PENGARUH PERUBAHAN SUDUT BUTTERFLY VALVE TERHADAP POLA ALIRAN PADA DOWNSTREAM KATUP

Transkripsi

1 PENGARUH PERUBAHAN SUDUT BUTTERFLY VALVE TERHADAP POLA ALIRAN PADA DOWNSTREAM KATUP Muhammad Hasbi Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Haluoleo, Kendari Abstrak Dalam dunia industri penggunaan katup sangat banyak digunakan sebagai kelengkapan sistem perpipaan. Masalah yang sering dijumpai saat pengoperasian katup yaitu berbagai pola aliran terjadi akibat perbedaan sudut katup. Pengamatan telah dilakukan dengan menggunakan metode visualisasi numerik dengan software CFD Fluent 6.2. Pengamatan bertujuan untuk mengetahui perubahan pola aliran yang melalui katup kupu-kupu berdiameter 50 mm dengan variasi angka Reynolds 1,1x10 5 sampai 1,5x10 5 dan variasi sudut penutupan katup mulai 0 o sampai 50 o. Hasil yang diperoleh memperlihatkan bahwa semakin besar penutupan katup pola aliran berubah dan membentuk yang besar. Angka Reynolds hanya berpengaruh pada besarnya vektor kecepatan pada tiap-tiap posisi sudut katup. Aliran kembali seragam saat mencapai jarak lebih besar dari 5D. Abstract In industrial applications, valves have been used widely in piping system. The problem encountered in operation valves is various pattern of flows occurred in and downstream valve side with respect to different valves angel. Experiments was conducted by using numerical visualization with software CFD Fluent 6.2. The Objective of this work is to investigate phenomena flow pattern change in flow passing through butterfly valve with a diameter of 50 mm. Experiments were conducted by varying Reynolds number from 1,1x10 5 to 1,5x10 5 and disc angel from 0 o to 50 o. The results investigated it was shown that, as the closing of the valve increases, flow pattern is change and vortices is grow. Reynolds number only influence at vector velocity on each valve angles. The flow pattern will be uniform when the distance is at bigger then 5D. Keywords : valve, flow pattern, visualization, numerical, Fluent Pendahuluan Aliran fluida yang melalui suatu permukaan yang melengkung akan mengalami perubahan kecepatan disepanjang permukaannya. Aliran tersebut dapat diperlakukan sebagai aliran potensial, yaitu aliran irrotasional dimana komponen kecepatan dapat diturunkan dari fungsi potensial kecepatan. Dengan menetapkan kondisi fluida incompressible dan aliran irrotational, maka persamaan Bernoulli dapat diterapkan pada aliran tersebut. Sebuah benda yang dilewati aliran dapat diklasifikasikan sebagai bluff body dan streamlined body yang didasarkan atas karakteristik aerodinamika di sekeliling benda tersebut. Pada aliran di sekeliling bluff body, separasi massive terjadi tanpa reattachment. Sedangkan aliran di sekitar streamlined body berdekatan. Pada benda yang sama dapat bekerja sebagai streamlined body maupun bluff body tergantung pada orientasi aliran yang melalui benda tersebut. Gaya hambat pada bluff body didominasi oleh pressure drag sedangkan pada streamlined body umumnya didominasi oleh skin friction drag. Perbedaan pressure drag di antara kedua benda tersebut menyebabkan perbedaan gaya hambat yang besar. Silinder sirkular adalah salah satu contoh dari bluff body dua dimensi. Meskipun geometrinya relatif sederhana, aliran yang melintasinya akan menjadi kompleks dan senantiasa berubah seiring dengan berubahnya bilangan Reynolds. Pada aliran melintasi silinder sirkular, fluida memberikan gaya drag pada permukaan akibat efek viscous. Gaya hambat yang timbul akibat perbedaan tekanan pada arah normal terhadap permukaan tersebut dikenal sebagai pressure drag dan bila tangensial terhadap permukaan disebut skin friction drag. 9

2 Bila aliran fluida mengalir pada suatu permukaan dengan profil melengkung (sb.x adalah sumbu sepanjang permukaan, sb.y sumbu yang tegak lurus sumbu x), dimana jari-jari kelengkungan jauh lebih besar daripada ketebalan lapis batas, maka aliran fluida akan dipercepat hingga kecepatan maksimum pada titik C, pada titik ini tekanannya minimum. Pada Gambar 1, setelah melalui titik C aliran akan diperlambat dan gradien tekanannya bertambah. Momentum aliran (yang dapat direduksi menjadi gaya tekan) pun semakin berkurang, yang mana setelah mencapai titik D harga u/ y pada permukaan lengkung menjadi nol. Keadaan aliran tidak mampu melawan gradien tekanan yang semakin membesar, sehingga aliran fluida menjadi terpisah dari permukaan lengkung. Gambar 1. Profil Kecepatan Aliran melintasi Silinder Silkular Titik tempat terpisahnya aliran fluida dari permukaan lengkung disebut titik separasi. Perbedaan tekanan p/ x sangat berpengaruh terhadap fluida yang terletak dekat dengan permukaan disebabkan pada daerah ini fluida memiliki momentum yang lebih rendah dibandingkan fluida diatasnya/diluar, sehingga ketika momentum berkurang terus oleh gaya tekan, fluida di dekat pemukaan cepat terbawa menjadi diam. Harga u/ y pada permukaan D = 0, lebih jauh lagi pada titik E aliran didekat permukaan telah benar-benar terbalik dan fluida sudah tidak mampu lagi mengikuti kontur permukaan, sehingga menjauh. Peristiwa pemisahan sebelum akhir dari permukaan disebut separasi, dan hal ini terjadi pertama kali pada titik saat harga u 0. Keadaan karena pengurangan kecepatan y y 0 di lapis batas dan ditambah dengan adanya gradien tekanan yang melawannya. Garis kecepatan nol terpisah ke depan dan aliran balik meninggalkan permukaan pada titik separasi disebut steamlines separasi. Pada lapis batas laminer separasi mudah terjadi, hal ini disebabkan di dalam lapisan laminer jarak dari permukaan lebih kecil dan adverse pressure gradient lebih siap menghadang gerak dari fluida di permukaan. Lapisan turbulen lebih dapat bertahan dari adverse pressure gradient sehingga aliran dapat mengikuti permukaan lebih jauh. Salah satu contoh aplikasi dari aliran yang melalui benda bentuk silinder adalah aliran yang melalui katup kupu-kupu. Dimana bentuk disk katup berbentuk silinder. Katup kupu-kupu sangat banyak digunakan dalam bidang industri saat ini. Tujuan penggunaan katup diantaranya adalah untuk mengendalikan laju aliran. Dalam pengoperasian katup pada saat membuka atau menutup akan terjadi perbedaan tekanan yang besar pada bagian upstream dan downstream katup. Pembangkit listrik mikrohidro misalnya, untuk mengatur laju aliran dalam sebuah penstock menggunakan katup kupu-kupu untuk mengatur debit air yang masuk dalam turbin. Akibat dari proses membuka dan menutupkan katup, maka pada bagian downstream katup sering terjadi kerusakan. Dalam mendesain suatu katup kupu-kupu, sangat penting untuk mengetahui karakteristik/ciri-ciri dari aliran-aliran di dalam katup tersebut. Sebagai tambahan untuk koefisien aliran, ada poin-poin lain yang harus dipertimbangkan suatu pabrik. Sebagai contoh, kavitasi yang terjadi pada tekanan lokal yang rendah harus dihindari karena kavitasi menyebabkan kebisingan dan vibrasi selama pengoperasian suatu katup kupu-kupu. Untuk suatu operasi jangka panjang, mungkin menyebabkan kerusakan serius pada suatu sistem perpipaan. Di masa lalu, sangat sulit untuk dilakukan pengamatan secara detail mengenai aliran di dalam suatu katup, karena bentuk yang tidak transparan. Informasi mengenai penampilan katup diperoleh dari pengukuran-pengukuran tekanan dan laju aliran. Dengan kemajuan teknologi saat ini khususnya dengan perkembangan perangkat lunak CFD hal tersebut bukan menjadi kendala. Chern dan Wang (2003) mengamati visualisasi aliran turbulen dalam suatu katup bola secara eksperimen dan numerik dengan software STAR-CD untuk mengamati loss coefficient, flow coefficient dan cavitation number. Dari kedua metode tersebut adalah menunjukkan kecenderungan yang sama. Ota dan Itasaka mengukur distribusi tekanan permukaan di balik suatu body tumpul untuk memahami struktur dari peredaran ulang/ recirculation. Hasbi (2009) mengamati perubahan distribusi tekanan sepanjang pipa pada aliran yang melalui katup kupu-kupu dengan menggunakan software Fluent 6.2. Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk mengamati karakteristik-karakteristik aliran dan polapola aliran pada daerah downstream katup kupu-kupu melalui metode numerik dengan menggunakan software Fluent 6.2. Pengamatan dilakukan dengan membuat model katup kupu-kupu berdiameter 50 mm dalam beberapa posisi sudut penutupan katup yaitu 50 0, 40 0, 30 0, 20 0, 10 0 dan 0 0 (fully open) dengan bantuan software Gambit. Kemudian aliran yang diamati merupakan aliran turbulen dengan angka Reynolds 1,1 x 10 5 sampai 1,5 x Fluida yang digunakan dalam 10

3 penelitian ini adalah air. Daerah pengamatan mulai dari saat aliran melintasi katup hingga jarak 6D pada downstream katup. 2. Metode Penelitian Perangkat lunak Computational Fluid Dynamics (CFD) yang digunakan dalam penelitian numerik ini adalah program Fluent Langkah-langkah dalam penggunaan CDF adalah sebagai berikut: 1. Membuat geometri dan mesh pada model. Pada tahap ini model prototype digambar dengan software Gambit sebanyak variasi bukaan katup. Gambar 2 memperlihatkan gambar katup kupu-kupu dan prototype yang telah dimeshing. 2. Menentukan models. Dalam simulasi ini digunakan solver 3D (double precision), segregated, implicit, stedy. Model turbulen yang dipakai adalah k-ε standard (Cµ = 0,09, C 1ε = 1.44, C 2ε = 1.92, σ ε = 1 dan σ k = 1,3) 3. Menentukan materials. Material yang digunakan adalah air pada temperature 32 o C. 4. Menentukan operating conditions. Dalam penelitian ini kondisi daerah operasi disetting pada tekanan nol pascal. 5. Menentukan Boundary conditions. Penentuan kondisi batas dari pemodelan ini sebagaimana pada Tabel 1. Gambar 4 menunjukkan Boundary Conditions. 6. Menentukan solution. Dalam tahap ini dilakukan iterasi hingga mencapai harga konvergen yang diinginkan. 7. Melakukan postprocessing. Tahap ini merupakan penampilan hasil iterasi dan menganalisa hasil yang didapatkan a. Katup Kupu-kupu Tabel 1. Kondisi batas pemodelan Zone Inlet Outlet Pipe surface Disk valve Type Velocity inlet Pressure Outlet Wall Wall b. Meshing katup kupu-kupu Gambar 2. Prototip katup kupu-kupu yang telah dimeshing Pipe surface outlet inlet Disk valve Gambar 3. Boundary condition 11

4 3. Hasil dan Pembahasan Pada penelitian ini, simulasi numerik dilakukan untuk mengamati perubahan aliran fluida yang mengalir melalui berbagai berubahan penutupan katup. Gambar 3 menunjukkan domain komputasi dan Boundary condition yang diterapkan dalam pemodelan penelitian ini. Faktor utama dalam pembentukan pola aliran yang terjadi sangat bergantung pada angka Reynolds (Re), orientasi dan bentuk geometri katup. Berikut adalah perbedaan pola aliran pada tiap-tiap perubahan posisi penutupan katup yang diambil pada Re = 1,5x10 5. Saat posisi katup 0 o (fully open) Besarnya kecepatan aliran yang melalui kedua sisi katup adalah sama. Sehingga pada posisi ini streamline yang terbentuk simetris seperti tampak pada Gambar 4. separasi pertama separasi kedua aliran balik terjadi karena pada daerah tersebut kecepatan aliran sangat rendah dan terjebak diantara dua freestream dari sisi disk katup, seperti diperlihatkan pada Gambar 4b. Saat Posisi katup 10 o Separasi terjadi pada ujung tepi disk katup. Pada posisi ini garis alir yang terbentuk tidak lagi simetris akibat perubahan sudut katup. Aliran balik terbentuk pada bagian atas disk katup disebabkan karena aliran pada permukaan disk katup yang kecepatannya rendah kemudian terhalang oleh poros disk katup yang melengkung sehingga tidak mampu menembus aliran freestream sehingga menyebabkan aliran balik. Pada sisi downstream katup masih terjadi akibat adanya aliran berkecepatan rendah terjebak diantara dinding disk katup dan dua freestream yang berkecepatan tinggi. Fenomena tersebut seperti terlihat pada Gambar 5a. aliran balik aliran balik daerah pemulihan aliran separasi daerah pemulihan aliran (a) Profil kecepatan aliran yang melalui katup aliran balik (a) Profil kecepatan aliran yang melalui katup (b) aliran balik yang terjadi di belakang katup Gambar 4. Vektor kecepatan saat katup terbuka penuh ( sudut 0 o ) Saat aliran berada pada jarak 1D upstream aliran terlihat uniform sifat aliran turbulen berkembang penuh (fully developed). Saat aliran mencapai leading edge dari disk katup, aliran terganggu oleh geometri disk katup sehingga aliran mencari kondisi keseimbangan barunya, menyebabkan aliran mengalami separasi pertama pada tepi disk katup. Hingga aliran mencapai titik tengah disk katup kecepatan semakin meningkat, saat itu tekanan mencapai tekanan minimum, sehingga separasi kedua terjadi. Pada daerah downstream katup tepat di belakang Ujung disk katup terjadi aliran balik (backflow) yang membentuk sepasang vortek. Hal ini (b) Aliran balik yang terjadi di belakang katup Gambar 5. Vektor kecepatan aliran saat aliran melalui katup sudut 10 Pada jarak tertentu dari tepi disk katup arah downstream merupakan daerah pemulihan aliran (reattaching area) kemudian setelah itu pada jarak tertentu aliran akan memasuki daerah pengembangan kembali (redeveloping area). Gambar 6 memperlihatkan aliran di daerah downstream katup pada jarak 0,6D. Struktur aliran yang terbentuk akibat perubahan orientasi disk katup menyebabkan yang terjadi pada downstream katup tidak simetris lagi seperti pada saat sudut katup 0 o Gambar 6a. Sementara pada posisi penutupan katup 10 o yang terjadi hanya pada sebagian sisi katup seperti 12

5 terlihat pada Gambar 6b. Pusaran terjadi disebabkan karena saat aliran melewati disk katup, aliran mengalami penyebaran arah lintasan karena dipaksa memenuhi daerah yang lebih luas. Setelah aliran melalui poros katup yang permukaannya melengkung, aliran yang berada dekat dengan permukaan disk katup arah downstream mempunyai kecepatan sangat rendah tidak dapat menembus aliran yang jauh dari permukaan katup. masih terlihat setelah aliran melalui daerah menyempitan. Akibat penyempitan gradien kecepaatan di dekat dinding pipa meningkat menyebabkan tekanan pada lokasi itu turun. separas aliran balik aliran balik (a) bentuk pada sudut katup 0 o (a) profil kecepatan saat sudut penutupan katup 20 o (b) bentuk pada sudut penutupan katup 10 o Gambar 6. Perbedaan pola aliran antara sudut katup 0 o dengan 10 o dilihat pada penampang pipa jarak 0,6D arah downstream. Saat Posisi katup 20 o Pada sudut penutupan katup 20 o terjadi peningkatan kecepatan aliran pada kedua sisi katup. Hal ini disebabkan karena terjadinya pengecilan penampang pipa. Struktur aliran yang melalui katup diwakili oleh vektor kecepatan sebagaimana dilihat pada Gambar 7. Fenomena yang dapat dilihat adalah separasi aliran terjadi pada tepi disk katup yang menyebabkan kecepatan streamline aliran meningkat. Aliran balik masih terlihat di dua lokasi yaitu pertama di permukaan disk katup arah downstream dan kedua di belakang disk katup arah downstream. Gambar detail seperti terlihat pada Gambar 7b. Profil kecepatan saat aliran melalui katup seperti dilihat pada Gambar 7a. Aliran balik (b) pada jarak 0,6D downstream Gambar 7. Vektor kecepatan pada saat sudut penutupan katup 20 o Saat Posisi Katup 30 o Separasi terjadi pada tepi disk katup saat terjadi pengecilan penampang antara dinding pipa dan disk katup. Sehingga sesuai dengan hukum kontinuitas bahwa aliran yang melalui pipa mempunyai debit yang sama maka kecepatan pada saat itu akan mengalami peningkatan. Pada gambar ditandai dengan garis vektor yang semakin menebal yang menandakan pada posisi tersebut kecepatan tinggi. Aliran balik seperti yang terjadi pada tiga sudut sebelumnya masih terlihat pada kondisi ini. Hanya saja fenomena yang berubah terlihat pada belakang disk katup arah downstream. Saat sudut penutupan katup menjadi 30 o aliran balik tidak membentuk 13

6 sebagaimana pada sudut 20 o, yang terjadi adalah aliran balik hanya menuju ke satu arah saja (Gambar 8a). Fenomena ini terjadi sebab pada posisi 30 o aliran balik semakin dekat dengan daerah penyempitan penampang pipa arah downstream dimana pada posisi tersebut kecepatan aliran fluida tinggi sementara tekanannya rendah. Sehingga aliran balik cenderung mengarah ke daerah yang bertekanan rendah. Sementara yang terlihat pada penampang pipa pada jarak 0,6D downstream mempunyai pola yang sama dengan saat penutupan katup 20 o, perbedaan hanyalah pada besarnya kecepatan. aliran balik re-entrant jet Saat sudut katup 40 o Daerah aliran balik pada awal melalui disk katup terlihat membentuk yang semakin luas, sementara aliran balik di ujung katup arah downstream berubah menjadi re-entrant jet hingga pada jarak tertentu memasuki daerah pemulihan aliran. Untuk memperjelas fenomena aliran yang terjadi pada daerah dekat disk katup ditampilkan pada Gambar 9a. Fenomena yang terjadi secara visual sama dengan pada sudut 30 o, yang berbeda hanyalah dari segi kuantitas yaitu besarnya kecepatan dan tekanan. Demikian pula halnya dengan yang terjadi pada sisi downstream jarak 0,6D terlihat semakin membesar seperti terlihat pada Gambar 9b. Daerah pancaran aliran dari sisi upstream dan downstream semakin mengecil akibat sudut penutupan katup yang semakin membesar. separasi aliran balik daerah pemulihan aliran (a) Profil kecepatan saat sudut penutupan katup 40 o (a) Profil kecepatan saat sudut penutupan katup 30 o pancaran aliran dari sisi upstream pancaran aliran dari sisi upstream re-entrant jet re-entran jet pancaran aliran dari sisi downstream pancaran aliran dari sisi downstream (b) pada jarak 0,6D downstream (b) pada jarak 0,6D downstream Gambar 8. Vektor kecepatan saat sudut penutupan katup 30 o Gambar 9. Vektor kecepatan saat sudut penutupan katup 40 o Saat sudut katup 50 o Ketika aliran melewati celah sempit, aliran akan mengalami penyebaran arah aliran karena aliran dipaksa untuk memenuhi daerah yang lebih luas dan bertekanan 14

7 rendah. Fenomena ini akan selalu menimbulkan adanya separasi aliran pada daerah penyempitan, re-sirkulasi aliran dan re-entrant jet hingga mencapai daerah pemulihan aliran pada lokasi tertentu di daerah downstream. Profil kecepatan pada saat aliran melalui disk katup sudut 50 o ditampilkan pada Gambar 10. Fenomena aliran balik pada sudut katup 50 o dapat diliat jelas pada Gambar 10. Aliran balik yang membentuk setelah aliran mengalami separasi 50 o dapat diliat jelas pada Gambar 10b. Aliran balik yang membentuk setelah aliran mengalami separasi terlihat semakin besar.. Tepat di belakang disk katup terdapat daerah kecepatan rendah karena aliran hampir secara penuh ditutupi oleh disk katup. Jika melihat grafik distribusi tekanan sepanjang pipa (Gambar 10) maka pada daerah ini terjadi penurunan tekanan. re-entrant jet pancaran aliran dari sisi upstream pancaran aliran dari sisi downstream aliran balik daerah kecepatan rendah Gambar 12. Pusaran pada penampang pipa jarak 0,6D downstream sudut penutupan katup 50 o Gambar 10. Profil kecepatan saat sudut katup 50 o aliran balik (a) Aliran balik saat melalui katup re-entrant jet Pusaran pada downstream Bila diamati pada penampang arah downstream maka terlihat adanya aliran. Pada pembahasan ini diamati pada jarak 0,6D downstream katup. Gambar yang ditampilkan diambil dari arah pandang sumbu Z seperti yang terlihat pada gambar. Dengan berubahnya orientasi disk katup mempengaruhi pola aliran pada sisi downstream katup. Saat posisi katup fully open terbentuk di belakang katup. (Gambar 6a). Karena besarnya kecepatan aliran dikedua sisi katup sama maka yang terbentuk simetris. Fenomena yang berbeda terlihat ketika disk katup menutup 10 0, menjadi tidak simetris. Hanya dua yang terlihat yaitu pada sisi kiri dan kanan katup (Gambar 6b). Pusaran tersebut dipisahkan oleh free stream yang mengalir dari sisi upstream dan downstream katup. Semakin besar sudut penutupan katup maka yang terlihat semakin besar. Pusaran ini diduga sebagai aliran kedua (secondary flow). Hingga mencapai jarak lebih dari 5D downstream, saat aliran memasuki daerah pemulihan aliran, akan berangsur-angsur hilang dan kembali menjadi aliran seragam (uniform flow). Angka Reynolds tidak mempengaruhi bentuk pola aliran pada umumnya, tetapi hanya berpengaruh pada besarnya vektor kecepatan. 4. Kesimpulan dan Saran (b) Aliran balik saat di downstream katup Gambar 11. Aliran balik yang terjadi pada saat sudut katup 50 o Berdasarkan pengamatan hasil visualisasi numerik, dapat dikatakan bahwa akibat perubahan orientasi disk katup menimbulkan fenomena pola aliran yang berbedabeda. Angka Reynolds hanya berpengaruh pada besarnya vektor kecepatan aliran di sekitar katup. Pada semua perubahan sudut penutupan katup terdapat 15

8 adanya. Pusaran terlihat pada dua lokasi, yaitu satu terjadi saat melintasi bodi disk katup dan lainnya terjadi di belakang disk katup. Pusaran di belakang disk katup hanya terjadi pada sudut penutupan katup , setelah sudut penutupan katup berubah menjadi 30 0 berubah menjadi re-entrant jet. Hingga mencapai jarak lebih besar dari 5D downstream aliran akan memasuki daerah pemulihan aliran (reattaching area) hingga membentuk aliran seragam pada daerah pengembangan kembali (redeveloping area). Disarankan untuk mengamati pola aliran bila bentuk disk katup dibuat roundet. Hingga bisa dibandingkan dengan disk katup yang ujung disknya tumpul. Daftar Acuan [1] Chern, M.J. dan Wang, C.C., Flow Visualization of Turbulento f Ball Valves, Proceeding of PSFVIP-4, Chaminix, France (2003) [2] Chern, M.J., Wang,C.C., Ma, C.H., Performance Test and Flow Visualization of Ball Valve, Submitted to Journal of Fluid Engineering. (2006) [3] Hasbi, M., Visualisasi Numerik Aliran Melalui Katup Kupu-Kupu, Jurnal Metropilar edisi Juli, Fakultas Teknik Universitas Haluoleo, Kendari (2009) [4] Munson, B.R, Young, D.F., dan Okisshi, T.H., Dasar-dasar Mekanika Fluida. Ed.empat, Erlangga. (2003) [5] Smith, P. and Zappe, R.W, Valve selection Handbook, Fifth Edition, Gulf Professional Publishing is an Imprint of Elsevier Inc., USA, (2003) 16