular yang tersusun in-line square dengan tambahan bodi pengganggu 30 0 akan berkurang seiring dengan bertambahnya rasio jarak L/D, hal tersebut dapat digunakan untuk memberikan kesimpulan awal bahwa reduksi gaya hambat yang ditandai dengan defisit momentum yang kecil atau daerah wake yang sempit di belakang silinder sirkular. Wake ini adalah salah satu indikasi gaya hambat yang dihasilkan oleh silinder sirkular, jika daerah wake sempit maka gaya hambat kecil dan sebaliknya jika luasan wake besar maka gaya hambat yang dihasilkan juga besar. Defisit momentum yang terlihat pada gambar 4.7 grafik profil kecepatan di daerah wake silinder sirkular pada rasio jarak L/D 2 semakin memperkuat penjelasan bahwa keberadaan empat buah upstream inlet disturbance body menghasilkan defisit momentum yang lebih kecil apabila dibandingkan dengan defisit momentum pada variasi L/D 1.5 dan L/D 2.5. Penempatan empat buah bodi pengganggu dengan sudut 30 0 di sisi depan main bluff body mempunyai konstribusi yang sangat signifikan dalam mereduksi gaya hambat (drag force) khususnya pada variasi L/D 2. Berdasarkan hasil eksperimen maka kemampuan penggunaan batang pengganggu dalam mereduksi gaya hambat pada silinder sirkular utama dengan melihat nilai koefisien drag pressure (Cdp) pada grafik 4.8 di bawah ini : 57

71 Grafik 4.8 Koefisien drag pressure (Cdp) Pada IDB Analisa Fenomena Distribusi Koefisien Tekanan pada Kontur Silinder Dengan IDB 60 0 Dalam sub bab ini akan menganalisa fenomena distribusi koefisien tekanan pada kontur silinder dengan tambahan inlet disturbance body yang diposisikan pada sudut 60 0 di depan main bluff body. Distribusi koefisien tekanan berdasarkan hasil eksperimen terlihat pada gambar 4.8 untuk keseluruhan variasi sebagai berikut : 58

72 (a) (b) Grafik 4.9 Distribusi Koefisien Tekanan (C P ) Silinder Upstream Pada IDB 60 0 ; (a) Silinder 1 dan (b) Silinder 2 L/D 1.5; L/D 2; L/D

73 Pada gambar 4.9 (a) grafik di atas menunjukkan bahwa titik stagnasi terjadi pada sudut 0 0 untuk keseluruhan variasi rasio jarak L/D dan cenderung mempunyai karakter yang hampir sama. Penambahan bodi pengganggu dengan sudut 60 0 adalah upaya untuk mendapatkan reduksi gaya hambat yang efektif serta dimaksudkan untuk mengetahui sampai sejauh mana perkembangan boundary layer, terbentuknya separation bubble, maupun massive separation pada masing-masing kontur benda yang diujikan. Evolusi aliran yang dinyatakan dengan distribusi koefisien tekanan (Cp) untuk menggambarkan perkembangan aliran pada lapis batas dari leading edge hingga trailing edge silinder sirkular dan akhirnya aliran terseparasi masif. Berdasarkan gambar 4.9 (a) tampak bahwa transisi lapis batas laminar hingga berubah menjadi turbulent untuk L/D 2 diindikasikan dimana titik stagnasi ditunjukkan pada nilai Cp sebesar 1, kemudian koefisien tekanan menurun secara perlahan. Setelah penurunan Cp, hal yang sangat menarik terjadi yaitu terbentuknya small adverse pressure gradient (Alam, dkk 2003), small adverse pressure gradient terjadi pada sudut θ = ± 45 0 untuk silinder 1 dan silinder 2 pada sudut θ = ± 30 0 di sisi upper side dan sudut θ = ± silinder 1 di sisi lower side, namun pada silinder 2 untuk sisi lower side tidak terjadi small adverse pressure gradient. Akselerasi maksimum terjadi pada sudut θ = ± 70 0 pada sisi lower dan θ = ± pada sisi lower side seperti ditunjukkan pada gambar 4.9 (a). Sesaat setelah mencapai kecepatan maksimum, aliran mengalami perlambatan dan langsung mengalami separasi pada sudut 80. Hal ini disebabkan momentum aliran freestream maupun wake dari inlet disturbance body tidak mampu mendorong shear layer yang terlepas sehingga tidak dapat kembali attach pada kontur silinder. Pada rasio jarak L/D 1.5 dan L/D 2.5 dari gambar 4.9 (a) silinder 1 upstream diperoleh untuk L/D 1.5 terjadi small adverse pressure gradient pada sudut 25 0, akselerasi maksimum pada sudut 60 0 upper side dan lower side, titik separasi berada pada sudut 70 0 upper side dan sudut lower side, sedangkan untuk L/D 2.5 tidak terjadi small adverse pressure gradient, akselerasi maksimum pada sudut 70 0 upper side dan lower side selanjutnya aliran 60

74 mengalami perlambatan yang ditandai dengan terjadinya separasi. Adapun separasi terjadi pada sudut 90 0 upper side dan untuk lower side. Untuk distribusi koefisien tekanan pada kontur permukaan silinder 2 seperti pada gambar grafik 4.9 (b) diperoleh karakter aliran yang terjadi tidak jauh berbeda dengan evolusi aliran yang terjadi pada silinder 1, namun secara kuantitatif perbedaan terjadi pada nilai sudut kontur terbentuknya stagnation point, titik separasi, peak dan sudut akselerasi maksimum. Dari gambar 4.8 (b) untuk L/D 1.5 diperoleh bahwa titik stagnasi ditunjukkan oleh nilai Cp sebesar 1, kemudian koefisien tekanan menurun secara perlahan, hingga terjadi akselerasi maksimum pada sudut θ = ± 35 0 di sisi upper side dan ± di sisi lower side, setelah itu tekanan cenderung meningkat karena harus melawan adverse pressure dan friksi seperti yang terlihat pada grafik Cp, hingga aliran tidak mampu melawan adverse pressure dan friksi yang menyebabkan terjadinya separasi. Titik separasi terjadi pada sudut θ = ± pada sisi upper side dan ± pada sisi lower side. Oleh karena adanya celah antara inlet disturbance body dan permukaan silinder maka aliran mengalami hambatan, hal ini mengindikasikan adanya mixing shear layer antara bodi pengganggu dengan kecepatan freestream sehingga menyebabkan aliran attach ke silinder main bluff body, fenomena ini disebut reattachment yang ditandai dengan adanya peak (puncak) yakni pada sudut kontur ± pada sisi lower side. Pada rasio jarak L/D 2 dan L/D 2.5 dari gambar 4.9 (b) dimana evolusi aliran pada kedua jarak mempunyai karakter yang hamper sama, kedua-duanya terjadi small adverse pressure gradient untuk L/D 2 pada sudut 30 0, dan L/D 2.5 pada sudut 35 0, kemudian terjadi akselerasi maksimum pada sudut 60 0 sisi upper side dan sisi lower side untuk L/D 2 dan aliran terseparasi pada sudut kontur 85 0 upper side dan sudut lower side, serta pada L/D 2.5 akselerasi maksimum pada sudut 60 0 sisi upper side dan sisi lower side dan aliran terseparasi pada sudut kontur 70 0 upper side dan sudut lower side. Dari grafik terdapat perbedaan distribusi koefisien tekanan pada silinder sirkular 2 tidaklah terlalu signifikan jika dibandingkan dengan distribusi koefisien tekanan pada silinder 1. Namun terdapat perbedaan seperti posisi base pressure 61

75 coefficient (Cpb), hal ini mengindikasikan bahwa terjadinya perbedaan (Cpb) dipengaruhi oleh beberapa hal antara lain kecepatan free-stream turbulence, intensitas turbulensi aliran, kekasaran permukaan silinder sirkular, serta blockage ratio. Evolusi distribusi koefisien tekanan (Cp) untuk silinder downstream silinder 3 dan 4 dengan tambahan inlet disturbance body 60 0 dapat dilihat pada gambar 4.10 di bawah ini: (a) 62

76 (b) Grafik 4.10 Distribusi Koefisien Tekanan (C P ) pada IDB 60 0 Silinder Downstream; (a) Silinder 3 dan (b) Silinder 4 L/D 1.5; L/D 2; L/D 2.5 Dari gambar grafik 4.10 di atas, distribusi koefisien tekanan pada kontur permukaan silinder downstream untuk susunan silinder in-line dengan IDB 60 menunjukkan tren grafik yang tidak jauh berbeda untuk masing-masing rasio jarak L/D. Nilai koefisien tekanan pada susunan silinder downstream ini bernilai paling rendah dari pada susunan silinder upstream. Hal ini menunjukkan bahwa wake yang terbentuk akibat penambahan IDB pada sudut 60 0 lebih lebar dari pada silinder upstream. Oleh sebab itu sangat mempengaruhi nilai koefisien drag silinder downstream. Nilai koefisien tekanan dibawah nol mengindikasikan bahwa nilai koefisien drag lebih rendah. Keberadaan silinder sirkular (downstream body) pada berbagai jarak L/D akan menyebabkan free shear layer yang terseparasi dari upstream disturbance body terdefleksi kembali (back flow) pada trailing edge silinder downstream atau dikenal dengan forward shear layer. Fenomena tersebut membuat stream tube pada daerah base pressure silinder sebagai upstream disturbance body menjadi semakin divergen, hal tersebut akan meningkatkan adverse pressure gradient. Untuk silinder 3 gambar 4.10 (a), pada rasio jarak L/D 1.5, backward shear layer (BSL) mengalami percepatan hingga sudut 55 dan mengalami 63

77 perlambatan kemudian terseparasi pada sudut 105 yang disebut sebagai backward separation position (BSp), namun untuk titik re-attachment belum tepat pada sudut 0, melainkan pada sudut kontur 10 0 untuk upper side dan untuk lower side, FSL terseparasi pada sudut 200. Untuk variasi rasio jarak L/D 2 titik re-attachment berada pada sudut kontur 80 0, kemudian mengalami perlambatan hingga terseparasi pada sudut kontur serta untuk variasi L/D 2.5 mengalami re-attachment pada sudut kontur 65 0 dan FSL terseparasi pada sudut kontur Pada gambar 4.10 (b) grafik distribusi koefisien tekanan pada kontur permukaan silinder 4 L/D 1.5 menunjukkan backward shear layer (BSL) mengalami percepatan hingga sudut 30 hingga mengalami perlambatan dan selanjutnya terseparasi pada sudut 150 upper side dan sudut sisi lower side dan re-attachment pada sudut 305 0, selanjutnya untuk variasi rasio L/D 2 mengalami percepatan hingga sudut 35 0 kemudian mengalami perlambatan dan terseparasi pada sudut kontur 90 0 sisi upper side dan sudut pada sisi lower side serta re-attachment pada sudut Untuk L/D 2.5 fenomena evolusi aliran tidak jauh berbeda dengan varisai L/D 2. Pada L/D 2.5 gambar 4.9 (b) menunjukkan titik re-attachment pada sudut kontur 20 0 sisi upper side dan pada sisi lower side serta titik separasi terjadi pada sudut kontur upper side dan pada sudut kontur sisi lower side. Dari evolusi aliran yang terjadi pada silinder downstream baik silinder 3 dan silinder 4 menunjukkan grafik yang bergelombang, hal ini mengindikasikan bahwa perubahan pola aliran pada silder downstream sangat cepat untuk keseluruhan rasio jarak. Adanya blockage effect akan menyebabkan kecepatan free stream lebih cepat (pada titik dimana rasio blockage maksimum) daripada kecepatan real-nya, hal ini disebabkan adanya penyempitan area yang dilalui oleh aliran fluida. Fenomena fisis yang akan diuraikan pada bagian ini diawali dengan melakukan interpretasi atas data kuantitatif berupa profil kecepatan. Dari hasil eksperimen diperoleh profil kecepatan dibelakang konfigurasi susunan in-line dengan IDB 60 0 (gambar 4.11) sebagai berikut: 64

78 Grafik 4.11 Profil Kecepatan susunan in-line dengan IDB 60 L/D 1.5; L/D 2 ; L/D 2.5 Dari gambar 4.11 di atas terlihat bahwa defisit momentum tertinggi terjadi pada konfigurasi L/D 1.5 yang ditandai dengan nilai V/Vmaks terendah sekitar 0.15, dan yang terendah untuk variasi jarak L/D 2 dengan nilai 0.67, serta untuk konfigurasi L/D 2.5 adalah 0.43 dan konfigurasi dengan L/D 1.5 dari grafik terlihat juga memiliki wake yang terlebar serta wake yang tersempit dimiliki oleh rasio jarak L/D 2. Yang menarik dari fenomena terbentuknya profil kecepatan pada rasio jarak L/D 2 ini adalah nampaknya tidak terlalu besar jika dibandingkan dengan variasi yang lain, hal ini mengindikasikan bahwa defisit momentum dari profil kecepatan yang tidak cukup besar semata-mata disebabkan oleh pertumbuhan lapis batas yang lebih awal pada kontur permukaan main bluff body, pada jarak ini modus shear layer yang berbentuk wake-impingement mode, lebih awal attach pada kontur permukaan silinder, oleh sebab itu pada rasio jarak ini mixing process dan pertumbuhan lapis batas akan terjadi lebih awal. Profil kecepatan jelas menunjukkan gejala terbentuknya lapis batas turbulen yang ditandai dengan profil yang lebih fuller. Yang menarik dari trend ketiga grafik ini adalah grafik untuk L/D 1.5, dimana pada rasio jarak ini hanya mempunyai satu bentuk profil kecepatan yang menguncup jika dibandingkan 65

79 dengan variasi rasio jarak yang lain. Hal ini mengindikasikan bahwa profil kecepatan yang terbentuk disebabkan karena aliran fluida masih secara penuh melingkupi silinder downstream yang semata-mata disebabkan oleh rasio jarak yang sangat dekat. Jika kita lihat profil kecepatan yang terbentuk pada rasio jarak yang membesar ternyata profil kecepatan yang menguncup sebanyak dua buah dan pada rasio jarak L/D 2 diperoleh wake yang sempit atau defisit momentum yang kecil menunjukkan bahwa separasi masif lebih tertunda ke belakang Distribusi Koefisien Pressure Drag Silinder Utama Pada sub bab ini akan membahas tentang pengaruh penambahan inlet disturbance body pada susunan in-line serta seberapa besar pengaruh upstream inlet disturbance body yang diposisikan pada sudut 30 0 dan 60 0 dengan variasi rasio jarak antar silinder (L/D) terhadap distribusi koefisien pressure drag silinder pada gambar 4.12 dibawah ini: (a) 66

80 (b) (c ) Grafik 4.12 Koefisien Pressure Drag (C Dp ); (a) IDB 30 0 ; (b) IDB 60 0 dan (c) Tanpa IDB 67

81 Koefisien pressure drag silinder upstream maupun silinder downstream diperoleh dari persamaan 3.5. Dari gambar 4.12(a), untuk silinder upstream terlihat koefisien pressure drag tertinggi terjadi pada konfigurasi in-line dengan inlet disturbance body 60 dan yang terendah pada konfigurasi in-line dengan upstream inlet disturbance body 30. Nilai koefisien pressure drag ( C DP ) silinder upstream yang terendah yaitu 1.0 untuk silinder 1 dan 0.8 untuk silinder 2 pada L/D 2. Pada gambar 4.12 (b) untuk silinder downstream distribusi C DP konfigurasi in-line dengan IDB 60 0 cenderung lebih tinggi dari tambahan bodi pengganggu (IDB) Distribusi C DP konfigurasi in-line dengan IDB 30 0 memiliki nilai yang paling rendah untuk silinder downstream. Nilai distribusi C DP silinder downstream tertinggi yaitu 0.13 untuk silinder 3 dan 0.50 untuk silinder 4 pada konfigurasi dengan bodi pengganggu 30 0 dengan jarak L/D 2. Modifikasi geometri dengan penambahan empat buah silinder sirkular upstream inlet disturbance body pada sudut 30 0 sesuai hasil ekperiment secara keseluruhan ternyata mampu mereduksi gaya drag yang efektif pada silinder upstream dan downstream. Distribusi C DP keseluruhan variasi rasio jarak L/D dengan IDB jika dibandingkan dengan tanpa IDB terdapat perbedaan yang signifikan dimana tanpa IDB distribusi koefisien drag lebih tinggi, hal ini mengindikasikan reduksi gaya hambat pada tanpa IDB tidak efektif. Dibawah ini tabel 4.1 distribusi koefisien drag pressure (C DP) silinder sirkular pada konfigurasi in-line dengan modifikasi geometri penambahan inlet disturbance body sebagai berikut: 68

82 Tabel 4.1 Distribusi Koefisien Drag Pressure (C DP ) pada masing-masing silinder Variasi Sudut IDB Variasi L/D Koefisien Drag Pressure (C DP ) Silinder Tanpa IDB IDB 30 IDB Berdasarkan tabel 4.1 di atas terlihat nilai koefisien pressure drag tertinggi terjadi pada IDB 60 pada silinder 1 dan nilai koefisien pressure drag terendah terjadi pada IDB 30 untuk keseluruhan silinder. Hal ini menunjukkan bahwa modifikasi gometri dengan sudut IDB 30 mampu mempercepat transisi aliran pada kontur permukaan silinder sirkular dari laminar menjadi turbulen sehingga diperoleh kemampuan mereduksi koefisien drag paling efektif pada variasi jarak L/D 2. Jika dibandingkan dengan hasil penelitian yang telah dilakukan oleh Alam, dkk (2003) ada kesesuaian dimana penggunaan batang pengganggu sebagai salah satu usaha melakukan passive control dalam mengurangi gaya hambat terhadap silinder sirkular, yaitu pada IDB 30 0 mampu mereduksi gaya hambat yang efektif. Informasi yang menarik dari hasil koefisien drag pressure ini adalah pada bilangan Reynolds yang tinggi akan menyebabkan nilai koefisien drag cenderung turun bila blockage ratio kecil, dimana nilai blockage ratio pada eksperiment ini adalah 16.7%. Pada kondisi tersebut berbeda bila terdapat blockage ratio yang besar. Menurut penelitian yang dilakukan oleh Weidman (1964), semakin kecil nilai Cpb maka koefisien gaya drag yang dihasilkan juga semakin besar. 69

83 4.5 Diskusi Mengacu dari hasil eksperimen yang dilakukan pada pengujian silinder sirkular tersusun in-line pada bilangan Reynolds 2.2 x 10 4 dengan modifikasi geometri penambahan empat buah upstream inlet disturbance body menggunakan instrument pengukuran tranduser tekanan Data Aquisisi DAQ PRO 5300 dengan konfigurasi L/D yang berbeda, kemudian akan dibandingkan dengan penelitian sebelumnya memiliki korelasi yaitu penelitian empat buah silinder sirkular tanpa IDB oleh (Lam dan Zou, 1994) serta penelitian oleh Alam,dkk, 2003 yang lebih terfokus pada penambahan IDB. Dari kedua penelitian terdahulu tersebut jika dibandingkan dengan penelitian yang dilakukan, secara substansial sangat berbeda ditinjau dari modifikasi geometri maupun konfigurasi yang di ujikan, namun dari penelitian ini akan dikomparasi kesesuain fisis antara hasil eksperimen dengan hasil penelitian terdahulu. Keinginan mendapatkan performa terbaik dengan gaya hambat yang kecil dari suatu sistem aliran fluida yang melintasi bluff body kemudian melatarbelakangi ditemukannya pengendalian pasif lapis batas. Salah satu upaya yang dilakukan diantaranya adalah dengan pemberian upstream disturbance berupa obyek pengganggu di depan main bluff body. Dengan modifikasi geometri berupa tambahan upstream inlet disturbance body inilah salah satu cara untuk menunda letak titik separasi pada main bluff body. Kandungan vortisitas pada shear layer yang dihasilkan oleh upstream disturbance akan mampu mempercepat transisi terbentuknya lapis batas turbulen. Dengan dominasi lapis batas turbulen pada permukaan main bluff body maka separasi pada bodi utama akan tertunda lebih ke belakang, wake dan shear layer yang ditimbulkan oleh upstream disturbance telah mengakibatkan penundaan separasi aliran pada bodi utama. Untuk susunan in-line, penguatan down stream adverse pressure, didorong oleh peningkatan source effect (blockage effect) dari main bluff body. Penambahan upstream inlet disturbance body pada silinder sirkular susunan in-line sebagaimana diuraikan secara detail dan komprehensip pada bab sebelumnya maka dalam penelitian ini dapat memunculkan dua hal penting untuk dapat di diskusikan yaitu: 70

84 1. Pengaruh penambahan empat buah upstream disturbance body terhadap karakteristik aliran yang melintasi sekelompok bluff body dan keberadaan separation bubble dalam meningkatkan fluktuasi vorticity yang sangat berpengaruh terhadap perkembangan boundary layer pada kontur hingga akhirnya terseparasi masif. 2. Pengaruh efek dari variasi rasio jarak L/D dan Reynolds terhadap distribusi kecepatan rata-rata dan pola aliran yang terbentuk akibat efek interfensi aliran melewati silinder sirkular tersusun in-line Adapun penjelasan yang lebih detail dan komprehensif untuk dua hal tersebut di atas diuraikan sebagai berikut : Geometri dari sekelompok bluff body ketika dilingkupi oleh aliran fluida, pada umumnya mempunyai karakteristik yang menghasilkan adverse pressure gradient yang lebih dominan dibandingkan wall shear stress-nya. Fenomena ini dapat mempengaruhi terbentuknya separasi bubble maupun letak separasi masif dari momentum fluida yang attach pada kontur permukaan padat. Momentum fluida yang telah terseparasi dari kontur permukaan padat menghasilkan defisit momentum pada daerah downstream bluff body tersebut. Defisit momentum pada daerah downstream bluff body dikenal sebagai wake. Pada keseluruhan variasi rasio jarak L/D dengan tambahan inlet disturbance body pada sudut 30 0 diperoleh perbandingan nilai koefisien drag hasil penelitian saat ini pada gambar dengan penelitian yang dilakukan Alam, dkk, 2003 pada gambar 2.3 dan penelitian Lam dan Zou 1994 pada gambar Nilai koefisien drag silinder upstream hasil penelitian saat ini dengan blockage ratio 16.7% lebih rendah bila dibandingkan dengan nilai koefisien drag yang diperoleh Alam, dkk Hal ini sesuai dengan penelitian Weidman 1968 yang menyebutkan bahwa peningkatan koefisien drag seiring bertambahnya blockage ratio. Dari hasil penelitian Lam dan Zou 1994 disimpulkan bahwa koefisien drag silinder upstream mengalami fluktuasi hal ini mengindikasikan bahwa efek interfensi antara silinder yang tergantung pada rasio jarak L/D. Untuk koefisien drag (C D ) silinder downstream 3 dan 4 mengalami kenaikan seiring dengan bertambahnya jarak antar silinder. Yang sangat menarik dari penelitian ini adalah adanya kesesuain penelitian saat ini dengan penelitian 71

85 Alam, dkk 2003 dan Lam & Zou 1994 yaitu dengan adanya penambahan empat buah bodi pengganggu pada sudut 30 0 mampu mereduksi gaya hambat secara efektif pada empat buah silinder sirkular yang tersusun in-line. Hal ini dapat disimpulkan bahwa penambahan bodi pengganggu pada sudut 30 0 akan menghasilkan reduksi gaya hambat yang efektif baik pada silinder tunggal maupun pada sekolompok bluff body yang tersusun in-line. Transformasi pola aliran yang terjadi pada ke empat silinder menunjukkan tergantung pada bilangan Reynolds dan rasio jarak L/D. Bilangan Reynolds mempunyai andil yang besar sebagai penyebab terjadinya separasi. Semakin besar bilangan Reynolds maka momentum yang dimiliki fluida juga makin besar dan aliran semakin cepat menjadi turbulen, dan boundary layer pun berkembang semakin cepat dan lebih mampu untuk bertahan terhadap adverse pressure gradient, sehingga terjadinya titik separasi bisa tertunda. Berdasarkan variasi rasio jarak L/D di atas kesimpulan yang diperoleh dari terbentuknya pola aliran yang melintasi empat buah silinder sirkular dengan tambahan bodi pengganggu menurut pembagian rejim rasio jarak yaitu ; Rejim 1 : Rasio jarak L/D 1.5 adalah rasio dimana kontur permukaan silinder downstream terlingkupi oleh wake yang terbentuk dari silinder upstream Rejim 2 : Rasio jarak L/D 2 adalah rasio dimana efek interfensi aliran dari silinder upstream mulai berkurang terhadap silinder downstream. Rejim 3 : Rasio jarak L/D 2.5 adalah rasio jarak interfensi aliran dari silinder upastream tidak lagi mempengaruhi silinder downstream. Fenomena fisis berkaitan dengan interaksi aliran antara upstream disturbance body dengan main bluff body sebagai berikut, bahwa pertumbuhan boundary layer dari laminar menjadi turbulen pada kontur main bluff body sangat dipengaruhi oleh dua hal. Pertama adalah intensitas turbulen dari shear layer yang terlepas dari kontur upstream disturbance, kedua adalah posisi attachment dari shear layer pada kontur main bluff body. Transisi lapis batas makin cepat terjadi bila shear layer dengan intensitas turbulen makin besar, attach lebih awal pada kontur main bluff body. Posisi attachment yang lebih awal mengijinkan lapis batas lebih awal berkembang, hal ini disebabkan mixing region yang terjadi lebih 72

86 pendek. Bila intensitas agitasi di dalam mixing region lebih pendek ini makin kuat, maka transisi lapis batas menjadi makin cepat terjadi. Closing statement dari penelitian yang dilakukan saat ini adalah dengan adanya modifikasi geometri dengan penambahan inlet disturbance body pada sekolompok bluff body silinder sirkular, dimana transformasi pola aliran yang melintasi silinder sirkular dengan tambahan bodi pengganggu 30 0 sangat efektif dalam mereduksi gaya hambat pada sekelompok bluff body dengan susunan inline square, dengan demikian telah terjawab kebutuhan dunia industri khususnya dalam desain tube. 73

87 Halaman ini sengaja di kosongkan 74

88 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian mengenai pengaruh penggunaan upstream inlet disturbance body terhadap karakteristik aliran yang melintasi empat buah silinder sirkular yang tersusun in-line square dengan beberapa variasi jarak antar silinder yang telah dilakukan sehingga dapat disimpulkan bahwa: 1. Transformasi pola aliran yang terjadi pada ke empat silinder sirkular menunjukkan sangat tergantung pada rasio jarak L/D dan mempengaruhi nilai koefisien drag. Distribusi pola aliran koefisien tekanan pada penggunaan IDB pada sudut 30 untuk konfigurasi L/D 2 mampu mereduksi gaya hambat secara efektif masing-masing untuk silinder 1 = 1.088, silinder 2 =0.86, silinder 3 =-0.31, silinder 4 = Evolusi pola aliran yang melintasi sekelompok bluff body susunan in-line dengan tambahan bodi pengganggu pada sudut 30 0 menunjukkan bahwa kandungan vortisitas pada shear layer yang dihasilkan oleh upstream disturbance mampu mempercepat transisi terbentuknya lapis batas turbulent. Hal ini sangat baik digunakan dalam aplikasi di dunia industri. 3. Adanya blockage pada sisi celah akan menyebabkan sebagian besar aliran menghindari sisi celah dan memilih mengalir melalui sisi upper silinder, akibatnya distribusi koefisien tekanan pada sisi upper dan lower tidak simetris. Re-attachment pada kontur permukaan sisi lower silinder 3 dari separasi silinder shear layer silinder 1 serta adanya blockage menyebabkan aliran akan terbelokkan pada sisi lower silinder Saran Fenomena fisis interaksi aliran pada sekelompok bluff body atau pada susunan tertentu maka dilakukan penelitian mengenai reduksi gaya hambat dengan modifikasi bentuk geometri tambahan IDB. Penelitian ini masih membutuhkan penelitian lanjutan dalam rangka untuk mengeksplor hal-hal yang 75

89 belum dibahas pada penelitian ini. Dalam pelaksanaan ekperiment ada beberapa hal yang perlu diperhatikan selama pengambilan data. Adapun hal-hal yang perlu diperhatikan sebagai berikut: a. Pengambilan data secara eksperimen harus memperhatikan kondisi udara sekitar mengingat pengambilan data dilakukan selama beberapa hari. Pada region honey comb sebaiknya jarak bebas yang ideal adalah 3 meter untuk mendapatkan aliran udara yang konstan. b. Dalam menggunakan keseluruhan instrument alat ukur agar kiranya terlebih dahulu dikalibrasi. c. Mesin blower wind tunnel agar kiranya dilakukan perawatan yang berkala. d. Sebaiknya wind tunnel tidak dioperasikan pada putaran tinggi, penyetelan inverter yang ideal dipakai sampai 45 Hz. Penelitian ini masih membutuhkan penelitian lanjutan misalnya dengan modifikasi geometri dengan penambahan inlet disturbance body pada keseluruhan silinder sirkular sebagai main bluff body yang tersusun in-line atau dengan konfigurasi tertentu. 76

90 DAFTAR PUSTAKA Alam, Md. Mahbub, Sakamoto, H., dan Moriya M. (2003), Reduction of Fluid Forces Acting On A Single Circular Cylinder and Two Circular Cylinders by Using Tripping Rods, Journal of Fluids and Structures, Vol. 18. Bearman P.W., & Morel T. (1969), Effect of free stream turbulence on the flow around bluff bodies, Department of aeronautics, Imperial college, London, UK. Bell, W. H., (1983), Turbulence vs. Drag - Some Further Considerations, Ocean Engineering, Vol. 10, No. 1, Feifei Tong, Liang Cheng, Ming Zhao, Tongming Zhou, and Xiao-bo Chen. (2014). The vortex shedding around four circular cylinders in an in-line square configuration Journal Physics of Fluids 26, Fox. R. W., Mc Donald. A. T. & Pritchard. P. J. (2011), Introduction to Fluid Mechanics Eighth Edition, Purdue University. K. Lam, L. Zou. (1994). The Effect of Interference of Four Equispaced Cylinders in Cross Flow on Pressure and Force Coefficients Journal of Fluids and Structures, K. Lam, L. Zou. (2009). Experimental study and large eddy simulation for the turbulent flow around four cylinders in an in-line square configuration International Journal of Heat and Fluid Flow 30, Niemann, H. J. and Holscher, N., (1990), A Review of recent experiments on the flow past circular cylinders, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol.33, Weidman, P.D. (1968), Wake Transition and Blockage Effect on Cylinder base Pressure, Tesis, California Institute of Technology, Pasadena. 78

91 Halaman ini sengaja di kosongkan 77

92 Lampiran 1. : Gambar Silinder uji dan Alat ukur Gambar 1. Benda Uji Silinder Sirkular Stagnation hole Static hole Gambar 2. Pitot Tube Gambar 3. Tranduser Tekanan dan Data Aquisisi 80

93 Lampiran 2.: Gambar 4. Inclined Manometer Gambar 5. Termometer Digital Gambar 6. Filler Gauge 81

94 Lampiran 3 : L U, P q q 2 D 4 L y x q q 1 3 4D Pitot Tube Gambar 7. Schematic diagram of experimental setup for the four cylinders in inline square configuration Gambar 8. Inverter 82

95 Lampiran 4. Gambar 9. Skema proses kalibrasi tranduser tekanan 83

96 Lampiran 5 Tabel 1. Reduksi Koefisien Pressure Drag Variasi Sudut IDB Variasi L/D Koef Drag Pressure (Cdp) Silinder Tanpa IDB Reduksi (%) Silinder IDB IDB

97 Lampiran 6 : Foto Eksperimen Gambar 10. Pengambilan data profil kecepatan Gambar 11. Susunan silinder in-line square dengan IDB 85

98 Gambar 12. Variasi Rasio Jarak L/D 1.5 Gambar 13. Wind tunnel 86