Karakteristik Pembentukan Cincin Vorteks pada Jet Sintetik akibat ...

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-23

Karakteristik Pembentukan Cincin Vorteks pada Jet Sintetik akibatPerubahan Frekwensi Eksitasi pada Aktuator Ber-cavity Kerucut

Engkos A. Kosasih1,a, Harinaldi2,b, , Ramon Trisno3,c*

1,2,3Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia, Depok, Jawa Barat, Indonesia 16424

[email protected], [email protected], [email protected]

ABSTRAK

Untuk mengurangi hambatan (drag) aerodinamik pada bluff body perlu adanya pengaturanaliran separasi, sebagai salah satu penyebab adanya hambatan pada kendaraan. Penelitian inimerupakan kajian dasar pengembangan dari pengontrolan separasi aliran turbulen yang merupakansuatu fenomena aerodinamik khususnya dalam desain bodi kendaraan. Tujuan utama penelitian iniadalah untuk menganalisa performa jet sintetik (SJA) sebagai salah satu alat pengontrol alirandalam mengurangi area separasi.

Untuk mendapatkan hasil maksimal terhadap kinerja aktuator jet sintetik, maka penelitiandimulai dengan mengkarakterisasi dari aktuator tersebut. Karakteristik meliputi perubahanfrekwensi eksitasi dengan mengkombinasikan diameter orifis 3 mm(K3), 5 mm (K5) dan 8 mm(K8). Penelitian dilakukan dengan menggunakan metode komputasional dan eksperimental. Metodekomputasional menggunakan software CFD (Fluent 6.3) dengan model turbulensi aliran ReynoldStress Model. Sedangkan eksperimen dengan menempatkan hotwire probe pada ujung orifis dandisambungkan ke alat CTA (Constant Temperature Anemometry) untuk mendapatkan kecepatan jetkeluar. Masing-masing perhitungan atau pengukuran dilakukan dalam kondisi yang sama.

Hasil yang didapat ditampilkan dalam bentuk grafik pengujian frekwensi untukmendapatkan kecepatan aliran jet maksimum dan pengujian meshing untuk mendapatkan hasilkomputasi yang mendekati hasil eksperimen. Dari kedua hasil ini menjadi patokan untukmelanjutkan penelitian selanjutnya. Hasil eksperimen berupa kecepatan aliran dapat menentukanterbentuknya cincin vorteks, sedangkan pada simulasi CFD, pembentukan cincin vorteks dapatdilihat dari visualisasi kontur aliran. Cincin vorteks yang terbentuk pada cavity kerucut ini padaorifis berdiameter 3 mm dan 5 mm, sedangkan pada orifis berdiameter 8 mm, cavity ini tidak dapatmembentuk cincin vorteks. Kedua metoda pendekatan mendapatkan hasil yang sama

Keyword : SNTTM 14, BKSTM, DTM FTUNLAM, aktuator jet sintetik, reverse Ahmed body,vortex ring, bluff body

1. Pendahuluan

Pemanasan global merupakan salah satupermasalahan utama dalam beberapa tahunbelakangan ini. International Energy Agencyin World Energy Outlook 2007,

menyimpulkan bahwa emisi gas dengan efekrumah kaca akan meningkat sebesar 57%pada tahun 2030 (IEA, 2007). Hal tersebuttelah disampaikan oleh IntergovernmentGroup of Expert on the Evolution of Climate


KE-23

(GIEC) 2001, yang menyatakan bahwaaktivitas manusia berada di urutan pertamapenyebab efek rumah kaca dan peningkatantemperatur pada abad ke-20 (GIEC, 2001).Salah satu aktivitas manusia yangmenyebabkan permasalahan tersebut adalahdalam bidang transportasi, sepertipeningkatan jumlah kendaraan secarasignifikan.

Berkaitan dengan hal tersebut, riset-risetterkini di bidang aerodinamika kendaraan,dilakukan dengan sudut pandang desain yangefisien dan mampu memberi dampakpenghematan bahan bakar. Karena alasan ini,aerodinamika kendaraan darat telah dipelajarisecara eksperimental dan numerik olehbanyak peneliti. Kebanyakan penelitiansebelumnya telah menggunakan modelkendaraan sederhana yang dapatmenghasilkan fitur yang relevan dari aliransekitar kendaraan nyata (Ahmed et al, 1984;Hinterberger et al, 2004; Fares, 2006;Minguez M. et al, 2008; Uruba V. & HladikO., 2009; Conan B. et al, 2011) Medan alirandisekitar olakan ditandai dengan sepasangvortisitas tapal kuda (a pair of horseshoevortices) dan trailing vortices yang berasaldari tepi miring bagian samping body

Metode-metode tersebut dapat dilakukanterutama dengan mengontrol aliran di dekatdinding dengan atau tanpa pemberian energitambahan dengan menggunakan sistemkontrol aktif atau pasif (Friedler & Fernolz,1990)

Eksperimen-eksperimen kontrol pasifaliran di terowongan angin pada modelataupun prototipe kendaraan telah banyakdilakukan pada berbagai penelitian (Gak-El-Hak, 1996; Hucho, 1998). Namun demikian,kontrol aliran secara pasif ternyatamemberikan efek yang lemah dalamaerodinamik kendaraan karena sifat aliran

yang terlibat adalah turbulen dan kontribusidari gesekan pada hambatan aerodinamikmasih kecil, hanya sekitar 10% (Kourta &Gillieron, 2009).

Kontrol aliran pada bluff body dengantujuan untuk mengurangi drag dan kebisinganmerupakan salah satu isu utama dalamaerodinamis. Perbedaan tekanan antara bagiandepan dan belakang bluff body merupakankontributor utama untuk keseluruhan drag,perbedaan ini terutama disebabkan olehseparasi aliran pada bagian belakang body(Hucho, 2002)

Gambar 1 Sketsa jet sintetik yang dibentukoleh aktuator dalam cavity dengan saluran

keluar orifice

Kebutuhan akan pengurangan gaya dragyang lebih efektif mendorong padaperancangan otomotif lebih kreatif dalammengembangkan model kontrol aktif yanginovatif. Metode kontrol aktif memungkinkanuntuk memodifikasi topologi aliran tanpamerubah bentuk dari kendaraan. Dalamlingkup akademik dan laboratorium industri,metode kontrol aktif telah dan masihdikembangkan dengan metode komputasimaupun eksperimen, dan hasil yang signifikantelah diperoleh pada kerangka akademik(Gad-El-Hak, 1996). Kontrol aktif hisapan(suction) yang diletakkan pada bagian atasdari jendela belakang (rear window) mampumenghilang-kan separasi pada geometri mobil


KE-23

fastback yang disederhanakan dimanapengurangan drag aerodinamis diperoleh 17%(Roumeas et al, 2009). Kontrol aktif aliranberupa continous blowing yang ditempatkanpada bagian belakang dari generic squarebackbluff body memberikan pengurangan dragsebesar 20% (Roumeas et al, 2009). Halserupa juga dilakukan Bruneau C.H. et al(2009), dimana kontrol aktif aliran yangdigunakan adalah tiga kombinasi penempatansuction dan blowing pada bagian belakangdari Ahmed model, dimana menghasilkanpengurangan drag terbaik sebesar 13%.Penelitian secara numerik dilakukan olehKuorta and Gillieron (2009) denganmenggunakan kontrol aktif synthetic jet yangditempatkan pada bagian atas jendelabelakang Ahmed model dimana pengurangandrag diperoleh sebesar 13%.

Perkembangan yang terjadi pada kontrolaktif jet sintetik (SJA) akhir-akhir ini,kebanyakan dihasilkan dari penelitian yangdilakukan pada penggunaan kontrol aktif jetsintetik di bidang pendingin dan karakterisasikontrol aktif tersebut. Jet fluida berupa udaraatau zat cair lainnya dimanfaatkan untukpendinginan alat-alat elektronik dalam skalakecil. Sedangkan aplikasi jet sintetik padaAhmed body juga sudah dilakukan penelitianperforma jet sintetik terhadap pengurangandrag, tetapi penelitian ini belum tuntasdilakukan secara mendalam, hanya barusebatas mengetahui bahwa dengan pemasa-ngan jet sintetik ini dapat mengurangi dragaerodinamik pada kendaraan. Sedangkanpene-litian terhadap aplikasi jet sintetik yangdipasang pada kondisi reverse Ahmed bodybelum pernah dilakukan penelitian sebelum-nya. Bentuk dari reverse Ahmed body iniadalah mengubah orientasi arah aliransebelumnya sebagaimana yang terpasang padaAhmed body. Model ini lebih menggambarkanbentuk kendaraan yang sering dipakai diIndonesia. Jet sintetik ini akan dipasang pada

bagian atas yang melengkung pada Ahmedbody. Sebelum jet sintetik ini dipasang padakendaraan perlu adanya dilakukan penelitianterhadap karakteristik dari jet sintetikterutama dalam hal pengaruh frekwensiterhadap performa diameter orifis pada bentukcavity tertentu. Dalam penelitian ini penulismengambil bentak cavity-nya adalah kerucut(cone)

Tujuan penelitian ini adalah untukmendapatkan karakteristik dari SJA ber-cavitykerucut dengan memberikan frekwensi osilasikepada membrannya sehingga diperolehperforma terbaik dari perubahan diameterorifis pada cavity tersebut.

2. Pengaturan Eksperimen

Sebelum memulai penelitian performa jetsintetik terhadap pengurangan drag padakendaraan, perlu diketahui tentang performaSJA itu sendiri, agar didapatkan hasil yangmaksimal terhadap pengurangan drag. Tujuandilakukan penelitian terhadap performa SJAini adalah untuk memilih jenis aktuator yangbaik dalam membentuk vortex ring pada saatpengoperasian SJA. Pemilihan SJA inididasarkan pada bentuk cavity aktuator,diameter orifisnya dan perbandinganperformanya melalui eksperimen dan simulasiCFD. Dalam penelitian ini bentuk yangditeliti adalah jenis kerucut dengan diametermasing-masing 3 mm (K3), 5 mm (K5) dan 8mm (K8) (Gambar 2).

Gambar 3 adalah diagram skematikpengujian performa jet sintetik melaluieksperimen. Komponen jet sintetik terdiri daricavity dan komponen membran piezo electrik,terpasang secara utuh digerakkan oleh alatfunction generator. Alat ini mengeluarkangelombang sinyal yang dikehendaki. Padaeksperimen ini sinyal yang digunakan adalahgelombang sinusoidal. Gerakan membraninilah yang menyebabkan udara terdorong


KE-23

dari cavity dan terhisap ke dalam cavitykembali. Alat ini memiliki sistem mekanikdengan sebuah massa yang sangat kecildengan batang dan pegas yang bergerak.Massa ini digantung hanya berjarak duamikron (dua per sejuta meter) dari rangkaianelektroniknya.

Gambar 2. Cavity SJA berbentuk kerucut

Gambar 3 Skematik pengujian performa jetsintetik

Gambar 4 Membran piezo elektrik

Selanjutnya kecepatan udara yang keluardari cavity ini melalui orifis, diukur denganmenggunakan hot wire probe tipe 55P14 GoldPlate. Probe ini berjenis kawat tunggal inidengan diameter kawat dw = 5m dan jarakcabangnya 1.2 mm, diletakkan diatas SJAdengan jarak sedekat mungkin, dalam hal inijarak yang dimungkinkan adalah sebesar ±0.5mm diatas orifis aktuator jet sintetis, agarperpindahan probe sepanjang sumbu x tidakmengalami benturan atau gesekan dengancavity. Probe ini dihubungkan dengan DataLogger merk Dantex Stream Pro tipe CTAModul 91C10 yang berfungsi merekam datayang masuk dari hotwire berupa teganganrendah. Kemudian data ini masuk ke dalamalat Data Acquisition Board dari NationalInstrument BNC-2110. Alat ini berfungsimerubah data analog menjadi data digital.Selanjutnya alat ini terhubung komputermelalui kabel data. Komputer ini jugaterhubung ke data logger yang berfungsimengendalikan kecepatan rekaman data yangdiinginkan pada saat rekam data. Sebelumdilakukan rekam data, probe terlebih dahuludikalibrasi dengan menggunakan unitkalibrasi Dantec Streamline Pro AutomaticCalibrator System S/N 9091H0013445 danKing's Law cocok untuk data pekerjaan untukmenafsirkan kecepatan di bawah kisarankalibrasi. Kisaran kalibrasi dilakukan pada0.02 ÷ 30 m/s sebelum setiap percobaandilakukan. Hasil perhitungan ketidakpastiankarena kalibrasi untuk semua pengambilandata kecepatan adalah sekitar 2.5 %. Profilradial kecepatan diukur dengan melintasiprobe hot wire di lubang menggunakan alatpemindah (ragum) dengan jarakperpindahannya diukur menggunakan dialindikator dengan ketelitian 0.01 mm.

Prosedur pengambilan data kecepatandilakukan dengan dua kondisi. Pertama, yaitu


KE-23

pengukuran kecepatan untuk menentukanfrekwensi yang menghasilkan kecepatanmaksimum. Pada proses pengambilan data inidimaksudkan untuk mendapatkan kecepatanmaksimun yang dapat dihasilkan SJA danjumlah data yang diizinkan (uncertainty)dengan memvariasikan frekwensi sinusoidalyang dikeluarkan oleh function generator.Frekwensi yang diberikan adalah 20 Hz ÷ 200Hz. Data yang diambil sebayak 60.000 datadengan kecepatan data 30.000 data/s.Prosedur kedua adalah pengukuran kecepatanjet pada titik-titik tangkap yang ditentukanberdasarkan koordinat (X/D,Y/D). Kecepatanjet ini diukur hanya pada ½ daerah bagiansaja, karena jet yang terjadi dianggap simetris.Nilai X/D adalah 0, 0,25, 0,5, 0,75, ....... , 4,sedangkan nilai Y/D adalah 0, 1, 2, 3, ...... ,10. Kecepatan rekam data adalah 10.000data/s selama 6 detik.

Pada tahap komputasi ini menggunakansimulasi CFD dari software ANSYS. Tujuandari simulasi ini adalah untuk mendapatkangambaran awal tentang performa aktuator jetsintetik yang akan diteliti danmembandingkan hasil simulasi CFD yangdidapat dengan hasil eksperimen yangdilakukan serta memvisuali-sasikan vortexring yang terjadi pada SJA

Kriteria-kriteria yang digunakan padaeksperimen disamakan dengan kriteria yangdipergunakan pada simulasi CFD ini. Hanyasaja, penentuan frekwensi yang dipakai padasimulasi CFD didasarkan pada hasileksperimen yang dicapai, seperti padapenggunaan User Defined Function (UDF)pada simulasi dicocokkan dengan hasileksperimen.

3. Hasil dan Diskusi3.1 Pengujian Frekwensi dan Mesh

IndependenciesTahap awal percobaan adalah menentukan

frekwensi yang dapat menghasilkan kecepatanaliran maksimum agar performa SJA inisebagai acuan pada percobaan selanjutnya.Pengujian ini dilakukan dengan memvariasi-kan frekwensi pada alat function generatordengan gelombang yang dipakai adalahgelombang sinusoidal.

Gambar 5. Grafik hasil pengujian aktuator jetsintetik pada cavity kerucut dengan amplitudo

jenis sinusoidal.

Dari hasil uji frekwensi masing-masingpada cavity K3, K5 dan K8 ini akan dipakaisebagai frekwensi acuan untuk mengujiperforma masing-masing SJA. Hasil ujifrekwensi pada SJA ber-cavity kerucut inidapat dilihat pada Gambar 5 berikut ini.

Hasil pengujian frekwensi pada SJA iniadalah SJA jenis K3 mengalami kecepatanmaksimum pada frekwensi 120 Hz, untukjenis K5 dan K8 terjadi pada frekwensi 110Hz. Kecepatan aliran yang dihasilkan olehSJA jenis K3 lebih tinggi dibandingkandengan jenis SJA lainnya, dimana kecepatanjet rata-ratanya adalah sebesar 9,92 m/s.


KE-23

Gambar 6 Bentuk meshing pada K3. a) coarse, b) intermediate dan c) fine.

Gambar 7. Grafik hasil simulasi CFD dan kesesuaiannya dengan hasil eksperimen pada K3

Pada penelitian metoda komputasidengan cara simulasi CFD, perlu dilakukanpengujian meshing terlebih dahulu, yaitumenggunakan software Gambit 2.4.6.Pengujian meshing ini bertujuan agarmendapatkan hasil perhitungan simulasiCFD ini lebih mendekati hasil eksperimenyang telah dilakukan. Bentuk meshing yangdiuji terdiri dari 3 jenis, yaitu coarse(kasar), intermediate normal) dan fine(halus), seperti yang terlihat pada Gambar6. Untuk jenis cavity dengan diameter orifislainnya yaitu berdiameter 5 mm dan 8 mm,tidak ditampilkan.

Masing-masing meshing ini kemudiandiolah menggunakan software Fluent

6.3.26. Hasil iterasi dari software ini dapatdilihat pada Gambar 7. Ketiga jenis hasiliterasi ini diambil pada posisi X/D = 0 danY/D = 0 dengan jumlah 200 data dengankecepatan rekam data 0,0001 data/s.

Tabel 1 Hasil simulasi CFD kondisimeshing yang mendekati hasil eksperimen.

No.Jenis SJA Kerucut

Frekwensi Meshing

1 K3 120 Hz Fine

2 K5 110 Hz Coarse

3 K8 110 Hz Fine

a


KE-23

3.2 Uncertainty (Ketidakpastian ) padaMetoda Eksperimen dan Simulasi CFD

Hasil pengukuran adalah nilai perkiraanatau estimasi dari kuantitas yang diukur.Uncertainty (ketidakpastian dari penguku-ran kuantitatif) tidak dilaporkan sebagainilai tunggal tetapi dilaporkan dengan suaturentang nilai yang diperkirakan nilai benarberada didalam nilai tersebut. Hasilpengukuran yang bervariasi mencerminkanpenyimpangan yang disebabkan oleh faktorkinerja alat, metode pengukuran, kondisilingkungan, dan sebagainya.

Uncertainty bertujuan untuk mengetahuisejauh mana kebenaran dalam mengambilbanyaknya data. Pengambilan data padaeksperimen dilakukan sebanyak 60.000 dataselama 6 detik (10.000 data/s). Sedangkanuntuk data simulasi juga diambil sebanyak10.000 data juga selama 1 detik. Untukmenghitung nilai uncertainty, maka dipakaipersamaan dibawah ini, berlaku untuktingkat kepercayaan 95%, yaitu :

xxxx σlimit)convidencekUU (

N

Sxx

2 [1]

Dimana :

x = Standar deviasi populasi

Sx = Standar deviasi sampel

N = banyaknya data

Sedangkan untuk menentukan persentasetingkat ketidakpastian pengukuran (Ux),dapat dilakukan dengan persamaan dibawahini :

%100x

U xx

[2]

Dimana : x = Data rata-rata

Berikut ini adalah grafik hasil perhi-tungan uncertainty pada tiap-tiap cavityyang diambil berdasarkan jumlahpengambi-lan sampel data. Data yangdiolah adalah data yang terjadi pada kondisiY/D = 0 dan X/D = 0, yaitu titik (0,0)dimana awal terjadinya jet sintetik. Titik(0,0) ini berada 0.5 mm diatas lubang orifis,hal ini dikarenakan agar pergerakan probetidak bersentuhan dengan permukaan SJA.Titik ini adalah titik yang mempunyai nilaiuncertainty lebih besar dibandingkandengan titik-titik lainnya.

Gambar 8, menampilkan grafik hasilperhitungan uncertainty (ketidakpastian)data yang dihitung berdasarkan persamaan[1] dan [2] pada tiap-tiap jenis cavity.Berdasarkan banyaknya data yang diperolehdari eksperimen dan simulasi, maka K3memberikan nilai uncertainty lebih besardibandingkan dengan cavity dengan ukuranorifis lainnya. Dengan ini, nilai uncertaintypada K3 perlu diwaspadai besarnya, agarjumlah data yang diambil pada kondisieksperimen dan simulasi CFD dapatmemenuhi syarat tingkat kepercayaan datasebesar 95%, maka nilai uncertainty-nyaharus berada dibawah 5%.

Tabel 2 Uncertainty maksimum padakondisi Y/D = 0 dan X/D = 0

No.Diameter

orifisKerucut

Eksperimen Simulasi

1. 3 mm 1.4062% 1.1902%

2. 5 mm 1.1655% 1.0712%

3. 8 mm 1.1052% 1.1091%


KE-23

Tabel 2 memperlihatkan bahwa uncer-tainty pada metoda eksperimen dan metodasimulasi memberikan hasil dibawah 2%.

Hal ini berarti bahwa pengambilan datasebanyak 10.000 telah memberikan nilaiuncertainty dibawah nilai yang disyaratkan.

Gambar 8 Gafik uncertainty kecepatan aliran pada cavity kerucuta) Hasil eksperimen, b) Hasil simulasi CFD

3.3 Kecepatan Rata-Rata JetAkibat adanya gerakan membran pada

aktuator jet sintetis (SJA) yang diberi aliranlistrik DC, dapat menghasilkan gerakanudara yang keluar melalui orifis. Ujungorifis, yaitu titik (0,0) mengalami kecepatanaliran udara lebih tinggi dibandingkandengan titik lainnya. UCL adalah kecepatanaliran udara pada titik (0,0) yang keluar dariujung orifis, sedangkan Ux adalahkecepatan aliran udara lokal pada titiktertentu. Hasil-hasil perbandingankecepatan ini dapat dilihat pada grafikdibawah ini.

Gambar 9 adalah grafik hasil perbandi-ngan Ux/UCL pada K3. Pada grafik hasileksperimen menunjukkan bahwa padadaerah 0 < X/D < 1, nilai Ux/UCL lebih besardibandingkan dengan daerah lainnya.Artinya pada posisi 0 < X/D < 1 inimerupakan daerah jet aktuator jet sintetik.Sedangkan untuk daerah 1 < X/D < 2, nilaiUx/UCL mulai mengalami penurunan danfluktuasinya cukup besar. Ini ditandaidengan adanya penurunan nilai Ux/UCL

yang cukup signifikan pada daerah ini.Sedangkan pada daerah 2 < X/D < 4, nilaiUx/UCL semakin menuruh ke arah kanan.

Gambar 10 adalah grafik yangmenunjukkan nilai perbandingan Ux/UCL

pada K5 dari hasil eksperimen dan hasilsimulasi CFD. Kedua grafik inimenunjukkan hasil yang cenderungmengalami kemiripan. Pada daerah 0 < X/D< 1 memperlihatkan nilai Ux/UCL nya yangcukup tinggi dibandingkan dengan daerahyang lain, karena posisi ini berada padadaerah jet. Pada daerah 1 < X/D < 2, nilaiUx/UCL cenderung menurun dan kemudiantidak nilainya tidak mengalami perubahanyang cukup signifikan. Daerah 1 < X/D < 2ini dimungkinkan adanya daerah yangmembatasi antara daerah jet dengan daerahyang tidak terkena jet. Ini terlihat daribesarnya perubahan nilai Ux/UCL padadaerah tersebut, terutama pada Y/D = 0.Grafik Y/D = 0 ini, mengalami penurunannilai Ux/UCL cukup tajam dibandingkandengan grafik Y/D lainnya.

Gambar 11 memperlihatkan grafikperbandingan Ux/UCL pada K8 yang berasaldari hasil eksperimen dan hasil simulasiCFD. Kedua grafik memperlihatkan hasilyang mirip antara hasil eksperimen denganhasil simulasi. Tetapi pada grafik hasilsimulasi memperlihatkan hasil yang cukupmerata, terutama pada X/D = 0. Nilai

a) b)


KE-23

Ux/UCL hasil eksperimen pada X/D = 0 lebihterlihat perbedaannya dibandingkan denganhasil simulasi CFD. Perbedaan nilai Ux/UCL

pada X/D = 0 terlihat lebih jelas danpenurunan nilai ini cukup tajam padadaerah tersebut. Ini terjadi pada daerah 0 <X/D < 1, sedang-kan pada 1 < X/D < 4penurunan nilai Ux/UCL terlihat tidak terlalubesar dan cenderung mendatar. Sedangkanpada grafik hasil simulasi CFD terlihatbahwa hanya pada Y/D = 0 dan Y/D = 1 sajayang memperlihatkan perbedaaan nilaiUx/UCL lebih dominan dibadingkan padagrafik Y/D lainnya. Hal ini berarti bahwa jetyang dihasilkan oleh aktuator jet sintetikpada cavity tidak menghasilkan jet yangbesar. Hal ini terlihat bahwa, nilai Ux/UCL

pada Y/D = 0 dan Y/D = 1 saja yang lebihdominan besarannya. Sedangkan untuk Y/Dlainnya cenderung membentuk garis lurusdan sejajar dengan sumbu X/D.

3.4 Menentukan Terjadinya Cincin Vorteks

Karakateristik dari kecepatan aliranpada jet sintetik diambil dari kecepatanpada garis tengah, UCL, sebagai asumsi dariprofil kecepatan yang paling tinggi pada sisikeluar orifis. Jika profil kecepatan spasialdapat menunjukkan simpangan deviasi daribentuk yang paling tinggi, beberapa skalakecepatan merupakan waktu terhadapkecepatan aliran rata-rata melalui langkahdorong (expulsion stroke), yaitu :

nA

nn

T

n

dtdAAtUAT

U ),(1

2/

1 2/

0[3]

Dimana U adalah kecepatan aksial fasarata-rata, T adalah perioda eksitasi dan An

adalah luas penampang dari sisi keluarnosel.

Kecepatan rata-rata ini dapat digunakanuntuk menentukan bilangan Reynold jet.Hal yang penting skala panjang pada aliranjet sintetik adalah panjang langkah (strokelength) Lo/D, yaitu :

X/D0 1 2 3 4 5

Ux /

UC

L

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2Y/D = 0Y/D = 1Y/D = 2Y/D = 3Y/D = 4Y/D = 5Y/D = 6Y/D = 7Y/D = 8Y/D = 9Y/D = 10

X/D0 1 2 3 4 5

Ux /

UC

L

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0


Gambar 9 Gafik perbandingan Ux/UCL pada K3, a) eksperimen, b) simulasi CFD

a) b)


KE-23

X/D0 1 2 3 4 5

Ux

/ UC

L

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0


X/D0 1 2 3 4 5

Ux /

UC

L

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0



X/D0 1 2 3 4 5

Ux /

UC

L

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0


X/D0 1 2 3 4 5

Ux /

UC

L

0.0

0.5

1.0

1.5



dttUL ave

T

o )(2/

0 [4]

Uave adalah kecepatan aliran rata-rataspasial. Panjang langkah merupakan jarak yangfluida yang ditempuh selama prosespendorongan dari bagian siklus. Frekwensieksitasi dapat dinon-dimensionalkan sebagaibilangan Stokes, S, yaitu :

22 fD

S [5]

Parameter ini non-dimensional secara unikmenentukan kondisi operasi dari jet sintetis dansangat mempengaruhi kemampuannya untukmentransfer momen-tum linear. Secara khusus,Holman et al. [19] menunjukkan bahwa untukmencapai pusaran keluar setelah langkahdorongan keluar (expulsion stroke) didefini-

sikan sebagai pembentukan jet sintetik, dimana:

CS

U 2

Re[6]

dimana C adalah konstanta yang sama dengan0,16 untuk aksis simetris dan 1 untuk nozelpersegi panjang. Menurut Utturkar et al [19],syarat terjadinya cincin vorteks adalah ReU/S2 >1. Sedangkan menurut Smith dan Swiftberpendapat bahwa vortex ring dapat terjadijika :

60 StD

L[7]

a) b)

a) b)


KE-23

Tabel 3 Hasil perhitungan terjadinya cincin vorteks pada cavity kerucut

Cavityf Lo Uo

ReUStrokeratio

Stokesratio

ReU/S2 Ket.[Hz] [mm] [m/s]

K3 120 57.57 69.08 1418.34 19.20 21.54 3.05 Ada

K5 110 45.44 49.98 1711.13 9.09 34.38 1.44 Ada

K8 110 18.13 19.94 1091.83 2.26 55.01 0.36 Tidak

Gambar 12. Gambar visualisasi pembentukan cincin vorteks pada K3 dan K5

Gambar 12 memperlihatkan visualisasikontur kecepatan aliran dari simulasi CFDterhadap SJA pada K3 dan K5. Pada saatterjadinya tiupan (blowing), hasil simulasiCFD telah terlihat adanya pembentukan cincinvorteks. Hal ini lebih jelas pada saat tiupanmengalami puncak, yaitu pada posisi t/T = 1/4.Kemudian membran mulai melakukan isapan(suction). Sebagian udara yang berada disekitarujung orifis tertarik kembali ke dalam cavity,sehingga menyebabkan cincin vorteks yangsudah terbentuk ini seakan-akan terlepas dariujung orifis, seperti yang terlihat pada posisit/T = 3/8. Padahal laju cincin vorteks initertahan oleh dimulainya isapan dari gerakanmembran. Cincin vorteks terlihat sedikittertarik oleh isapan ini tapi tidak membuatcincin vorteksnya jadi pecah atau bubar. Inijelas terlihat pada posisi t/T = 5/8 dan t/T = 3/4.Tetapi setelah dimulainya gerakan tiup padaposisi t/T = 7/8, maka cincin vorteks ini mulai

terbentuk lagi dan kemudian melepaskanikatannya pada posisi t/T = 1.

Tabel 4 TerjadinyaVorteks oleh SJA

Ukuran Orifis Eksperimen Simulasi CFD

dia. 3 mm Ada Ada

dia. 5 mm Ada Ada

dia. 8 mm Tidak Tidak

Jadi, dapat dikatakan bahwa pada metodaeksperimen dan metoda simulasi CFDmemberikan hasil yang sama.

4. KesimpulanDari hasil penelitian tentang karakteristik

aktuator jet sintetik ini, maka dapat diambilbeberapa kesimpulan. Frekwensi yang


KE-23

diperoleh untuk mendapatkan kecepatan aliranmaksimum jet dari SJA K3 adalah padafrekwensi 120 Hz, untuk K5 dan K8 adalahpada frekwensi 110 Hz. Dari banyaknya datayang diambil, maka nilai uncertainty sudahtercapai dibawah 2%. Hasil pengukurankecepatan aliran secara absolut melaluieksperimen dan simulasi CFD memberikanhasil yang mendekati. Distribusi kecepatanrata-rata aliran jet lebih tinggi terjadi pad X/D< 1, kemudian mengalami penurunan setelahX/D > 1. Kecepatan aliran secara absolut aliranjet maksimum terjadi pada K3. Dalammenentukan apakah terjadinya vortex ringakibat gerakan SJA, maka hasil eksperimenyang diolah dalam persamaan yang ada danhasil yang didapat dari simulasi CFD,memberikan hasil yang sama. Vortex ringdapat terjadi pada K3 dan K5, sedangkan padaK8, SJA ini tidak dapat membentuk vortexring.

5. Daftar Pustaka

[1] Ahmed S.R., G. Ramm and G. Faltin.,1984, SAE paper, Detroit, Michigan, USA,8400300-01[2] IEA, 2007, World Energy Outlook2007, Executive Summary, China andIndia insights, International EnergyAgency IEA, ISBN : 978-92-64-02730-5[3] Hintenberger C., Villalba M. G. &Rodi W., 2004, Large eddy simulation offlow around the Ahmed body, Institute forHydromechanics, University of Karlsruhe,Germany[4] Fares E., 2006, Unsteady flowsimulation of the Ahmed reference bodyusing a lattice Boltzmann approach,Computers and Fluids, 35, pp. 940-950[5] Minguez M., Pasquetti R. & Serre E.,2008, High-order Large Eddy Simulationof Flow over the Ahmed Body’ CarModel’, Physics of Fluids, 20[6] Uruba V., and Hladik O., 2009, On theAhmed Body Wake, Colloquium Fluid

Dynamics, Institute of ThermomechanicsAS CR, v.v.i., Prague[7] Conan B., Anthoine J., and PlanquartP., 2011, Experimental Aerodynamic studyof a car-type bluff body, Experimental ofFluids, 50, pp. 247 – 259[8] Cooper, K. P., 1985, SAE Paper No.850288[9] Friedler H. E., and Frernholz, H. H.,1990, On Management and Control ofTurbulent Shear Flows, Prog. AerospaceSci. 27, pp. 305 – 395[10] Gak-El-Hak, M., 1996, ModernDevelopment in Flow Control, Appl.Mech. Rev., 9, pp. 365-379[11] Hucho W.H., 1998, Aerodynamics ofRoad Vehicle, Annu. Rev. Fluid Mech.,25, pp 285-537[12] Kourta A. & Gillieron P., 2009,Impact of automotive Control on theEconomic Issues, Journal of Applied FluidMechanics, vol. 2, no. 2, pp. 69 – 75[13] Hucho W. H., 2002, Aerodynamikder stumpfer K’’orper – PhysikalischeGrundlagen und Anwendung in der Praxis,Vieweg-Verlag[14] Brunn A. & Nitschew, 2005, ActiveControl of Turbulent Separated Flow byMeans of Large Scale Vortex Excitation.In : RODI W. and MULAS M. (Eds.)Engineering Turbulence Modelling andExperiments 6, Elsevier Science Ltd., 555– 564[15] Roumeas M., Gillieron P., andKuorta A., 2009, Analysis and Control ofnear wake flow over a square backgeometry, Computers & Fluids, 38, pp. 60– 70[16] Roumeas M., Gillieron P., andKuorta A., 2009, Drag Reduction by FlowSeparation Control on a Car after Body,International Journal for NumericalMethod in Fluids, 60, pp. 1222 – 1240[17] Bruneau C. H., Creuse E., DepeyrasD., Gilleron P., and Mortazavi I., 2009,International Journal Aerodynamics,Inderscience Enterprises Ltd.[18] Feeroa, Mark A., Lavoiea, Philippe,Sullivan, Pierre E, Influence of cavityshape on synthetic jet performance.


KE-23

Sensors and Actuators A: Physical 223(2015) page 1 – 10, Elsavier, 2014.[19] R. Holman, Y. Utturkar, R. Mittal,B.L. Smith, L. Cattafesta, Formationcriterionfor synthetic jets, AIAA J. 43 (10)(2005) 2110–2116.[20] Glezer, M. Amitay, Synthetic jets.Annu. Rev. Fluid Mech. 34 (1) (2002)page 503–529.

Karakteristik Pembentukan Cincin Vorteks pada Jet Sintetik akibat ...

Documents

Transcript of Karakteristik Pembentukan Cincin Vorteks pada Jet Sintetik akibat ...