PENGARUH PEMASANGAN RING BERPENAMPANG SEGIEMPAT DENGAN POSISI MIRING PADA PERMUKAAN SILINDER TERHADAP KOEFISIEN DRAG

Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013 PENGARUH PEMASANGAN RING BERPENAMPANG SEGIEMPAT DENGAN POSISI MIRING PADA PERMUKAAN SILINDER TERHADAP KOEFISIEN DRAG Si Putu Gede Gunawan Tista, Ketut Astawa, Ainul Ghurri Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana Kampus Bukit Jimbaran, Badung - Bali, 80362 e-mail: Gunawan_tista@yahoo.com Abstrak Dalam aplikasi enginering banyak ditemukan peralatan yang menggunakan silinder seperti tiang penyangga jembatan, cerobong asap, tiang pancang pengeboran minyak lepas pantai dan sebagainya. Apabila dikenai aliran udara tentu akan membuat konstruksi dari peralatan tersebut kekuatannya berkurang. Hal ini diakibatkan oleh adanya gaya hambat (drag) yang ditimbulkan oleh aliran udara yang arahnya searah dengan arah aliran. Drag erat kaitannya dengan separasi aliran, semakin cepat terjadi separasi semakin besar darg yang terjadi. Oleh karena itu upaya yang dilakukan untuk mengurangi drag adalah dengan memanipulasi medan aliran fluida. Manipulasi aliran bisa dilakukan secara pasif antara lain menempelkan sebuah sirip pada bluff body, melubangi silinder, menambahkan spiral pada silinder dan menempatkan penghalang yang lebih kecil di depan silinder. Dalam hal ini yang kami lakukan adalah dengan menambahkan ring pada permukaan silinder. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh pemasangan ring berpenampang segi empat dengan posisi miring pada permukaan silinder terhadap koefisien drag. Dalam penelitian ini silinder yang dipasang ring dengan variasi sudut kemiringan ring 0 o,5 o,10 o, 15 o diletakkan vertikal diuji di dalam wind tunnel (lorong angin) yang dilengkapi blower, manometer, pipa pitot. Jarak antar ring adalah 30 mm. Bilangan Reynolds dengan diameter silinder D = 62 mm adalah Re = 3,763.10 4. Distribusi tekanan diperoleh dengan mengukur tekanan permukaan silinder pada 36 titik dengan interval 10 o. Data yang diukur adalah tekanan permukaan silinder, tekanan statis, dan kecepatan aliran fluida.untuk pengukuran gaya drag digunakan timbangan yang diletakkan diatas wind tunnel. Hasil penelitian menunjukkan, terjadi penurunan koefisien drag pada saat dipasang ring pada silinder dengan posisi miring dibandingkan tanpa ring. Nilai koefisien drag (C D ) untuk tanpa ring adalah C D = 0.857382. Penurunan koefisien drag terbesar terjadi pada sudut kemiringan ring 10 o dengan nilai C D = 0.485082. Besarnya penurunan koefisien drag dibandingkan tanpa ring adalah 43,4%. Kata Kunci: Silinder dengan Ring, Sudut Kemiringan Ring, Separasi Aliran, Koefisien Drag Pendahuluan Fenomena gerakan aliran fluida melintasi suatu benda (bluff body) memegang peranan sangat penting dalam aplikasi engineering seperti pada penukar kalor, pembakaran, alat transportasi dan bangunan. Dengan demikian penelitian fenomena aliran tersebut menjadi sangat penting jika dikaitkan dengan krisis energi yang melanda dunia dewasa ini. Pola aliran berbeda-beda tergantung geometri bluff body seperti silinder, segi empat, dan plat. Aliran external viscous yang mengalir melalui silinder akan mengalami stagnasi, lapisan batas, separasi(pemisahan) dan wake di belakang silinder. Untuk benda yang bergerak dalam fluida viscous, gaya drag (gaya hambat) dan gaya lift (gaya angkat) erat hubungannya dengan separasi aliran (Chew et al., 1997). Adanya separasi aliran akan menyebabkan timbulnya wake di belakang silinder yang mengakibatkan drag (hambatan). Semakin cepat terjadinya separasi aliran, wake akan semakin lebar sehingga drag semakin besar. Dalam dunia transportasi seperti pesawat udara, mobil atau kapal laut, drag yang besar dihindari, karena energi atau tenaga yang dibutuhkan untuk bergerak menjadi lebih besar. Berbagai upaya telah dilakukan untuk mengurangi drag, diantaranya dengan TM-23 166

Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013 membuat body yang streamline atau memanipulasi medan aliran. Sebagai contoh, jika drag dari mobil dan bangunan dapat dikurangi maka banyak biaya bahan bakar dan material yang dapat dihemat (Tsutsui dan Igarasi, 2002). Dalam aplikasi enginering banyak ditemukan peralatan yang menggunakan silinder seperti tiang penyangga jembatan, cerobong asap, tiang pancang pengeboran minyak lepas pantai dan sebagainya. Apabila dikenai aliran fluida tentu akan membuat kekuatan konstruksi dari peralatan tersebut akan berkurang dan lebih cepat robohnya tidak sesuai dengan yang direncanakan. Hal ini diakibatkan oleh adanya gaya hambat yang besar (drag) yang ditimbulkan oleh aliran fluida yang arahnya searah dengan arah aliran. Oleh karena itu, penelitian tentang pengurangan koefisien gaya hambat (drag) pada silinder penting untuk dilakukan. Dalam penelitian ini silinder dipasang ring yang berpenampang segi empat sehingga terjadi perubahan pola aliran pada silinder, diharapkan separasi aliran bisa ditunda, wake dibelakang silinder menjadi lebih sempit dan terjadi pengurangan koefisien gaya hambat (drag ) pada silinder. Tujuan dari penelitian ini adalah adalah untuk mengetahui pengaruh pemasangan ring berpenampang segi empat dengan posisi miring pada permukaan silinder terhadap koefisien gaya hambat (drag). Berbagai penelitian tentang drag yang mendukung penelitian ini antara lain: Lee, et al. (2004), meneliti pengaruh pemasangan batang kontrol kecil pada upstream dari silinder dengan fokus pada karakteristik drag dan struktur aliran. Bilangan Reynold berdasarkan silinder utama (D = 30 mm) adalah sekitar Re = 20000. Maksimum pengurangan koefisien total drag dari seluruh sistem meliputi silinder utama dan batang kontrol sekitar 25%. Lim & Lee (2004), membahas aliran disekitar silinder bulat yang dikontrol dengan menempelkan gelang O untuk mengurangi gaya drag pada silinder. Gaya drag, kecepatan wake dan intensitas turbulensi diukur pada bilangan Reynold dalam range R ed = 7,8 x 10 3 ~ 1,2 x 10 5 dengan variasi kombinasi diameter dan jarak puncak antara gelang O yang berdekatan. Didapatkan hasil silinder yang dipasang dengan diameter gelang O d = 0,0167D pada interval puncak dari PPD (jarak dari puncak ke puncak) = 0,165D menunjukkan maksimum pengurangan drag sekitar 9% pada R ed = 1,2 x 10 5, dibandingkan silinder halus. Tetapi, pemasangan gelang O dengan diameter lebih besar dari pada d = 0,067D hanya sedikit mengurangi drag. Tsutsui & Igarashi (2002), mengkaji aliran sekitar silinder dengan menempatkan batang kecil pada upstream dari silinder. Diameter silinder adalah D = 40 mm, dan diameter batang d rentangnya dari 1 sampai 10 mm.. Angka Reynold didasarkan pada D rentang dari 1,5 x 10 4 sampai 6,2 x 10 4. Pengurangan total drag yang meliputi drag dari batang adalah 63% dibandingkan dengan yang satu silinder. Igarashi (1997), Mengkaji aliran sekitar Prisma segiempat dengan menempatkan batang kecil di depan prisma (upstream). Panjang sisi prisma D adalah 30 mm dan bilangan Reynold Re adalah 3,2 x 10 4. Pada jarak kritis G c = D + 4,5d, vortex dari batang hilang. Drag dari prisma menurun sekitar 50% pada G > G c dan 70% pada G G c. Yajima & Sano (1996), Mengkaji aliran sekitar silinder dengan melubangi sepanjang silinder dalam dua baris yang dibuat melintang diamater silinder. Pengurangan drag luar biasa didapat untuk bermacam-macam sudut serang. Besarnya pengurangan drag adalah 40% dibandingkan dengan silinder halus. Bouk, at al. (1998), melakukan studi eksperimental menggunakan silinder kecil sebagai pengontrol pasif untuk mengurangi gaya drag pada silinder utama. Hasil eksperimental mereka menunjukkan bahwa rata-rata penurunan gaya hambat maksimum sekitar 48% relatif terhadap silinder tunggal (tanpa pengontrol pasif). TM-23 167

Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013 Dasar Teori Aliran inkompresibel melintasi silinder dapat dilihat pada gambar 1. (a) Aliran Viscous (b) Aliran inviscid Gambar 1. Gambar Kualititatif aliran pada suatu silinder (Fox, 1985) Pada Gambar1.a. menunjukkan aliran viscous pada suatu silinder, streamlines adalah simetris. Titik A adalah titik stagnasi dan selanjutnya terjadi boundary layer. Dari titik A ke titik B terjadi kenaikan kecepatan yang berakibat penurunan tekanan dan selanjutnya dari titik B ke titik C terjadi penurunan kecepatan yang berarti terjadi kenaikan tekanan PC > PB. Di titik C momentum aliran tidak mampu melawan tegangan geser sehingga menyebabkan pecahnya boundary layer. Titik C disebut dengan point of separation. Di antara titik-titik atau tempat-tempat pemisahan boundary layer terjadi suatu kawasan yang disebut dengan wake. Makin besar wake makin besar terjadi perbedaan gaya di depan dan di belakang silinder berakibat makin besar gaya seret aliran terhadap silinder. Aliran inviscid digambarkan pada gambar 1.b. terlihat bahwa streamlines simetris, terjadi slip pada permukaan silinder dan perbedaan besar kecilnya kecepatan aliran ditunjukkan oleh rapat longgarnya streamlines yang ada dan juga tidak terjadi wake sehingga tidak terjadi gaya seret pada silinder. Pengaruh turbulensi pada separasi aliran yang melintasi silinder dapat dilihat pada gambar 2. Gambar 2. Pengaruh turbulensi pada separasi (Incropera & DeWitt, 1981) Karena momentum fluida dalam lapisan batas turbulen lebih besar dari pada lapisan batas laminer, maka kemampuannya untuk melawan tegangan geser lebih besar sehingga akan lebih mampu untuk menunda yang menyebabkan separasi, itu layak untuk mengharapkan transisi. Jika Re D 2 x 10 5, lapisan batas tetap laminer, dan separasi terjadi pada θ 80 o. Tetapi, jika Re D 2 x 10 5, terjadi transisi lapisan batas, dan separasi ditunda sampai θ 140 o. Pada penelitian ini perhitungan koefisien tekanan digunakan persamaaan (Lee, et al., 2004): P Po CP 1 2 U (1) 2 o TM-23 168

dengan: P = Tekanan permukaan (N/m 2 ) P o = Tekanan statik (N/m 2 ) U o = Kecepatan aliran bebas (m/s) ρ = Densitas udara (kg/m 3 ) Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013 Koefisien drag berdasarkan luasan frontal efektif silinder dihitung menggunakan persamaan (Lim & Lee, 2004): 2xFD CD (2) 2 U 0. A dengan: F D = Gaya drag (N) A = Luasan Frontal silinder (m 2 ) U o = Kecepatan aliran bebas (m/s) ρ = densitas udara (kg/m 3 ) Metode Penelitian Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah: lorong udara (wind tunnel), pipa pitot, manometer, silinder utama, silinder penghalang, dan blower. Adapun susunan alat uji adalah seperti pada gambar 3. Keterangan gambar: 1. Blower 2. Penyearah 3. Pipa Pitot 4. Manometer U 5. Inclined Manometer 6. Rel/Lintasan 7. Tuas 8. Timbangan digital 9. Benda uji Gambar 3. Skema Instalasi TM-23 169

Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013 Gambar 4. Detail Silinder Dengan Ring, Sudut Kemiringan 0 o, 5 o, 10 o, 15 o. Gambar 5. Detail Potongan Penampang Ring Cara Kerja Dan Teknik Pengambilan Data Aliran udara yang dihembuskan oleh blower mengalir dalam wind tunnel Kecepatan aliran udara wind tunnel diukur dengan pipa pitot (3) dengan diameter pipa 2 mm yang membaca tekanan total, sedangkan alat ukur (4) yang dihubungkan dengan selang berdiameter 2 mm untuk mengukur tekanan statis (P o ) yang juga dibaca secara manual. Kecepatan udara bebas U o diproses dari tekanan dinamik yakni selisih antara tekanan total dan tekanan statik. Selanjutnya pengukuran tekanan statis pada permukaan silinder untuk mendapatkan harga koefisien tekanan (Cp), dimana untuk pengukuran tekanan pada permukaan silinder, silinder dilubangi sebanyak 36 titik dengan jarak antar lubang 10º dengan diameter lubang 1 mm dan dihubungkan dengan selang berdiameter 2 mm ke inclined manometer berdiameter 2 mm, untuk mengukur tekanan permukaan (P) digunakan alat ukur (5). Untuk mengukur gaya drag (F D ) digunakan timbangan digital. Aliran udara yang dihembuskan mengalir dalam wind tunnel, melintasi penyearah(2) agar aliran udara dalam wind tunnel mengalir uniform ke seluruh bagian dalam wind tunnel. Setelah melewati penyearah udara melintasi benda uji (9) yang pada bagian atas dan bawahnya sudah terpasang rel/lintasan (6) agar benda uji dapat bergerak ke belakang setealah terkena hembusan udara, sehingga tuas (7) yang terpasang dibagian atas benda uji dapat mendorong timbangan (8) yang terpasang pada bagian atas wind tunnel, lalu timbangan akan mencatat besarnya gaya drag (F D ) Prosedur Pengambilan Data Prosedur pengambilan data dilaksanakan setelah menentukan atau mengatur semua instrumen yang mendukung dalam proses pengambilan data. Langkah-langkah yang diambil antara lain: 1. Meletakkan silinder yang dipasang ring segiempat vertikal di dalam wind tunnel di depan dari saluran subsonik. TM-23 170

Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013 2. Menghidupkan blower 3. Setelah blower berjalan stasioner dilakukan pengambilan data 4. Pengambilan data distribusi tekanan dengan variasi sudut kemiringan ring, dilakukan dengan mengambil data pada permukaan silinder. 5. Pengambilan data dilakukan sebanyak tiga kali pada setiap variasi sudut kemiringan ring.pengujian baik tanpa ring maupun dengan ring segiempat. Dilakukan juga pengambilan data untuk kecepatan aliran bebas di depan dari saluran subsonik dan juga pengukuran tekanan statik. 6. Pengambilan data gaya drag (F D ) dengan variasi sudut kemiringan ring juga dilakukan sebanyak tiga kali baik dengan ring maupun tanpa ring. Hasil Dan Pembahasan Hasil penelitian dengan varisi sudut kemiringan ring 0 o, 5 o, 10 o, dan 15 o. Sedangkan kecepatan aliran udara U o = 8,8 m/s, dengan bilangan Reynold Re = 3,763. 10 4, adalah seperti terlihat pada gambar berikut. 0,2 0,15 0,1 0,05 Cp 0-0,05-0,1-0,15-0,2 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 Sudut (θ) Tanpa ring sudut ring 0 derajat sudut ring 5 derajat sudut ring 10 derajat sudut ring 15 derajat Gambar 6. Grafik Hubungan antara Koefisien Tekanan (Cp) terhadap sudut silinder (θ) dengan Variasi Sudut Kemiringan ring. Pada Gambar 6. menunjukkan grafik hubungan koefisien tekanan (Cp) terhadap sudut silinder dengan variasi sudut kemiringan ring yaitu 0 o, 5 o, 10 o, 15 o, serta tanpa ring. Pada gambar 6, terlihat tekanan dari titik stagnasi mengalami penurunan kemudian meningkat dan akhirnya terjadi separasi (pemisahan aliran ). Separasi aliran terjadi dari sudut 90 o tanpa ring sampai 110 o dengan variasi sudut kemiringan ring. Terlihat dengan adanya ring pada silinder yang dipasang miring, penundaan separasi aliran sampai sudut 110 o menyebabkan wake (daerah dibelakang silinder) menjadi lebih sempit sehingga drag menjadi lebih rendah. Hal ini disebabkan dengan adannya penambahan ring, aliran yang mengalir pada permukaan silinder menjadi lebih cepat sehingga momentum aliran menjadi lebih besar untuk mengatasi tegangan geser. Meningkatnya aliran disebabkan oleh separasi aliran yang terjadi pada ring menyebar ke permukaan silinder antar ring, sehingga aliran yang mengalir melalui luasan sempit akan mengalami peningkatan. TM-23 171

CD 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013 0 5 10 15 20 Sudut Kemiringan Ring (θ) dengan ring tanpa ring Gambar 7. Grafik Hubungan antara Koefisien Drag (CD) terhadap Sudut Kemiringan Ring dengan Ring dan Tanpa ring. Pada gambar 7. menunjukkan grafik hubungan koefisien drag (CD) terhadap sudut kemiringan ring dengan dan tanpa ring. Terlihat dengan penambahan ring pada silinder yang dipasang miring, koefisien drag menurun mulai dari sudut 0 o sampai 10 o dan meningkat lagi sampai 15 o. Hal ini disebabkan, dengan penambahan ring yang dipasang miring separasi aliran bisa ditunda menyebabkan wake sempit sehingga drag menjadi lebih rendah. Penurunan koefisien drag terbesar terjadi pada sudut 10 o besarnya C D = 0.485082. Besarnya nilai koefisien drag tanpa ring adalah C D = 0.857382. Besarnya penurunan koefisien drag dibandingkan tanpa ring adalah 43,4%. Kesimpulan Dari hasil penelitian yang telah dilakukan dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut: 1. Dengan adaanya pemasangan ring pada silinder yang dipasang miring terjadi penurunan koefisien drag dibandingkan tanpa dipasang ring. 2. Penurunan koefisien drag terbesar terjadi pada sudut kemiringan ring 10 o Referensi 1. Chew, Y T., L S Pan, & T S Lee (1997). Numerical Simulation Of The Effect Of a Moving Wall On Separation Of Flow Past a Symmetrical Aerofoil, ImechE, 212. 2. Fox, R. W.(1985).Introduction To Fluid Mechanics. John Wiley & Sons, New York. 3. Igarashi, T.(1997). Drag Reduction Of a Square Prism by Flow Control Using a Small Rod. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 69 71(1997), 141 153. 4. Incropera, F. P. & D. P. DeWitt. (1981). Fundamentals Of Heat And Mass Transfer.John Wiley & Sons, New York. 5. Lee, S., S. Lee, & C. Park (2004). Reducing The Drag On a Circular Cylinder by Upstream Installation Of a Small Control Rod, Fluid Dynamics Reseach, 34(2004): 233-250. 6. Lim, H.C.&.Lee S.J., (2004). Flow Control of Circular Cylinder With O-Rings.Fluid Dynamics Research, 35 (2004): 107 122 7. Tsutsui, T. & T. Igarashi, (2002). Drag Reduction of a Circular Cylinder in an Air- Stream. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 90(2002): 527-541. 8. Yajima, Y & O. Sano, (1996). A Note On The Drag Reduction Of a Circular Cylinder Due To Double Rows Of Holes. Fluid Dynamics Research, 18(1996): 237 243. 9. Bouak, F, and Lemay, J, (1998), Passive Control of the Aerodynamics Forces Acting on a Circular Cylinder, ExperimentalThermal and Fluid Science, 16, pp. 112-121. TM-23 172