Bab V Metodologi Eksperimen Proses eksperimentasi merupakan suatu seni tersendiri dalam dunia ilmu terapan, karena sangat banyak teori ilmiah yang dihasilkan setelah melakukan eksperimen di lapangan. Setiap eksperimen tentu harus mengikuti kaidah-kaidah pelaksanaan yang baku yang dapat diterima oleh masyarakat ilmu pengetahuan, sehingga data yang didapat merupakan hasil yang dapat dipertanggungjawabkan secara ilmiah. Begitu juga dengan studi eksperimen aliran swirl dalam tabung ini. Dalam Bab Metodologi Eksperimen ini akan dijelaskan secara rinci tentang pelaksanaan eksperimen yang telah penulis lakukan di dalam laboratorium hingga pelaporan hasil akhir yang menjadi sebuah laporan tugas akhir, meliputi alat yang digunakan serta kalibrasi alat, persiapan ruangan dan terowongan angin, prosedur eksperimen, teknik pengambilan data, dan metode pengolahan data. 5.1 Alat-alat Pada eksperimen ini digunakan alat-alat dan beberapa model sistem sudu pengarah yang diperlukan untuk proses pengukuran data. Semua komponen yang diperlukan dirangkai secara integral dan menjadi satu kesatuan yang saling memberi dan menerima sinyal-sinyal input dan output. Alat-alat yang digunakan antara lain: 1. Terowongan angin 2. Unislide 3. Probe holder 4. Probe Lima Lubang 5. Transduser tekanan 6. Analog to Digital Converter (ADC) 7. Scanivalve, dan 8. Komputer kerja 35
Di laboratorium, perangkaian alat dan instrumen yang disebutkan diatas dapat ditunjukkan oleh diagram berikut: Terowongan Angin Five hole probe Unislide Pressure Transducer Output PC/Aerologger ADC Gambar 5.1 Diagram Rangkaian Instrumen Eksperimen Sedangkan model yang digunakan untuk eksperimen adalah beberapa buah model sistem sudu pengarah aliran putar dengan besar sudut dan distribusi sudut yang bervariasi. Perhatikan tabel berikut: Tabel 5.1 Kode Penamaan Swirl Vanes pada Eksperimen Kode Bilangan swirl Sudut Sudut geometrik pangkal ujung Distribusi V018L 0,18 0 20 linier V018K 0,18 15 15 konstan V039L 0,39 0 38 linier V039K 0,39 30 30 konstan V068L 0,68 0 53 linier V068K 0,68 45 45 konstan Dibawah ini ditampilkan salah satu model sudu pengarah yaitu V039K: Gambar 5.2 Sudu Pengarah Aliran Putar Model V039K 36
Keseluruhan gambar dari tiap-tiap model dapat dilihat pada lampiran. Berikut ini diuraikan karakteristik dari masing-masing alat yang digunakan. 5.1.1 Terowongan Angin Pada eksperimen ini digunakan terowongan angin aliran putar jenis sirkuit terbuka (open loop). Konfigurasi dan komponen yang digunakan tidak jauh berbeda dengan terowongan angin pada umumnya, yaitu: 1. bellmouth 2. fan 3. screen 4. contraction 5. vanes holder 6. seksi uji 7. exhaust diffuser 8. support Perangkat pendukung berupa swirler vanes, slider (unislide), dan inverter juga digunakan pada terowongan angin ini. Skema terowongan angin putar secara rinci dijelaskan pada gambar dibawah: Gambar 5.3 Skema Terowongan Angin Aliran Putar 37
Spesifikasi terowongan angin ini adalah sebagai berikut: panjang : 1566.2 mm tinggi : 1309 mm diameter inlet : 859.6 mm fan : 400 mm dia., 10 bilah, 2 HP Power source diameter seksi uji : 94 mm (dalam), 100 mm (luar) sistem akuisisi data : Betz micromanometer, TSI Model 1050 data converter Hot wire system, PC Benda fisik terowongan angin putar yang digunakan dapat dilihat lebih jelas pada gambar-gambar dibawah ini: Gambar 5.4 Terowongan Angin Putar Tampak Depan Kiri Gambar 5.5 Terowongan Angin Putar Tampak Kanan Belakang 38
Bellmouth Merupakan bagian yang menyelubungi fan terowongan angin. Dibuat dari kerangka kayu yang dilapisi dengan karton tebal. Kemudian untuk menguatkan dan menghaluskannya, karton tersebut dilapisi kembali dengan dempul. Lubanglubang untuk sekrup M10 penyambung fan casing dibuat di sekeliling flange, yang terbuat dari kayu (plywood) terdapat pada bagian belakang. Mempunyai diameter inlet fan sebesar 400 mm dengan radius lengkungan 100 mm. Fan Komponen ini berupa kipas dengan 10 bilah yang dapat diatur sudut dan putarannya. Sebagai sumber putaran digunakan motor listrik berkekuatan 2 HP yang dipasang di dalam casing dengan sumbu yang sama tepat di belakang konstruksi bilah. Modul ini mempunyai diameter 400 mm dengan panjang 420 mm terbuat dari baja (untuk casing) dan alumunium cor untuk bilah-bilahnya. Rangkaian fan dan bellmouth ditampilkan pada gambar berikut: Gambar 5.6 Rangkaian Fan dan Bellmouth Putaran bilah diatur oleh inverter sehingga kecepatan aliran dapat divariasikan. Konektor listrik terdapat pada sisi kanan (pandangan depan) yang dihubungkan dengan inverter. 39
Gambar 5.7 Inverter Terowongan Angin Kisi Penyaring (Screen) Terdiri atas bingkai dan jalinan kawat tipis dengan pola segiempat. Ukuran mesh yang digunakan adalah (1x1) mm. Dengan ukuran ini diharapkan tingkat keseragaman aliran dapat ditingkatkan dengan losses seminimal mungkin. Terowongan angin ini menggunakan 1 screen. Gambar 5.8 Kisi Penyaring (Screen) Screen ini mempunyai diameter dalam 400 mm dan diameter luar 480 mm. Bingkainya dibuat dari kayu dan untuk jalinan kawat, digunakan kawat kasa. Modul ini dipasang di belakang fan sehingga aliran spiral yang keluar dapat langsung di luruskan oleh wiremesh. Di belakang screen terdapat peredam getaran yang terbuat dari kulit dan karet. Peredam ini berfungsi sebagai sambungan antara struktur depan dengan belakang dan bersifat fleksibel sehingga getaran motor fan yang merambat ke struktur depan dapat diminimalkan. 40
Seksi Kontraksi Terbuat dari keramik keras, sambungan flange kepada screen dilapisi karet untuk mencegah keausan permukaan keramik. Terdapat 2 buah lubang untuk memasukkan pitot tube pada bagian depan dan belakang. Penempatan lubang ini berguna untuk mengukur kecepatan depan dan belakang contraction sehingga kenaikan kecepatan dapat diketahui. Diameter belakang adalah 100 mm dan diameter depan adalah 400 mm. Gambar sebenarnya dari seksi kontraksi ini dapat dilihat pada gambar di bawah ini: Gambar 5.9 Seksi Kontraksi Vanes Holder Dibuat dari pipa stainless steel berdiameter 100 mm yang diberi flange. Berguna untuk menahan dan meletakkan swirler karena struktur sambungan antara seksi uji dan seksi kontraksi tidak fixed. Vanes holder ini memungkinkan dan memudahkan swirler vanes untuk dapat diganti (changeable). Gambar 5.10 Vanes Holder sebelum Dipasang Vanes 41
Gambar 5.11 Vanes Holder setelah Dipasang Vanes Komponen ini dibaut pada flange contraction keramik dan dibuat lubang pada salah satu sisi untuk masukan pipa gas tekanan tinggi yang mensimulasikan injeksi bahan bakar. Seksi Uji Untuk bagian seksi uji, berbentuk tabung berdiameter 94 mm dengan tebal 3 mm. Pada inlet dan outlet terdapat flange tempat memasang seksi uji kepada contraction serta slot persegi panjang tempat memasukkan probe lima lubang di sisi kiri tabung. Gambar 5.12 Seksi Uji Terowongan Angin Aliran Putar 42
Slot panjang ini berukuran 300 mm x 20 mm, untuk menempatkan probe lima lubang. Pada inlet flange terdapat ceruk untuk menempatkan sensor yang paling dekat dengan keluaran swirler (± 2.0 mm dari keluaran). Seksi Difuser Merupakan bagian paling akhir yang berbentuk kerucut berlubang dengan penampang makin luas ke arah keluaran. Sumbu aksialnya sepanjang 300 mm dengan diameter 160 mm. Komponen ini terbuat dari pelat stainless steel dengan pertimbangan tahan terhadap temperatur tinggi saat pengujian dengan api. Perhatikan gambar dibawah ini: Gambar 5.13 Skema Seksi Difuser Gambar 5.14 Bentuk Fisik Difuser 43
Struktur Penyangga Keseluruhan komponen terowongan angin aliran putar ditopang oleh suatu struktur penyangga, pembuatannya dilakukan di bengkel laboratorium aerodinamika. Kerangka terbuat dari batang-batang besi berongga (40 x 40) mm dengan sambungan las. Gambar 5.15 Struktur Penyangga Terowongan Angin Struktur penyangga tersebut terbagi atas 2 bagian, yaitu penyangga depan meliputi fan dan bellmouth serta penyangga belakang meliputi contraction, seksi uji, exhaust diffuser. Pembagian tersebut dilakukan supaya getaran fan seminimal mungkin menjalar ke bagian seksi uji. 5.1.2 Unislide Supaya proses pengambilan data dapat berjalan dengan cukup akurat maka digunakan slider berupa tumpuan yang dapat digeser. Pengguna dapat mengetahui besar pergeseran melalui angka yang ditunjukkan pengukur. Gambar 5.16 Unislide 44
Alat ini mempunyai 6 derajat kebebasan dengan memutar sekrup-sekrup pergeserannya. Sensor berupa probe lima lubang dipasang pada tumpuan yang disediakan. Tumpuan tersebut terhubung pada batang-batang yang dapat digeser. 5.1.3 Probe Holder Komponen ini merupakan base support yang terbuat dari kuningan dan terpasang pada sumbu radial dari unislide. Pada probe holder ini probe lima lubang nantinya akan dipasang ke slider dengan sekrup di samping terowongan angin sehingga posisi probe dapat digeser-geser dengan keakuratan tinggi di dalam terowongan angin. Komponen ini juga di-bor sepanjang tingginya untuk memasukkan pipa probe dan harus dilakukan cukup teliti supaya lubang benarbenar lurus sehingga posisi pipa probe benar-benar tegak lurus arah aliran bebas saat kalibrasi. Ukuran diameter harus disesuaikan (lebih kecil sedikit) supaya mudah perputaran untuk mengatur sikap pitch probe agar lurus arah aliran. Gambar 5.17 Probe Holder 5.1.4 Probe Lima Lubang Pada eksperimen ini probe lima lubang digunakan untuk mengukur tekanan statik pada titik-titik uji di dalam terowongan angin. Penjelasan mengenai probe lima lubang, kalibrasi, dan cara menngunakannya telah diberikan dengan rinci pada bab sebelumnya. 45
5.2 Asumsi dan Data Ruangan Setelah semua instrumen yang digunakan pada eksperimen telah dirangkai, maka sebelum dimulai, perlu ditentukan asumsi-asumsi aliran udara dan data kondisi ruangan ketika eksperimen dilakukan. Adapun asumsi-asumsi yang digunakan adalah: Fluida Newtonian Aliran inkompresibel Aliran bergerak dalam arah 3-dimensi Sistem isothermal Sedangkan data ruangan yang perlu diketahui adalah: tekanan (p), temperatur (T), dan kelembaban (α). 5.3 Set-up Eksperimen Pada bagian ini akan dipaparkan persiapan yang dilakukan sebelum mulai dilakukan eksperimen. Persiapan tersebut antara lain: 1. Perangkaian alat-alat yang digunakan 2. Pemasangan sistem sudu pengarah aliran putar di vanes holder 3. Setting probe lima lubang di dalam terowongan angin Apabila semua alat telah dipasang di tempatnya dan terangkai dengan alat lainnya, maka proses pengambilan data bisa dimulai. Langkah-langkah pengambilan data akan dijelaskan pada bagian berikutnya. 5.3.1 Perangkaian Alat-alat yang Digunakan Setelah semua peralatan dan model yang diperlukan tersedia, maka tahap berikutnya yaitu perangkaian (instalasi) semua peralatan tersebut menjadi suatu kesatuan yang akan digunakan untuk melakukan pengambilan data. Perangkaian alat-alat dijelaskan sebagai berikut: 1. Terowongan angin aliran putar ditempatkan di dalam laboratorium, sebagai komponen yang menyediakan aliran udara seragam untuk proses pengukuran. Maka kondisi di sekeliling terowongan ini diusahakan bebas dari gangguan dan halangan (obstacle) yang dapat mempengaruhi aliran 46
udara, terutama pada sisi masukan (bellmouth) dan sisi keluaran (diffuser). Inverter diletakkan dekat dengan terowongan sehingga kecepatan putar fan lebih mudah dilakukan. 2. Unislide diletakkan disamping terowongan dengan arah sumbu-sumbu slider disesuaikan dengan arah aliran. Perlu diingat juga bahwa posisi unislide harus diatur sedemikian sehingga ketika slider digeser-geser dapat menjangkau semua titik-titik uji yang diinginkan. Posisi penopang unislide dijaga agar tidak bergeser atau tersenggol selama proses pengukuran data. 3. Probe lima lubang dipasang pada probe holder yang ditempel pada slider radial dengan tangkai probe mengarah ke slot seksi uji. Konfigurasi seperti ini agar probe dapat digeser pada arah radial dan aksial sehingga lubang probe dapat diletakkan pada titik-titik uji. Ingat bahwa kepala probe dipasang sejajar dengan arah aliran udara (sudut yaw sebesar 0 ). 4. Selang keluaran dari probe (selang nomor 1 sampai 5 untuk lubang-lubang probe nomor 1 sampai 5, berurutan) dihubungkan ke scanivalve ke nomor lubang masukan yang bersesuaian. Pencatatan data masing-masing lubang probe dilakukan dengan memutar knop scanivalve. Disini scanivalve dipakai sebab transduser tekanan yang tersedia hanya 1. 5. Selang keluaran dari scanivalve (satu buah) lalu dihubungkan ke transduser tekanan. Ingat bahwa lubang input pada transduser ada dua, ini untuk memisahkan antara tekanan titik uji yang lebih tinggi dari tekanan atmosfer, dan tekanan titik uji yang lebih rendah dari tekanan atmosfer. 6. Kabel-kabel dari transduser (sebanyak dua pasang) dihubungkan ke power supply (satu pasang) sebagai pembangkit tegangan listrik untuk transduser, dan ke ADC sebagai transfer sinyal data analog. 7. Kabel data dari ADC dihubungkan ke komputer kerja untuk mengirim sinyal-sinyal digital yang dapat dibaca oleh komputer. Data yang terukur akan ditampilkan oleh program Aerologger yang telah dibuat sebelumnya, dan langsung tersimpan dengan format xls. Sampai disini persiapan untuk mengukur dan mencatat data telah siap. Berikutnya adalah pemasangan sudu pengarah pada vanes holder terowongan angin dan setting probe di dalam terowongan angin. 47
5.3.2 Pemasangan Sistem Sudu Pengarah Aliran Putar di Vanes Holder Pemasangan sistem sudu pengarah harus dilakukan dengan hati-hati dan secermat mungkin. Diusahakan agar titik tengah sistem sudu (hub) tepat berimpit pada pangkal garis sumbu aksial seksi uji (titik referensi 0,0,0). Apabila titik tengah ini tidak tepat berimpit dengan sumbu aksial, kemungkinan data yang terukur mengalami penyimpangan. Untuk itu sebelum sistem sudu dipasang, terlebih dulu dicari posisi titik referensi dengan menggunakan sebuah bandul ayun dan busur derajat. Setelah posisi titik ini diketahui, maka sistem sudu dapat dipasang pada tempatnya. Perhatikan bahwa sistem sudu mempunyai sudu-sudu yang terpasang pada jari-jarinya dan nantinya probe akan digeser-geser pada arah radial sepanjang garis diameter tabung dibelakang sudu-sudu ini. Ingat agar sistem sudu diputar-putar untuk mendapatkan sikap sedemikian hingga sudu-sudunya tidak memotong garis pergerakan radial dari probe. Hal ini dilakukan agar sudut inklinasi aliran yang menuju probe tidak terlalu besar, karena bila terlalu besar maka kemungkinan data yang tercatat kurang bagus. Sistem sudu dipasang pada vanes holder menggunakan dua buah baut yang memegang sistem sudu pada tempatnya. Usahakan baut diputar sekencang mungkin untuk mencegah agar sistem sudu tidak bergeser karena pengaruh aliran udara yang cukup kencang. Setelah sistem sudu terpasang dengan benar, maka tabung seksi uji digeser kedepan menyambung dan menutupi vanes holder. Jaga agar tidak terjadi rembesan udara yang keluar dari celah sambungan antara vanes holder dengan tabung seksi uji. 5.3.3 Setting Probe Lima Lubang di dalam Terowongan Angin Tangkai probe lima lubang ditumpu oleh probe holder yang melekat pada unislide, sedangkan kepala probe berada di dalam seksi uji. Lubang-lubang yang berada pada kepala probe merupakan bagian paling penting karena di bagian tersebut harga tekanan statik yang akan terukur oleh alat ukur. Sehingga bagus tidaknya data yang terekam sangat bergantung pada tepat tidaknya setting probe di dalam terowongan. Untuk itu pengaturan sikap dan posisi probe dilakukan berulang kali dengan secermat mungkin. 48
Tahap awal adalah menentukan garis radial dan aksial di dalam seksi uji berdasarkan posisi titik-titik uji yang diinginkan. Disini harus diketahui posisi radial maksimum minimum dan posisi aksial maksimum minimum, kemudian posisi unislide diatur sehingga dapat menjangkau posisi tersebut. Selama proses ini tabung uji berulang kali digeser kedepan dan kebelakang untuk memastikan posisi unislide dan probe telah benar. Sumbu-sumbu unislide yang digunakan adalah sumbu horisontal dan radial, sementara sumbu vertikal tidak digunakan. Tahap berikutnya yaitu setting sikap probe, dalam hal ini sudut pitch dan yaw kepala probe diatur sehingga membentuk sudut 0 terhadap arah aliran udara. Hal ini dilakukan untuk menyesuaikan dengan proses kalibrasi yang telah dilakukan sebelumnya, sehingga koefisien kalibrasi yang telah dihitung dapat digunakan pada proses pengambilan data. Idealnya, setting posisi dan sikap probe dilakukan secara bersamaan karena perubahan sikap probe saat setting akan mempengaruhi perubahan posisi aksial dan radial. 5.4 Prosedur Pengambilan Data Setelah dilakukan persiapan-persiapan diatas dengan seksama, maka tahap berikutnya adalah proses pengambilan dan perekaman data. Langkah-langkahnya dijelaskan sebagai berikut: 1. Pasang terlebih dahulu sudu pengarah yang akan diukur pada vanes holder, pastikan pemasangan telah kencang. Geser tabung seksi uji ke depan hingga tersambung erat dengan vanes holder dan tidak ada udara yang merembes keluar. 2. Nyalakan terowongan angin putar, pastikan daerah di depan sisi masukan (bellmouth) bebas dari halangan yang dapat mengganggu aliran udara 3. Gunakan selang tekanan total dan tekanan statik yang terpasang pada terowongan angin untuk mensetting kecepatan aliran udara bebas sesuai dengan yang diinginkan, yaitu 10 m/s. 4. Posisikan ujung kepala probe lima lubang pada titik uji pertama yaitu pada posisi aksial 2 mm dan posisi radial -44 mm (sisi kiri). Tutup rapat slot 49
persegi-panjang dengan selotip hitam agar tidak ada udara merembes, terutama celah pada tangkai probe. 5. Sampai disini probe telah dapat mengukur tekanan statik aliran tiap-tiap lubangnya. Pastikan knop pada scanivalve menunjuk pada angka 1, artinya data tekanan yang masuk ke scanivalve merupakan data yang terukur pada lubang nomor-1 pada probe. Gambar 5.18 Scanivalve Menunjuk Lubang Nomor-1 6. Tunggu beberapa saat (kira-kira 1 menit) hingga kondisi aliran udara di sekitar kepala probe cukup stabil, hal ini dilakukan agar data yang terukur cukup bagus untuk direkam. Data dikatakan cukup bagus apabila garis yang ditunjukkan oleh aerologger menunjuk pada satu harga tertentu. Perhatikan gambar barikut: Gambar 5.19 Garis Aerologger Data Terukur 7. Tentukan direktori dan nama file yang digunakan untuk menyimpan data terekam, kemudian rekam data dengan cara meng-klik tombol run pada aerologger. Rekam data kira-kira selama 10-15 detik, setelah itu tekan kembali tombol run agar aerologger berhenti merekam data. 50
8. Putar knop scanivalve ke posisi nomor-2 agar data yang terekam sekarang adalah data tekanan pada lubang nomor-2 pada probe. Lakukan langkah 5 sampai 7 untuk lubang nomor 3, 4, dan 5. 9. Lepas selotip perekat, kemudian geser posisi probe dengan cara memutar sumbu radial unislide. Posisikan probe pada titik uji aksial 2 mm dan radial -40 mm (sisi kiri), rekatkan selotip rapat-rapat. Lakukan kembali langkah 5-8 untuk posisi radial berikutnya hingga posisi radial 44 mm (sisi kanan tabung). 10. Tentukan nama file baru untuk posisi aksial 5 mm, kemudian lakukan kembali langkah 5-9. Rekam data untuk semua posisi aksial. Semua data yang terekam akan disimpan dalam format xls. 11. Geser probe keluar tabung, kemudian geser tabung kebelakang agar seksi uji terbuka. Ganti sudu pengarah dengan model berikutnya. Keenam model yang digunakan dapat dilihat pada Lampiran A. 12. Setelah semua data dari semua model sudu pengarah berhasil direkam, selanjutnya data diolah menggunakan program yang sudah dipersiapkan sebelumnya [20]. Apabila ada data yang menyimpang jauh, maka ulangi pengambilan data untuk posisi titik uji yang berkaitan. 51