KATA PENGANTAR STUDI EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK KARAKTERISTIK ALIRAN MELINTASI PRISMA TERPANCUNG.

Transkripsi

1 KATA PENGANTAR Alhamdulillah, segala puji dan sukur kita panjatkan kepada Allah SWT. Dengan ijin, kasih sayang serat rahmatnya maka penulis dapat menyelesaikan yang berjudul, STUDI EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK KARAKTERISTIK ALIRAN MELINTASI PRISMA TERPANCUNG. Penulis berharap dari banyak mamfaat yang dapat di ambil walaupun dalam tulisan ini masih banyak kekurangan. Akhirnya penulis ingin mengucapkan terima kasih serta berbagi kebahagiaan kepada orang-orang disekitar penulis yang secara langsung maupun secara tidak langsung ikut terlibat dalam penulisan tugas akhir ini. Secara khusus penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada : 1. Bapak Prof. Dr. Ir. Tryogi Yuwono, DEA selaku dosen pembibing yang telah banyak meluangkan waktu serta pikirannya dalam membibing dalam penyelesaian Tugas Akhir ini. 2. Bapak wawan aris, ST, MT, bapak Dr.heru Mirmanto MT, yang telah meluangkan waktunya untuk menguji ini. 3. Bapak Prof. Dr. Ir. Wajan Berata, DEA sebagai dasen wali yang telah meluangkan waktu, pikiran dan perhatiannya selama penulis dibangku perkuliahan. 4. Bapak Dr.ing. Herman Sasongko, sebagai ketua jurusan Teknik Mesin ITS. 5. Seluruh dosen dan karyawan yang jurusan Teknik Mesin ITS yang telah memberi bimbingan kepada penulis selama kuliah. 6. Kepada kedua orang tua saya, ibu saya yang telah membesarkan saya penuh dengan cinta dan kasih sayang dan juga yang selalu mendoakan, memberi motifasi vii

2 mudah-mudahan Allah SWT selalu melindunginya, kepada almarhum ayah saya, kepada saudara-saudara tercinta abang alen, abang dodi, kakak ini, kakak nurma dan anggi pandi yang selalu memberi penulis motivasi dan selalu mendoakan kelancaran ini, mudah-mudahan kami menjadi keluarga yang bahagia. 7. Teman-teman saya kahanggi topik yang selalu membantu saya, atas sir yang telah meminjamkan printer, bang duon yang selalu memberikan motivasi, jaki yang telah meminjamkan komputer semoga Allah membalasnya, bang nanang yang sudah meminjamkan printer dan seluruh teman-teman POSNI ROHA. 8. Teman-teman kelompok prisma yang selama ini membantu penulis. 9. Teman teman M47 yang telah menjadi teman seperjuangan mulai dari pengkaderan. Penulis menyadari bahwa ini masih terdapat kekurangan yang dapat digunakan sebagai pertimbangan untuk penelitian selanjutnya. Akhir kata, penulis mengharapkan kritik serta saran di masa mendatang. Surabaya, Agustus 2009 penulis viii

3 DAFTAR ISI Abstrak....i Halaman Pengesahan...v Kata Pengantar...vii Daftar Isi ix Daftar Gambar...xiii Daftar Tabel...xxi Daftar Simbol dan Satuan...xxiii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Batasan Masalah Manfaat Penelitian.. 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Dasar Teori Aliran Viscous dan Non Viscous Konsep Boundary Layer Aliran Laminar dan Turbulen Bilangan Reynolds Tekanan Statis, Tekanan Stagnasi dan Tekanan Dinamis...9 ix

4 2.1.6 Koefisien Tekanan Koefisien Drag Aliran Melintasi Silinder Sirkular Separasi Bubble Penelitian Terdahulu Penelitian silinder sirkular Penelitian aliran melintasi prisma Penelitian aliran melintasi plat tumpul...30 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Analisa Dimensi Analisa Dimensi Koefisien Tekanan ( Cp ) Analisa Dimensi Koefisien Drag Peralatan Penelitian Prosedur Penelitian Langkah-Langkah Penggunaan Metode Komputasi Fluida(CFD) Urutan Langkah Penelitian Alokasi Waktu Penelitian...55 BAB IV ANALISA DAN DISKUSI 4.1 Contoh Perhitungan Perhitungan Bilangan Reynolds Perhitungan Koefisien Tekanan, Cp...58 x

5 4.1.3 Perhitungan Kecepatan Aliran di Belakang Prisma Perhitungan Koefisien Pressure Drag (C Dp ) Perhitungan Koefisien Total Drag (C Dt ) Analisa Grafik dan Visualisasi Karakteristik Aliran Fluida Melintasi Prisma Terpancung Dengan Perbandingan Rusuk b/a = 12/ Karakteristik Aliran Fluida Melintasi Prisma Terpancung Dengan Perbandingan Rusuk b/a = 2/ Karakteristik Aliran Fluida Melintasi Prisma Terpancung Dengan Perbandingan Rusuk b/a = 1/ Karakteristik Aliran Fluida Melintasi Prisma Terpancung Dengan Perbandingan Rusuk b/a = 0/ Perbandingan Karakteristik Aliran Fluida Melintasi PrismaTerpancung Dengan Perbandingan Rusuk b/a = 12/12, 2/12, 1/12, 0/ Pengaruh Variasi Perbandingan Rusuk (b/a) pada Prisma Terpancung Terhadap Gaya Drag Koefisien Total Drag pada Prisma Terpancung untuk Setiap Variasi Perbandingan Rusuk (b/a) Koefisien Shear Drag pada Prisma Terpancung untuk Setiap Variasi Perbandingan Rusuk (b/a) xi

6 4.6 Perbandingan Karakteristik Aliran Fluida Melintasi Prisma Terpancung dengan (b/a) = 0/12 hingga 12/ Pengaruh Variasi Perbandingan Rusuk (b/a) pada Prisma Terpancung Terhadap Gaya Drag dengan (b/a) =12/12 sampai (b/a) =0/ Perbandingan Penelitian Secara Eksperimental dengan Secara Numerikal untuk perbandingan rusuk (b/a) = 12/ Perbandingan Penelitian Secara Eksperimental dengan Secara Numerikal untuk perbandingan rusuk (b/a) = 2/ Perbandingan Penelitian Secara Eksperimental dengan Secara Numerikal untuk perbandingan rusuk (b/a) = 1/ Perbandingan Penelitian Secara Eksperimental dengan Secara Numerikal untuk perbandingan rusuk (b/a) = 0/ BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xii

7 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Aliran fluida melalui silinder sirkular 8 Gambar 2.2 Strstruktur boundary layer 10 Gambar 2.3 Penguraian komponen gaya drag 15 Ganbar 2.4 Control volume persamaan gaya drag 17 Gambar 2.5 Mekanisme terjadinya separasi pada aliran melewati silinder 20 Gambar 2.6 Separasi bubble ( Bao & Dallmann, 2004 ) 22 Gambar 2.7 Distribusi tekanan pada separasi bubble 23 ( Bao & Dallmann, 2004 ) Gambar 2.8 Skema percobaan (Anisa P.S.,2008) 24 Gambar 2.9 Gambar 2.10 Gambar 2.11 Gambar 2.12 Perbandingan grafik Cp = f(θ) tiap benda uji (Anisa P.S.,2008) Gambar 2.10 Koefisien drag pada silinder tipe D θs = 65 untuk setiap variasi axis ratio (Anisa P.S.,2008) skema percobaan(luo, dkk,1993) koefisien gaya normal(cn) = f (α) untuk tiap benda uji (Luo, dkk,1993) 28 Gambar 2.13 koefisien gaya aksial(ca) = f (α) untuk tiap benda uji (Luo, dkk,1993) 30 xiii

8 Gambar 2.14 Gamabr 2.15 Gambar 2.16 Gambar 2.17 koefisien lift (CL) dan koefisien drag (CD) = f (α) untuk tiap benda uji (Luo, 32 dkk,1993) skematik aliran dan sisitem kordinat (Cheng dan Liu, 1999) 33 perbandingan antara eksperimen dan komputasi (Cheng dan Liu, 1999) 34 distribusi tekanan dan pola aliran aliran melintasi bodi (Cheng dan Liu, 1999) 36 Gambar 2.18 distribusi tekanan dan pola aliran aliran melintasi bodi (λ = 0) (Cheng dan Liu, 1999) 39 Gamabr 2.19 Gambar 2.20 t = 91, (b) t = 93, (c) t = 95, (d) t = 97, (e) t = 99 (Cheng dan Liu, 1999) Cp untuk masing-masing percobaan (Cheng dan 40 Liu,1999) nilai koefisien drag untuk masing-masing benda uji (Cheng dan Liu, 1999) 41 Gambar 2.21 Gambar 2.22 benda uji (Yaghoubi dan Mahmoodi, 2004) vector kecepatan melintasi plat (Yaghoubi 42 xiv

9 dan Mahmoodi, 2004) 44 Gambar 2.23 Gambar 2.24 variasi U/Umax sepanjang plat (Yaghoubi dan Mahmoodi, 2004) 45 variasi intensitas turbulensi sepanjang plat (Yaghoubi 46 Gambar 2.25 dan Mahmoodi, 2004) variasi momentum tichnes dan Gambar 2.26 Gambar 2.27 Gambar 2.28 Gambar 2.29 Gambar 2.30 displacement tichnes sepanjang plat (Yaghoubi dan Mahmoodi, 2004) variasi koefisien gesek sepanjang plat (Yaghoubi dan Mahmoodi, 2004) intensitas turbulensi sepanjang plat (Yaghoubi dan Mahmoodi, 2004) variasi AR terhadap posisi reattach (Yaghoubi dan Mahmoodi, 2004) rata-rata kecepatan (PIV)dan model L/D = 0,67 (Higuchi, dkk, 2006) rata-rata profile kecepatan dengan xv

10 Re= Gambar 2.31 Gambar 2.32 Gambar 2.33 Gambar 2.34 Gambar 2.35 Gambar 3.1 Gambar 3.2 Gambar 3.3 Dye flow visualisasi, L/D = 1,5 (Higuchi, dkk, 2006) Dye flow visualizations, ReD = : (a) L/D = 0.67; (b) L/D = 1.5; (c ) L/D = 3 (Higuchi, dkk, 2006) vektor kecepatan melewati benda uji (Higuchi, dkk, 2006) profile kecepatan di daerah wake (Higuchi, dkk, 2006) Proper Orthogonal Decomposition dari medan kecepatan melintasi benda uji L/D= 1.5 Skema Percobaan Skema Wind Tunnel yang digunakan Profil prisma yang digunakan Gambar 3.4 Skema visualisasi pada profil prisma 67 Gambar 3.5 Pengukuran profil kecepatan di daerah 6 xvi

11 Gambar 3.6 wake 8 Meshing pada prisma terpancung dengan (b/a) = 12/12 69 Gambar 3.7 Meshing pada prisma terpancung dengan (b/a) = 2/12 69 Gambar 3.8 Gambar 3.9 Meshing pada prisma terpancung dengan (b/a) = 1/12 Meshing pada prisma terpancung dengan (b/a) = 0/ Gambar 4.1 Grafik Cp = f(θ) prisma terpancung dengan (b/a) = 12/12 85 Gambar 4.2 Gambar 4.3 Gambar 4.4 Gambar Hasil visualisasi aliran melintasi prisma terpancung dengan (b/a) = 12/12 Profil kecepatan di belakang prisma terpancung dengan (b/a) = 12/12 Grafik Cp = f(θ) prisma terpancung dengan (b/a) = 2/12. Hasil visualisasi aliran melintasi prisma terpancung dengan (b/a) = 2/ Gambar 4.6 Profil kecepatan prisma terpancung dengan (b/a) = 2/12 92 Gambar 4.7 Grafik Cp = f(θ) prisma terpancung dengan (b/a) = 1/ xvii

12 Gambar 4.8 Gambar 4.9 Hasil visualisasi aliran melintasi prisma terpancung dengan (b/a) =1/12 Profil kecepatan di belakang prisma terpancung dengan (b/a) = 1/ Gambar 4.10 Gambar 4.11 Gambar 4.12 Gambar 4.13 Gambar 4.14 Gambar 4.15 Grafik Cp = f(θ) prisma terpancung 9 7 dengan (b/a) = 0/12 Hasil visualisasi aliran melintasi prisma 99 terpancung dengan (b/a) = 0/12 Profil kecepatan di belakang prisma terpancung dengan (b/a) = 0/ Perbandingan grafik Cp = f(θ) tiap 101 benda uji Perbandingan profil kecepatan di 103 belakang tiap benda uji Koefisien Total Drag pada Prisma Terpancung untuk Setiap Variasi (b/a) 105 Gambar 4.16 Gambar 4.17 Gambar 4.18 Gambar 4.19 Perbandingan grafik Cp = f(θ) tiap benda uji Perbandingan profil kecepatan di belakang tiap benda uji Koefisien Drag pada Prisma Terpancung untuk Setiap Variasi (b/a) Perbandingan grafik Cp = f(θ) dengan (b/a) = 12/12 secara eksperimental dan numerikal Gambar 4.20 Hasil visualisasi aliran melintasi prisma 113 xviii

13 Gambar 4.21 Gambar 4.22 Gambar 4.23 Gambar 4.24 Gambar 4.25 Gambar 4.26 Gambar 4.27 Gambar 4.28 terpancung dengan (b/a) = 12/12 dengan menggunakan fluent Perbandingan profil kecepatan di belakang tiap benda uji yang dilakukan secara eksperimental dan numerikal Perbandingan grafik Cp = f(θ) dengan (b/a) = 2/12 secara eksperimental dan numerikal Hasil visualisasi aliran melintasi prisma terpancung dengan (b/a) = 2/12 dengan menggunakan fluent Perbandingan profil kecepatan di belakang tiap benda uji yang dilakukan secara eksperimental dan numerikal Perbandingan grafik Cp = f(θ) dengan (b/a) = 1/12 secara eksperimental dan numerikal Hasil visualisasi aliran melintasi prisma terpancung dengan (b/a) = 1/12 dengan menggunakan fluent Perbandingan profil kecepatan di belakang tiap benda uji yang dilakukan secara eksperimental dan numerikal Perbandingan grafik Cp = f(θ) dengan (b/a) = 0/12 secara eksperimental dan numerikal xix

14 Gambar 4.29 Gambar 4.30 Hasil visualisasi aliran melintasi prisma terpancung dengan (b/a) = 0/12 dengan menggunakan fluent Perbandingan profil kecepatan di belakang tiap benda uji yang dilakukan secara eksperimental dan numerikal xx

15 DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Alokasi waktu penelitian 74 Tabel 4.1 Tabel 4.2 Integrasi u untuk menghitung gaya drag total nilai Cpb untuk (b/a) = 12/12 sampai dengan (b/a) = 0/ Tabel 4.3 nilai Cpb benda uji dari (b/a) = 12/12 sampai dengan (b/a) = 0/ xxi

16 HALAMAN INI SENGAJA DIKOSONGKAN xxii

17 DAFTAR SIMBOL DAN SATUAN A luasan tekan (m 2 ) a panjang sisi alas prisma (m) b panjang sisi puncak prisma (m) b/a perbandingan panjang sisi puncak dengan panjang sisi alas C D C Dp C Df C Dt C D1 C p C pb D F Df d F Df F Dp koefisien drag koefisien pressure drag koefisien friction drag koefisien total drag koefisien drag prisma bagian lower dan upper side koefisien tekanan koefisien base pressure diameter silinder (m) skin friction drag (N) diameter silinder pengganggu (m) skin friction drag (N) pressure drag (N) F D gaya drag (N) F L gaya lift (N) g percepatan gravitasi (m/s 2 ) h lebar test section pada wind tunnel (m) xxiii

18 Δh L n selisih pembacaan manometer (m) panjang silinder (m); panjang karakteristik (m) jumlah pressure tap p tekanan statis aliran fluida (N/m 2 ) p o tekanan stagnasi (N/m 2 ) p sk tekanan statis kontur (N/m 2 ) ps tekanan statis freestream (N/m 2 ) p b base pressure (N/m 2 ) pd tekanan dinamis (N/m 2 ) Re SG U bilangan Reynolds specific gravity kecepatan freestream (m/s) U max kecepatan lokal maksimum (m/s) V x y θ S θ p kecepatan lokal aliran (m/s) jarak longitudinal dari pitot tube (m) lebar test section wind tunnel (m) sudut iris silinder pengganggu (deg) sudut kontur silinder (deg) perbedaan antara tekanan freestream dengan tekanan pada dinding prisma (N/m 2 ) τ yx tegangan geser (N/m 2 ) µ viskositas udara (N.s/m 2 ) xxiv

19 du dy gradient kecepatan aliran (s -1 ) u δ kecepatan lokal aliran (m/s) boundary layer thickness ρ massa jenis udara (kg/m 3 ) p θ π gradient tekanan pada kontur grup bilangan tak berdimensi xxv

20 xxvi