ANALISA DAN VISUALISASI MEDAN ALIRAN PADA GEOMETRI ...

ANALISA DAN VISUALISASI MEDAN ALIRAN PADA GEOMETRI

BACKWARD-FACING STEP DENGAN INJEKSI GAS ISHOTERMAL

MENGGUNAKAN PARTICLE IMAGE VELOCITIMETRY

Izhar Mohamad rahman

Departemen Teknik, FTM UI, Kampus UI Depok 16424

Teknik Mesin, Program Ekstensi Universitas Indonesia

[email protected]

Abstrak

Penelitian ini dilakukan dengan metode pengukuran dan visualisai dengan menggunakan particle image

velocimetry. Untuk memprediksi medan aliran kecepatan, streamline, vortisitas, dan intesitas turbulen pada

aliran dalam kanal backward facing step pada zona resirkulasi dan reattachment Dalam penelitian ini, parameter

yang menjadi perhatian adalah rasio spesifiki momentum injeksi I=0,1 dan I=0,5 dengan tinggi step H=20 mm

dan H=10mm serta penggunaan injeksi udara dengan temperatur isothermal atau suhu kamar 300

C. Metode

komputasi atau pengolahan data menggunakan software DANTEC DYNAMIC STUDIO 3.2, hasil pengolahan

secara komputasi digunakan sebagai acuan untuk menjelaskan hasil yang didapat pada penelitian ini.

Abstract

The research was done by the method of measurement and visualization using particle image velocimetry. To

predict the flow field velocity, streamline, vortices, and turbulence intensity on the flow in the channel facing

backward step in the recirculation zone and reattachment In this study, the parameters of concern is the ratio of

specific momentum injection I = 0.1 and I = 0.5 with step height H = 20 mm and H = 10 mm, and the use of air

injection with isothermal temperature or room temperature 30 C. The method of computing or data processing

using software DANTEC DYNAMIC STUDIO 3.2, the processing of computationally used as a reference to

explain the results obtained in this study.

Keywords: backward facing step,particle imege velocimetry,recirculation,reattachment,specific momentum

Analisa dan..., Izhar M. Rahman, FT UI, 2013

mailto:[email protected]

PENDAHULUAN

Particle Image Velocitimetry adalah sebuah

metode optikal dari visualisasi aliran yang biasa

digunakan dalam bidang pendidikan dan penelitian.

PIV digunakan untuk mendapatkan kecepatan sesaat

dan property – property yang terkait dalam fluida.

Fluida primer yang ditaburi partikel tambahan

berupa minyak zaitun disumsikan mengikuti lintasan

dari aliran fluida primer. Fluida primer yang telah

tercampur disinari agar pertikel – partikelnya

terlihat. Gerakan dari partikel pencampur digunakan

untuk menghitung laju dan arah ( medan vector

kecepatan ) dalam fluida yang diamati. Pada

perconaan kali ini metode PIV digunakan pada

geometri backward facing step.

Backward-facing step merupakan suatu

geometri dimana suatu jalur aliran mendapatkan

pelebaran (contaction) mendadak sehingga tampak

seperti anak tangga yang terbalik⁽²²⁾⁽²³⁾. Aliran yang

melewati geometri ini akan menghasilkan aliran

separasi sehingga terbentuk lapisan geser, zona

resirkulasi dan lapisan batas yang berkembang

kembali. Gambar 1 menjelaskan secara umum

gambaran dari geometri backstep dimana geometri

ini sudah dilengkapkan titik injeksi beserta

parameter yang berperan dalam aliran tersebut.

Masalah yang ditelusuri adalah peningkatan

parameter laju perpindahan momentum, kalor dan

massa melalui analisa gambaran karakteristik medan

aliran resirkulasi pada backward-facing step dengan

injeksi gas (suhu kamar). Pengatur rasio momentum

ditentukan dengan mengatur kecepatan supply udara

dari compressor (kecepatan aliran bebas dari

blower).

Tujuan dari penelitian ini adalah mendapatkan

gambaran karakteristik dari medan aliran khususnya

medan kecepatan sebagai fungsi parameter dinamika

fluida aliran dalam bentuk gambar medan vector

kecepatan menggunakan Particle Image

Velocimetry (PIV).

Metode visualisasi ini akan menggambarkan

baik secara kualitatif maupun secara kuantitatif

karakteristik aliran resirkulasi yang hendak

dipelajari. Melalui penggunaan metode ini

diharapkan dapat diperoleh data berupa visualisasi

aliran yang secara lebih jauh dapat dianalisa baik

secara kualitatif maupun kuantitatif.

Gambar 1. Konfigurasi aliran backward facing step

Sistem Resirkulasi pada alat yang akan diteliti

pada makalah yaitu aliran kanal dimana terjadi

pembesaran mendadak. Pembesaran mendadak ini

diwujudkan dengan geometri sedemikian rupa

sehingga terbentuk seperti tangga terbalik sehingga

dinamakan backward facing step. Beberapa elemen


penting dalam system resirkulasi ini diantaranya

adalah

1. proses aliran resirkulasi (resirculation

zone),

2. lapisan geser terseparai (shear layer)

3. lapisan aliran berkembang kembali

(redeveloping boundary layer)

METODE PENELITIAN

Penelitian yang berdasarkan turbulensi

pada geometri backward-facing step ini merupakan

tahap lanjutan dari penelitian – penelitian yang telah

dilakukan sebelumnya dimana bila pada penelitian

sebelumnya menjelaskan aspek distribusi

temperatur, sifat pembakaran dalam test section

hingga analisa CFD, maka masalah dalam penelitian

kali ini mempunyai metode dan hasil yang berbeda.

Menggunakan nebulizer sebagai pemecah partikel,

maka akan ditangkap citra oleh alat perekam gambar

seperti digital camera atau high speed camera pada

bagian test sevtion. Pengaturan cahaya dilakukan

dengan membuat dark room di sekitar gtest section

agar kualitas gambar yang ditangkap berdasarkan

light sheet based visualization of flow field menjadi

semakin baik. Suplai dari aliran bebas berasal dari

blower sedangkan injeksi dilakukan dengan

memasukkan compressed air dari kompresor gedung

dimana sebelum memasuki test section akan melalui

heater untuk dipanaskan dulu.. Skema peralatan

secara keseluruhan terdapat pada gambar berikut.

Gambar 2. Skema alat uji

Peralatan dalam penelitian untuk pengambilan

data eksperimental antara lain:

a. Blower sentrifugal

b. Sistem pemipaan dan katup buan

c. Wind Tunnel

d. Test Section

e. Kompresor udara

f. Nebulizer

g. Voltage Regulator

h. Dark Room

i. Double-cavity Nd:YAG laser

j. Kamera Cross-Correlation

k. Personal Computer(PC)

Pada penelitian ini dilakukan beberapa asumsi,

diantaranya:

Titik injeksi dari partikel diposisikan sebelum

bagian test section dan pada dinding step

dengan jarak 5mm dari top base, dan

menggunakan dua unit nebulizer.

Menggunakan konsep dark room sebagai

upaya pengendalian cahaya untuk proses

penangkapan medan aliran resirkulasi.

Parameter yang digunakan dalam penelitian

adalah rasio momentum 0.1 untuk temperature

ambient. Geometri dari test section

divariasikan pada ketinggian 20 [ mm ].

Penelitian ini menggunakan unit PIV untuk

mendapatkan medan vector kecepatan Aliran

injeksi gas dari yang keluar dari slot dianggap

seragam untuk parameter kecepatan dan

temperatur, sehingga hanya satu titik saja,

yaitu titik tengah dari slot yang diukur.

Fluida Aliran bebas yang terjadi mempunyai

kecepatan yang seragam.


Pengambilan data dapat dilakukan setelah

melakukan beberapa tahapan prosedur terlebih

dahulu dan pengaturan beberapa parameter tersebut

harus berdasarkan rasio spesifik momentum injeksi

yang telah ditentukan, sesuai persamaan dibawah:

I = 𝜌𝑖 𝑥 𝑣𝑖 𝑥 𝑣𝑖

𝜌𝑜 𝑥 𝑣𝑜 𝑥 𝑣𝑜……….3.1

Dimana I = Rasio momentum spesifik

ρi = Massa jenis udara injeksi

ρo = Massa jenis udara suplai

Vi = Kecepatan udara injeksi

Vo = Kecepatan udara suplai

Terdapat berbagai kondisi percobaan

diantaranya adalah rasio injeksi. Tinggi dari step,

jarak step hingga temperature injeksi yang masuk

pada slot injeksi jet. Berikut adalah kombinasinya.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Visualisasi Stream line, Garis arus

(streamlines) adalah sebuah garis yang

menyinggung (tangen terhadap) medan kecepatan.

Jika aliran tunak, tidak ada yang berubah terhadap

waktu disebuah titik (termasuk juga arah

kecepatan), sehingga garis-garis arusnya adalah

garis-garis tetap didalam ruang. Untuk aliran tak

tunak , garis-arus dapat berubah bentuknya

menurut waktu. Garis arus diperoleh secara

analitik dengan mengintegralkan persamaan garis

yang menyinggung medan kecepatan. untuk aliran

dua dimensi kemiringan dari garis-arus, dy/dx,

harus sama dengan tangen dari sudut yang dibuat

oleh vektor kecepatan dengan sumbu-x, Jika

medan kecepatan diketahui sebagai fungsi dari x

dan y (dan t jika aliranya tak-tunak), maka

persamaan ini dapat diintegralkan untuk

mendapatkan persamaan dari garis-arus.

Untuk menghasilkan garis-arus secara

eksperimental dilaboratorium, penggunaan asap

atau bahan penjejak lainya yang diinjeksikan

kedalam aliran dapat memberikan informasi yang

berguna berkaitan dengan garis-arus pada aliran

tak tunak

Visualisasi kondisi 1-4

kondisi Jarak injeksi Rasio momentum

spesifik

Kecepatan udara suplai

dan temperatur

Kecepatan injeksi dan

temperatur injeksi

1

2H = 40 mm

0.1 1.4 m/s, t = 30

0 C 0.49 m/s, t = 30

0 C

2 1.8 m/s, t = 300 C 0.78 m/s, t = 30

0 C

3 0.5

1.4 m/s, t = 300 C 1.09 m/s, t = 30

0 C

4 2.5 m/s, t = 300 C 2.43 m/s, t = 30

0 C

5

2H = 20 mm

0.1 1.4 m/s, t = 30

0 C 0.49 m/s, t = 30

0 C

6 1.8 m/s, t = 300 C 0.78 m/s, t = 30

0 C

7 0.5

1.4 m/s, t = 300 C 1.09 m/s, t = 30

0 C

8 2.5 m/s, t = 300 C 2.43 m/s, t = 30

0 C


Gambar 3

Gambar 4

Gambar 5

Gambar 6

Gambar 3-6 adalah hasil visualisasi PIV dari

percobaan yang telah dilakukan

Gambar 3 adalah visualisai dari kondisi 1, gambar

4 adalah visualisasi dari kondisi 2, gambar 5

adalahvisualisai dari kondisi 3, dan gambar 6

adalah visualisasi dari kondisi 4. Parameter dari

percobaan tersebut telah ditunjukan padal tabel 1.

Kondisi 1 – 4 memiliki kajian parameter yang

sama yaitu pada ketinggian step 2h = 40mm. Yang

membedakan adalah rasio momentum tiap kondisi

(kecepatan saluran masuk dibagi dengan kecepatan

injeksi) .dari percobaan yang telah dilakukan,

didapatkan semakin besar rasio momentum yang

terjadi luasan resirkulasi yang didapat semakin

panjang.

Visualisasi kondisi 5-8

Gambar 7


Gambar 8

Gambar 9

Gambar 10

Kondisi 5 – 8 memiliki kajian parameter yang

sama yaitu pada ketinggian step 2h = 20mm. Yang

membedakan adalah rasio momentum tiap kondisi

(kecepatan saluran masuk dibagi dengan kecepatan

injeksi)

Kecepatan vektor

Salah satu variabel fluida yang paling

penting adalah medan kecepatanya.

ˆˆ ˆ( , , , ) ( , , , ) ( , , , )V u x y z t i v x y z t j w x y z t k

(2.2)

Dimana u, v, dan w adalah komponen-komponen

vektor kecepatan dalam arah x, y, dan z. Menurut

definisi, kecepatan sebuah partikel adalah laju

perubahan per satuan waktu dari vektor posisi

partikel tersebut. Seperti diilustrasikan pada Gb.

2.2, posisi partikel A relatif terhadap sistem

koordinat diberikan oleh vektor posisi, rA, yang

merupakan fungsi dari waktu (jika partikel

bergerak). Turunan terhadap waktu dari posisi ini

memberikan kecepatan dari partikel tersebut

/A Adr dt V , dengan menuliskan kecepatan

untuk seluruh partikel, kita dapat memperoleh

gambaran medan dari vektor kecepatan

V=V(x,y,z,t).

Gambar 11. Tempat kedudukan partikel yang

dinyatakan dengan vektor posisi

Berikut adalah grafik kecepatan vektor dari

percobaan yang telah dilakukan, nilai kecepatan

vektor yang didapat merupakan hasil analisa

menggunakan software DANTEC DYNAMIC

STUDIO 3.20.


0

50

100

150

200

250

300

350

0 10 20 30 40 50

V (

mm

/s)

x (mm)

Kondisi 1

R y/h5

R y/h 10

R y/h 15

R y/h 20

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 10 20 30 40 50

V (

mm

/s)

X (mm)

Kondisi 2

R y/h5

R y/h 10

R y/h 15

R y/h 20

0

50

100

150

200

250

300

350

0 10 20 30 40 50

V (

mm

/s)

X (mm)

Kondisi 3

R y/h5

R y/h 10

R y/h 15

R y/h 20

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 10 20 30 40 50

V (

mm

/s)

X (mm)

Kondisi 4

R y/h5

R y/h 10

R y/h 15

R y/h 20

0

50

100

150

200

250

300

0 10 20 30 40 50

V (

mm

/s)

X (mm)

Kondisi 5

R y/h 2,5

R y/h 5

R y/h 7,5

R y/h 10

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50

V (

mm

/s)

X (mm)

Kondisi 6

R y/h 2,5

R y/h 5

R y/h 7,5

R y/h 10


Dari analisa yang dilakukan dengan menggunakan

software DANTEC DYNAMIC STUDIO 3.2 dapat

diketahui besaran kecepatan vektor yang terjadi pada

area penelitian Berdasarkan analisa besaran kecepatan

vektor melalui nilai yang ditunjukan pada moving

average validation maka dapat diketahui kecepatan

pada setiap titik yang ditunjukan grafik.

Intensitas Turbulen

Turbulensi dapat dianggap sebagai aliran fluida

yang berfluktuasi dan merupakan sifat fluida yang

sangat penting apabila berbicara mengenai aliran

yang terjadi pada kendaraan.

Turbulensi juga dapat dinyatakan dengan

intensitas turbulensi. Intensitas turbulensi adalah

suatu skala yang mengkarakteristikan turbulen

dalam persen. Persamaan dari intensitas turbulensi

adalah

0

rmsuTI

U

Besaran kecepatan yang dimasukan kedalam

persamaan tersebut didapatkan dari software

DANTEC DYNAMIC STUDIO 3.20. kemudian

dibagi dengan kecepatan saluran masuk (blower)

Berikut adalah tabel dari nilai intensitas turbulent yang

didapat dari percobaan.

Kondisi 1

X iT y/h 5 iT y/h 10 iT y/h 15 iT y/h 20

5 0,003849 0,007213 0,006441 0,033502

10 0,008207 0,008814 0,008163 0,053291

15 0,011589 0,010952 0,005832 0,109342

20 0,006859 0,004378 0,007232 0,164235

25 0,003964 0,003269 0,015257 0,192946

30 0,004606 0,003494 0,038916 0,204013

35 0,016612 0,038235 0,138476 0,14793

40 0,033224 0,110187 0,033879 0,105031

Kondisi 2

x iT y/h 5 iT y/h 10 iT y/h 15 iT y/h 20

5 0,637222 0,837394 0,58419 10,6976

10 0,826335 0,539134 1,013029 6,181927

15 1,016111 0,635146 0,85613 15,25957

20 0,824979 0,828306 1,475374 18,23738

25 0,906667 0,731667 2,473669 20,31198

30 1,099444 0,846815 5,015189 21,53326

35 1,719507 4,479577 12,15148 18,15508

40 1,387417 2,741957 0,059654 10,3781

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50

V (

mm

/s)

X (mm)

Kondisi 7

R y/h 2,5

R y/h 5

R y/h 7,5

R y/h 10

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 10 20 30 40 50

V (

mm

/s)

X (mm)

Kondisi 8

R y/h 2,5

R y/h 5

R y/h 7,5

R y/h 10


Kondisi 3

X iT y/h 5 iT y/h 10 iT y/h 15 iT y/h 20

5 0,140571 0,728816 0,697152 1,9552

10 0,688795 0,776133 0,919374 2,990807

15 1,092607 1,000458 0,810616 16,67322

20 1,165138 0,444584 0,786908 18,2488

25 0,444 0,387357 1,700991 20,70921

30 0,584947 0,407696 4,610362 21,75574

35 2,38824 3,38234 14,11951 19,19827

40 1,742268 2,388128 2,797897 15,87176

Kondisi 4

x iT iT iT iT

5 0,698639 0,520458 0,38596 26,76765

10 0,798547 0,650609 1,322856 29,8523

15 0,494 0,916938 1,452073 30,69449

20 3,356939 2,671661 4,323386 32,46716

25 2,568449 2,347492 7,16012 32,94095

30 1,722022 2,552276 12,94934 33,60512

35 4,622622 10,2188 15,83207 30,87603

40 7,005883 5,35886 9,82676 24,71292

Kondisi 5

X iT y/h 2,5 iT y/h 5

iT y/h

7,5 iT y/h 10

5 0,246836 0,306678 0,377496 3,439853

10 0,207493 0,632195 0,29916 3,574878

15 1,165758 0,649729 1,315034 14,81873

20 1,145471 0,322713 2,529718 16,96499

25 1,281961 0,989055 3,361291 17,3069

30 0,39279 1,805181 6,839966 19,82562

35 2,136014 6,283365 16,19327 19,80221

40 1,258028 2,391608 2,394323 16,06998

Kondisi 6

X iT iT iT iT

5 2,926782 2,396141 3,33623 6,096714

10 3,700054 3,192351 2,714492 8,819686

15 1,740069 3,584158 3,588501 13,97539

20 1,532782 4,08209 5,469241 15,73889

25 4,465369 2,701435 7,088148 16,92465

30 5,389258 3,319559 15,01667 27,81185

35 4,428957 13,79446 24,24585 27,77405

40 14,25539 18,05182 21,31283 27,74977

`kondisi 7

X It iT iT iT

5 6,661715 2,538656 2,10775 12,23321

10 4,330646 2,93464 1,6855 15,45031

15 4,183543 6,97284 7,624353 17,92741

20 8,227775 3,894043 11,06534 26,31322

25 3,992359 2,74487 12,78671 30,59538

30 6,127577 14,37834 15,9227 34,20376

35 7,114551 11,76725 20,8711 31,81053

40 18,08992 15,90012 20,27744 33,87155

Kondisi 8

X iT y/h 2,5 iT y/h 5 iT y/h 7,5 iT y/h 10

5 0,206487 0,792466 0,83889 5,476665

10 0,590237 1,62736 1,176324 12,06446

15 1,200086 1,652902 2,569466 24,08323

20 3,580048 1,782992 8,264265 26,2405

25 5,330129 2,685834 11,22099 26,79315

30 3,682529 5,498059 16,85396 29,06273

35 2,767285 9,551356 17,97453 29,55777

40 9,389087 10,32229 18,17555 26,89871


KESIMPULAN

Dari eksperimental menggunakan PIV yang

telah dilakukan pada geometri backward facing

step dengan pengaruh injeksi gas isothermal dapat

ditarik kesimpulan sebagai berikut :

1. Penambahan kecepatan aliran pada

saluran masuk (blower) mempengaruhi

panjang resirkulasi, dimana semakin besar

nilai kecepatan blower pola aliran

resirkulasi pada visualisasi streamline

semakin terlihat.

2. Rasio kompresi berpengaruh terhadap

terbentuknya pola resirkulasi .pada rasio

momentum 0,5 pola resirkulisasi lebih

jelas dibandingkan dengan rasio 0,1

3. Kecepatan maksimum vektor ditiap

kondisi berada pada posisi yang sama,

yaitu pada garis alir yang terdekat dengan

aliran mainstream. Yaitu pada y/h = 20

dan y/h = 10 mm

4. Intensitas turbulensi maksimum berada

pada range 15-35 % untuk semua

kondisi.dan terjadi pada y/h 20 mm dan

y/h 10 mm

5. Pada tiap kondisi percobaan nilai

vortisitas yang terbentuk berupa nilai

vortisitas positif dan vortisitas negatif.

Terbentuknya vortisitas terjadi pada area

upstream dan downstream.

REFERENSI

Harinaldi, 2000. Flow structure and mixing behind a

backward facing step with the existence of non

reactive gas injection, Keio, Japan

Rhakasywy, Damora, 2010. Karakteristik sifat transport

dan struktur aliran resirkulasi dibawah pengaruh

eksistasi eksternal, Depok, Indonesia

Setiadji, Nanda, 2012. Studi PIV pengaruh kontrol aktif

aliran syntetic jet pada medan aliran luar disekitar

model bluff body, depok, Indonesia

Munson, B. (2002). Mekanika Fluida (Dr.Ir. Harinaldi

& Ir. Budiarso, M.Eng, Penerjemah).

Jakarta:Erlangga.

Barton, I.E, 1994. Laminar flow past an enclosed and

open backward facing step. Phys.fluids, 6,4054-4056

K.D Jansen, flow measurement, Dantec

Dynamics Inc. (2004), Vol. XXVI, No. 4 /

401.


ANALISA DAN VISUALISASI MEDAN ALIRAN PADA GEOMETRI ...

Documents

Transcript of ANALISA DAN VISUALISASI MEDAN ALIRAN PADA GEOMETRI ...