Pengaruh Penambahan Inlet Disturbance Body Terhadap Karakteristik Aliran Melintasi Silinder Sirkular Tersusun Tandem (The Influence of Inlet Disturbance Body on the Flow Characteristics Passing Through Circular Cylinder in Tandem Arrangement) Aida Annisa Amin Daman, Wawan Aries Widodo Laboratorium Mekanika dan Mesin-Mesin Fluida, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Sukolilo, Surabaya 60111 E-mail: aianinda@gmail.com Abstract The objective of this present study is to investigate experimentally the effects of installing Inlet Disturbance Body (IDB) on the flow characteristics passing through circular cylinders with varying the distance of two main cylinders. Experiments were conducted in a wind tunnel with test section of 0.125 m height, 0.125 m width and 1.8 m length. The Reynolds number based on hydraulic diameter was 1.56x10 5. The Inlet Disturbance Body (IDB) of 4 mm in diameter was used on upstream cylinder of diameter 25 mm. The angular position of Inlet Disturbance Body (IDB) was 30. The spacing ratio variation of two main cylinders (L/D) was 1.5 and 4. Bubble separation occurred in upstream cylinder with IDB, therefore the separation point was at 115 while the separation point of upstream cylinder without IDB was at 90. The separation points of upstream cylinder were almost independent at spacing ratio. The effect of upstream cylinder s wake on downstream cylinder was strong at L/D 1.5 but it was reduced at L/D 4. Keywords: inlet disturbance body, circular cylinder, tandem arrangement 1. Pendahuluan Penelitian mengenai aliran melintasi silinder sirkular telah banyak dilakukan dan menarik untuk dikembangkan. Beberapa penelitian dilakukan untuk mereduksi gaya drag pada silinder sirkular yaitu dengan cara menambah kekasaran permukaan silinder dan memberi silinder pengganggu pada sisi upstream. Penelitian mengenai pengurangan gaya drag pada silinder sirkular tunggal dengan menggunakan kawat pengganggu dilakukan oleh Lee, dkk [1]. Variasi diameter pengganggu yang digunakan d/d 0.133 sampai 0.267. Hasil penelitian menunjukkan koefisien drag silinder sirkular utama berkurang sebesar 29% ketika menggunakan diameter kawat pengganggu d = 7 mm (d/d = 0.233). Hidayat [2] melakukan penelitian dengan penambahan IDB pada sisi upstream silinder sirkular tunggal. Variasi blockage ratio (D/H) yaitu 10%, 20%, dan 30%. Sudut IDB divariasikan mulai 20 0 hingga 60 0. Dari ketiga variasi blockage ratio, diperoleh koefisien drag terendah pada variasi sudut IDB 30 0. Penelitian mengenai silinder tersusun tandem dengan kawat pengganggu dilakukan oleh Alam, dkk [3]. Penelitian memvariasikan jarak antar silinder upstream dan silinder downstream serta memvariasikan sudut kawat pengganggu terhadap silinder upstream. Blockage ratio dari test section yaitu 8,1%. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sudut optimum untuk mengurangi gaya drag yaitu 30 0 dan terjadi bistable flow pada rasio jarak 3 untuk tanpa kawat pengganggu dan 2,6 dengan kawat pengganggu. Sedangkan Weidman [4] meneliti tentang pengaruh blockage ratio (D/H) terhadap koefisien drag silinder. Hasil penelitian menunjukkan makin tinggi nilai blockage ratio, nilai koefisien drag makin meningkat. Dari beberapa penelitian tersebut, muncul permasalahan yang akan diteliti lebih lanjut mengenai pengaruh penambahan IDB pada sudut 30 0 terhadap karakteristik aliran melalui dua silinder sirkular tersusun secara tandem. Hasil penelitian membandingkan distribusi koefisien tekanan susunan silinder tandem tanpa IDB dengan distribusi koefisien tekanan susunan silinder tandem pada IDB 30 0. Selain itu diperoleh juga profil kecepatan di daerah wake silinder downstream dan nilai koefisien drag masingmasing silinder utama. 2. Metode dan Peralatan Penelitian ini dilakukan pada windtunnel dengan dimensi 125 mm x 125 mm x 1800 mm. Bilangan Reynolds berdasar diameter hidraulik (Re DH ) yaitu 1.56x10 5. Blockage ratio pada penelitian ini yaitu 20%. Jarak permukaan silinder upstream terhadap permukaan IDB sebesar 0.4 mm. IDB berupa silinder sirkular berdiameter (d) 4 mm yang diletakkan pada sisi upstream dan membentuk sudut 30 0 terhadap sumbu silinder utama. Diameter dua silinder utama (D) yang digunakan yaitu 25 mm. Variasi jarak antar sumbu silinder upstream dan sumbu silinder downstream (L/D) yaitu 1.5 dan 4. Skema penelitian dapat dilihat pada gambar 1. Fakultas Teknik UGM 79
Gambar 1. Skema penelitian Pada permukaan midspan silinder utama (upstream maupun downstream) terdapat pressure tap mengelilingi permukaan silinder dengan rentang jarak sebesar 5. Hal ini bertujuan untuk memperoleh nilai tekanan pada permukaan silinder yang selanjutnya diolah menjadi distribusi koefisien tekanan (Cp). Nilai koefisien tekanan (Cp) diperoleh melalui persamaan berikut : 2 ( p p ) 1 Cp = c 2 ρ U (1) dimana p c merupakan tekanan permukaan silinder, p merupakan tekanan aliran freestream, sedangkan 2 ρ U merupakan tekanan dinamik aliran 1 2 freestream. Sedangkan untuk memperoleh profil kecepatan pada daerah wake silinder downstream digunakan pitot static tube yang diletakkan pada jarak 4D dari sumbu silinder downstream. Data lain yang diperoleh yaitu koefisien drag (C d )yang merupakan integrasi dari nilai koefisien tekanan (Cp), sebagai berikut : 1 2 π (2) Cd = C p ( θ ) cos ( θ ) dθ 2 0 persamaan tersebut dapat diselesaikan menggunakan metode numerik Simpson 1/3 segmen berganda, yaitu : ( b a) o n 1 f ( xi ) + 2 f ( x j ) + f ( xn ) i= 1,3,5 n 2 j= 2,4,6 I 123 1444444423 n44444443 lebar f ( x ) + 4 Tinggi rata rata (3) dimana b = 2 dan a = 0 f(x 0 ) = Cp(0)cos(0) f(x n ) = Cp(2π) cos (2π) n = jumlah data f(x i ) adalah perkalian dari fungsi data gasal dimana i = 1,3,5 n-1. f(x j ) adalah perkalian dari fungsi data genap dimana j = 2,4,6..n-2. 3. Hasil dan Pembahasan Hasil yang diperoleh berupa distribusi koefisien tekanan Cp dan distribusi profil kecepatan dibelakang susunan silinder tandem. Berikut hasil dan pembahasan pada masing-masing tipe susunan silinder tandem. 3.1 Distribusi Koefisien Tekanan Silinder Upstream Distribusi koefisien tekanan permukaan untuk silinder upstream (gambar 2a) dan silinder upstream (gambar 2b) menunjukkan tren grafik yang hampir sama untuk variasi jarak L/D. Titik stagnasi pada kedua susunan tandem dan pada dua variasi jarak, tepat berada pada sudut 0. Untuk gambar 2a yaitu distribusi koefisien tekanan permukaan untuk silinder upstream, setelah titik stagnasi aliran langsung mengalami percepatan yang ditandai dengan menurunnya grafik koefisien tekanan secara ekstrem hingga aliran memiliki kecepatan maksimum yang ditandai dengan nilai distribusi koefisien tekanan paling rendah. Pada upper side, aliran mengalami kecepatan maksimum pada sudut sekitar 65-70, sedangkan pada lower side, aliran mengalami kecepatan maksimum pada sudut 290-295. Kemudian aliran mengalami perlambatan akibat adanya adverse pressure yang ditandai peningkatan tekanan. Pada satu titik, aliran tidak mampu lagi melawan adverse pressure dan gesekan sehingga terjadi separasi yang ditandai dengan nilai koefisien tekanan mulai steady pada sudut 90 untuk upper side dan 270 untuk lower side. Perbedaan dari masingmasing variasi jarak terlihat pada base pressure. Nilai base pressure terendah pada jarak L/D 1,5 dan nilai tertinggi pada jarak L/D 4. Sedangkan untuk gambar 2b yaitu distribusi koefisien tekanan silinder upstream pada konfigurasi tandem dengan IDB 30, setelah titik stagnasi aliran mengalami percepatan yang tidak terlalu signifikan seperti pada gambar 2a. Hal ini disebabkan adanya celah antara IDB dan permukaan silinder, sehingga aliran mengalami hambatan. Kemudian pada sudut 20, aliran mulai mengalami percepatan yang signifikan hingga mencapai kecepatan maksimum pada sudut 35-40 untuk upper side dan 320-325 untuk lower side yaitu sekitar 5-10 setelah celah tersempit antara permukaan silinder upstream dan IDB. Hal ini disebut vena contracta. Kecepatan maksimum terjadi setelah celah tersempit disebabkan pengaruh boundary layer dari silinder Fakultas Teknik UGM 80
utama dan IDB sehingga jarak tersempit bukan lagi antara silinder upstream dan IDB melainkan antara boundary layer silinder upstream dan IDB setelah celah tersebut. Setelah mencapai kecepatan maksimum, aliran mulai mengalami perlambatan kemudian terjadi separasi. Namun adanya momentum aliran yang lebih besar dari momentum aliran yang terseparasi dan adanya pengaruh wake dari IDB, menyebabkan shear layer yang terlepas mengalami re-attachment pada permukaan silinder upstream yang ditandai dengan adanya peak. Kemudian aliran mengikuti kontur permukaan silinder kembali yang ditandai penurunan tekanan dan terjadi separasi pada sudut 115 pada upper side dan sudut 235 untuk lower side. terlingkupi wake silinder upstream. Menurut Alam, dkk [3] adanya peak pada upper side dan lower side menandakan bahwa shear layer silinder upstream mengalami re-attachment pada permukaan silinder downstream kemudian shear layer terbagi menjadi backward shear layer (BSL) yang mengalir ke arah downstream dan forward shear layer (FSL) yang mengalir ke arah upstream. Titik re-attachment pada rasio jarak L/D 1.5 terjadi pada sudut 80 untuk upper side, dan 280 untuk lower side. Untuk rasio jarak L/D 4, titik re-attachment terjadi lebih awal daripada pada rasio jarak yang dekat. Gambar 2. Grafik distribusi koefisien tekanan silinder pada konfigurasi tandem tanpa IDB ; dengan IDB 30 ; L/D 4 ; L/D 1.5 (eksperimen, Re Dh 1.56x10 5 ) 3.2 Distribusi Koefisien Tekanan susunan silinder tandem dengan IDB 30 0 Distribusi koefisien tekanan pada kontur permukaan silinder downstream untuk susunan silinder tandem tanpa IDB (gambar 3a) bernilai negatif untuk semua variasi jarak antar silinder. Hal ini menunjukkan bahwa silinder downstream masih Gambar 3. Grafik distribusi tekanan silinder pada konfigurasi tandem tanpa IDB ; dengan IDB 30 ; L/D 4; L/D 1.5 (eksperimen, Re Dh 1.56x10 5 ) Titik re-attachment pada rasio jarak L/D 1.5 terjadi pada sudut 80 untuk upper side, dan 280 untuk lower side. Untuk rasio jarak L/D 4, titik re-attachment terjadi lebih awal daripada pada rasio jarak yang dekat. Sedangkan distribusi koefisien tekanan pada kontur permukaan silinder downstream untuk susunan silinder tandem dengan IDB 30 (gambar 3b) bernilai negatif untuk variasi jarak antar silinder L/D 1.5. Hal ini menunjukkan bahwa silinder downstream masih terlingkupi wake silinder upstream. Adanya peak pada Fakultas Teknik UGM 81
grafik menandakan bahwa shear layer yang terpisah dari silinder upstream mengalami re-attachment pada permukaan silinder downstream. Pengaruh wake silinder upstream terhadap silinder downstream mulai berkurang pada jarak antar silinder L/D 4 yang ditandai tren grafik mulai mendekati tren koefisien tekanan silinder tunggal. Titik attachment berada pada titik 0, kemudian aliran mengalami percepatan hingga mencapai kecepatan maksimum pada sudut 90. Setelah mencapai kecepatan maksimum, aliran fluida mengalami perlambatan dan mengalami separasi pada sudut 135. Dari kedua grafik tersebut terlihat bahwa interaksi wake silinder upstream terhadap silinder downstream makin berkurang seiring bertambahnya rasio jarak L/D. Hal ini disebabkan oleh momentum dan energi shear layer yang terlepas dari silinder upstream makin berkurang seiring bertambahnya jarak, sehingga momentum aliran freestream semakin kuat mendorong shear layer tersebut sehingga dapat attach lebih awal pada permukaan silinder downstream. 3.3 Profil Kecepatan pada Daerah Wake Silinder Downstream Pembahasan selanjutnya mengenai distribusi profil kecepatan pada jarak 4D dari sumbu silinder downstream (gambar 4). Berdasar profil kecepatan, dapat diketahui pula lebar wake yang terjadi pada susunan tersebut. Hasil distribusi profil kecepatan menunjukkan bahwa konfigurasi silinder tandem tanpa IDB (gambar 4a) maupun konfigurasi silinder tandem dengan IDB 30 (gambar 4b) pada jarak L/D 4 terjadi defisit momentum yang terbesar ditandai dengan nilai U/Umaks yang paling rendah daripada L/D 1.5. Hal ini disebabkan karena aliran yang melintasi silinder downstream hampir sama dengan karakteristik aliran melintasi silinder tunggal sehingga wake yang terjadi merupakan wake dari silinder dowstream. Sedangkan pada jarak L/D 1.5, wake yang terjadi dari silinder upstream melingkupi silinder downstream sehingga defisit momentum yang terjadi lebih kecil. Konfigurasi tandem dengan rasio jarak L/D 4 juga memiliki wake yang lebih lebar daripada wake pada L/D 1.5. Hal ini dapat dilihat dari distribusi koefisien tekanan silinder downstream (gambar 3) bahwa separasi aliran BSL pada rasio jarak L/D 1.5 lebih tertunda ke arah downstream sehingga wake yang terjadi lebih sempit. Gambar 4. Grafik distribusi profil kecepatan di belakang konfigurasi silinder pada konfigurasi tandem tanpa IDB ; dengan IDB 30 ; L/D 4 ; L/D 1.5 (eksperimen, Re Dh 1.56x10 5 ) 3.4 Perbandingan Distribusi Koefisien Tekanan susunan silinder tandem tanpa IDB dan susunan silinder tandem dengan IDB 30 0 pada L/D 1.5 dan L/D 4 Distribusi koefisien tekanan dua susunan silinder tandem pada L/D 1.5 (gambar 5a), menunjukkan bahwa aliran pada konfigurasi tandem dengan IDB 30 yang paling awal mengalami kecepatan maksimum yaitu pada sudut 35, sedangkan konfigurasi tandem tanpa IDB terjadi pada sudut 60. Untuk letak titik separasi yang terjadi paling awal pada konfigurasi tandem tanpa IDB pada sudut 85, dan separasi yang paling tertunda terjadi pada konfigurasi tandem dengan IDB 30 sekitar sudut 115. Hal ini karena hanya pada konfigurasi tandem dengan IDB 30 aliran mengalami re-attachment pada kontur silinder upstream, sehingga aliran kembali memiliki energi untuk melawan adverse pressure. Sedangkan untuk silinder downstream pada L/D 4 (gambar 5b), terlihat tren kedua grafik sama dan distribusi koefisien tekanan bernilai negatif. Nilai distribusi koefisien tekanan yang tertinggi terjadi pada Fakultas Teknik UGM
konfigurasi tandem dengan IDB 30, sedangkan distribusi koefisien tekanan konfigurasi tandem tanpa IDB bernilai lebih rendah daripada distribusi koefisien tekanan konfigurasi tandem dengan IDB 30. Titik reattachment konfigurasi tandem dengan IDB 30 berada pada sudut 65, sedangkan untuk konfigurasi tandem tanpa IDB pada sudut 75. Hal ini menunjukkan bahwa wake silinder upstream konfigurasi tandem dengan IDB 30 lebih sempit dibandingkan wake silinder upstream konfigurasi tandem tanpa IDB karena separasi aliran pada konfigurasi tandem dengan IDB 30 lebih tertunda ke arah downstream. Hal ini kemudian membuat shear layer yang terlepas pada konfigurasi tandem dengan IDB 30 tidak terlalu terbuka dan momentum shear layer lebih rendah daripada momentum shear layer silinder upstream konfigurasi tandem tanpa IDB. konfigurasi tandem tanpa IDB pada sudut 90, dan separasi yang paling tertunda terjadi pada konfigurasi tandem dengan IDB 30 sekitar sudut 110. Sedangkan untuk silinder downstream pada L/D 4 (gambar 6b), terlihat bahwa tren grafik konfigurasi tandem tanpa IDB mulai mendekati tren distribusi koefisien tekanan silinder tunggal namun titik reattachment belum tepat pada sudut 0 melainkan pada sudut 30. Nilai distribusi koefisien tekanan konfigurasi tandem tanpa IDB masih berada dibawah nol. Tren grafik yang sudah menyerupai tren silinder tunggal dengan titik attachment tepat pada sudut 0 ditunjukkan pada konfigurasi tandem dengan IDB 30 dan nilai distribusi koefisien tekanan merupakan yang tertinggi yaitu 0.13. Hal ini menunjukkan bahwa pengaruh wake silinder upstream terhadap silinder downstream susunan silinder tandem dengan IDB 30 sudah mulai berkurang pada rasio jarak (L/D) 4. Gambar 5. Distribusi koefisien tekanan silinder upstream, downstream L/D 1.5 pada konfigurasi no IDB ; IDB 30 (eksperimen, Re Dh 1.56x10 5 ) Gambar 6a menunjukkan tren yang sama dengan gambar 5a. Aliran pada konfigurasi tandem dengan IDB 30 yang paling awal mengalami kecepatan maksimum yaitu pada sudut 35, sedangkan konfigurasi tandem tanpa IDB terjadi pada sudut 60. Untuk letak titik separasi yang terjadi paling awal pada Gambar 6. Distribusi koefisien tekanan silinder upstream, downstream L/D 4 pada konfigurasi no IDB ; IDB 30 (eksperimen, Re Dh 1.56x10 5 ) 3.5 Nilai Koefisien Pressure Drag Pada bagian ini dibahas pengaruh penambahan IDB pada konfigurasi tandem maupun pengaruh variasi jarak antar silinder (L/D) terhadap distribusi koefisien Fakultas Teknik UGM 83
pressure drag silinder (tabel 1). Koefisien pressure drag silinder upstream maupun silinder downstream diperoleh dari persamaan 3. Dari tabel 1, untuk silinder upstream terlihat koefisien pressure drag (C dp ) tertinggi terjadi pada konfigurasi tandem tanpa IDB dengan rasio jarak L/D 1.5 dan yang terendah pada pada konfigurasi tandem dengan IDB 30 dengan L/D 1.5. Sedangkan untuk silinder downstream distribusi C dp konfigurasi tandem tanpa IDB cenderung lebih rendah daripada konfigurasi tandem dengan IDB 30. Nilai yang paling tinggi ditunjukkan silinder downstream konfigurasi tandem dengan IDB 30. Hal ini disebabkan distribusi koefisien tekanan pada konfigurasi ini yang mendekati tren silinder tunggal yang ditunjukkan gambar 6b. Penambahan IDB pada sudut 30 dapat mereduksi gaya drag silinder upstream secara optimal, namun gaya drag silinder downstream lebih tinggi daripada gaya drag silinder downstream pada konfigurasi tandem tanpa IDB. [2] Hidayat, N, 2013, Studi Eksperimen Reduksi Gaya Hambat pada Silinder Sirkular dan Reduksi Pressure Drop pada Saluran Sempit Berpenampang Bujur Sangkar dengan Menggunakan Batang Pengganggu Berbentuk Silinder Sirkular, Thesis Konversi Energi, Teknik Mesin, ITS, Surabaya. [3] Alam, M. M., H. Sakamoto, M. Moriya. 2003. Reduction of fluid forces acting on a single circular cylinder and two circular cylinders by using tripping rods, Journal of Fluids and Structures 18, 347-366. [4] Weidman, P.D, 1968, Wake Transition and Blockage Effect on Cylinder base Pressure, Thesis, California Institute of Technology, Pasadena. Tabel 1. Nilai Koefisien Pressure Drag Silinder Upstream dan Downstream Susunan Rasio silinder Jarak tandem (L/D) Tanpa IDB IDB 30 Nilai C dp Upstream Downstream 1.5 0.95-0.417 4 0.78 0.22 1.5 0.408-0.08 4 0.41 0.41 4. Kesimpulan Berdasar data yang telah diperoleh secara eksperimen mengenai pengaruh penambahan IDB dan variasi rasio jarak antar silinder, dapat disimpulkan bahwa : 1. penambahan IDB pada sudut 30 di depan silinder upstream, dapat menunda separasi aliran disebabkan terjadinya bubble separation pada silinder upstream. Hal ini juga mengakibatkan nilai koefisien drag silinder upstream pada konfigurasi ini rendah yaitu 0.41. 2. separasi aliran silinder upstream pada konfigurasi tandem dengan IDB 30 yang lebih tertunda mengakibatkan nilai koefisien drag silinder downstream lebih tinggi daripada silinder downstream pada konfigurasi silinder tandem tanpa IDB. 3. Interaksi wake silinder upstream terhadap silinder downstream makin berkurang seiring bertambahnya rasio jarak L/D. Daftar Pustaka [1] Lee, Sang-Joon., Sang-Ik Lee, Cheol-Woo Park, 2004, Reducing the drag on a circular cylinder by upstream installation of a small control rod, Fluid Dynamics Research 34, 233-250. Fakultas Teknik UGM 84