Simulasi Numerik Karakteristik Aliran Fluida Melewati Silinder

7

Simulasi Numerik Karakteristik Aliran Fluida Melewati Silinder Teriris

Satu Sisi (Tipe D) dengan Variasi Sudut Iris dan Sudut Serang

Astu Pudjanarsa

Laborotorium Mekanika Fluida

Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS

Kampus ITS Keputih-Sukolilo Surabaya, 60111

E-mail: [email protected]

Abstrak Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi telah mendorong kita untuk mengadakan

berbagai eksperimen untuk menciptakan berbagai hal yang bertujuan untuk memudahkan dan

memberikan keuntungan bagi manusia dan bermanfaat bagi kelanjutan penelitian berikutnya.

Salah satu cara dalam bidang Mekanika fluida untuk mengurangi gaya seret (drag) yang terjadi

pada sebuah benda dapat dilakukan dengan memodifikasi bendanya atau mengontrol lapisan batas

aliran di atas permukaan benda.

Silinder yang teriris pada satu sisi (upper) yang dialiri fluida akan terbentuk boundary layer

yang tidak simetris. Pada simulasi ini digunakan silinder dengan sudut pengirisan (θ ) 00, 36

0, 53

0,

dan 660 dengan variasi sudut serang aliran (α) 0

0, 15

0 dan 30

0 , hal ini untuk mengetahui

karakteristik aliran dua dimensi dengan adanya variasi sudut iris dan variasi sudut serang aliran

fluida, Seluruh penelitian dilakukan secara eksperimental dengan menggunakan wind tunnel pada

Re = 63000.

Dari hasil simulasi diperoleh kesimpulan bahwa aliran pada perubahan kontur mendadak

akan terseparasi sesaat (bubble separation) yang kemudian akan mengikuti kontur lagi

(reattachment) karena adanya tambahan momentum dari aliran diatasnya. Dengan adanya variasi

sudut pengirisan pada sudut datang aliran konstan, maka dengan semakin besar sudut pengirisan

letak titik stagnasi semakin mendekati bidang irisan kemudian terjadi bubble separation pada awal

perubahan kontur yang mendadak (pengirisan). Dengan adanya variasi sudut serang pada sudut

iris konstan, maka dengan semakin besar sudut serang letak titik stagnasi semakin kebawah,

sedangkan titik permulaan terjadinya massive separation semakin ke depan pada bagian upper dan

semakin ke belakang pada bagian lower.

Kata kunci: sudut pengirisan, sudut serang, massive separation, bubble separation.

Benda yang dilewati fluida yang bergerak,

akan mengalami gaya akibat interaksi dengan

fluida yakni normal stress (tegangan normal)

dan shear stress (tegangan geser). Tegangan

normal terjadi karena adanya tekanan dari

fluida yang mengalir tegak lurus terhadap

bidang, sedangkan tegangan geser disebabkan

oleh fluida viskos yang mengalir sejajar

dengan bidang. Untuk aliran dua dimensi,

gaya-gaya yang sejajar dengan aliran fluida

disebut dengan drag, sedangkan gaya yang

tegak lurus terhadap arah aliran dinamakan lift.

Perkembangan ilmu pengetahuan dan

teknologi mendorong untuk mengadakan

berbagai simulasi dan eksperimen untuk

menciptakan berbagai hal yang bertujuan

memudahkan dan memberikan keuntungan

bagi manusia. Salah satu contoh adalah silinder

penyangga bangunan lepas pantai atau

jembatan sungai bila diiris pada bidang yang

sejajar aliran akan mengurangi gaya drag yang

timbul. Hal ini tentu sangat menguntungkan

dari segi teknis dan ekonomis, karena

kekuatannya bertambah dan buaya bahan

makin berkurang.

Bahwa aliran fluida di laut maupun angin

di darat adalah berubah-ubah arahnya,

sehingga silinder penyangga jembatan di darat

maupun dilaut akan menerima aliran yang

berubah-ubah, kadang tegak lurus pengirisan

Jurnal Teknik Mesin, Volume 5, Nomor 1, Januari 2005 8

dan juga pada waktu tertentu sejajar dengan

pengirisan.

Simulasi ini mempelajari tentang

pengaruh besar sudut iris silinder dan sudut

datang aliran fluida terhadap karakteristik

distribusi kecepatan melintas silinder teriris

pada bagian atas (upper side). Simulasi

dilakukan pembatasan-pembatasan sebagai

berikut :

1. Fluida yang dipakai adalah udara

dengan asumsi alirannya disisi upstream

bersifat fluida incompressible, steady

flow, dan uniform .

2. Kemungkinan adanya perpindahan

panas dapat diabaikan.

3. Benda kerja yang digunakan adalah

silinder dengan dimensi yang konstan

dan bahan yang sama.

Penelitian tentang perilaku aliran

melewati kontur sebuah silinder telah

dilakukan oleh Aiba dan Watanabe (1997)

dengan memberikan variasi pengirisan pada

sisi depan (up stream) dan dan sisi belakang

(down stream). Pada Silinder dengan sudut

pengirisan (θs) 530 aliran laminar dari sisi

freestream yang mengenai kontur teriris akan

mengalami percepatan yang mengikuti kontur,

kemudian aliran laminar tersebut akan

mengalami perlambatan dikarenakan adanya

perubahan penampang (pengirisan) sehingga

aliran laminar mengalami separasi pada sudut

570 dimana aliran mulai terpisah dari kontur

yang ditunjukkan adanya kecepatan yang

konstan. Kemudian pada sudut 690 aliran

laminar akan mendapatkan tambahan

momentum dari aliran freestream sehingga

alianmenjadi turbulent yang mengalami

percepatan kemudian aliran akan kembali

melewati kontur (reattachment). Kemudian

aliran turbulent akan mengalami penurunan

kecepatan hal ini terjadi karena gradien

tekanannya yang meningkat, sampai pada

sudut 1100 momentum aliran tidak mampu lagi

menahan gradien tekanan sehingga aliran

turbulent mengalami separasi.

Harga koefisien drag yang terjadi pada

silinder sirkular sebesar 1,2. Pada pengirisan

sudut 45o akan mulai terjadi penurunan drag

yang sangat tajam, sehingga drag terkecil pada

pengirisan 53o yakni koefisien dragnya 0,6.

Kemudian harga koefisien drag akan

mengalami kenaikan seiring dengan naiknya

sudut pengirisan sampai dengan sudut

pengirisan 65o. Dari data hasil eksperimen

tersebut dapat ditampilkan dalam bentuk grafik

hubungan antara coefisien drag (CD) dengan

sudut iris (θs) seperti pada gambar dibawah ini.

Gambar 1. Grafik coefisien drag terhadap

sudut iris (Aiba & Watanabe,1997)

Tina Murti Agustini (2001) melakukan

eksperimen dengan menggunakan spesimen

yang berbentuk silinder teriris dengan besar

sudut iris divariasikan, sedang sudut datang

fluida tidak divariasikan. Hasil dari penelitian

ini ditampilkan dalam sebuah grafik Cp = f (θI)

dengan sudut datang (α = 0o). Tampilan grafik

dapat dilihat pada gambar 2.

Dari hasil penelitian ini terlihat hasil

bahwa pada sudut datang aliran (α) = 0o,

adanya pengirisan pada silinder ini

berpengaruh cukup signifikan pada pressure

coeficient yang terbentuk. Pada silinder bulat

tanpa irisan, pressure minimum terjadi pada θ

= 70o. Sedangkan separasi terjadi pada θ = 95

o.

Pada silinder bulat dengan θi = 30o, pressure

minimum terjadi pada θ = 70o. Setelah titik

tekanan minimum terlewati, maka separasi

terjadi pada θ = 105o. Pada silinder bulat

dengan θi = 45o, pressure minimum terjadi

pada θ = 70o. Setelah titik tekanan minimum

terlewati, maka separasi terjadi pada θ = 110o.

Hal ini menunjukkan bahwa efek disturbance

dari bidang iris ini lebih efektif dari silinder

bulat dengan θi = 30o. Pada silinder bulat

dengan θi = 50o, pressure minimum terjadi

pada θ = 70o. Setelah titik tekanan minimum

terlewati, maka separasi terjadi pada θ = 95o.

Pudjanarsa, Simulasi Numerik Karakteristik Aliran Fluida 9

Sehingga terlihat bahwa pengirisan sebesar θi

= 50o tidak lagi efektif membuat separasi

menjadi tertunda ke belakang.

Gambar 2. Perbandingan Cp pada berbagai

sudut irisan saat sudut datang aliran 0o

Metode Simulasi

Kondisi Simulasi

- Sudut datang aliran (α): 0o, 15

o, dan

30o.

- Bilangan Reynold: 63000 (diukur

berdasar diameter silinder)

Pemilihan bilangan Reynold sebesar

63000 karena pada bilangan Reynold (104 s/d

105) aliran melintasi silinder harga koefisien

drag (Cd) harganya relative konstan.

Pemodelan Numerik Dengan Fluent

Untuk visualisasi dengan fluent ini data

masukannya disesuaikan dengan data pada

kondisi simulasi, yaitu sebagai berikut :

� Meshing :

• Elements: Quad/Tri.

• Type: Pave

• Spacing: 5

� Up Strem (Velocity Inlet): 16.84 m/s

� Down Stream (Pressure Outlet): 1 atm

� Fluil Type: Air

� Turbulence Mode: K- Epsilon

Visualisasi Aliran Pada Silinder Teriris

dengan Fluent 6.0

Visualisasi Sudut Iris 360

Dengan bertambahnya sudut serang titik

stagnasi bergeser kebawah, pada sudut serang

00

massive separation terjadi beberapa derajat

setelah bidang iris, pada sudut serang 150

massive separation terjadi pada bagian ujung

dari bidang iris, sedangkan pada sudut serang

300

massive separation terjadi pada

pertengahan bidang iris.

Gambar 3. Sudut Iris 36

o dengan

sudut serang 00


o dengan

sudut serang 150


o dengan

sudut serang 300

Jurnal Teknik Mesin, Volume 5, Nomor 1, Januari 2005 10




00


dari bidang iris, pada sudut serang 150

massive

separation terjadi mendekati pertengahan dari

bidang iris, sedangkan pada sudut serang 150

massive separation terjadi mendekati bagian

depan dari bidang iris.


o dengan

sudut serang 00


o dengan

sudut serang 150


o dengan sudut serang 30

0




00


dari bidang iris, pada sudut serang 150

massive

separation terjadi mendekati pertengahan dari

bidang iris, sedangkan pada sudut serang 150

massive separation terjadi mendekati bagian

depan dari bidang iris.


o dengan

sudut serang 00


o dengan

sudut serang 150


o dengan sudut serang 30

0

Pudjanarsa, Simulasi Numerik Karakteristik Aliran Fluida 11

Secara umum untuk sudut iris (θ) konstan

dengan sudut serang (α) berubah membesar

maka titik stagnasi bergeser ke bawah , hal ini

dapat dianalogikan dengan teori silinder

diputar atau airfoil ( airfoil terbalik ) dengan

sudut serang negatif (Gambar 12).

Gambar 12. Steamlines aliran pada

(a) silinder diputar, (b) airfoil

Kesimpulan

Dari penelitian yang sudah dilakukan

dapat ditarik beberapa kesimpulan yang antara

lain:

1. Aliran mempunyai kecenderungan

mengikuti kontur silinder, tapi dengan

adanya perubahan kontur yang mendadak

karena pengirisan maka aliran akan

terlepas dari kontur (separasi) dan karena

adanya penambahan momentum dari

aliran bebas (free stream) maka aliran

akan kembali mengikuti kontur lagi

(reattachment). Proses terpecahnya aliran

dari kontur kemudian kembali mengikuti

kontur dinamakan bubble separation.

2. Dengan adanya variasi sudut pengirisan

pada sudut datang aliran 00, maka dengan

semakin besar sudut pengirisan letak titik

stagnasi semakin keatas dan akan terjadi

bubble separation dimana bubble

separation akan terjadi pada awal

perubahan kontur yang mendadak

(pengirisan).

3. Dengan adanya variasi sudut pengirisan

pada sudut datang aliran 150 dan 30

0, maka

dengan semakin besar sudut pengirisan

letak titik stagnasi semakin keatas. Akan

tetapi tidak terjadi bubble separation.

4. Dengan adanya variasi sudut serang pada

sudut iris 360, maka dengan semakin besar

sudut serang letak titik stagnasi semakin

kebawah, sedangkan titik permulaan

terjadinya massive separation semakin ke

depan pada bagian upper dan semakin ke

belakang pada bagian lower.







belakang pada bagian lower.







belakang pada bagian lower

Referensi

[1] Aiba, S and Watanabe, H., 1997, “Flow

Characteristics of a Bluff Body Cut from a

Circular Cylinder”, Journal of Fluids

Engineering, Vol 120 pp. 851-853.

[2] Aiba, S., 1998, “Fluid Dynamic Drag of an

Axially Symmetrical Bluff Body

Consisting of a Plane Surface and a

Spherical Surface”, ASME Journal of

Fluid Engineering, Vol. 120 pp. 851-853.

[3] Anderson Jr, John, D., 1991, Fundamental

of Aerodynamics, McGraw Hill Inc.

[4] Fox, R., & Mc. Donald, A.T., 1985,

Introduction to Fluid Mechanics, 3rd

Edition, John Willey & Sons, Inc.

[5] Tina Murti. A, 2001 “Studi Eksperimental

Karakteristik Lapis Batas Aliran Melintasi

Silinder Teriris”, Tugas Akhir, Teknik

Mesin, FTI – ITS.

[6] Shapiro, Ascher H., 1961, Shape and

Flow, Anchor Books Doubleday & Co.

Documents

Simulasi Numerik Karakteristik Aliran Fluida Melewati Silinder