1Tugas AkhirKonversi Energi

BAB IPENDAHULUAN

1.1 Latar BelakangAliran melintasi silinder sirkular banyak ditemui dalam

aplikasi dunia industri seperti pada alat penukar panas, struktur bangunan pantai, dan aplikasi lainnya. Interaksi dari beberapa silinder sirkular juga memberikan pengaruh yang nyata terhadap pengurangan gaya drag hingga pada akhirnya dapat meningkatkan efisiensi energi. Beberapa penelitian terdahulu memberikan penjelasan terhadap pengurangan gaya drag secara signifikan dengan pemberian pengganggu ataupun melalui pengirisan geometri silinder.

Untuk memperoleh karakteristik aliran yang melintasi silinder sirkular digunakan pendekatan angka tak berdimensi berupa bilangan Strouhal. Interaksi yang terjadi pada silinder dikaji dari perbandingan bilangan Reynolds dan bilangan Strouhal. Bilangan Strouhal merupakan bilangan tak berdimensi yang menjelaskan tentang mekanisme dari osilasi aliran dimana pengamatan difokuskan pada pergolakan aliran (ketidakstabilan aliran). Parameter ini diambil dari nama seorang fisikawan kebangsaan Ceko, Vincenc Strouhal yang bereksperimen pada tahun 1878 dengan kawat yang mengalami fenomena vortex shedding. Bilangan Strouhal didefinisikan sebagai perbandingan dari frekuensi vortex shedding dengan kecepatan udara, St = fs.D/U dimana fs adalah frekuensi vortex shedding, D sebagai panjang karakteristik, dan U sebagai kecepatan fluida.

Vortex shedding merupakan aliran yang tidak stabil (unsteady flow) yang terjadi sesuai dengan ukuran dan bentuk geometri benda. Dalam aliran ini, pusaran diciptakan pada belakang benda dan berosilasi dari kedua bagian benda (upper side dan lower side). Aliran fluida yang melewati benda akan menciptakan tekanan rendah. Pada akhirnya, jika frekuensi vortex shedding sesuai dengan frekuensi resonansi benda, akan menciptakan gerakan pada benda. Pada kasus tertentu, kekuatan aliran ini dapat merobohkan struktur bangunan tinggi.

2Tugas AkhirKonversi Energi

Pengukuran dengan menggunakan pitot static tubedengan satu lubang titik stagnasi dan statis tidak dapat melihat adanya fenomena di atas. Selain itu, pitot static tube hanya digunakan untuk pengukuran yang sifatnya rata-rata sedangkan pengukuran dengan basis waktu tidak dapat dilakukan. Adanya vortex shedding yang berbasis waktu dapat diprediksi dengan alat khusus berupa hot wire anemometer (HWA). HWA menggunakan prinsip perpindahan panas secara konveksi dari kawat panas atau elemen film pada medan aliran. Perubahan ini akan mengakibatkan kehilangan panas pada kawat sehingga akan mengubah besaran resistansi kawat. Pada akhirnya akan muncul beda potensial atau tegangan. Konversi tegangan ke kecepatan fluida dapat digunakan melalui persamaan respon seperti persamaan simple power law oleh King (Brunn, 1995).

Pengujian HWA dengan melakukan variasi bilangan Reynolds untuk mendapatkan hasil pengujian yang valid dilakukan terlebih dahulu. Hal ini dapat dicapai melalui pengujian untuk mendapatkan bilangan Strouhal yang merupakan fungsi dari frekuensi vortex shedding. Penelitian ini mengacu dengan data bilangan Strouhal untuk variasi bilangan Reynolds yang telah dilakukan Schewe (2001). Pada penelitian tersebut menvariasikan bilangan Reynolds untuk silinder sirkular pada rentang 2,3 x 104 < Re < 7,1 x 107.

Beberapa penelitian memfokuskan pada koefisien drag dari silinder, baik silinder tunggal atau silinder dengan penganggu. Penelitian yang dilakukan oleh Aiba dan Watanabe (1997) adalah aliran fluida yang melalui sebuah silinder yang teriris tipe D maupun tipe I dengan variasi sudut kontur. Dari penelitian tersebut didapatkan bahwa pengirisan silinder akan mengurangi besarnya koefisien drag. Penelitian Triyogi et al (2009) menggunakan silinder pengganggu tipe-I dengan variasi sudut iris dari 0 sampai 65 yang diposisikan di depan silinder sirkular utama dengan bilangan Reynolds 5,3 x 104. Hasil pengukuran koefisien drag didapatkan pengurangan sudut iris yang efektif adalah silinder teriris dengan sudut iris 65. Hal ini disebabkan daerah wake yang terjadi di belakang silinder teriris

3Tugas AkhirKonversi Energi

sangat besar sehingga efektif mengganggu silinder utama dan mampu menunda letak titik separasi dan akhirnya akan menghasilkan daerah wake yang kecil dan mereduksi gaya dragyang terjadi pada silinder utama. Besar pengurangan gaya dragyang dihasilkan mencapai 52% dibandingkan dengan gaya dragsilinder tunggal.

Penelitian yang memberikan korelasi antara bilangan Strouhal dan bilangan Reynolds adalah Tsutsui dan Igarashi (2002) dan Sumner et al (2007). Penelitian yang dilakukan Tsutsui dan Igarashi (2002) didapatkan kesimpulan berupa peningkatan bilangan Strouhal dengan pertambahan perbandingan diameter (d/D) dan bilangan Reynolds. Dengan pertambahan bilangan Reynolds di atas 3 x 104, titik separasi akan bergeser semakin cepat, tebal Shear Layer berkurang, sehingga bilangan Strouhal akan meningkat. Sumner et al (2007) mengoleksi data bilangan Strouhal yang dilakukan pada bilangan Reynolds Re = 3,2 x 104 7,4 x 104, P/D = 1,125 4,0, dan variasi sudut bentukan = 0 sampai 90. Untuk P/D < 1,5, aliran seperti halnya silinder tunggal dan hanya terdapat satu bilangan Strouhal. Untuk 1,5 P/D 2,5, tercatat dua bilangan Strouhal saat pengukuran dilakukan pada > 30, namun bilangan Strouhalmenyebar pada < 30. Untuk P/D 2,5, bilangan Strouhalmendekati data silinder tunggal.

Penelitian kali ini akan merancang sebuah hot wire anemometer dengan single normal probe untuk mengukur bilangan Strouhal silinder sirkuler dengan pengganggu silinder teriris tipe-D di depan silinder utama. Penelitian ini dititikberatkan pada pengukuran bilangan Strouhal yang belum pernah dilakukan sebelumnya. Penambahan pengetahuan bilangan Strouhal dapat mempermudah dalam memahami kondisi fisik antara data dan medan aliran.

4Tugas AkhirKonversi Energi

1.2 Perumusan MasalahPada setiap aliran yang melintasi silinder tunggal

memiliki karakteristik aliran yang berbeda-beda sesuai bilangan Reynolds. Ketika momentum aliran yang digunakan untuk mengalirkan fluida ini sudah tidak mampu lagi mengatasi gaya gesek dan adverse pressure gradient yang terjadi pada konturmaka akan mengakibatkan terjadinya fenomena separasi. Separasi ini akan diikuti oleh terbentuknya daerah wake di belakang silinder utama. Untuk memprediksi adanya vortex di daerah wakediperlukan analisa mendalam mengenai frekuensi vortexshedding. Analisa ini dilakukan agar geometri benda tidak mengalami getaran berlebihan saat aliran fluida melintas. Hal ini dikarenakan resonansi antara frekuensi vortex shedding dan frekuensi natural dari geometri benda dapat merusak struktur seperti yang terjadi pada Jembatan Tacoma Narrows di Amerika. Salah satu metode yang digunakan untuk mengetahui pola aliran yang terjadi saat fluida melintas suatu benda dengan mengetahui bilangan Strouhal. Pengetahuan bilangan Strouhal juga dilakukan untuk mengetahui pola aliran yang terjadi saat fluida melintas. Hal ini diformulasikan dengan bilangan Strouhal yaitu perbandingan gaya inersia benda dengan kecepatan fluida, St = fsD/U dimana fs adalah frekuensi vortex shedding, D sebagai panjang karakteristik, dan U sebagai kecepatan fluida.

Penggunaan alat ukur berupa pitot static tube tidak dapat mendeteksi adanya fluktuasi aliran sehingga diperlukan alat ukur yang mempunyai karakteristik waktu dimana pengukuran berbasis data dan waktu pengambilan. Hot wire anemometer (HWA) dapat memprediksi terjadinya fluktuasi akibat dari ketidakstabilan aliran. Respon yang cepat dan data berbasis waktu menjadi keuntungan utama alat ini dalam pengukuran frekuensi vortex shedding dan bilangan Strouhal. Perancangan HWA difokuskan pada segi performa HWA terhadap respon dalam melakukan pengukuran sehingga didapatkan kehandalan alat ukur.

Untuk mengurangi getaran yang berlebihan yang terjadi pada silinder utama tersebut langkah yang dapat dilakukan adalah menunda letak titik separasi sehingga daerah wake yang terbentuk

5Tugas AkhirKonversi Energi

di belakang silinder utama semakin menyempit dan vortex yang terjadi juga semakin kecil. Bila silinder berpengganggu ditempatkan di depan silinder utama, dapat menunda titik separasi silinder utama mundur ke belakang sehingga daerah wake yang terjadi menyempit dan gaya drag mengecil bersamaan dengan itu frekuensi vortex shedding dan bilangan Strouhal menurun. Penelitian Triyogi et al (2009) yang menempatkan sebuah silinder teriris dengan sudut iris 65 sebagai pengganggu silinder utama dihasilkan kesimpulan daerah wake yang terjadi semakin membesar. Daerah wake di belakang silinder teriris yang membesar diharapkan lebih efektif mengganggu silinder utama sehingga menunda titik separasi mundur ke belakang dan menurunkan gaya drag dan akan dihasilkan frekuensi vortexshedding dan bilangan Strouhal yang besar dibandingkan dengan silinder tunggal tanpa pengganggu.

Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan silinder sirkular dengan diameter (D) = 60 mm serta silinder pengganggu dengan sudut irisan 0o dan 65o serta jarak antara kedua silinder divariasikan 0,55 S/D 3,0 dengan bilangan Reynolds = 5,3 x 104. Pengukuran frekuensi vortex shedding menggunakan hot wire anemometer single normal probe dengan constant temperature mode (CT mode). Hal ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh jarak silinder pengganggu dengan silinder utama terhadap frekuensi vortex shedding dan bilangan Strouhalyang ditimbulkan oleh silinder utama sehingga diharapkan dapat diketahui karakteristik aliran.

1.3 Tujuan PenelitianPenelitian ini bertujuan merancang sistem hot wire

anemometer dan melakukan pengukuran guna mengetahui karakteristik serta fenomena aliran melintasi silinder sirkular. Performa HWA diketahui dengan melakukan kalibrasi dengan pembanding dari hasil pitot static tube. Pengukuran intensitas turbulensi pada wind tunnel dilakukan guna mengetahui besarnya fluktuasi. Pengujian HWA dilakukan untuk mendapatkan bilangan Strouhal pada silinder sirkular dengan variasi bilangan Reynolds

6Tugas AkhirKonversi Energi

dari 3x104 6,4x104. Setelah itu, karakteristik aliran pada silinder utama yang diganggu silinder teriris akan didapatkan dengan mengetahui bilangan Strouhal. Kedua benda tersebut ditempatkan pada posisi tandem dengan menempatkan silinder teriris tipe-I 65dengan jarak 0,55 S/D 3,0 pada bilangan Reynolds 5,3x104serta pengukuran profil kecepatan di belakang silinder utama.

1.4 Manfaat PenelitianPenelitian tentang perancangan HWA dan bilangan

Strouhal pada silinder utama dengan pengganggu di depan berupa silinder teriris tipe-I bermanfaat sebagai berikut:1 Mampu merancang sistem hot wire anemometer serta

menguji performa alat.2 Mampu menerangkan pengaruh adanya silinder teriris tipe-I

terhadap bilangan Strouhal yang terjadi pada silinder utama.3 Mampu menjelaskan pengaruh jarak pengganggu silinder

teriris tipe-I terhadap bilangan Strouhal pada silinder utama.4 Mampu mengetahui karakteristik aliran yang melintasi

silinder dilihat dari bilangan Strouhal.

1.5 Batasan MasalahBatasan masalah yang digunakan dalam penelitian ini

adalah sebagai berikut:1 Perancangan HWA dititikberatkan pada performa alat ukur

dan mengabaikan sisi elektronika dan perpindahan panas yang terjadi.

2 Fluida yang mengalir adalah udara dalam kondisi steady, incompressible, dan uniform pada sisi upstream.

3 Analisa aliran dua dimensi.4 Kecepatan aliran udara yang digunakan untuk penelitian

silinder yang diganggu pengganggu di dalam open circuit subsonic wind tunnel dianggap konstan dengan bilangan Reynolds sebesar 5,3 x 104.