Bab III Aliran Putar Ada banyak jenis aliran fluida dalam dunia teknik, dimana komponen rotasi dari nilai rata-rata deformasi memberikan kontribusi lebih besar terhadap pola aliran yang terjadi. Memperhatikan kopel kompleks antara tegangan turbulen, yang merupakan tensor simetris, dengan komponen rotasi dari nilai rata-rata deformasi, yang merupakan tensor antisimetris, hubungan konstitutif turbulen menjadi lebih kompleks dibandingkan dengan aliran fluida teregang murni. Hasil studi eksperimental dan numerik yang telah dilakukan sebelumnya memberikan gambaran tentang pengaruh penting dari komponen rotasi terhadap mekanisme aliran terutama pada disipasi viskos dari energi kinetik turbulen, dan juga transfer energi antar-komponen fluida. Pemahaman fisik terhadap dinamika turbulensi pada aliran yang demikian, misalnya aliran putar, masih sangat sedikit sehingga membutuhkan banyak usaha penelitian berikutnya. 3.1 Pengenalan Awal Aliran swirl atau aliran putar banyak ditemukan dalam berbagai bentuknya di alam, misalnya pada gejala angin tornado yang sering melanda beberapa kawasan, pada pusaran air laut (whirl pool) yang biasa terjadi di tengah lautan, pada aliran udara yang lepas dari ujung sayap (tip) pesawat udara, pada aliran air yang melewati baling-baling (impeller) dari sebuah kapal laut atau kapal selam. Aliran putar merupakan aliran fluida yang selain mempunyai komponen kecepatan aksial dan radial, juga mempunyai komponen kecepatan swirl. Di dalam tabung pembakaran, adanya kombinasi antara komponen kecepatan aksial dan swirl tersebut mempengaruhi pencampuran dua atau lebih jenis fluida yang mengalir di dalam tabung tersebut. Pada beberapa laporan penelitian sebelumnya, aliran putar isothermal mempengaruhi kestabilan nyala api (flame stability) pada reaksi pembakaran. Hal ini berhubungan dengan proses pencampuran antara 19
bahan bakar dan udara. Adanya komponen kecepatan swirl menginduksikan gaya sentrifugal di dalam aliran, dimana gaya ini akan mempengaruhi puncak distribusi kecepatan, distribusi tekanan statik, serta daerah resirkulasi. Resirkulasi memiliki peranan yang sangat penting pada kestabilan pembakaran, karena dengan adanya resirkulasi maka kecepatan aksial lokal udara didalam zona primer menjadi cukup rendah untuk menjaga keberlangsungan reaksi pembakaran. Resirkulasi juga meningkatkan pencampuran bahan bakar-udara di dalam ruang bakar, dan dapat menyuplai cukup oksigen segar ke dalam daerah reaksi. Gambar 3.1 Contoh Fenomena Aliran Putar di Alam Banyak lagi fenomena lainnya yang membangkitkan medan aliran putar. Bahkan air di dalam gelas apabila diaduk secara konstan akan membentuk suatu pola aliran putar. 3.2 Karakteristik Aliran Putar Aliran putar termasuk salah satu topik penelitian yang cukup lama, namun masih menarik untuk dipelajari lebih dalam lagi. Aliran putar merupakan jenis aliran tiga-dimensi yang sangat kompleks, yang melibatkan banyak aspek fisik 20
didalamnya. Aliran teregang turbulen berputar ini, dengan contoh kasus alian putar di dalam pipa silinder lurus, telah dipelajari secara eksperimental oleh ilmuwan Baker (1967), Fejer et al. (1968), Wolf et al. (1969), Senoo dan Nagata (1972), Murakami et al. (1976), Algifri et al. (1987), Kitoh (1991), Li dan Tomita (1994), dan Steenbergen (1995). Dari sekian banyak ilmuwan yang terjun dalam topik penelitian ini, dan dari sekian banyak teori dan hipotesis yang dibangun, tetapi belum ada satupun yang sanggup untuk menjelaskan fenomena aliran putar secara lengkap dan menyeluruh. Walaupun demikian, bagaimana aliran putar secara umum telah berhasil dibuat dan dapat diterima dengan memuaskan. Secara umum, karakteristik aliran putar dinyatakan dengan bilangan swirl (bilangan sirkulasi) dan bilangan Reynolds (Re), sebagaimana yang digunakan beberapa ilmuwan ( [10], [11], [12], dan [14]) dalam penelitiannya. Bilangan swirl yaitu bilangan nondimensional yang digunakan untuk menunjukkan kekuatan putaran (swirl) pada aliran putar, dan didefinisikan sebagai perbandingan antara momentum arah tangensial aliran dengan hasil kali antara momentum arah aksial aliran dan radius tabung. Didapat suatu kecenderungan, semakin tinggi bilangan swirl (untuk kasus kecepatan aksial rata-rata yang sama) maka kekuatan putaran aliran semakin tinggi. Bilangan Reynolds (Re) yaitu bilangan nondimensional yang digunakan untuk menunjukkan karakteristik turbulen aliran putar, secara fisik didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya inersia dengan gaya friksi dari aliran yang bersangkutan. Semakin tinggi Re maka gaya inersia setiap bongkah aliran akan semakin tinggi pulan sehingga aliran lebih bersifat turbulen. Untuk aliran di dalam tabung dengan penampang tetap, semakin tinggi Re maka berarti kecepatan aksial rata-rata aliran semakin tinggi. Bilangan swirl merupakan perbandingan antara momentum rata-rata aliran putar terhadap momentum arah aksial dihitung dengan formula berikut: S = R 2 ruwdr 0 R 0 2 R ru dr S = bilangan swirl R = jari-jari tabung pembakaran 21
r = posisi radial u = komponen kecepatan aksial w = komponen kecepatan swirl Untuk memperoleh bilangan swirl yang sama, dapat digunakan lebih dari satu jenis konfigurasi bilah. Sebagai contoh, untuk memperoleh bilangan swirl sekitar 0,18 dapat digunakan swirl vanes konstan 15 maupun swirl vanes punter 020 linier. Namun dari kedua konfigurasi tersebut, akan diperoleh medan aliran yang berbeda. Secara umum, bilangan swirl yang dibangkitkan akan semakin besar akibat penambahan sudut vanes. Ada dua jenis aliran swirl berdasarkan harga bilangan swirlnya, yaitu aliran putar kuat (strong swirl) dan aliran putar lemah (weak swirl) yang perhitungannya sesuai dengan persamaan diatas. Lebih jelasnya pada bagian berikut. 3.3 Karakteristik Aliran Putar Lemah (Weak Swirl) Aliran putar lemah (weak swirl) biasanya dipilih oleh perancang atau peneliti untuk membangkitkan medan aliran putar namun tanpa terlalu mempengaruhi medan aliran secara keseluruhan. Aliran putar lemah mempunyai bilangan swirl kecil, S 0,4. Untuk pembangkitan aliran putar menggunakan swirl vanes, maka weak swirl diperoleh dengan menggunakan sudut sudu yang relative kecil, antara 0 sampai 30. Karaktristik aliran weak swirl yaitu komponen kecepatan aksial maksimum dan komponen kecepatan tangensial maksimum berada pada garis sumbu aliran. Kekuatan putar dari weak swirl tidak cukup kuat untuk membangkitkan daerah resirkulasi di dalam zona primer. 3.4 Karakteristik Aliran Putar Kuat (Strong Swirl) Aliran putar kuat (strong swirl) mempunyai bilangan swirl kecil, S 0,6. Untuk pembangkitan aliran swirl menggunakan swirl vanes, maka strong swirl diperoleh dengan menggunakan sudut sudu yang relatif besar, antara 30 sampai 55. Karaktristik aliran strong swirl yaitu komponen kecepatan aksial maksimum dan komponen kecepatan tangensial maksimum bukan berada pada garis sumbu 22
aliran, namun berada disekitar garis sumbu. Strong swirl menimbulkan gradien tekanan aksial dan radial yang cukup untuk membentuk zona resirkulasi toroid, yang tidak teramati pada weak swirl. 3.5 Metode Pembangkitan Aliran Putar Untuk membangkitkan medan aliran putar, dapat digunakan berbagai macam metode, antara lain: 1. Melewatkan aliran masuk melalui swirler vanes Gambar 3.2 Metode pembangkitan aliran putar menggunakan swirler vanes 2. Memberikan semburan udara pada arah tangensial ke dalam tabung Gambar 3.3 Metode pembangkitan aliran putar menggunakan semburan tangensial 3. Melewatkan udara masuk melalui pelat yang terpuntir Gambar 3.4 Metode pembangkitan aliran putar menggunakan pelat berpuntir 23
4. Memberikan gerakan rotasi pada bagian pipa masukan udara Gambar 3.5 Metode pembangkitan aliran putar menggunakan pipa berotasi 5. Menambahkan propeler pada bagian masukan udara Gambar 3.6 Metode pembangkitan aliran putar menggunakan propeler 3.6 Karakteristik Pengurangan Aliran Putar (Swirl Decay) Pada aliran putar di dalam tabung berdinding, kecepatan tangensialnya mengalami pengurangan pada arah downstream yang disebabkan oleh tegangan geser dinding tangensial. Tegangan geser dinding tangensial ini juga akan memberi pengaruh terhadap bentuk profil dari ketiga komponen kecepatan dan tegangan turbulen. Dalam pembahasan swirl decay, perhatian biasanya diarahkan pada pengurangan jumlah putaran. Sejumlah kuantitas integral dikembangkan untuk menyatakan jumlah putaran ini. Disini, bilangan swirl dari Kitoh (1991) akan digunakan. Walaupun kebanyakan analisis aliran putar didasarkan pada asumsi bahwa alirannya aksisimetris (sehingga semua momentum angular dinyatakan oleh u θ dan bukan oleh u r ), dalam kenyataannya muncul asimetris. Aliran asimetris yang kecil saja dapat menimbulkan aliran asimetris lebih besar kearah downstream. 24