gabungan6 revisi

Proposal Tugas AkhirKonversi Energi

Jurusan Teknik MesinInstitut Teknologi Sepuluh Nopember

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 L atar Belakang

Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi yang pesat, mendorong manusia

untuk menciptakan berbagai hal yang bertujuan untuk memudahkan dan memberi keuntungan

lebih bagi manusia. Dalam bidang mekanika fluida misalnya, dimana dalam mendesain suatu

konstruksi seperti cerobong asap, alat penukar kalor (heat exchanger), sistem perpipaan agar

menghasilkan suatu nilai yang optimal, maka dibutuhkan suatu cara yang berguna untuk

mengatur perilaku fluida dan bentuk konstruksi yang dapat meningkatkan efisiensi.

Dalam dunia teknik khususnya bidang mekanika fluida, perhitungan mengenai suatu

aliran yang melalui sebuah saluran sering dilakukan, misalkan saja memprediksi karakteristik

aliran yang terjadi pada aliran yang melintasi suatu saluran. Dalam beberapa aplikasi dunia

teknik bluff body ditempatkan di dalam saluran dengan berbagai pengaturan, misalkan saja

penempatan sebuah silinder dengan diameter kecil sabagai pengontrol aliran sebelum

melewati bluff body utama, hal tersebut biasanya dilakukan untuk mengurangi/mereduksi

gaya yang diakibatkan fluida pada bluff body utama.

Bluff body yang dilingkupi fluida akan mengalami gaya akibat interaksi dengan fluida.

Gaya yang ditimbulkan dari interaksi ini berupa normal stress (tegangan normal) dan shear

stress (tegangan geser). Tegangan normal terjadi karena adanya tekanan dari fluida,

sedangkan tegangan geser disebabkan oleh viskositas fluida. Untuk aliran dua dimensi gaya-

gaya yang sejajar dengan aliran fluida disebut gaya drag, sedangkan gaya yang tegak lurus

terhadap arah aliran dinamakan gaya lift, dimana dalam kebanyakan kasus adanya gaya drag

tidaklah diinginkan. Kedua gaya tersebut sangatlah dipengaruhi oleh letak titik separasi pada

body. Maka dari itu pengetahuan mengenai gaya lift dan drag dan cara mereduksinya sangat

diperlukan untuk membangun sebuah konstruksi yang efisien.

Pada penelitian yang pernah dilakukan, banyak konfigurasi silinder yang telah

dilakukan, misalkan saja yang telah dilakukan oleh Alam, dkk (2003) serta Zdravkovic

(1987) melakukan penelitian dengan menyusun silinder sirkular secara tandem yang

menemukan adanya critical spacing pada L/D = 3.

Penelitian tentang reduksi gaya fluida menggunakan pengganggu dilakukan oleh

Alam, dkk (2006) yang melakukan penelitian menggunakan silinder sirkular yang disusun

secara tandem dimana di depan kedua silinder tersebut diberi pengganggu berbentuk plat “T”.

1



Plat “T” yang digunakan memiliki lebar kepala 5mm dan jaraknya dengan silinder akan

divariasikan untuk mendapatkan posisi yang optimal. Dari hasil penelitian maka hasil optimal

diperoleh bila digunakan variasi T/D = 1.0 – 1.5. Lee, dkk (2004) juga melakukan penelitian

dengan pengganggu berupa small control rod yang memvariasikan nilai L/D dan d/D yang

menghasilkan turunnya coefisien of drag total dari sistem. Dari penelitian ini didapatkan

rasio diameter batang pengganggu yang ideal sebagai small control rod ada pada d/D = 0.233

serta peletakan small control rod ini pada jarak L/D = 2.0 – 2.08. Tsutsui dan Igarashi

(2002) meneliti tentang reduksi gaya fluida terhadap silinder sirkular pada aliran udara. Pada

penelitian yang dilakukan, keduanya memasang semacam rod/pengganggu yang dipasang

pada bagian upstream silinder. Dari penelitian ini didapatkan bahwa pola aliran akan berubah

tergantung dari dimeter pengganggu, jarak maupun angka reynoldsnya

Melihat dari permukaan silinder sirkular, maka Lee, dkk (2002 dan 2005) telah

melakukan penelitian dengan menggunakan silinder sirkular dengan permukaan yang berulir

yang nantinya akan dibandingkan dengan silinder yang permukaannya halus. Ulir (grooved)

yang digunakan adalah jenis”U (U-grooved)” dan “V (V-grooved)”. Pada penggunaan

silinder sirkular dengan U-grooved digunakan diameter silinder dengan diameter (D) = 60

mm yang akan dibandingkan dengan silinder dengan permukaan halus dengan diameter yang

sama. Penelitian dilakukan pada angka reynolds antara 8 x 103 sampai 1.4 x 105. Hasilnya,

pada angka reynolds 1.4 x 105 koefisien drag (CD) yang terjadi pada silinder sirkular dengan

U-grooved tereduksi 18.6% dibandingkan dengan yang silinder sirkular yang memiliki

permukaan halus dan akan terus tereduksi seiring dengan kenaikan angka reynolds. Pada

penelitian silinder sirkular yang memiliki V-grooved, digunakan silinder sirkular dengan

diameter D = 18mm dengan angka reynolds 2.5 x 103 sampai 3.8 x 104. Hasilnya pada Re =

3.6 x 103 (U0 = 3m/s) koefisien drag pada silinder V-grooved tereduksi sebesar 7.6%

dibandingkan dengan yang memiliki permukaan halus, dan pada Re = 3.6 x 104 (U0 = 30m/s)

akan meningkatkan koefisien drag sebesar 4.2%. Jadi pada silinder dengan V-grooved akan

mereduksi koefisien drag pada angka reynolds yang rendah (Re = 3.6 x 103) dan

meningkatkan koefisien drag pada angka reynolds tinggi (Re = 3.6 x 104) .

Penelitian tentang profil kecepatan pada saluran sempit telah dilakukan oleh Danbon

dan Solliec (2000). Pada penelitian ini diperlihatkan profil kecepatan fluida pada saluran

sempit dengan beberapa kondisi, yaitu kondisi saluran pipa tanpa pengontrol aliran serta

kondisi saat pipa dipasang butterfly valve yang berfungsi sebagai pengontrol aliran dengan

bukaan penuh. Dari hasil yang diperoleh maka pada kondisi saluran pipa kosong profil

kecepatan menjadi stabil setelah melalui x/D = 1. Bila pada saluran pipa terdapat butterfly

2



valve yang diatur pada bukaan penuh maka profil kecepatan akan stabil pada x/D = 9, dengan

penempatan butterfly valve pada x/D = 1.

Bila pada saluran sempit terdapat benda uji maka efek blockage tidak dapat diabaikan.

Efek blockage pada saluran yang sempit ini telah diteliti oleh Bell (1984) dan Weidmann

(1964). Dalam salah satu hasil dari penelitian yang telah dilakukan oleh Bell disebutkan

bahwa ketika dinding terowongan angin dekat dengan body maka perlu dilakukan koreksi

terhadap hasil yang diperoleh, hal tersebut dikarenakan terjadi percepatan yang terjadi di

sekitar benda uji pada test section. Pengukuran kecepatan pada test section yang kosong harus

dikoreksi sebelum digunakan dalam kalkulasi perhitungan CD dan angka reynolds. Hal senada

disebutkan dalam penelitian Weidmann, dimana dinding wind tunnel memberikan kenaikan

pada kecepatan free-stream terhadap distribusi volume dari body, dan hal tersebut juga

berpengaruh terhadap pertumbuhan wake (wake blockage). Sehingga pada intensitas efek

blockage tertentu diperlukan adanya faktor koreksi sebelum dilakukan perhitungan lebih

lanjut.

Penelitian mengenai penurunan tekanan sepanjang saluran sempit dilakukan oleh

Daloglu (2007). Penelitian yang dilakukan oleh Daloglu memperhitungkan penurunan

tekanan dalam sebuah saluran sempit berpenampang bujur sangkar dengan dua silinder yang

disusun secara tandem. Pada susunan tandem tersebut untuk silinder bagian depan

digunakan/divariasikan antara silinder sirkular dan silinder kotak dengan variasi ukuran D =

d, D = 2d dan D = 3d dengan silinder belakang yang ukurannya (D) dijaga tetap. Jarak (S)

antara silinder depan dan belakang divariasikan terhadap ukuran diameter silinder belakang

yaitu 1.0 ≤ S/d ≤ 10.0 . Effect dari angka reynolds juga akan diteliti dengan variasi 2,100 ≤

Re ≤ 156,000. Dari percobaan ini diperoleh hasil bahwa jarak antara dua silinder sangatlah

mempengaruhi penurunan tekanan. Pada jarak tertentu antara dua silinder, penurunan tekanan

akan memberikan nilai yang lebih kecil dibanding penurunan tekanan dalam saluran yang

hanya diberi satu (single) silinder. Penelitian ini tidak menggunakan pengontrol atau

semacam pengganggu di depan kedua silinder.

Dari berbagai penelitian tersebut, maka muncul pemikiran untuk melakukan

penelitian mengenai reduksi gaya fluida pada silinder sirkular, yang disusun secara tandem

dengan sebuah pengganggu yang memiliki permukaan berulir (grooved) yang nantinya akan

dibandingkan dengan pengganggu yang memiliki permukaan halus pada saluran sempit

berpenampang bujur sangkar. Pada penelitian ini dilakukan juga variasi jarak antar silinder

yang disusun secara tandem. Dari sini akan dilihat bagaimana distribusi koefisien tekanannya

(CP) , koefisien drag (CD) maupun fenomena yang terjadi.

3



1.2 Perumusan Masalah

Pada aliran yang melewati suatu body akan timbul suatu boundary layer yang

dipengaruhi oleh efek viskositas. Jika momentum aliran tidak mampu mengatasi efek gesekan

dan adverse pressure gradient (gradient tekanan yang positif), maka boundary layer akan

mengalami pemisahan dari kontur body sehingga terjadilah separasi. Separasi yang terjadi

akan menyebabkan terbentuknya suatu daerah yang disebut sebagai wake. Apabila separasi

yang terjadi tertunda semakin ke belakang maka wake yang terjadi akan semakin kecil, hal

tersebut menandakan bahwa aliran memiliki drag force yang semakin kecil.

Upaya mereduksi gaya fluida tersebut telah dilakukan banyak peneliti seperti yang

telah disebutkan pada latar belakang. Penelitian tersebut berisi tentang cara mereduksi gaya

fluida pada silinder yang tersusun single ataupun tersusun secara tandem dengan berbagai

cara. Reduksi gaya fluida bisa menggunakan pengganggu yang berfungsi sebagai pengontrol

aliran, pengganggu bisa berupa plat “T” maupun penggunaan silinder kecil (small control

rod) yang diletakkan di depan silinder utama. Pada silinder bisa juga diberikan ulir (groove)

yang akan meningkatkan intensitas turbulensi aliran, seperti U-groove ataupun V-groove.

Dari analisa yang dilakukan, maka aggapan awal bahwa reduksi gaya fluida dapat

dilakukan dengan menambahkan pengganggu sebagai pengontrol aliran fluida ataupun

dengan menambahkan ulir pada silinder yang akan dilalui oleh aliran fluida. Aliran yang

melalui pengganggu berulir akan memiliki intensitas turbulensi yang besar. Intensitas

turbulensi yang besar tersebut akan berinteraksi dengan aliran fluida viskous pada silinder

sirkular dan akan mempercepat transisi lapis batas menjadi turbulen sehingga meperbesar

momentum aliran fluida yang sanggup melawan adverse pressure gradient dan tegangan

geser sehingga wake yang terjadi menjadi kecil. Bila wake yang terjadi kecil maka gaya drag

yang terjadi juga kecil. Bila dibelakang masih ada silinder (tersusun tandem) maka pada

variasi jarak tertentu aliran dari depan (upstream cylinder) akan melingkupi silinder ke dua

(downstream cylinder) yang menghasilkan gaya fluida tertentu. Dari hal tersebut maka pada

penelitian kali ini kami gunakan pengganggu berupa silinder kecil yang memiliki permukaan

berulir dan dibandingkan dengan pengganggu berupa silinder kecil yang memiliki permukaan

halus dengan anggapan awal bahwa penggunaan silinder berulir akan lebih mengurangi gaya

drag, yang diletakkan di depan dua silinder utama yang disusun secara tandem yang nantinya

akan divariasikan jaraknya untuk mengetahui secara jelas perbedaan antara keduanya.

Perlu diketahui bahwa reduksi gaya fluida yang telah disebutkan sebelumnya di atas

dilakukan pada saluran yang lebar sehingga pengaruh dinding terhadap gaya fluida yang

terjadi dikategorikan minim. Karena fokus penelitian kami adalah digunakannya saluran yang

4



sempit berpenampang bujur sangkar maka ada kemungkinan akan terjadi perbedaan pada

pengujian yang telah dilakukan pada saluran yang lebar, karena akan menyebabkan blockage

pada aliran sehingga akan terjadi hambatan serta pengaruh dinding pada aliran juga tidak bisa

diabaikan.

1.3 Maksud dan Tujuan Penelitian

Penelitian ini dimaksudkan untuk menjelaskan fenomena yang terjadi akibat adanya

body pengganggu pada sepasang silinder sirkular dengan susunan tandem yang berada dalam

saluran sempit berpenampang bujur sangkar. Body pengganggu akan ditempatkan di depan

body utama (L/D = 2.0) dan dilakukan variasi jarak antara body utama (S/D = 1.5 dan 2.5)

supaya dapat mempengaruhi profil aliran yang akan melalui body utama.

Sedangkan tujuan khusus dari penelitian ini adalah :

1. Analisa Pressure Drop yang terjadi pada masing-masing susunan benda uji (saluran

tanpa benda uji, saluran dengan body pengganggu, saluran dengan body single,

saluran dengan body tandem dan saluran dengan susunan body yang menjadi fokus

penelitian yang akan dilakukan).

Analisa tersebut digunakan untuk mengetahui kehilangan tekanan akibat saluran serta

kehilangan tekanan akibat body utama dan body pengganggu.

2. Analisa distribusi koefisien tekanan (CP) serta koefisien drag (CD) pada silinder .

Analisa tersebut untuk mengetahui distribusi tekanan serta drag force yang terjadi.

3. Analisa profil kecepatan di belakang silinder dengan pengukuran tekanan dinamis

Analisa tersebut digunakan untuk mengetahui deficit momentum yang terjadi.

1.4 Batasan Masalah

1. Fluida yang mengalir adalah udara dalam kondisi steady, incompresible dan uniform

pada sisi upstream.

2. Benda kerja berupa silinder sirkular dengan penggagu berupa silinder dengan

permukaan halus dan berulir

3. Kemungkinan terjadi perpindahan panas dapat diabaikan

4. Rasio gap antara silinder utama yang disusun secara tandem S/D = 1.5 dan 2.5

dengan rasio jarak pengganggu dengan silinder utama (L/D) = 2.0 dan diameter

silinder (D) = 25mm

5



1.5 Manfaat Penelitian

1. Mampu menjelaskan karakteristik aliran fluida yang melintasi silinder yang diberi

penggaggu berupa silinder kecil pada saluran sempit berpenampang bujur sangkar.

2. Mampu menjelaskan pengaruh antara pengganggu yang mempunyai permukaan halus

dan permukaan berulir.

3. Mampu menjelaskan pengaruh jarak antara silinder utama (jika disusun tandem)

terhadap CD dan CP yang terjadi

4. Mampu menjelaskan pengaruh dinding terhadap aliran pada silinder yang dekat

dengan dinding karena dilakukan pada saluran yang sempit berpenampang bujur

sangkar.

1.6 Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan laporan dibagi dalam beberapa bab sebagai berikut:

1. Bab I PENDAHULUAN

Bab ini berisi latar belakang dari penelitian, perumusan masalah, tujuan penelitian,

batasan masalah dari penelitian, manfaat penelitian, serta sistematika penulisan.

2. Bab II TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini berisikan semua hal yang menunjang / dasar teori dari penelitian ini yaitu

penelitian penelitian terdahulu yang terkait dan berhubungan dengan penelitian ini.

3. Bab III METODE PENELITIAN

Bab ini akan menerangkan tentang peralatan yang digunakan dalam percobaan, benda

uji dan metode yang digunakan dalam penelitian.

4. Bab IV ANALISA HASIL PENELITIAN

Bab ini berisi tentang hasil-hasil penelitian dan pengolahan dari data-data yang

didapat, kemudian dianalisa lebih lanjut

5. Bab V PENUTUP

Bab ini berisi kesimpulan dari penelitian dan saran yang perlu diberikan.

6



BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Pada bagian ini diuraikan beberapa penelitian-penelitian terdahulu yang berhubungan

dengan penelitian tugas akhir yang akan dilakukan serta sebagai referensi dalam penelitian

tugas akhir yang akan dilakukan.

2.1 Penelitian aliran fluida melintasi silinder yang tersusun tandem pada saluran besar

Penelitian aliran fluida dengan silinder sirkular yang tersusun secara tandem

dilakukan oleh Alam, dkk (2003). Penelitian dilakukan pada kecepatan rendah dengan wind

tunnel yang memiliki test section dengan tinggi 0,6m, panjang 5,4m dan lebar 0,4m. Silinder

uji yang digunakan memiliki diameter 49mm.

Gambar 2.1 instalasi penelitian Alam,dkk(2003)

Hasil yang di dapat tentang tekanan yaitu untuk time average pressure (CP) tampak

bahwa distribusinya pada silinder upstream memiliki pola yang sama dengan silinder singgle

walaupun nilainya beda dan pada downstream silinder nilainya bervariasi tergantung dengan

nilai L/D. Untuk L/D > 3 maka polanya akan sama dengan single silinder meskipun nilainya

berbeda.

Gambar 2.2 distribusi koefisien tekanan penelitian alam (2002), a) Upstream silinder, b) downstream

silinder

7



Pada penelitian yang dilakukan Alam tersebut ditemukan juga bahwa untuk L/D < 3

maka CD pada upstream silinder menurun secara berangsur angsur mengikuti kenaikan

spasi/jarak antara silinder. Tapi sebaliknya, pada CD silinder kedua (downstream)

menghasilkan harga yang negatif (forward thrust), dan memiliki hasil tertinggi pada L/D =

1.40. Percobaan ini juga membuktikan bahwa pada L/D = 3.0 terdapat Critical Spacing,

dimana harga kedua CD silinder tampak menghasilkan flow pattern yang berbeda yaitu

reattachment flow dan jump flow, kasus ini dikenal sebagai bistable flow. Untuk hal tersebut

maka lebih jelasnya bisa dilihat pada gambar di bawah ini.

Gambar 2.3 koefisien drag bedasarkan L/D, penelitian alam (2002)

Terdapatnya critical spacing pada L/D = 3.0 sebenarnya sudah pernah diteliti

oleh Zdravkovic (1986). Dalam penelitiannya Zdravkovic mendapatkan beberapa

karakteristik yang khas untuk sepasang silinder sirkular tandem, yaitu adanya karakteristik

aliran yang berbeda pada nilai L/D tertentu dan adanya bistable flow region pada L/D = 3.0.

Dengan menggunakan nilai L/D yang di ujikan antara lain pada 1< L/D < 1.8; 1.8< L/D < 3.4

dan L/D > 3.4, Zdravkovich menyatakan hasilnya tentang tiga karakteristik profil aliran.

Profil aliran yang pertama adalah aliran yang melalui silinder downstream tidak mengalami

proses reattachment sehingga vortex yang terjadi diakibatkan oleh free shear layer dari

silinder upstream, akibat hal ini seolah-olah silinder downstream terbungkus oleh aliran

silinder upstream (1 < L/D < 1.8). Profil aliran yang kedua adalah free shear layer dari

silinder upstream mengalami proses reattach pada saat menyentuh silinder downstream dan

vortex terbentuk di belakang silinder downstream (1.8 < L/D < 3.4). Pada profil aliran yang

terakhir, terbentuk dua vortex dibelakang silinder sehingga tampak seperti aliran yang

melintasi single silinder (L/D > 3.4).

8



2.2 Penelitian reduksi gaya fluida pada aliran melintasi silinder sirkular

Untuk mereduksi gaya fluida banyak cara yang bisa dilakukan, salah satunya dengan

memasang pengontrol pasif aliran atau pengganggu di depan silinder utama. Penelitian

dengan memasang pengganggu pernah dilakukan oleh Alam, dkk (2006), Lee (2004) serta

Tsutsui dan Igarashi (2002). Penelitian yang dilakukan Alam menggunakan silinder sirkular

yang disususun secara tandem dimana didepan kedua silinder tersebut diberi pengganggu

berbentuk plat “T”. Plat “T” yang digunakan memiliki lebar kepala 5 mm dan jaraknya

dengan silinder akan divariasikan untuk mendapatkan posisi yang optimum. Silinder yang

digunakan terbuat dari kuningan dengan diameter 49mm. Percobaan dilakukan pada

terowongan angin (wind tunnel) dengan tinggi = 0.6m, lebar = 0.4m dan panjang sebesar =

5.4m. percobaan dilakukan dengan rentang T/D = 0.5 , 0.7 , 1.00 dan 1.50. serta L/D = 3.5

yaitu diluar batas kritis. Instalasi peletakan benda uji penelitian ini adalah seperti pada

gambar di bawah ini.

Gambar 2.4 Instalasi penelitian Alam,dkk(2004)

Dari hasil yang diperoleh mengenai koefisien drag adalah, nilai CD pada upstream

cylinder tereduksi secara signifikan untuk semua T/D ( 0.5 ; 0.7 ; 1.0 ; 1.5 ) dibandingkan

tanpa pengganggu, sebaliknya di downstream cylinder CD lebih besar bila menggunakan

pengganggu. Nilai CD untuk yang menggunakan pengganggu, penurunan optimal terjadi pada

jarak T/D = 1.0 – 1.5. Nilai dari CD dari upstream cylinder menurun karena penurunan

tekanan pada permukaan depan dan permukaan belakang.

9



Gambar 2.5 koefisien drag yang terjadi pada penelitian alam (2002) dengan plat “T” sebagai

pengontrol aliran, a) upstream cylinder, b) downstream cylinder

Penelitian yang dilakukan oleh Tsutsui dan Igarashi (2002) adalah tentang reduksi

gaya fluida terhadap silinder sirkular pada aliran udara. Pada penelitian yang dilakukan,

keduanya memasang semacam rod/pengganggu yang dipasang pada bagian upstream

silinder. Diameter silinder (D) adalah 40mm dan diameter pengganggu (d) difariasi antara 1

sampai 10mm. Jarak rod dan silinder utama adalah 50 – 120mm. Angka reynolds bedasarkan

1.5 x 104 sampai 6.2 x 104.

Penelitian dilakukan pada lorong angin (wind tunnel) kecepatan rendah dengan

ukuran 400mm (tinggi), 150mm (lebar) dan 800mm (panjang). Kecepatan (U) yang dipakai

divariasikan dari 4 sampai 24m/s.

Gambar 2.6 instalasi penelitian Tsutsui dan Igarashi

Dari penelitian ini didapatkan bahwa pola aliran akan berubah tergantung dari dimeter

pengganggu, jarak maupun angka reynoldsnya. Kondisi optimal reduksi dari koefisien drag

(CD) dan total koefisien drag (CDT) yaitu pada d/D = 0.25, L/D = 2.0 untuk Re < 4.1 x 104 dan

10



L/D = 1.75 untuk Re ≥ 4.1 x 104. Nilai CD dan CDT menurun 73% dan 63% dibandingkan

dengan silinder sirkular tunggal (single cylinder).

Gambar 2.7 hasil penelitian Tsutsui dan Igarashi (2002)

Lee, dkk (2004) memvariasikan nilai L/D dan d/D yang menghasilkan turunnya

coefisien of drag total dari sistem. Dari penelitian ini didapatkan rasio diameter batang

pengganggu yang ideal sebagai small control rod serta peletakan small control rod pada jarak

L/D = 2.0 – 2.08.

Gambar 2.8 Hubungan koefisien drag dengan L/D

Selain menggunakan pengganggu di depan silinder utama reduksi gaya fluida bisa

dilakukan dengan cara memberikan ulir (groove) pada silinder seperti yang telah dilakukan

oleh Lee, dkk (2002 dan 2005). Penelitian ini merupakan penelitian reduksi gaya fluida

menggunakan silinder sirkular dengan permukaan yang berulir yang nantinya akan

dibandingkan dengan silinder yang permukaannya halus. Ulir (grooved) yang digunakan

11



adalah jenis ”U (U-grooved)” dan “V (V-grooved)”. Pada penggunaan silinder sirkular

dengan U-grooved digunakan diameter silinder dengan diameter (D) = 60mm akan

dibandingkan dengan silinder dengan permukaan halus dengan diameter yang sama.

Penelitian dilakukan pada angka reynolds antara 8 x 103 sampai 1.4 x 105. Instalasinya bisa

dilihat pada gambar di bawah ini.

Gambar2.9 Instalasi penelitian S.J Lee(2003)

Dari penelitian yang telah dilakukan oleh Lee tentang silinder dengan U-grooved

tersebut maka didapatkan beberapa hasil yang terkait dengan gaya drag yang terjadi antara

silinder yang memiliki U-grooved dan yang memiliki permukaan yang halus. Grafik

perbandingan gaya drag tersebut bisa dilihat sebagai berikut

Gambar2.10 Perbandingan gaya drag pada silinder dengan permukaan U-grooved dengan silinder dengan

permukaan halus

Hasilnya, pada angka reynolds 1.4 x 105 koefisien drag (CD) yang terjadi pada silinder

sirkular dengan U-grooved tereduksi 18.6% dibandingkan dengan yang silinder sirkular yang

memiliki permukaan halus dan akan terus tereduksi seiring dengan kenaikan angka reynolds.

12



Dari gambar juga bisa dilihat pada Re tertentu CD silinder permukaan U-grooved jauh di

bawah (lebih kecil) dibanding dengan silinder dengan permukaan halus.

Pada penelitian silinder sirkular yang memiliki V-grooved, digunakan silinder sirkular

dengan diameter D = 18mm dengan angka reynolds 2.5 x 103 sampai 3.8 x 104. Instalasi

penelitiannya adalah sebagai berikut.

Gambar2.11 instalasi penelitian S.J Lee dengan silinder permukaan V grooved

Dari hasil yang diperoleh mengenai gaya drag yang terjadi antara silinder permukaan

V grooved dan permukaan halus adalah sebagai berikut.

Gambar2.6 Perbandingan gaya drag pada silinder permukaan V grooved dan permukaan

halus.

Hasilnya pada Re = 3.6 x 103 (U0 = 3m/s) koefisien drag pada silinder V-grooved

tereduksi sebesar 7.6% dibandingkan dengan yang memiliki permukaan halus, dan pada Re =

3.6 x 104 (U0 = 30 m/s) akan meningkatkan koefisien drag sebesar 4.2%. Jadi pada silinder

dengan V-grooved reduksi koefisien drag terjadi pada angka reynolds yang rendah (Re = 3.6

x 103) dan meningkatkan koefisien drag pada angka reynolds tinggi (Re = 3.6 x 104). Dari

13



gambar bisa dilihat juga pada Re rendah koefisien drag silinder permukaan V-grooved di

bawah silinder permukaan halus.

2.3 Penelitian tentang profil kecepatan pada saluran sempit (saluran perpipaan)_

Penelitian tentang profil kecepatan pada saluran sempit dilakukan oleh Danbon dan

Solliec (2002). Penelitian dilakukan pada test section dengan diameter (D) = 0.3m. Butterfly

valve sebagai pengatur aliran diletakkan dalam test section pada posisi tertentu. Penelitian

tersebut menghasilkan profil kecepatan pada saluran sempit yang kosong dan profil

kecepatan pada saluran sempit yang didalamnya terdapat butterfly valve dengan bukaan

penuh yang dipasang pada posisi tertentu

Gambar 2.12 hasil penelitian Danbon dan Solliec (2002) untuk saluran kosong tanpa butterfly valve

Dari gambar hasil yang diperoleh maka bisa dilihat bahwa pada saluran yang kosong

(tanpa butterfly valve) maka profil kecepatan akan stabil pada x/D = 1

Gambar 2.13 hasil penelitian Danbon dan Solliec (2002) untuk saluran dengan butterfly valve di dalamnya

Dari gambar hasil yang diperoleh di atas untuk saluran dengan butterfly valve dengan

posisi bukaan penuh maka profil kecepatan akan stabil pada x/D = 9. Untuk x/D < 9 terlihat

masih adanya efek dari wake yang semakin lama semakin menghilang.

2.4 Penelitian efek blockage pada aliran fluida melintasi silinder

Dalam salah satu hasil dari penelitian yang telah dilakukan oleh Bell (1984)

disebutkan bahwa ketika dinding terowongan angin dekat dengan body maka perlu dilakukan

14



koreksi terhadap hasil yang diperoleh, hal tersebut dikarenakan percepatan yang terjadi di

sekitar benda uji pada test section. Pengukuran kecepatan pada test section yang kosong harus

dikoreksi sebelum digunakan dalam kalkulasi perhitungan CD dan angka reynolds. Pengaruh

besar blockage terhadap CD hasil penelitian beberapa peneliti digambarkan dalam sebuah

grafik berikut

Gambar 2.14 hasil penelitian tentang hubungan antara rasio blockage dengan koefisien drag

Hal tersebut juga disebutkan dalam penelitian Weidmann (1964), dimana dinding

wind tunnel memberikan kenaikan pada kecepatan free-stream terhadap distribusi volume

dari body, dan hal tersebut juga berpengaruh terhadap pertumbuhan wake (wake blockage).

Dalam penelitian ini Weidman juga menulis kembali persamaan dari grafik penelitian Allen

dan Vincenti, yaitu sebagai berikut.

Untuk memperjelas, berikut adalah hasil yang diperoleh untuk beberapa diameter

silinder yang digunakan dalam penelitian.

15



Tabel 2.1 Hasil penelitian weidman

Dari hasil di atas maka bisa dilihat bahwa untuk diameter yang semakin besar maka

rasio blockage yang terjadi juga semakin besar, dan hal tersebut meningkatkan koefisien drag

yang terjadi. Peningkatan koefisien drag tersebut disebabkan semakin besarnya aliran yang

tertekan pada sisi celah antara dinding dan benda uji.

2.5 Penelitian tentang pressure drop melintasi silinder pada saluran sempit

Penelitian pada saluran sempit yang belum dilakukan oleh peneliti-peneliti yang telah

disebutkan di atas dilakukan oleh Daloglu (2007). Penelitian yang dilakukan oleh Daloglu

adalah tentang penurunan tekanan pada sebuah saluran sempit berpenampang bujur sangkar

dengan silinder yang disusun secara tandem. Pada susunan tandem tersebut untuk silinder

bagian depan digunakan/divariasikan antara silinder sirkular dan silinder kotak dengan variasi

ukuran D = d, D = 2d dan D = 3d dengan silinder belakang yang ukurannya (D) dijaga tetap.

Jarak (S) antara silinder depan dan belakang divariasikan terhadap ukuran diameter silinder

belakang yaitu 1.0 ≤ S/d ≤ 10.0 . Efek dari angka reynolds juga akan diteliti dengan variasi

2,100 ≤ Re ≤ 156,000. Instalasi percobaannya bisa dilihat sebagai berikut.

Gambar 2.15 instalasi penelitian Alican Daloglu

Penelitian akan dilakukan pada open circuit wind tunnel dengan ukuran 125mm x

125mm dan panjang 2m. Pengukuran kecepatan rata rata udara dengan pitot tube yang

16



diletakkan dekat pintu masuk. Diameter dari upstream silinder 12.5 , 25.0 , 37.5mm, dengan

rasio blockage dari 0.1 sampai 0.3. Dari penelitian tersebut maka hasilnya adalah sebagai

berikut

Gambar 2.16 hasil percobaan Alican Daloglu tentang hubungan antara

pressure drop dengan P = S/D pada silinder yang tersusun tandem , (a) untuk D = d, (b) untuk D = 2d,

(c) untuk D = 3d

Dari grafik tersebut bisa dilihat bahwa perbandingan antara diameter silinder belakang

dan jarak antara kedua silinder sangatlah berpengaruh pada pressure drop yang terjadi. Di

sini yang menghasilkan pressure drop paling kecil adalah pada grafik dengan perbandingan

diameter depan sama dengan diameter belakang (D = d = 12.5mm). Selain itu bisa juga

dilihat bahwa angka reynolds juga sangat berpengaruh terhadap pressure drop yang terjadi

dan kecenderungannya yaitu bila angka reynolds membesar maka pressure drop juga akan

semakin besar. Dari atas bisa dilihat juga hubungannya dengan jarak (P = S/D), yaitu pada

jarak tertentu maka pressure drop membesar seiring besarnya jarak, yang pada awalnya justru

17



pressure drop turun karena jarak yang semakin membesar sehingga pada jarak tertentu

pressure drop tidak stabil dan hal tersebut semakin menghilang dengan adanya blockage yang

semakin besar. Bila blockage semakin besar maka pressure drop yang terjadi juga semakin

besar dengan angka reynolds yang sama. Dari hal yang disebutkan di atas maka sangatlah

jelas bahwa pressure drop dipengaruhi oleh jarak, angka reynolds, dan blockage yang terjadi.

18



BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Skema Penelitian

Berikut adalah skema dari penelitian yang akan dilakukan. Dari gambar 3.1

ditunjukkan letak benda uji yang disusun secara tandem dengan pengganggu di bagian depan.

Gambar3.1 Instalasi penelitian

3.2 Parameter yang Diukur

Analisa dimensi sangat diperlukan untuk mengetahui apakah suatu parameter

berpengaruh terhadap suatu penelitian atau tidak. Pada penelitian ini, parameter-parameter

yang mempengaruhi karakteristik aliran adalah massa jenis fluida (), viskositas fluida (),

kecepatan fluida (U∞), diameter silinder (D), diameter pengganggu (d), dimeter hidrolis (Dh),

jarak silinder dengan pengganggu (L), serta jarak antar silinder (S).

Analisa Grup tak berdimensi untuk Koefisien Tekanan pada Silinder

Distribusi tekanan pada silinder diduga dipengaruhi oleh beberapa parameter,

sehingga perbedaan tekanan dapat dituliskan sebagai fungsi parameter – parameter tersebut.

Secara matematik dapat dituliskan sebagai berikut :

dimana :

= perbedaan tekanan (N/m2)

Menggunakan Buckingham π theorema dengan parameter berulang , V dan D,

diperoleh 7 grup tak berdimensi yaitu :

1. π 1 = (koefisien tekanan)

2. π 2 = (bilangan Reynolds)

19



3. π 3 = (perbandingan diameter pengganggu dengan diameter silinder utama)

4. π 4 = (perbandingan diameter silinder utama dengan diameter saluran)

5. π 5 = (perbandingan jarak pengganggu dengan silinder utama)

6. π 6 = (perbandingan jarak antar silinder utama yang tersusun tandem)

Hubungan antar grup tak berdimensi adalah sebagai berikut :

π 1 = f1 (π 2, π 3, π 4, π 5, π 6)

2

U

p

= f5 ( , , , , )

Pada penelitian yang menjadi variable tetap adalah

,

,

,

sehingga :

2

U

p

= f6 ( ) , atau

Cp = f6 ( )

Analisa Grup tak berdimensi untuk Koefisien Tekanan pada Saluran

Distribusi tekanan pada silinder diduga dipengaruhi oleh beberapa parameter,

sehingga perbedaan tekanan dapat dituliskan sebagai fungsi parameter – parameter tersebut.

Secara matematik dapat dituliskan sebagai berikut :

dimana :

= perbedaan tekanan (N/m2)

Menggunakan Buckingham π theorema dengan parameter berulang , V dan ,


1. π 1 = (koefisien tekanan)


3. π 3 = (perbandingan diameter pengganggu dengan diameter saluran)

20



4. π 4 = (perbandingan diameter silinder utama dengan diameter saluran)

5. π 5 = (perbandingan jarak pengganggu dengan silinder utama)

6. π 6 = (perbandingan jarak antar silinder utama yang tersusun tandem)


π 1 = f1 (π 2, π 3, π 4, π 5, π 6)

2

U

p

= f5 ( , , , , )

Pada penelitian yang menjadi variable tetap adalah

,

,

,

sehingga :

2

U

p

= f6 ( ) , atau

Cp = f6 ( )

Analisa Grup tak berdimensi untuk Koefisien Drag pada Silinder

Koefisien drag pada silinder diduga dipengaruhi oleh beberapa parameter, sehingga

perbedaan tekanan dapat dituliskan sebagai fungsi parameter – parameter tersebut. Secara

matematik dapat dituliskan sebagai berikut :

dimana :

Fd = Gaya drag (N)

Menggunakan Buckingham π-theorema dengan parameter berulang , V dan D,


1. π 1 = (koefisien drag)


3. π 3 =

(perbandingan diameter pengganggu dengan diameter saluran)

4. π 4 =

(perbandingan diameter silinder utama dengan diameter saluran)

21



5. π 5 =

(perbandingan jarak pengganggu dengan silinder utama)

6. π 6 =

(perbandingan jarak antar silinder utama yang tersusun tandem)


π 1 = f1 (π 2, π 3, π 4, π 5, π 6)

= f5 ( , , , , )

Pada penelitian yang menjadi variabel tetap adalah

,

,

,

sehingga :

, atau

3.3 Peralatan

3.3.1 Benda Uji

1. Silinder sirkuler(gambar3.3)

Diameter = 25mm

Panjang = 125mm

Pressure tap = 2 lubang

Bahan = Pipa PVC

22



Gambar 3.3 silinder sirkuler

2. Pengganggu

Tipe = Silinder ulir (dengan pembuatan ulir menggunakan taping) dan

Silinder polos

Panjang = 125mm

Diameter = 4mm

Gambar 3.4 pengganggu polos dan berulir

3.3.2 Wind Tunnel (Terowongan angin)

Percobaan dengan menggunakan wind tunnel ini dimaksudkan untuk dapat menguji

benda dalam skala model. Hal ini disebabkan pengukuran sebenarnya yang cukup sulit dan

membutuhkan biaya yang tidak sedikit. Oleh sebab itu, dibuatlah wind tunnel dengan

pembuatan kondisi–kondisi yang mendekati kenyataan, sehingga hasilnya cukup akurat dan

memadai.

Wind tunnel yang digunakan dalam percobaan ini adalah wind tunnel jenis open circuit

wind tunnel, dimana udara yang dialirkan dalam wind tunnel langsung bebas dilepas ke udara

bebas setelah melalui work section. Wind tunnel ini bisa digolongkan sebagai wind tunnel

subsonic

Spesifikasi Wind Tunnel :

Jenis : subsonic, open circuit wind tunnel

Bentuk saluran uji : penampang bujur sangkar

23



Panjang : 2000mm

Tinggi : 125mm

Lebar : 125mm

Gambar3.2 skema wind tunnel dan test section

3.3.3 Alat Ukur

Untuk mendapatkan tekanan statis dan tekanan stagnasi, pada eksperimental ini

menggunakan wall-pressure tap, pitot static tube dan tranducer tekanan dan data aquisisi.

A. Wall-pressure tap

Wall-pressure tap yaitu lubang – lubang kecil berdiameter 1 mm yang terhubung pada

manometer atau tranducer tekanan serta dipasang sepanjang kontur permukaan benda

uji maupun saluran wind tunnel yang searah aliran dan tegak lurus terhadap

permukaan.

B. Pitot Tube

24



Alat ini berfungsi untuk mengukur besarnya tekanan statis sekaligus tekanan stagnasi

aliran di antara dan di belakang benda uji (Gambar 3.5a).

C. Transducer Tekanan dan Data Aquisisi

Transducer tekanan dan data aquisisi yang digunakan dalam percobaan ini dapat

dilihat pada gambar 3.5

Gambar 3.5: Alat ukur yang digunakan

3.4 Kalibrasi Tranduser Tekanan dan Data Aquisisi

3.4.1. Alat yang digunakan

Peralatan yang dipergunakan pada proses kalibrasi: - Manometer.

- Pressure Tranduser.

- Data Aquisisi DAQ PRO 5300.

- Pitot Static Tube.

3.4.2 Langkah –langkah kalibrasi:

1. Pemasangan instalasi untuk keadaan free stream tanpa benda uji.

2. Pitot static tube dipasang pada dinding yang tersambung pada manometer serta pressure

tranduscer.

3. Pengaturan bukaan pada damper dengan bukaan 8/8 (penuh) sampai 1/8 pada tiap

penyalaan wind tunnel.

4. Diambil data manometer dan pressure tranduser untuk tekanan statis.

5. Dari manometer didapatkan Δh dan dari Data Aquisisi didapatkan arus sehingga bisa

diketahui tekanan statis yang terjadi.

25

Data Aquisisi dan transducer Pitot tube



6. Data- data tersebut dibuatkan grafik Pstatic manometer vs arus (i) sehingga diketahui pula

hubungannya dengan sebuah formula.

Gambar3.6 instalasi alat dalam kalibrasi

Grafik 3.1 grafik kalibrasi hubungan tekanan dengan arus

3.5 Prosedur Pengambilan Data

1. Perencanaan peralatan yang akan digunakan untuk eksperimental.

2. Pengukuran kondisi udara di ruangan saat pengujian (temperatur, dan tekanan).

3. Pemasangan benda uji pada saluran, yaitu dua silinder sirkular dengan D = 25mm dengan

jarak S/D = 1.5 – 2.5 beserta batang pengganggu dengan D = 4 mm yang di letakkan pada

jarak L/D = 2.0 di depan silinder upstream.

4. Mengukur kesejajaran silinder dan dinding dengan water pass.

5. Menghidupkan wind tunnel dan mengatur kecepatan sesuai kofigurasi (Re = 116000)

sampai kondisi steady.

26



6. Untuk pengambilan pressure drop digunakan fariasi Re = 52100, 73700, 90200, 116000,

128000, 147000, 156000.

7. Pengukuran tekanan yang terjadi pada wall pressure tap inlet dan outlet untuk mencari

pressure drop dengan menggunakan pressure tranducer serta data aqusisinya.

8. Pengukuran tekanan pada pressure tap yang terdapat di permukaan silinder, dan

pengukuran profil kecepatan di belakang susunan silinder dengan menggunakan pitot tube

yang dihubungkan dengan transducer tekanan dan data aquisisi.

3.6 Hasil Percobaan :

a. Data hasil pengukuran :

1. Perbedaan tekanan pada saluran sisi inlet dan outlet dari benda uji

2. Distribusi tekanan pada tiap silinder

b.Data hasil perhitungan :

1. Pressure drop dari adanya susunan body (ΔP).

2. Koefisien distribusi tekanan (Cp) pada permukaan silinder utama.

3. Koefisien Drag (Cd) susunan silinder utama.

3.7 Urutan Langkah Penelitian

3.8 Jadwal pelaksanaan penelitian

27

Documents

gabungan6 revisi