35

Bab V Metodologi Eksperimen

Bab V

Metodologi Eksperimen

Proses eksperimentasi merupakan suatu seni tersendiri dalam dunia ilmu

terapan, karena sangat banyak teori ilmiah yang dihasilkan setelah melakukan

eksperimen di lapangan. Setiap eksperimen tentu harus mengikuti kaidah-kaidah

pelaksanaan yang baku yang dapat diterima oleh masyarakat ilmu pengetahuan,

sehingga data yang didapat merupakan hasil yang dapat dipertanggungjawabkan

secara ilmiah. Begitu juga dengan studi eksperimen aliran swirl dalam tabung ini.

Dalam Bab Metodologi Eksperimen ini akan dijelaskan secara rinci tentang

pelaksanaan eksperimen yang telah penulis lakukan di dalam laboratorium hingga

pelaporan hasil akhir yang menjadi sebuah laporan tugas akhir, meliputi alat yang

digunakan serta kalibrasi alat, persiapan ruangan dan terowongan angin, prosedur

eksperimen, teknik pengambilan data, dan metode pengolahan data.

5.1 Alat-alat

Pada eksperimen ini digunakan alat-alat dan beberapa model sistem sudu

pengarah yang diperlukan untuk proses pengukuran data. Semua komponen yang

diperlukan dirangkai secara integral dan menjadi satu kesatuan yang saling

memberi dan menerima sinyal-sinyal input dan output. Alat-alat yang digunakan

antara lain:

1. Terowongan angin

2. Unislide

3. Probe holder

4. Probe Lima Lubang

5. Transduser tekanan

6. Analog to Digital Converter (ADC)

7. Scanivalve, dan

8. Komputer kerja

36

Bab V Metodologi Eksperimen

Di laboratorium, perangkaian alat dan instrumen yang disebutkan diatas dapat

ditunjukkan oleh diagram berikut:

Terowongan Angin

Five hole probe Unislide Pressure Transducer

Output PC/Aerologger ADC

Gambar 5.1 Diagram Rangkaian Instrumen Eksperimen

Sedangkan model yang digunakan untuk eksperimen adalah beberapa buah

model sistem sudu pengarah aliran putar dengan besar sudut dan distribusi sudut

yang bervariasi. Perhatikan tabel berikut:

Tabel 5.1 Kode Penamaan Swirl Vanes pada Eksperimen

Bilangan swirl Sudut Sudut Kode geometrik pangkal ujung Distribusi

V018L 0,18 0° 20° linier V018K 0,18 15° 15° konstan V039L 0,39 0° 38° linier V039K 0,39 30° 30° konstan V068L 0,68 0° 53° linier V068K 0,68 45° 45° konstan

Dibawah ini ditampilkan salah satu model sudu pengarah yaitu V039K:

Gambar 5.2 Sudu Pengarah Aliran Putar Model V039K

37

Bab V Metodologi Eksperimen

Keseluruhan gambar dari tiap-tiap model dapat dilihat pada lampiran. Berikut ini

diuraikan karakteristik dari masing-masing alat yang digunakan.

5.1.1 Terowongan Angin

Pada eksperimen ini digunakan terowongan angin aliran putar jenis sirkuit

terbuka (open loop). Konfigurasi dan komponen yang digunakan tidak jauh

berbeda dengan terowongan angin pada umumnya, yaitu:

1. bellmouth

2. fan

3. screen

4. contraction

5. vanes holder

6. seksi uji

7. exhaust diffuser

8. support

Perangkat pendukung berupa swirler vanes, slider (unislide), dan inverter

juga digunakan pada terowongan angin ini. Skema terowongan angin putar secara

rinci dijelaskan pada gambar dibawah:

Gambar 5.3 Skema Terowongan Angin Aliran Putar

38

Bab V Metodologi Eksperimen

Spesifikasi terowongan angin ini adalah sebagai berikut:

panjang : 1566.2 mm

tinggi : 1309 mm

diameter inlet : 859.6 mm

fan : 400 mm dia., 10 bilah, 2 HP Power source

diameter seksi uji : 94 mm (dalam), 100 mm (luar)

sistem akuisisi data : Betz micromanometer, TSI Model 1050 data

converter Hot wire system, PC

Benda fisik terowongan angin putar yang digunakan dapat dilihat lebih jelas pada

gambar-gambar dibawah ini:

Gambar 5.4 Terowongan Angin Putar Tampak Depan Kiri

Gambar 5.5 Terowongan Angin Putar Tampak Kanan Belakang

39

Bab V Metodologi Eksperimen

Bellmouth

Merupakan bagian yang menyelubungi fan terowongan angin. Dibuat dari

kerangka kayu yang dilapisi dengan karton tebal. Kemudian untuk menguatkan

dan menghaluskannya, karton tersebut dilapisi kembali dengan dempul. Lubang-

lubang untuk sekrup M10 penyambung fan casing dibuat di sekeliling flange,

yang terbuat dari kayu (plywood) terdapat pada bagian belakang. Mempunyai

diameter inlet fan sebesar 400 mm dengan radius lengkungan 100 mm.

Fan

Komponen ini berupa kipas dengan 10 bilah yang dapat diatur sudut dan

putarannya. Sebagai sumber putaran digunakan motor listrik berkekuatan 2 HP

yang dipasang di dalam casing dengan sumbu yang sama tepat di belakang

konstruksi bilah. Modul ini mempunyai diameter 400 mm dengan panjang 420

mm terbuat dari baja (untuk casing) dan alumunium cor untuk bilah-bilahnya.

Rangkaian fan dan bellmouth ditampilkan pada gambar berikut:

Gambar 5.6 Rangkaian Fan dan Bellmouth

Putaran bilah diatur oleh inverter sehingga kecepatan aliran dapat divariasikan.

Konektor listrik terdapat pada sisi kanan (pandangan depan) yang dihubungkan

dengan inverter.

40

Bab V Metodologi Eksperimen

Gambar 5.7 Inverter Terowongan Angin

Kisi Penyaring (Screen)

Terdiri atas bingkai dan jalinan kawat tipis dengan pola segiempat. Ukuran

mesh yang digunakan adalah (1x1) mm. Dengan ukuran ini diharapkan tingkat

keseragaman aliran dapat ditingkatkan dengan losses seminimal mungkin.

Terowongan angin ini menggunakan 1 screen.

Gambar 5.8 Kisi Penyaring (Screen)

Screen ini mempunyai diameter dalam 400 mm dan diameter luar 480 mm.

Bingkainya dibuat dari kayu dan untuk jalinan kawat, digunakan kawat kasa.

Modul ini dipasang di belakang fan sehingga aliran spiral yang keluar dapat

langsung di luruskan oleh wiremesh. Di belakang screen terdapat peredam getaran

yang terbuat dari kulit dan karet. Peredam ini berfungsi sebagai sambungan antara

struktur depan dengan belakang dan bersifat fleksibel sehingga getaran motor fan

yang merambat ke struktur depan dapat diminimalkan.

41

Bab V Metodologi Eksperimen

Seksi Kontraksi

Terbuat dari keramik keras, sambungan flange kepada screen dilapisi karet

untuk mencegah keausan permukaan keramik. Terdapat 2 buah lubang untuk

memasukkan pitot tube pada bagian depan dan belakang. Penempatan lubang ini

berguna untuk mengukur kecepatan depan dan belakang contraction sehingga

kenaikan kecepatan dapat diketahui. Diameter belakang adalah 100 mm dan

diameter depan adalah 400 mm. Gambar sebenarnya dari seksi kontraksi ini dapat

dilihat pada gambar di bawah ini:

Gambar 5.9 Seksi Kontraksi

Vanes Holder

Dibuat dari pipa stainless steel berdiameter 100 mm yang diberi flange.

Berguna untuk menahan dan meletakkan swirler karena struktur sambungan

antara seksi uji dan seksi kontraksi tidak fixed. Vanes holder ini memungkinkan

dan memudahkan swirler vanes untuk dapat diganti (changeable).

Gambar 5.10 Vanes Holder sebelum Dipasang Vanes

42

Bab V Metodologi Eksperimen

Gambar 5.11 Vanes Holder setelah Dipasang Vanes

Komponen ini dibaut pada flange contraction keramik dan dibuat lubang

pada salah satu sisi untuk masukan pipa gas tekanan tinggi yang mensimulasikan

injeksi bahan bakar.

Seksi Uji

Untuk bagian seksi uji, berbentuk tabung berdiameter 94 mm dengan tebal

3 mm. Pada inlet dan outlet terdapat flange tempat memasang seksi uji kepada

contraction serta slot persegi panjang tempat memasukkan probe lima lubang di

sisi kiri tabung.

Gambar 5.12 Seksi Uji Terowongan Angin Aliran Putar

43

Bab V Metodologi Eksperimen

Slot panjang ini berukuran 300 mm x 20 mm, untuk menempatkan probe lima

lubang. Pada inlet flange terdapat ceruk untuk menempatkan sensor yang paling

dekat dengan keluaran swirler (± 2.0 mm dari keluaran).

Seksi Difuser

Merupakan bagian paling akhir yang berbentuk kerucut berlubang dengan

penampang makin luas ke arah keluaran. Sumbu aksialnya sepanjang 300 mm

dengan diameter 160 mm. Komponen ini terbuat dari pelat stainless steel dengan

pertimbangan tahan terhadap temperatur tinggi saat pengujian dengan api.

Perhatikan gambar dibawah ini:

Gambar 5.13 Skema Seksi Difuser

Gambar 5.14 Bentuk Fisik Difuser

44

Bab V Metodologi Eksperimen

Struktur Penyangga

Keseluruhan komponen terowongan angin aliran putar ditopang oleh

suatu struktur penyangga, pembuatannya dilakukan di bengkel laboratorium

aerodinamika. Kerangka terbuat dari batang-batang besi berongga (40 x 40) mm

dengan sambungan las.

Gambar 5.15 Struktur Penyangga Terowongan Angin

Struktur penyangga tersebut terbagi atas 2 bagian, yaitu penyangga depan meliputi

fan dan bellmouth serta penyangga belakang meliputi contraction, seksi uji,

exhaust diffuser. Pembagian tersebut dilakukan supaya getaran fan seminimal

mungkin menjalar ke bagian seksi uji.

5.1.2 Unislide

Supaya proses pengambilan data dapat berjalan dengan cukup akurat

maka digunakan slider berupa tumpuan yang dapat digeser. Pengguna dapat

mengetahui besar pergeseran melalui angka yang ditunjukkan pengukur.

Gambar 5.16 Unislide

45

Bab V Metodologi Eksperimen

Alat ini mempunyai 6 derajat kebebasan dengan memutar sekrup-sekrup

pergeserannya. Sensor berupa probe lima lubang dipasang pada tumpuan yang

disediakan. Tumpuan tersebut terhubung pada batang-batang yang dapat digeser.

5.1.3 Probe Holder

Komponen ini merupakan base support yang terbuat dari kuningan dan

terpasang pada sumbu radial dari unislide. Pada probe holder ini probe lima

lubang nantinya akan dipasang ke slider dengan sekrup di samping terowongan

angin sehingga posisi probe dapat digeser-geser dengan keakuratan tinggi di

dalam terowongan angin. Komponen ini juga di-bor sepanjang tingginya untuk

memasukkan pipa probe dan harus dilakukan cukup teliti supaya lubang benar-

benar lurus sehingga posisi pipa probe benar-benar tegak lurus arah aliran bebas

saat kalibrasi. Ukuran diameter harus disesuaikan (lebih kecil sedikit) supaya

mudah perputaran untuk mengatur sikap pitch probe agar lurus arah aliran.

Gambar 5.17 Probe Holder

5.1.4 Probe Lima Lubang

Pada eksperimen ini probe lima lubang digunakan untuk mengukur

tekanan statik pada titik-titik uji di dalam terowongan angin. Penjelasan mengenai

probe lima lubang, kalibrasi, dan cara menngunakannya telah diberikan dengan

rinci pada bab sebelumnya.

46

Bab V Metodologi Eksperimen

5.2 Asumsi dan Data Ruangan

Setelah semua instrumen yang digunakan pada eksperimen telah dirangkai,

maka sebelum dimulai, perlu ditentukan asumsi-asumsi aliran udara dan data

kondisi ruangan ketika eksperimen dilakukan. Adapun asumsi-asumsi yang

digunakan adalah:

• Fluida Newtonian

• Aliran inkompresibel

• Aliran bergerak dalam arah 3-dimensi

• Sistem isothermal

Sedangkan data ruangan yang perlu diketahui adalah: tekanan (p), temperatur (T),

dan kelembaban (α).

5.3 Set-up Eksperimen

Pada bagian ini akan dipaparkan persiapan yang dilakukan sebelum mulai

dilakukan eksperimen. Persiapan tersebut antara lain:

1. Perangkaian alat-alat yang digunakan

2. Pemasangan sistem sudu pengarah aliran putar di vanes holder

3. Setting probe lima lubang di dalam terowongan angin

Apabila semua alat telah dipasang di tempatnya dan terangkai dengan alat lainnya,

maka proses pengambilan data bisa dimulai. Langkah-langkah pengambilan data

akan dijelaskan pada bagian berikutnya.

5.3.1 Perangkaian Alat-alat yang Digunakan

Setelah semua peralatan dan model yang diperlukan tersedia, maka tahap

berikutnya yaitu perangkaian (instalasi) semua peralatan tersebut menjadi suatu

kesatuan yang akan digunakan untuk melakukan pengambilan data. Perangkaian

alat-alat dijelaskan sebagai berikut:

1. Terowongan angin aliran putar ditempatkan di dalam laboratorium,

sebagai komponen yang menyediakan aliran udara seragam untuk proses

pengukuran. Maka kondisi di sekeliling terowongan ini diusahakan bebas

dari gangguan dan halangan (obstacle) yang dapat mempengaruhi aliran

47

Bab V Metodologi Eksperimen

udara, terutama pada sisi masukan (bellmouth) dan sisi keluaran (diffuser).

Inverter diletakkan dekat dengan terowongan sehingga kecepatan putar fan

lebih mudah dilakukan.

2. Unislide diletakkan disamping terowongan dengan arah sumbu-sumbu

slider disesuaikan dengan arah aliran. Perlu diingat juga bahwa posisi

unislide harus diatur sedemikian sehingga ketika slider digeser-geser dapat

menjangkau semua titik-titik uji yang diinginkan. Posisi penopang unislide

dijaga agar tidak bergeser atau tersenggol selama proses pengukuran data.

3. Probe lima lubang dipasang pada probe holder yang ditempel pada slider

radial dengan tangkai probe mengarah ke slot seksi uji. Konfigurasi seperti

ini agar probe dapat digeser pada arah radial dan aksial sehingga lubang

probe dapat diletakkan pada titik-titik uji. Ingat bahwa kepala probe

dipasang sejajar dengan arah aliran udara (sudut yaw sebesar 0°).

4. Selang keluaran dari probe (selang nomor 1 sampai 5 untuk lubang-lubang

probe nomor 1 sampai 5, berurutan) dihubungkan ke scanivalve ke nomor

lubang masukan yang bersesuaian. Pencatatan data masing-masing lubang

probe dilakukan dengan memutar knop scanivalve. Disini scanivalve

dipakai sebab transduser tekanan yang tersedia hanya 1.

5. Selang keluaran dari scanivalve (satu buah) lalu dihubungkan ke

transduser tekanan. Ingat bahwa lubang input pada transduser ada dua, ini

untuk memisahkan antara tekanan titik uji yang lebih tinggi dari tekanan

atmosfer, dan tekanan titik uji yang lebih rendah dari tekanan atmosfer.

6. Kabel-kabel dari transduser (sebanyak dua pasang) dihubungkan ke power

supply (satu pasang) sebagai pembangkit tegangan listrik untuk transduser,

dan ke ADC sebagai transfer sinyal data analog.

7. Kabel data dari ADC dihubungkan ke komputer kerja untuk mengirim

sinyal-sinyal digital yang dapat dibaca oleh komputer. Data yang terukur

akan ditampilkan oleh program Aerologger yang telah dibuat sebelumnya,

dan langsung tersimpan dengan format xls.

Sampai disini persiapan untuk mengukur dan mencatat data telah siap. Berikutnya

adalah pemasangan sudu pengarah pada vanes holder terowongan angin dan

setting probe di dalam terowongan angin.

48

Bab V Metodologi Eksperimen

5.3.2 Pemasangan Sistem Sudu Pengarah Aliran Putar di Vanes Holder

Pemasangan sistem sudu pengarah harus dilakukan dengan hati-hati dan

secermat mungkin. Diusahakan agar titik tengah sistem sudu (hub) tepat berimpit

pada pangkal garis sumbu aksial seksi uji (titik referensi 0,0,0). Apabila titik

tengah ini tidak tepat berimpit dengan sumbu aksial, kemungkinan data yang

terukur mengalami penyimpangan. Untuk itu sebelum sistem sudu dipasang,

terlebih dulu dicari posisi titik referensi dengan menggunakan sebuah bandul ayun

dan busur derajat.

Setelah posisi titik ini diketahui, maka sistem sudu dapat dipasang pada

tempatnya. Perhatikan bahwa sistem sudu mempunyai sudu-sudu yang terpasang

pada jari-jarinya dan nantinya probe akan digeser-geser pada arah radial

sepanjang garis diameter tabung dibelakang sudu-sudu ini. Ingat agar sistem sudu

diputar-putar untuk mendapatkan sikap sedemikian hingga sudu-sudunya tidak

memotong garis pergerakan radial dari probe. Hal ini dilakukan agar sudut

inklinasi aliran yang menuju probe tidak terlalu besar, karena bila terlalu besar

maka kemungkinan data yang tercatat kurang bagus.

Sistem sudu dipasang pada vanes holder menggunakan dua buah baut

yang memegang sistem sudu pada tempatnya. Usahakan baut diputar sekencang

mungkin untuk mencegah agar sistem sudu tidak bergeser karena pengaruh aliran

udara yang cukup kencang. Setelah sistem sudu terpasang dengan benar, maka

tabung seksi uji digeser kedepan menyambung dan menutupi vanes holder. Jaga

agar tidak terjadi rembesan udara yang keluar dari celah sambungan antara vanes

holder dengan tabung seksi uji.

5.3.3 Setting Probe Lima Lubang di dalam Terowongan Angin

Tangkai probe lima lubang ditumpu oleh probe holder yang melekat pada

unislide, sedangkan kepala probe berada di dalam seksi uji. Lubang-lubang yang

berada pada kepala probe merupakan bagian paling penting karena di bagian

tersebut harga tekanan statik yang akan terukur oleh alat ukur. Sehingga bagus

tidaknya data yang terekam sangat bergantung pada tepat tidaknya setting probe

di dalam terowongan. Untuk itu pengaturan sikap dan posisi probe dilakukan

berulang kali dengan secermat mungkin.

49

Bab V Metodologi Eksperimen

Tahap awal adalah menentukan garis radial dan aksial di dalam seksi uji

berdasarkan posisi titik-titik uji yang diinginkan. Disini harus diketahui posisi

radial maksimum minimum dan posisi aksial maksimum minimum, kemudian

posisi unislide diatur sehingga dapat menjangkau posisi tersebut. Selama proses

ini tabung uji berulang kali digeser kedepan dan kebelakang untuk memastikan

posisi unislide dan probe telah benar. Sumbu-sumbu unislide yang digunakan

adalah sumbu horisontal dan radial, sementara sumbu vertikal tidak digunakan.

Tahap berikutnya yaitu setting sikap probe, dalam hal ini sudut pitch dan

yaw kepala probe diatur sehingga membentuk sudut 0° terhadap arah aliran udara.

Hal ini dilakukan untuk menyesuaikan dengan proses kalibrasi yang telah

dilakukan sebelumnya, sehingga koefisien kalibrasi yang telah dihitung dapat

digunakan pada proses pengambilan data. Idealnya, setting posisi dan sikap probe

dilakukan secara bersamaan karena perubahan sikap probe saat setting akan

mempengaruhi perubahan posisi aksial dan radial.

5.4 Prosedur Pengambilan Data

Setelah dilakukan persiapan-persiapan diatas dengan seksama, maka tahap

berikutnya adalah proses pengambilan dan perekaman data. Langkah-langkahnya

dijelaskan sebagai berikut:

1. Pasang terlebih dahulu sudu pengarah yang akan diukur pada vanes

holder, pastikan pemasangan telah kencang. Geser tabung seksi uji ke

depan hingga tersambung erat dengan vanes holder dan tidak ada udara

yang merembes keluar.

2. Nyalakan terowongan angin putar, pastikan daerah di depan sisi masukan

(bellmouth) bebas dari halangan yang dapat mengganggu aliran udara

3. Gunakan selang tekanan total dan tekanan statik yang terpasang pada

terowongan angin untuk mensetting kecepatan aliran udara bebas sesuai

dengan yang diinginkan, yaitu 10 m/s.

4. Posisikan ujung kepala probe lima lubang pada titik uji pertama yaitu pada

posisi aksial 2 mm dan posisi radial -44 mm (sisi kiri). Tutup rapat slot

50

Bab V Metodologi Eksperimen

persegi-panjang dengan selotip hitam agar tidak ada udara merembes,

terutama celah pada tangkai probe.

5. Sampai disini probe telah dapat mengukur tekanan statik aliran tiap-tiap

lubangnya. Pastikan knop pada scanivalve menunjuk pada angka 1, artinya

data tekanan yang masuk ke scanivalve merupakan data yang terukur pada

lubang nomor-1 pada probe.

Gambar 5.18 Scanivalve Menunjuk Lubang Nomor-1

6. Tunggu beberapa saat (kira-kira 1 menit) hingga kondisi aliran udara di

sekitar kepala probe cukup stabil, hal ini dilakukan agar data yang terukur

cukup bagus untuk direkam. Data dikatakan cukup bagus apabila garis

yang ditunjukkan oleh aerologger menunjuk pada satu harga tertentu.

Perhatikan gambar barikut:

Gambar 5.19 Garis Aerologger Data Terukur

7. Tentukan direktori dan nama file yang digunakan untuk menyimpan data

terekam, kemudian rekam data dengan cara meng-klik tombol run pada

aerologger. Rekam data kira-kira selama 10-15 detik, setelah itu tekan

kembali tombol run agar aerologger berhenti merekam data.

51

Bab V Metodologi Eksperimen

8. Putar knop scanivalve ke posisi nomor-2 agar data yang terekam sekarang

adalah data tekanan pada lubang nomor-2 pada probe. Lakukan langkah 5

sampai 7 untuk lubang nomor 3, 4, dan 5.

9. Lepas selotip perekat, kemudian geser posisi probe dengan cara memutar

sumbu radial unislide. Posisikan probe pada titik uji aksial 2 mm dan

radial -40 mm (sisi kiri), rekatkan selotip rapat-rapat. Lakukan kembali

langkah 5-8 untuk posisi radial berikutnya hingga posisi radial 44 mm (sisi

kanan tabung).

10. Tentukan nama file baru untuk posisi aksial 5 mm, kemudian lakukan

kembali langkah 5-9. Rekam data untuk semua posisi aksial. Semua data

yang terekam akan disimpan dalam format xls.

11. Geser probe keluar tabung, kemudian geser tabung kebelakang agar seksi

uji terbuka. Ganti sudu pengarah dengan model berikutnya. Keenam model

yang digunakan dapat dilihat pada Lampiran A.

12. Setelah semua data dari semua model sudu pengarah berhasil direkam,

selanjutnya data diolah menggunakan program yang sudah dipersiapkan

sebelumnya [20]. Apabila ada data yang menyimpang jauh, maka ulangi

pengambilan data untuk posisi titik uji yang berkaitan.