PENGARUH PENAMBAHAN GANGGUAN SISI MASUK
(INLET DISTURBANCE BODY / IDB) TERHADAP
HAMBATAN ALIRAN MELINTASI SILINDER PERSEGI
TERSUSUN TANDEM
THE INFLUENCE OF THE ADDITIONAL DISORDERS (INLET
DISTURBANCE BODY / IDB) ON THE FLOW
BARRIER ACROSS THE SQUARED CYLINDER
ARRANGED IN TANDEM
REZA BACHMID
PROGRAM PASCASARJANA
UNIVERSITAS HASANUDDIN
MAKASSAR
2017
2
PENGARUH PENAMBAHAN GANGGUAN SISI MASUK
(INLET DISTURBANCE BODY / IDB) TERHADAP
HAMBATAN ALIRAN MELINTASI SILINDER PERSEGI
TERSUSUN TANDEM
Tesis
Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar Magister
Program Studi
Teknik Mesin / Konversi Energi
Disusun dan diajukan oleh
REZA BACHMID
Kepada
PROGRAM PASCASARJANA
UNIVERSITAS HASANUDDIN
MAKASSAR
2017
3
iv
PERNYATAAN KEASLIAN TESIS
Yang bertanda tangan di bawah ini :
Nama : Reza Bachmid
Nomor Mahasiswa : P2201215001
Program Studi : Teknik Mesin / Konversi Energi
Menyatakan dengan sebenarnya bahwa tesis yang saya tulis ini
benar-benar merupakan hasil karya saya sendiri, bukan merupakan
pengambilalihan tulisan atau pemikiran orang lain. Apabila dikemudian
hari terbukti atau dapat dibuktikan bahwa sebagian atau keseluruhan tesis
ini hasil karya orang lain, saya bersedia menerima sanksi atas perbuatan
tersebut.
Makassar, Juli 2017
Yang menyatakan
Reza Bachmid
v
PRAKATA
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena berkat rahmat
dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini yang
berjudul “Pengaruh Penambahan Gangguan Sisi Masuk (IDB)
Terhadap Hambatan Aliran Melintasi Silinder Persegi Tersusun
Tandem”.
Penyusunan tesis ini merupakan salah satu syarat dalam
menyelesaikan studi untuk memperoleh gelar Magister pada Jurusan
Teknik Mesin Fakultas Teknik Program Pascasarjana Universitas
Hasanuddin Makassar.
Ucapan terima kasih dan penghargaan yang setinggi-tingginya
penulis sampaikan kepada kedua orang tua tercinta Ayahanda Achmad
Bachmid (Alm) dan Ibunda Sahnas Basalamah yang telah membesarkan,
mendidik dan mencurahkan segala kasih dan sayangnya kepada penulis
serta Kakak-kakakku yang telah memberikan dukungan moral maupun
materi.
Dalam penyusunan tesis ini terdapat banyak kendala yang dihadapi
oleh penulis, sehingga penulis menyadari bahwa penyelesaian tesis ini
tidak terlepas dari bantuan, motivasi dan bimbingan dari berbagai pihak
yang telah meluangkan waktu, tenaga dan pikirannya untuk membantu
penulis. Oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih kepada
Dr. Ir Nasaruddin Salam, M.T. selaku Ketua Komisi Penasehat dan
Dr. Rustan Tarakka, ST., M.T. selaku Anggota Komisi Penasehat yang
vi
senantiasa memberikan waktu, tenaga dan pikirannya dalam memberikan
arahan dan bimbingan kepada penulis mulai dari penyusunan proposal,
pelaksanaan penelitian sampai dengan penyusunan tesis ini..
Penulis juga ingin menyampaikan ucapan terimakasih kepada
semua pihak yang telah memberikan bimbingan dan petunjuk, terutama
kepada :
1. Ibu Prof. Dr. Dwia Aries Tina Pulubuhu, M.A. Selaku Rektor
Universitas Hasanuddin.
2. Dr.Ing. Wahyu H. Piarah, MSME selaku Dekan Fakultas Teknik
Universitas Hasanuddin.
3. Ibu Dr. Ir. Zuryati Djafar. M.T. selaku Ketua Program Studi Magister
Jurusan Teknik Mesin Universitas Hasanuddin.
4. Seluruh staf pengajar / dosen dan pegawai Jurusan Teknik Mesin,
konsentrasi Konversi Energi, Program Pascasarjana Universitas
Hasanuddin, atas bimbingan dan didikannya selama penulis kuliah.
5. Bapak Direktur beserta Staf Program Pascasarjana Universitas
Hasanuddin atas segala pelayanannya.
6. Seluruh rekan-rekan seperjuangan mahasiswa mesin dan
Pascasarjana Teknik Mesin Universitas Hasanuddin yang telah
banyak membantu dalam penyelesaian tesis ini.
7. Kawan-kawan HMM Universitas Muslim Indonesiaa yang telah
memberikan saran dan bantuannya dalam penyelesaian tesis ini.
8. Seluruh laboran fakultas teknik jurusan mesin yang telah banyak
vii
membantu dan memberikan masukkan dalam menyelesaikan
penelitian ini.
9. Serta semua pihak yang telah ikhlas membantu penulis dalam
penulisan tesis ini, namun tidak sempat penulis sebutkan satu
per satu pada kesempatan ini.
Penulis menyadari bahwa naskah tesis ini masih banyak
kekurangan oleh karena itu segala kritik dan saran yang konstruktif sangat
diharapkan sebagai bahan koreksi bagi penulis demi perbaikan tesis ini
dan penulisan karya berikutnya. Akhirnya semoga tesis ini dapat
memberikan manfaat bagi perkembangan ilmu pengetahuan kedepannya.
Makassar, Mei 2017
Penulis
viii
ABSTRAK
REZA BACHMID. Pengaruh Penambahan Gangguan Sisi Masuk ( IDB) Terhadap Hambatan Aliran Melintasi Silinder Persegi Tersusun Tandem (dibimbing oleh Nasaruddin Salam dan Rustan Tarakka).
Penelitian ini bertujuan untuk (1) Menganalisis karakteristik visualisasi aliran melintasi tiang silinder persegi tersusun tandem dengan penambahan Gangguan sisi masuk (IDB) berupa silinder sirkular (benda uji); (2) Menggambarkan dan menentukan karakteristik pemisahan aliran, koefisien tekanan dan koefisien tahanan aliran fluida melintasi benda uji; dan (3) Menentukan nilai koefisien tekanan dan koefisien tahanan yang optimum melintasi benda uji.
Penelitian eksperimental dilakukan dengan Pengujian Visualisasi aliran, distribusi tekanan dan distribusi tahanan. Perlakuan yang diberikan adalah 5 (lima) tingkat kecepatan atau bilangan Reynolds (ReD) terhadap seluruh benda uji. Perbandingan diameter silinder sirkular IDB dengan diameter silinder persegi (d/D) divariasikan 3 (tiga) tingkat yaitu, d/D = 0,08; 0,14 dan 0,20, sedangkan perbandingan jarak antara kedua silinder dengan diameter silinder persegi (L/D) divariasikan 8 (delapan) tingkat dari L/D = 0,0 sampai dengan 1,0. Kemudian dianalisis dengan simulasi computational fluid dynamics (CFD) dengan program FLUENT 6.3.26 dan divalidasi dengan foto visualisasi aliran.
Hasil penelitian menunjukkan karakteristik visualisasi aliran, pertumbuhan lapisan batas dan pemisahan aliran, untuk L/D secara berturut-turut dari kiri ke kanan adalah L/D = 0,14 kemudian L/D = 0,43 dan L/D = 1,00 pada d/D yang sama yaitu pada d/D = 0,08 kemudian d/D = 0,14 dan d/D = 0,20. Dari hasil tersebut menunjukkan pertambahan lapisan batas seiring dengan penambahan L/D dan d/D, kecuali pada L/D = 0,43 dan d/D = 0,14 diperoleh ketebalan lapisan batas dan pemisahan aliran paling kecil. Nilai koefisien tekanan terkecil terjadi pada penambahan IDB
dengan d/D = 0,14 dan L/D = 0,43, yaitu CP = 0,87 pada silinder persegi 1 dan CP = 0,05 pada silinder persegi 2 , dan mengalami penurunan nilai CP bila dibandingkan dengan tanpa IDB yaitu sebesar 14,7059 %, sedangkan nilai reduksi tahanan CD terendah pada ReD = 65.625, L/D = 0,43 dan d/D = 0,14 yaitu CD = 1.67, sehingga menunjukkan pemakaian silinder sirkular pengganggu (IDB) mereduksi tahanan sebesar 21,5962 %.
Kata kunci: d/D, L/D, IDB, CD, CP dan ReD.
ix
ABSTRACT
REZA BACHMID. The Influence of Addition Disorders (IDB) on Flow Barriers Crosses Square Cylinders Arranged Tandemly. (Supervised by Nasaruddin Salam and Rustan Tarakka).
This research aims (1) Analyze the characteristics of flow visualization across square tandem composed cylindrical poles with the addition of incoming disturbances (IDB) in the form of circular cylinders (test specimens); (2) To describe and determine the characteristics of flow separation, the pressure coefficient and the fluid flow resistance coefficient across the specimen; And (3) Determine the value of the optimum pressure coefficient and resistance coefficient across the specimen. Experimental research was conducted by Visualization of flow, pressure distribution and resistance distribution. The treatment given is 5 (five) speed level or Reynolds number (ReD) to all specimen. The ratio of IDB circular cylinder diameter to square cylinder diameter (d / D) was varied 3 (three) levels ie, d / D = 0.08; 0.14 and 0.20, while the ratio of the distance between the two cylinders with the diameter of the square cylinder (L / D) is varied 8 (eight) levels from L / D = 0.0 to 1.0. Then it was analyzed by simulating computational fluid dynamics (CFD) with FLUENT 6.3.26 program and validated with photo flow visualization.
The results showed the characteristics of flow visualization, the growth of boundary layer and flow separation, for L / D respectively from left to right were L / D = 0.14 then L / D = 0.43 and L / D = 1.00 At the same d / D that is at d / D = 0.08 then d / D = 0.14 and d / D = 0.20. The results show the addition of boundary layer along with the addition of L / D and d / D, except at L / D = 0.43 and d / D = 0.14 obtained the thickness of the boundary layer and the smallest flow separation. The smallest coefficient value of the coefficient occurs in the addition of IDB with d / D = 0.14 and L / D = 0.43, ie CP = 0.87 on the rectangular cylinder 1 and CP = 0.05 on the rectangular cylinder 2, CP when compared with no IDB that is equal to 14,7059%, while the lowest CD resistance value at ReD = 65.625, L / D = 0.43 and d / D = 0.14 ie CD = 1.67, thus indicating the use of circular cylinder (IDB) reduced the resistance by 21.5962%. Keywords: d/D, L/D, IDB, CD, CP and ReD.
x
DAFTAR ISI
Halaman
PRAKATA ............................................................................................... v
ABSTRAK .............................................................................................. viii
ABSTRACT ........................................................................................... ix
DAFTAR ISI ............................................................................................ x
DAFTAR TABEL .................................................................................... xii
DAFTAR GAMBAR ................................................................................ xiii
DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................... xviii
DAFTAR SIMBOL ................................................................................ xix
BAB I. PENDAHULUAN.......................................................................... 1
1.1. Latar Belakang Masalah ......................................................... 1
1.2. Perumusan Masalah ............................................................... 5
1.3. Tujuan Penelitian ..................................................................... 6
1.4. Batasan Masalah ..................................................................... 6
1.5. Manfaat Penelitian ................................................................... 7
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ............................................................... 9
2.1. Persamaan Kontinuitas, Momentum dan Energi ..................... 9
2.2. Koefisien Tahanan (CD) dan Koefisien Tekanan (CP) ............. 10
2.3. Penelitian Sebelumnya ........................................................... 14
2.4. Hambatan Silinder Tandem .................................................... 16
BAB III. METODE PENELITIAN............................................................. 29
3.1. Waktu dan Tempat Penelitian ................................................. 29
3.2. Model Uji Penelitian ................................................................ 29
3.3. Tahapan Komputasional ......................................................... 30
3.4. Tahapan Eksperimental .......................................................... 38
3.5. Diagram Alir Penelitian ........................................................... 40
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ..................................................... 41
4.1. Hasil........................................................................................ 41
4.1.1 Contoh Perhitungan............................................................ 41
xi
4.1.2 Karakteristik Aliran.............................................................. 43
4.1.3 Koefisien Tekanan (Cp) ..................................................... 63
4.1.4 Koefisien Tahanan (CD) ..................................................... 86
4.2. Pembahasan ........................................................................... 94
4.2.1 Karakteristik Aliran dan Lapisan Batas ............................... 94
4.2.2 Tebal Lapisan Batas Aliran Berdasarkan Eksperimen dan
CFD .................................................................................... 96
4.2.3 Koefisien Tekanan (Cp) .................................................... 100
4.2.4 Koefisien Tahanan (CD) .................................................... 101
4.2.5 Validasi Hasil Eksperimen ................................................ 103
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN .................................................... 105
5.1. Kesimpulan ............................................................................ 105
5.2. Saran ..................................................................................... 107
DAFTAR PUSTAKA ...................................................................... 108
LAMPIRAN ................................................................................... 110
xii
DAFTAR TABEL
Nama Keterangan Hal.
Tabel 2.1 Nilai koefisien tahanan CD berbagai benda berbentuk silinder dalam dua dimensi
14
Tabel 4.1 Koefisien tahanan pada hasil eksperimen dan simulasi
103
xiii
DAFTAR GAMBAR
Nama Keterangan Hal.
Gambar 2.1 Silinder dipasang secara tandem dengan diameter berbeda
17
Gambar 2.2 Grafik hubungan antara perbandingan koefisien tahanan dengan perbandingan jarak silinder tandem pada berbagai tingkat perbandingan diameter kedua silinder
18
Gambar 2.3 Silinder dipasang secara tandem dengandiameter yang sama besar
18
Gambar 2.4 Grafik hubungan antara koefisien tahanan dengan perbandingan jarak dengan diameter silinder pada berbagai posisi silinder
19
Gambar 2.5 Dimensi saluran dan silinder terpasang tandem antara silinder persegi dengan silinder sirkular
19
Gambar 2.6 Variasi penurunan tekanan pada berbagai posisi letak dan jarak serta diameter silinder
20
Gambar 2.7 Kontur vortisitas sesaat dan komponen streamline sekitar silinder persegi pada bilangan Reynolds berbeda
21
Gambar 2.8 Komputasi domain aliran sekitar silinder persegi 22
Gambar 2.9 Variasi koefisien tahanan total (Cd) dan perbandingan koefisien tahanan karena tekanan dengan koefisien tahanan total (Cdp/Cd) pada sumbu sebelah kanan untuk silinder terhadap bilangan Reynolds (Re)
22
Gambar2.10 Eksperimen medan aliran melalui dua silinder persegi yang dipasang tandem.(a).Peletakan silinder persegi dalamvwind tunnel,(b). Lokasi pemasangan pressure taps
23
Gambar 2.11 Distribusi koefisien tekanan rata-rata (time-mean pressure coefficient) dua silinder persegi yang terpasang tandem
23
xiv
Gambar 2.12 Skematik dua buah silinder tandem dengan pengaruh dinding datar (flat-walleffect) (a). Silinder Sirkular; (b). Silinder tipe I-65o
25
Gambar 2.13 Visualisasi aliran yang menunjukkan posisi reattachment pada kedua silinder; a). velocity pathline; b). kontur intensitas turbulensi
26
Gambar 2.14 Visualisasi aliran berupa velocity pathline melintasi dua silinder tipe I-65o tersusun tandem; (a) G/D = 0,067; (b) G/D = 0,26
26
Gambar 3.1 Penambahan inlet disturbance body (IDB) pada silinder persegi tersusun tandem (Benda Uji)
30
Gambar 3.2 Model benda uju
33
Gambar 3.3 Tipe meshing benda uji
34
Gambar 3.4 Solver pressure based
34
Gambar 3.5 Viscous model
35
Gambar 3.6 Sifat fisik udara
35
Gambar 3.7 Velocity inlet
36
Gambar 3.8 Solution initialization
36
Gambar 3.9 Proses iterasi
37
Gambar 3.10 Hasil iterasi nilai koefisien tekanan daan koefisien tahanan tandem antara silinder persegi dengann penambahan IDB
37
Gambar 3.11 Instalasi Penelitian
38
Gambar 3.12 Wind tunnel khusus visualisasi aliran model benda uji buatan Plint & Partners LTD Enggineers
39
Gambar 3.13 Diagram alir penelitian
40
Gambar 4.1 Karakteristik aliran tanpa pengganggu, U = 7 m/s
44
Gambar 4.2 Karakteristik aliran pada L/D = (0,14), U = 7 m/s 45
Gambar 4.3 Karakteristik aliran pada L/D = (0,29), U = 7 m/s 46
xv
Gambar 4.4 Karakteristik aliran pada L/D = (0,43), U = 7 m/s
47
Gambar 4.5 Karakteristik aliran pada L/D = (0,57), U = 7 m/s
49
Gambar 4.6 Karakteristik aliran pada L/D = (0,71), U = 7 m/s
50
Gambar 4.7 Karakteristik aliran pada L/D = (0,86), U = 7 m/s
51
Gambar 4.8 Karakteristik aliran pada L/D = (1,00), U = 7 m/s
52
Gambar 4.9 Pressure coefficient pada L/D=(0,43)
54
Gambar 4.10 Stream function pada L/D=(0,43)
55
Gambar 4.11 Velocity magnitude pada L/D=(0,43)
57
Gambar 4.12 vorticity magnitude L/D=(0,43)
58
Gambar 4.13 pressure coefficient pada Bilangan Reynolds 30625 dan L/D=(0,43)
59
Gambar 4.14 Stream function pada Bilangan Reynolds 30625 dan L/D=(0,43)
60
Gambar 4.15 Velocity magnitude pada Bilangan Reynolds 30625 dan L/D=(0,43)
61
Gambar 4.16 Vorticity magnitude pada Bilangan Reynolds 30625 dan L/D=(0,43)
63
Gambar 4.17 Distribusi koefisien tekanan pada U = 7 m/s setiap d/D
65
Gambar 4.18 Distribusi koefisien tekanan pada U = 11 m/s setiap d/D
66
Gambar 4.19 Distribusi koefisien tekanan pada U = 15 m/s setiap d/D
68
Gambar 4.20 Distribusi koefisien tekanan pada U = 18 m/s setiap d/D
70
Gambar 4.21 Distribusi koefisien tekanan pada U = 22 m/s setiap d/D
72
Gambar 4.22 Koefisien tekanan (Cp) pada tanpa IDB 73
Gambar 4.23 Koefisien tekanan (Cp) d/D = 0,08 dan variasi L/D 77
xvi
Gambar 4.24 Koefisien tekanan (Cp) pada d/D = 0,14 dan variasi L/D
81
Gambar 4.25 Koefisien tekanan (Cp) pada d/D = 0,20 dan variasi L/D
85
Gambar 4.26 Hubungan antara CD terhadap Bilanngan Reynolds dengan variasi d/D dan tanpa IDB
87
Gambar 4.27 Hubungan antara CD terhadap perubahan d/D dengan variasi Bilangan Reynolds
90
Gambar 4.28 Hubungan antara CD terhadap perubahan L/D dengan variasi Bilangan Reynolds
93
Gambar 4.29 Karakteristik aliran pada d/D 0,14 dengan variasi L/D
94
Gambar 4.30 Visualisasi aliran pada d/D 0,14 dengan variasi L/D 95
Gambar 4.31 Karakteristik aliran stream function pada CFD tanpa pengganggu
97
Gambar 4.32 Foto eksperimen visualisasi aliran tanpa pengganggu
97
Gambar 4.33 Karakteristik aliran stream function pada d/D = 0,14 dan L/D 0,43
98
Gambar 4.34 Foto eksperimen visualisasi aliran pada d/D = 0,14 dan L/D 0,43
98
Gambar 4.35 Karakteristik aliran stream function pada d/D = 0,14 dan L/D 1,00
99
Gambar 4.36 Foto eksperimen visualisasi aliran pada d/D = 0,14 dan L/D 1,00
99
Gambar 4.37 Distribusi koefisien tekanan pada d/D 0,14 dan L/D = 0,43
100
Gambar 4.38 Distribusi koefisien tahanan pada d/D 0,14 dan L/D = 0,43
102
Gambar 4.39 Grafik hubungan antara hasil eksperimen dengan simulasi CFD
104
xvii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1 Tabel hasil pengamatan dan analisis koefisien tahanan (CD) ………………………………………….. …….110
Lampiran 2 Tabel hasil pengamatan distribusi tekanan dan
analisis koefisien tekanan (Cp)……………...........
….…116
Lampiran 3 Foto gambar model penelitian……..……………... …….131
xviii
DAFTAR SIMBOL
Simbol Keterangan Satuan
D Diameter silinder persegi m
L Panjang model uji m
d Diameter silinder IDB m
ρ Massa jenis fluida kg/m3
T Temperatur C
P Tekanan mmHg
V Kecepatan m/s2
Re Bilangan Reynold -
CD Koefisien drag -
CP Koefisien tekanan N
μ Viskositas dinamik kg/ m_s
v Viskositas kinematik kg/ m_s
h1 Head statis N
h2 Head total N
h Head setiap titik N
A Luas karasteristik/proyeksi benda m2
Fd Gaya drag -
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Aliran melintasi silinder persegi tersusun tandem adalah salah satu
bentuk yang sering digunakan pada rekayasa struktur dan transportasi.
Berbagai aplikasi dari silinder persegi yang membentuk susunan tertentu
seperti inline, staggered, atau square arrays ,yaitu pada penukar kalor
shell-and tube atau tube banks, cooling tower, cerobong, struktur
penyangga anjungan lepas pantai dan pelabuhan, kereta api, kapal
gandeng (kapal tongkang) dan truk gandeng. Beban angin dan air pada
suatu struktur menjadi salah satu faktor utama yang harus
dipertimbangkan dalam desain. Seperti diketahui bahwa beban angin dan
air pada suatu struktur yang berkelompok memiliki karakteristik berbeda
dengan sturktur tunggal dengan bentuk yang sama. Karena interferensi
gabungan dari aliran di sekeliling struktur yang berkelompok menunjukkan
berbagai fenomena yang menarik dan tak terduga.
Ketika suatu fluida mengalir melalui suatu benda, sebagai contoh
silinder persegi, maka akan terjadi kehilangan energi akibat adanya gaya
tahanan yang ditimbulkan oleh pengaruh lapisan batas dan oleh adanya
pemisahan aliran (separasi). Dalam kategori pertama, tahanan
disebabkan secara langsung oleh efek-efek viskos jadi oleh tegangan
tangensial dan disebut tahanan viskos atau tahanan gesek. Kategori ke
2
dua, walaupun secara tak langsung disebabkan oleh viskositas, namun
disebabkan karena pengaruh tekanan, jadi karena gaya-gaya normal dan
disebut tahanan bentuk atau tahanan tekanan. Hal ini merupakan salah
satu permasalahan yang dihadapi industri transportasi dalam
meningkatkan efisiensi dan stabilitas sistemnya. Untuk mengurangi
kehilangan energi ini, bisa dirancang suatu bentuk penampang melintang
benda secara tepat, sehingga aliran fluida dapat melintasi benda tanpa
terjadi pemisahan aliran dan menghasilkan aliran yang seragam setelah
melewati benda tersebut.
Upaya mengurangi gaya tahanan telah dilakukan banyak peneliti.
Penelitian tersebut berisi tentang cara mengurangi gaya tahanan pada
silinder yang tersusun tunggal ataupun tersusun secara tandem dengan
berbagai metode.
Penelitian tentang reduksi gaya tahanan dengan menggunakan bodi
pengganggu (disturbance body) telah banyak dilakukan. Menurut Alam,
dkk. (2006), bila silinder sirkular disusun secara tandem dimana di depan
kedua silinder tersebut diberi pengganggu berbentuk plat “T”, dimana plat
“T” yang digunakan memiliki lebar kepala 5 mm dan jaraknya dengan
silinder divariasikan untuk mendapatkan posisi yang optimal, maka hasil
optimal yang diperoleh bila digunakan variasi perbandingan jarak dengan
diameter silinder T/D = 1,0 – 1,5.
Lee, et.al. (2004), meneliti pengaruh pemasangan batang kontrol
kecil pada upstream dari silinder dengan fokus pada karakteristik drag dan
3
struktur aliran. Bilangan Reynolds berdasarkan ukuran diameter silinder
utama (30 mm) adalah sekitar Re = 20.000. Maksimum pengurangan
koefisien total drag dari seluruh sistem meliputi silinder utama dan batang
kontrol sekitar 25%. Selain itu dia juga melakukan penelitian dengan
memvariasikan nilai L/D dan d/D yang menghasilkan turunnya coefficient
of drag total dari sistem. Dari penelitian ini didapatkan pula rasio diameter
batang pengganggu yang ideal sebagai small control rod, yaitu pada rasio
d/D = 0,233, serta peletakan small control rod ini pada perbandingan jarak
dengan diameter silinder atau L/D = 2,0 s/d 2,08.
Menurut Widodo dan Usdhiantoko (2011), penambahan silinder
pengganggu berpengaruh terhadap koefisien tahanan silinder sirkular
tersusun tandem pada saluran sempit berpenampang bujur sangkar.
Benda uji berupa silinder sirkular berjumlah dua buah yang berdiameter
(D) 25 mm dengan panjang (L) 125 mm dan bodi pengganggu yang
digunakan silinder sirkular dengan diameter (d) 4 mm dengan permukaan
polos dan berulir, kemudian dialiri udara pada angka Reynods 1,16 x 105
dengan variasi S/D 1,5 dan 2,5 serta L/D konstan 2,0. Dari penelitian ini
diperoleh bahwa dengan penggunaan pengganggu permukaan polos
maupun ulir berpengaruh terhadap titik separasi yang terjadi pada silinder
upstream, tetapi tidak berpengaruh besar terhadap titik reattachment yang
terjadi pada silinder downstream. Penggunaan pengganggu permukaan
polos mengakibatkan titik separasi tertunda 5o daripada tanpa silinder
pengganggu, dan bila pengganggu permukaan ulir yang digunakan maka
4
titik separasi tertunda 5o lagi daripada penggunaan silinder pengganggu
polos.
Tsutsui dan Igarashi (2002), meneliti tentang reduksi gaya hambat
terhadap silinder sirkular pada aliran udara. Pada penelitian ini, keduanya
memasang batang pengganggu yang dipasang pada bagian upstream
silinder. Dari penelitian ini didapatkan bahwa pola aliran akan berubah
tergantung dari diameter pengganggu, jarak maupun bilangan Reynolds.
Diameter silinder benda uji adalah 40 mm, dan diameter batang
rentangnya dari 1 sampai 10 mm. Bilangan Reynolds didasarkan pada
diameter silinder adalah dari 1,5 x 104 sampai dengan 6,2 x 104.
Pengurangan total drag yang meliputi drag dari batang adalah 63%
dibandingkan dengan yang satu silinder.
Menurut Bouk dan Lemay (1998), dalam aplikasi teknik, banyak
sekali konstruksi yang menggunakan silinder, hal ini telah mendorong
banyak peneliti untuk melakukan penelitian tentang aliran melintasi
silinder. Oleh karenanya, sampai saat ini penelitian aliran melintasi silinder
tetap sebagai salah satu yang penting dalam mekanika fluida. Selain itu,
mengapa penting untuk melakukan studi dengan silinder sebagai obyek,
karena proyeksi bentuk silinder dapat diaplikasikan pada berbagai benda
atau peralatan yang digunakanan di industri maupun masyarakat.
Berdasarkan teori dan hasil penelitian tersebut di atas, maka untuk
mereduksi koefisien tahanan suatu benda atau silinder sirkular dan
silinder pesegi adalah dengan mentandemkannya atau menempatkan
5
silinder pengganggu di depan silinder tersebut dengan silinder sirkular,
silinder persegi atau silinder segitiga, dan merubah jarak serta
diameternya (interaksi antara kedua silinder). Yang menjadi pertanyaan
adalah, apakah bila silinder persegi ditandemkan dengan silinder persegi
dan menggunakan silinder sirkular sebagai silinder pengganggu di depan
silinder persegi koefisien tahanannya menurun. Menurut Munson, et.al.
(2003) koefisien tahanan (CD) silinder persegi 2,05 sangat besar bila
dibandingkan dengan silinder sirkular yang hanya sebesar 1,17.
Pertanyaan selanjutnya, berapakah besarnya reduksi koefisien tahanan
dan koefisien tekanan silinder persegi bila tersusun tandem dan diganggu
dengan silinder sirkular.
Berdasarkan pemikiran tersebut di atas, maka akan dilakukan
penelitian dengan judul “ pengaruh penambahan gangguan sisi
masuk (IDB) terhadap hambatan aliran melintasi silinder persegi
tersusun tandem”. Solusi dari masalah ini sedapat mungkin mereduksi
kerumitan-kerumitan, khususnya dalam mengestimasi hubungan antara
koefisien tahanan dan koefisien tekanan serta pemisahan aliran yang
terjadi pada benda tersusun tandem.
1.2 Perumusan Masalah
Perumusan masalah dapat diuraikan sebagai berikut :
1. Bagaimanakah karakteristik visualisasi aliran melintasi tiang silinder
persegi tersusun tandem dengan penambahan gangguan sisi masuk
(IDB) berupa silinder sirkular (benda uji)?
6
2. Bagaimanakah karakteristik pemisahan aliran, koefisien tekanan dan
koefisien tahanan alran fluida melintasi benda uji?
3. Berapakah nilai koefisien tekanan dan koefisien tahanan yang
optimum melintasi benda uji?
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Menganalisis karakteristik visualisasi aliran melintasi tiang silinder
persegi tersusun tandem dengan penambahan gangguan sisi masuk
(IDB) berupa silinder sirkular (benda uji).
2. Menggambarkan dan menentukan karakteristik pemisahan aliran,
koefisien tekanan dan koefisien tahanan aliran fluida melintasi benda
uji.
3. Menentukan nilai koefisien tekanan dan koefisien tahanan yang
optimum melintasi benda uji.
1.4 Batasan Masalah
Mengingat keterbatasan dalam mengendalikan beberapa kondisi,
yang dapat mempengaruhi pengambilan data aliran fluida melalui
tandem silinder sirkular dan persegi, maka penelitian ini dibatasi
pada hal-hal sebagai berikut:
7
1. Aliran udara dianggap aliran fluida tak mampu mampat dan mengalir
seragam memasuki seksi uji, dalam daerah aliran laminer (ReD <
106).
2. Benda uji silinder persegi dibuat 2 (dua) buah yang tinggi dan
panjangnya sama (D), sedangkan silinder IDB berupa silinder
sirkular dibuat 3 (tiga) buah yang diameternya (d) berbeda.
3. Bilangan Reynolds ditentukan berdasarkan diameter silinder persegi
(D).
4. Permukaan benda uji dianggap halus (licin).
5. Menggunakan 2 (dua) buah wind tunnel dengan spesifikasi
yang berbeda, yaitu masing-masing untuk mendapatkan nilai gaya
tahanan, distribusi tekanan dan visualisasi aliran.
6. Penelitian dilakukan pada waktu siang sampai malam hari, karena
pada pagi hari beban pemakaian listrik maksimal, sehingga hal
ini menimbulkan fluktuasi tegangan listrik yang mengakibatkan
putaran motor listrik wind tunnel tidak konstan. Kondisi ini akan
sangat mempengaruhi konstannya laju aliran masuk wind tunne
1.5 Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat diterapkan dan memberikan manfaat
sekurang-kurangnya dua kontribusi yang penting:
1. Hasil penelitian ini dapat memperkaya basis data dan pengetahuan
tentang pengaruh penambahan IDB yang dapat memberikan efek
8
positif terhadap penghematan energi khususnya dalam bidang
transportasi dan infrastruktur.
2. Inovasi dalam sistem IDB diharapkan dapat diaplikasikan dalam
disain hidrodinamika dan aerodinamika yang handal, sehingga dapat
berimplikasi pada penghematan energi khususnya dalam bidang
transportasi dan infrastruktur.
9
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Persamaan Kontinuitas, Momentum dan Energi
Teori yang digunakan dalam mengungkap fenomena aliran dan
shockwave yang terjadi, adalah pendekatan time-dependent Navier-
Stokes yang solid. Pendekatan yang dimaksudkan adalah melalui tiga
hukum kekekalan, yaitu hukum kekelan massa (kontinuitas), momentum
dan energi.
Adapun persamaan kontinuitas dua dimensi Navier-Stokes,
sebagaimana dikemukakan oleh Schlichting (1979), adalah sebagai
berikut:
𝜕𝜌
𝜕𝑡+
𝜕
𝜕𝑥 (𝜌𝑢) +
𝜕
𝜕𝑦 (𝜌𝑣) = 0 ............................................................ (2.1)
Persamaan momentum untuk sumbu x:
𝜕
𝜕𝑡 (𝜌𝑢) +
𝜕
𝜕𝑥 (𝜌𝑢2 + 𝑝 − 𝜏𝑥𝑥) +
𝜕
𝜕𝑦 (𝜌𝑢𝑣 − 𝜏𝑦𝑥) = 0 ....................... (2.2)
Persamaan momentum untuk sumbu y:
𝜕
𝜕𝑡 (𝜌𝑢) +
𝜕
𝜕𝑥 (𝜌𝑢𝑣 − 𝜏𝑥𝑦) +
𝜕
𝜕𝑦 (𝜌𝑣2 − 𝜏𝑦𝑦) = 0 ............................. (2.3)
Persamaan energi:
𝜕
𝜕𝑡 (𝐸𝑡) +
𝜕
𝜕𝑥 [(𝐸𝑡 + 𝑝)𝑢 + 𝑞𝑥 − 𝑢𝜏𝑥𝑥 − 𝑣𝜏𝑥𝑦]
+𝜕
𝜕𝑦 [(𝐸𝑡 + 𝑝)𝑢 + 𝑞𝑥 − 𝑢𝜏𝑥𝑥 − 𝑣𝜏𝑥𝑦] = 0 .......................................... (2.4)
10
Pada persamaan (2.4) di atas, E adalah jumlah secara fisik
antara energi kinetik yang terjadi dengan energi internal persatuan
volume, dan hal itu dapat dijabarkan sebagai berikut:
𝐸𝑡 = 𝜌 (𝑒 +𝑉2
2) ................................................................................. (2.5)
Tegangan horizontal dan vertikal dapat di ekspresikan
sebagai gradien kecepatan dan diwakili dengan persamaan berikut:
𝜏𝑥𝑦 = 𝜏𝑦𝑥 = 𝜇 (𝜕𝑢
𝜕𝑦+
𝜕𝑣
𝜕𝑥) ..................................................................... (2.6)
𝜏𝑥𝑥 = 𝜆(∇ ∙ V) + 2μ𝜕𝑢
𝜕𝑥 .................................................................................. (2.7)
𝜏𝑦𝑦 = 𝜆(∇ ∙ V) + 2μ𝜕𝑣
𝜕𝑦 ........................................................................ (2.8)
2.2 Koefisien Tahanan (CD) Dan Koefisien Tekanan (Cp)
Bila suatu medan aliran fluida (air atau udara) terhalang oleh sebuah
benda, maka pola aliran fluida tersebut akan terganggu dari kondisi
stasionernya lalu akan mencari kondisi kesetimbangan barunya. Misalkan
pada kasus sebuah silinder yang berada dalam aliran steadi, maka akan
terjadilah suatu pola aliran tertentu di sekeliling permukaan silinder
tersebut.
Setiap benda dengan sembarang bentuk bila terbenam dalam aliran
fluida akan mengalami gaya-gaya dan momen-momen dari aliran
tersebut. Bila benda itu berbentuk atau orientasinya sembarang, aliran
11
tersebut akan mengerjakan gaya-gaya pada arah dan momen-momen
sekeliling ketiga sumbu koordinatnya.
Dalam aliran berkecepatan rendah yang melalui benda yangsecara
geometris bentuknya serupa dan orientasi serta kekasarannya persis
sama, koefisien tahanan haruslah merupakan fungsi bilangan
Reynolds (Re) benda itu saja, White (1994).
Secara matematis dituliskan dalam persamaan (2.9), sebagai berikut
𝐶𝐷 = 𝑓 ( 𝑅𝑒) ..................................................
(2.9)
Bilangan Reynolds ini didasarkan pada kecepatan aliran bebas U
dan panjang karakteristik L benda tersebut, biasanya panjang sumbu
benda tersebut membujur searah dengan aliran, atau bilangan Reynolds
didasarkan pada diameter (D) benda tersebut;
𝑅𝑒 =𝑈∙𝐿
𝑣 ........................................................
(2.10)
atau 𝑅𝑒𝐷 =𝑈∙𝐷
𝑣..................................................... (2.11)
dengan :𝜈 adalah viskositas kinematis fluida, (m2/s).
D adalah diameter silinder utama (silinder persegi), (m).
Koefisien tahanan (CD) dapat dinyatakan dalam fungsi suatu luas
penampang (A) benda, kecepatan aliran bebas (U) dan gaya tahanan
actual (F) benda uji, sebagai berikut (White, 1994):
𝐶𝐷 =𝐹
𝜌𝑈2 𝐴21
................................................... (2.12)
12
Dengan: 𝜌 : massa jenis fluida, (kg/m3). A : luas penampang benda uji = DxD = D2 =
Diameter (panjang sisi) silinder persegi pangkat dua, (m2).
Karakteristik benda-benda terbenam dinyatakan pula dalam
parameter koefisien tekanan (CP ), yang ditentukan dari perbandingan
perubahan tekanan atau head sebelum dan sesudah melalui benda uji.
Menurut Poernomo, dkk (2010) lebih sederhana bila koefisien tekanan
(CP) ditentukan dari perbandingan antara tekanan atau head yang terjadi
dititik uji permukaan benda uji terhadap tekanan atau head pada aliran
udara bebas, yaitu dengan persamaan:
𝐶𝑃 =ℎ1−ℎ
ℎ1−ℎ2
...........................................................
(2.13)
dimana: h1 – h = perubahan tekanan atau head aliran udara dititik uji
permukaan benda uji. h1 – h2 = perubahan head aliran udara
bebas. Variabel h1, adalah merupakan head statis aliran udara dalam
wind tunnel (hsm), sedangkan h2 merupakan head total manometer dari
pitot tube (htm) dan h merupakan head setiap titik pressure tap sekeliling
benda uji. Sehingga persamaan 2.14 dapat dituliskan seperti berikut ini:
𝐶𝑃 =ℎ𝑠𝑚−ℎ
ℎ𝑠𝑚−ℎ𝑡𝑚 ....................................................
(2.14)
13
Menurut Munson, et.al. (2003), drag tekanan adalah drag yang
langsung disebabkan oleh tekanan pada sebuah benda. Drag ini sering
disebut drag bentuk karena ketergantunganya yang sangat kuat pada
bentuk benda.
Drag tekanan adalah fungsi dari besarnya tekanan dan orientasi
arah elemen permukaan di mana gaya tekanan tersebut bekerja. Nilai
koefisien tahanan suatu benda, khususnya untuk silinder segitiga dan
silinder persegi pada bilangan Reynolds tertentu (Re = 105), adalah
bervariasi sesuai dengan besarnya nilai perbandingan R/D,
sedangkan untuk silinder segitiga ditentukan pula dari arah aliran.
Hal menarik diperlihatkan silinder semicircular, yaitu nilai koefisien
tahanan hampir dua kali lipat, bila arah aliran berlawanan. Kenyataan ini
menunjukkan bahwa dalam menentukan nilai CD tidak hanya melihat
bentuk bendanya, tetapi harus memperhitungkan dari mana arah aliran
terhadap benda tersebut. Luas penampang benda ditentukan
berdasarkan proyeksi luasan benda terhadap arah frontal aliran.
Tabel 2.1. Nilai koefisien tahanan CD berbagai benda berbentuk
silinder dalam dua dimensi, (Munson, et.al.2003).
14
Dari tabel 2.1. di atas ditunjukkan bahwa nilai koefisien tahanan
tidak hanya ditentukan oleh bentuk bendanya, tetapi juga sangat
ditentukan oleh posisi
benda tersebut terhadap arah aliran frontal yang melewatinya dan
nilai jari-jari (R) pada sudut benda tersebut. Bila R = 0 atau sudut-sudut
benda tajam, maka nilai CD silinderpaling besar, sedangkan untuk nilai
diameter silinder (D) diambil dari panjang sisi silinder. Untuk silinder
rectangle dan circular rod, nilai CD ditentukan oleh perbandingan l/D,
yaitu makin besar perbandingan l/D maka nilai CD semakin kecil.
2.3 Penelitian Sebelumnya
Pada tahun 2012-2013 penelitian dengan metode pendekatan
eksperimental terhadap silinder persegi yang dibuat dari bahan besi pelat
dengan ketebalan 2 mm sebanyak tujuh tingkat aspek ratio h/b
(perbandingan antara tinggi h dengan lebar b silinder ) yaitu 0,1; 0,2; 0,4;
0,6; 0,8; 1,0 dan 1,2. Lebar dan panjang benda uji dibuat konstan yaitu 50
mm dan 100 mm, sedangkan ukuran tingginya tujuh tingkat yaitu (5, 10,
20, 30, 40, 50, dan 60) mm. Benda uji dipasang pada satu buah wind
tunnel dengan memberi perlakuan sepuluh tingkat kecepatan untuk setiap
benda uji. Penelitian ini bertujuan untuk menentukan hubungan antara
aspek ratio, koefisien tahanan, koefisien tahanan karena tekanan,
15
koefisien tahanan karena gesekan dan bilangan Reynolds dan pada
silinder persegi.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa korelasi yang cukup
besar,0.8592 sampai dengan 0.9908 untuk hubungan antara koefisien
tahanan (CD); koefisien tahanan karena tekanan (CDP); koefisien tahanan
karena gesekan (CDF); perbandingan koefisien tahanan dengan koefisien
tahanan karena gesekan (CD/CDF), pada bilangan Reynolds (Re) dan
aspek ratio (B) yang berbeda.
Pada tahun 2014-2015, kami melakukan penelitian yang bertujuan
untuk memperoleh hambatan atau koefisien drag (CD) dan koefisien
tekanan (Cp), dan pemisahan aliran dari interaksi model selinder segi tiga
dan selinder persegi yang ditandemkan. Dengan memberikan perlakuan
pada beberapa tingkat kecepatan fluida dan perbandingan diameter
silinder segitiga dengan persegi (d/D) serta jarak kedua silinder dengan
diameter silinder persegi (L/D), diharapkan akan diperoleh interaksi yang
memberikan koefisien drag dan koefisien tekanan yang terkecil. Metode
yang digunakan adalah metode eksperimen dengan melakukan pengujian
pada beberapa tingkat bilangan Reynolds dan menggunakan peralatan uji
Wind Tunnel yang ada pada Laboratorium Mekanika Fluida Jurusan Mesin
Fakultas Teknik Unhas. Manfaat yang diperoleh dari penelitian ini adalah
untuk memberikan rekomendasi efektifitas pada transportasi, baik
transportasi darat maupun laut, dimana model alat transportasi yang
digunakan menyerupai model yang digunakan pada penelitian ini.
16
Hasil penelitian menunjukkan bahwa karakteristik perubahan nilai CD
dan Cp, bila variabel d/D, L/D dan ReD berubah. Interaksi antara silinder
segitiga dan silinder persegi menunjukkan bahwa, semakin besar jarak
antara kedua silinder (L) maka semakin besar pula koefisien tahanan
dan koefisien tekanan yang dihasilkan, namun pada jarak L/D = 1,0
diperoleh nilai koefisien tahanan dan koefisien tekanan terkecil. Tandem
silinder segitiga dengan silinder persegi pada jarak L/D = 1,0 dan d/D =
0,5 menunda terjadinya pemisahan aliran mendekati sisi hilir silinder
persegi dan menghasilkan tebal lapisan batas terkecil, sehingga
menyebabkan penurunan hambatan aliran terbesar.
2.4 Hambatan Silinder Tandem
Berbagai penelitian telah dilakukan tentang gaya tahanan terhadap
benda yang diletakkan secara tandem. Seperti pada gambar 2.1, menurut
Lee, et.al. (2004), untuk silinder sirkular yang ditandemkan dengan silinder
sirkular pengganggu pada berbagai variasi jarak L/D dan d/D, maka
penurunan tekanan gaya drag sangatlah efektif dibanding silinder sirkular
tunggal, dan paling efektif pada jarak antara 2 cm sampai dengan 2,08
cm.
17
Gambar. 2.1. Silinder dipasang secara tandem dengan diameter berbeda, (Lee, et.al. 2004).
Gambar 2.2 memperlihatkan hubungan antara perbandingan
koefisien tahanan dengan perbandingan jarak silinder tandem pada
berbagai tingkat perbandingan diameter kedua silinder (d/D = 0,133; 0,167
dan 0,2), sedangkan perbandingan jarak kedua silinder dengan silinder
utama (L/D) dari 1,5 sampai dengan 4,0, terhadap perbandingan koefisien
tahanan.
Hal menarik dari hasil penelitian ini sebagaimana dalam gambar 2.2
adalah pada L/D sekitar 2,0 diperoleh perbandingan koefisien tahanan
yang terkecil untuk semua variasi perbandinan d/D. Hal ini menunjukkan
bahwa daerah optimal terjadi pada L/D sekitar 2,0.
18
Gambar 2.2. Grafik hubungan antara perbandingan koefisien tahanan dengan perbandingan jarak silinder tandem pada berbagai tingkat perbandingan diameter kedua silinder, (Lee, et.al. 2004).
Sedangkan Alam, dkk. ( 2003 ) melakukan penelitian tehadap
silinder sirkuler yang dipasang tandem namun dimeternya sama, pada
saluran yang sempit dan selanjutnya silinder tersebut diputar pada
sumbunya dari 0 sampai dengan 180 derajat, sedangkan jarak kedua
silinder tersebut ( L ) terhadap diameter silinder juga berubah dari 0
sampai dengan 8, hasilnya seperti gambar 2.3.
Gambar 2.3. Silinder dipasang secara tandem dengandiameter yang sama besar, (Alam, dkk. 2004).
19
Gambar 2.4 memperlihatkan kondisi ekstrim pada L/D sekitar 3,0,
yaitu pada upstream cylinder diperoleh nilai CD terkecil dan sekaligus
terbesar. Hal yang sama pada dowenstream cylinder untuk L/D sekitar 3,0
juga mengalami kondisi ekstrim, namun nilai CD terkecil pada L/D = 0.
Gambar 2.4. Grafik hubungan antara koefisien tahanan denganperbandingan jarak dengan diameter silinder pada berbagai posisi silinder, (Alam, dkk. 2003).
Hubungan tandem silinder sirkular dengan silinder persegi dalam
saluran wind tunel setinggi H diteliti oleh Daloglu (2008), dimana secara
bergantian diletakkan pada sisi upstream yang dimensinya seperti pada
gambar 2.5 di bawah ini. Jarak antara kedua silinder divariasikan dengan
perbandingan S/d dari 0 sampai 10.
Gambar 2.5. Dimensi saluran dan silinder terpasang tandem antara silinder persegi dengan silinder sirkular, (Daloglu, 2008).
20
Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa karakteristik penurunan
tekanan dipengaruhi oleh perbandingan diameter kedua silinder dan
perbandingan jarak silinder dengan diameter silinder sirkular (S/d). Hal
menarik dari gambar 2.6 adalah pada S/d = 2, diperoleh nilai penurunan
tekanan terkecil untuk semua perlakuan perubahan diameter, posisi dan
bilangan Reynolds.
Gambar 2.6. Variasi penurunan tekanan pada berbagai posisi letak dan jarakserta diameter silinder, (Daloglu, 2008).
Karakteristik aerodinamis aliran akibat interaksi dua silinder persegi
yang dipasang tandem pada aliran laminer ( bilangan Reynolds rendah),
21
pusaran aliran dipengaruhi oleh besarnya bilangan Reynolds (gambar
2.7), sedangkan aksi gaya-gaya berbeda antara up stream cylinder
dibandingkan down stream cylinder, hal ini berakibat pada perbedaan
karakteristik nilai koefisien tahanan, sebagaimana diperlihatkan dalam
gambar 2.8, (Etminan, et.al. 2011).
Gambar 2.7. Kontur vortisitas sesaat dan komponen streamline sekitar silinder persegi pada bilangan Reynolds berbeda, (Etminan, et.al. 2011).
22
Gambar 2.8. Komputasi domain aliran sekitar silinder persegi,
(Etminan,et.al.2011).
Gambar 2.9. Variasi koefisien tahanan total (Cd) dan perbandingan koefisien tahanan karena tekanan dengan koefisientahanan total (Cdp/Cd) pada sumbu sebelah kanan untuk silinder terhadap bilangan Reynolds (Re), (Etminan, et.al. 2011).
Hasabe, et.al. (2009), melakukan penelitian pada dua silinder
persegi yang dipasang tandem dengan variasi L/D dari 2 sampai dengan
5, kemudian memasang pressure taps setengah dari keliling setiap
silinder, sebagaimana ditunjukkan dalam gambar 2.10.
23
(a) (b)
Gambar 2.10. Eksperimen medan aliran melalui dua silinder persegi yang dipasang tandem. (a). Peletakan silinder persegi dalam wind tunnel, (b). Lokasi pemasangan pressure taps, Hasabe, et.al. (2009).
Hasil penelitian ini (Hasabe, et.al. 2009), menunjukkan bahwa
distribusi koefisien tekanan rata-rata pada setiap posisi tap berbeda untuk
setiap perubahan L/D. Sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2.11,
nilai koefisien tekanan rata-rata negatif pada bagian atas dan belakang
setiap silinder, hal ini menunjukkan bahwa pada bagian tersebut terjadi
pemisahan aliran.Nilai terkecil diperoleh pada L/D = 4 dan pada posisi
taps GH atau bagian belakang silinder ke dua yaitu sekitar -1,6.
Gambar 2.11. Distribusi koefisien tekanan rata-rata (time-mean pressure coefficient) dua silinder persegi yang terpasang tandem, (Hasabe, et.al.2009).
24
Lankadasu dan Vengadesan (2007), meneliti pengaruh interferensi
dua silinder persegi yang dipasang tandem. Perlakuan yang diberikan
adalah dengan merubah perbandingan jarak kedua silinder (L) dengan
lebar silinder (d) atau merubah besarnya L/d dari 2 sampai dengan 7 dan
parameter geser tak-berdimensi (K) dari 0,0 sampai dengan 4, pada
bilangan Reynolds (Re) yang tetap sebesar100.
Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa parameter K dan L/d sangat
berpengaruh terhadap besarnya bilangan Strouhal (St).
Penelitian visualisasi aliran melewati silinder yang tersusun tandem
dengan metode simulasi numerik CFD telah dilakukan oleh Widodo, dkk.
(2010). Fokus penelitian ini adalah studi komparasi simulasi numerik aliran
melintasi dua silinder teriris (tipe I-65o) dan dua Silinder sirkular tersusun
tandem (L/D = 1,5) akibat pengaruh dinding datar pada berbagai jarak
gap (G/D). Penelitian ini dilakukan dengan simulasi numerik CFD solver
FLUENT 6.2 untuk mengkaji interaksi aliran yang melintasi dua bentuk
silinder (silinder sirkular dan silinder tipe I-65o). Kedua bentuk silinder
tersebut masing-masing tersusun tandem dengan jarak longitudinal (L/D)
= 1,5, serta dipengaruhi oleh side wall dengan variasi jarak gap (G/D) =
0,067; 0,133; 0,2 ; 0,267, yang semakin menjauhi dinding datar (flat-wall),
seperti skema yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
25
Gambar 2.12. Skematik dua buah silinder tandem dengan pengaruh dinding datar (flat-wall effect) (a). Silinder Sirkular;(b).Silinder tipe I-65o, (Widodo, dkk. 2010).
Visualisasi aliran berupa velocity pathline maupun kontur intensitas
turbulensi, sebagaimana ditunjukkan berturut-turut pada gambar 2.13 (a)
dan (b), digunakan untuk menjelaskan fenomena reattachment, baik yang
terjadi pada silinder-1 maupun silinder-2, interaksi aliran fluida dengan dua
buah bentuk silinder tersusun tandem, masing-masing berbentuk silinder
sirkular maupun silinder tipe I-65o yang dipengaruhi oleh dinding datar
(flat-wall) pada berbagai jarak gap (G/D).
Hasil penelitian ini (Widodo, dkk. 2010), menunjukkan bahwa, jarak
gap yang sempit (G/D) menjadikan momentum fluida lebih cenderung
menghindari sisi celah sempit antara silinder dengan dinding datar (flat-
wall), terutama ditunjukkan pada silinder tipe I- 65o. Blockage effect yang
kuat diakibatkan oleh jarak gap kecil (G/D = 0,067), menjadikan akselerasi
makin kuat ketika melewati silinder-1, namun akselerasi melemah ketika
melewati silinder-2. Pada jarak gap (G/D) yang sama, interaksi antara
silinder tipe I-65o dengan dinding lebih kuat dibanding interaksi antara
silinder sirkular dengan dinding, yang diindikasikan dengan letak
reattachment point, yang menunjukkan terjadinya pressure recovery.
26
Gambar 2.13 Visualisasi aliran yang menunjukkan posisi reattachment
pada kedua silinder; a). velocity pathline; b). kontur intensitas turbulensi, (Widodo, dkk. 2010)
. Gambar 2.14 Visualisasi aliran berupa velocity pathline melintasi dua silinder tipe I-65o tersusun tandem; (a) G/D = 0,067; (b) G/D = 0,267, (Widodo, dkk. 2010).
Beberapa penelitian lainnya tentang karakteristik koefisien tahanan,
yang menjadi referensi pada eksperimen ini, adalah:
Tsutsui dan Igarashi (2002), meneliti tentang reduksi gaya hambat
terhadap silinder sirkular pada aliran udara. Pada penelitian yang
27
dilakukan, keduanya memasang batang pengganggu yang dipasang pada
bagian upstream silinder. Dari penelitian ini didapatkan bahwa pola aliran
akan berubah tergantung dari diameter pengganggu, jarak maupun angka
Reynolds. Benda uji diameter silinder adalah 40 mm, dan diameter
batang rentangnya dari 1 sampai 10 mm. Bilangan Reynolds didasarkan
pada diameter silinder adalah dari 1,5 x 104 sampai dengan 6,2 x 104.
Pengurangan total drag yang meliputi drag dari batang adalah 63%
dibandingkan dengan yang satu silinder.
Widodo dan Hariyanto (2011), meneliti pengaruh penambahan
disturbance body terhadap karakteristik aliran yang melintasi sebuah
silinder sirkular yang tersusun secara tandem dalam saluran sempit.
Benda uji mengalami perubahan perbandingan d/D (0,1; 0,16 dan 0,32)
sedangkan perbandingan L/D konstan sebesar 2,0 dan aliran udara pada
bilangan Reynolds (Re) 1,16x105. Beberapa hal penting dari hasil
penelitian ini, adalah :
a. Penggunaan permukaan ulir pada disturbance body sanggup untuk
mengurangi pressure drop dan gaya drag yang terjadi daripada
penggunaan disturbance dengan permukaan polos.
b. Penggunaan disturbance body didepan benda uji (main cylinder)
mampu menunda titik separasi yang terjadi pada main cylinder.
c. Penggunaan permukaan ulir pada disturbance body lebih dapat
menunda titik separasi yang terjadi daripada menggunaan
permukaan polos.
28
Widodo dan Usdhiantoko (2011), meneliti pengaruh penambahan
silinder pengganggu terhadap koefisien tekanan silinder sirkular tersusun
tandem pada saluran sempit berpenampang bujur sangkar. Penelitian ini
menggunakan terowongan angin dengan ukuran 125 mm x 125 mm
dengan panjang 2 meter, yang disusun secara tandem dengan
pengganggu di bagian depan. Benda uji berupa silinder sirkular berjumlah
dua buah yang berdiameter (D) 25 mm dengan panjang (L) 125 mm dan
bodi pengganggu yang digunakan silinder sirkular dengan diameter (d) 4
mm dengan permukaan polos dan berulir, kemudian dialiri udara pada
angka Reynods 1,16x105 dengan variasi S/D 1,5 dan 2,5 serta L/D
konstan yaitu 2,0. Dari penelitian ini diperoleh bahwa dengan penggunaan
pengganggu permukaan polos maupun ulir berpengaruh terhadap titik
separasi yang terjadi pada silinder upstream tetapi tidak berpengaruh
besar terhadap titik reattachment yang terjadi pada silinder downstream,
penggunaan pengganggu permukaan polos mengakibatkan titik separasi
tertunda 5o daripada tanpa silinder pengganggu dan bila pengganggu
permukaan ulir yang digunakan maka titik separasi tertunda 5o lagi
daripada penggunaan silinder pengganggu polos.
Top Related