M E S I N

Jurnal Teknik Mesin Vol. 22, No. 1, April 2007 ISSN 0852-6095

Diterbitkan oleh : Program Studi Teknik Mesin,

Fakultas Teknologi Industri - ITB

Surat ijin : STT No. 964/DIT-JEN/PPG/STT/1982.

DAFTAR ISI

M E S I N

Jurnal Teknik Mesin

Vol. 22, No. 1, April 2007 ISSN 0856-6095

Indra Herlamba Siregar (1), Abdul Muis (2)

(1) Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Τeknik, Universitas Negeri Surabaya, Kampus Ketintang Surabaya, 60117, Indonesia

email : indra_adsite2006@yahoo.com (2) Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Samarinda, Samarinda, Indonesia email : muis64@yahoo.com

Ringkasan

Penelitian karakteristik aerodinamik aliran melalui sepasang silinder teriris tipe I yang tersusun secara side by side telah dilakukan di subsonic wind tunnel tipe terbuka pada jarak celah 1,1 sampai 4 dan sudut iris 45°, 53° dan 65°. Koefisien hambatan total terlihat semakin berkurang seiring dengan bertambahnya jarak celah namun untuk sudut iris 65° ditemui fenomena yang berlawanan yaitu nilai koefisien hambatan total semakin bertambah seiring bertambah besarnya jarak celah. Fenomena bias flow terjadi pada jarak sempit dan moderate kemudian aliran cenderung simetris pada jarak yang lebar. Visualisasi juga dilakukan dengan metode asap untuk mendapatkan informasi yang lebih lengkap mengenai karakteristik aliran pada sepasang silinder teriris tipe I.

1. Pendahuluan

Pengetahuan karakteristik aliran di sekitar bluff body dalam konfigurasi yang sederhana adalah sangat membantu untuk memahami karakteristik aliran pada konfigurasi yang lebih kompleks. Silinder sirkular adalah salah satu bluff body yang sering digunakan dalam bidang rekayasa struktur, beberapa sirkular silinder sering juga digunakan dalam konfigurasi berkelompok seperti pada cerobong, struktur lepas pantai, heat exchanger, sistem pendingin untuk pembangkit tenaga nuklir.

Adanya susunan yang berkelompok seperti dua body diletakkan bersisian satu dengan yang lain atau side by side, menimbulkan fenomena yang menarik dan tidak terduga. Hal ini dikarenakan adanya interferensi gabungan dari aliran di sekeliling struktur silinder sirkular yang berkelompok seperti akibat separasi lapisan

batas dari silinder, interaksi dari shear layer, formation dan shedding dari Von Karman Vortices, dan wake yang terbentuk di belakang silinder [2,4,6,7,10].

Aiba dan Watanabe [1] telah melakukan penelitian mengenai karakteristik aliran pada sebuah bluff body yang terpotong dari suatu silinder sirkular pada sisi depan dan belakang (tipe I) dan hanya bagian depan saja (tipe D) dengan sudut pemotongan tertentu. Hasil publikasi melaporkan bahwa dengan adanya pemotongan tersebut, pada sudut tertentu ternyata akan mempercepat terjadinya transisi laminar boundary layer menjadi turbulent boundary layer, sehingga gaya hambat (drag) yang timbul akan menjadi lebih kecil. Untuk tipe I sudut pemotongan optimum terjadi pada sudut pemotongan 53° dengan harga koefisien drag mendekati 50% lebih kecil daripada sudut pengirisan 0o atau tanpa pengirisan.

Eksprimen yang dilakukan Amrun [3] dengan dua model silinder teriris di kedua sisi (silinder tipe I) tersebut tersusun secara side by side dengan menvariasikan jarak antar silinder \(1,3 \le T/D \le 2,5\), Re, sudut iris \((\theta_s)\). Dari eksperimen ini diperoleh bahwa untuk \(\theta_s = 47^\circ\) ditemui percepatan yang paling besar terjadi pada T/D = 1,6 untuk permukaan dalam (bagian celah) dan ditunjukkan dengan harga Cp yang paling besar nilai minusnya. Kemudian seiring dengan penambahan jarak celah percepatan berangsur-angsur menurun. Sedangkan untuk jarak celah yang terlalu kecil (T/D=1,3) terjadi blockage yang mengurangi momentum aliran yang lewat celah.

Hasil dari penelitian-penelitian sebelumnya untuk silinder sirkular teriris tipe I baik dalam silinder tunggal maupun pada susunan side by side menunjukkan fenomena aliran yang menarik terutama pada susunan side by side dimana peneli yang dilakukan oleh Amrun [3] pengukuran distribusi tekanan di permukaan silinder hanya pada satu silinder saja begitupula jarak variasi yang ditelitinya cukup sempit. Oleh karena itu penulis tertarik melanjutkan penelitian mengenai fenomena aliran yang melintasi sepasang silinder teriris tipe I yang tersusun secara side by side dengan rentang variasi jarak celah yang lebih lebar dan pengukuran distribusi tekanan di permukaan pada kedua silinder yang diujikan.

2. Metode Penelitian

Karekteristik aliran pada body yang terbenam dalam aliran diukur berdasarkan parameter-parameter berikut ini:

1. Koefisien tekanan (Cp) yang diperoleh dari persamaan

\[Cp(\theta) = \frac{p(\theta) - p_{\infty}}{\frac{1}{2}\rho V^2}\]

dimana

\(p_{\infty}\) = Tekanan freestream (pa)

\(p(\theta)\) = Tekanan lokal (pa)

\(\rho\) = Densitas udara (kg/m³)

V = Kecepatan freestream (m/s)

2. Koefisien Drag \((C_D)\) yang diperoleh dari persamaan

\[C_D = \frac{1}{2} \int_{0}^{2\pi} Cp(\theta) \cos \theta \, d\theta\]

3. Koefisien Lift \((C_L)\) yang diperoleh dari persamaan

\[C_L = \frac{1}{2} \int_{0}^{2\pi} Cp(\theta) \sin \theta \, d\theta\]

4. Koefisien Total (\(C_{Total}\)) dari gaya aerodinamik dan arahnya \(C_{Total} = \sqrt{C_D^2 + C_L^2}\)

\[\beta = \arctan \frac{C_L}{C_D}\]

Penelitian dilakukan pada terowongan angin tipe subsonic open circuit. Dimensi penampang uji panjang 1 m dan luas penampang 0,4356 m² dengan Aspect ratio 1:11. bilangan Reynolds 6,4 x 10⁴ (berdasarkan diameter benda uji).

Gambar 1. Sketsa terowongan angin yang digunakan

Variabel yang akan diukur adalah tekanan (p) yaitu tekanan statik \((p_s)\) dan tekanan stagnasi \((p_o)\) yang diukur pada permukaan benda uji dan tekanan stagnasi \((p_o)\) aliran freestream dengan menggunakan peralatan sebagai berikut:

1. Pitot Static tube

Alat ini digunakan untuk mengukur tekanan statis dan tekanan stagnasi pada penampang melintang di sepanjang saluran uji. Dari perbedaan harga kedua tekanan tersebut maka diperoleh harga tekanan dinamis. Harga tekanan dinamis ini digunakan untuk menentukan kecepatan aliran freestream dan profil kecepatan di belakang silinder downstream dalam saluran uji.

Gambar 2. Pengukuran tekanan stagnasi dan tekanan statis dalam saluran uji.

2. Manometer Tekanan

Manometer tekanan digunakan untuk mengukur tekanan freestream, tekanan statis kontur dan tekanan total (stagnasi) yang terjadi pada saat pengujian. Manometer tekanan ini didesain dengan kemiringan 30° dengan tujuan untuk mendapatkan ketelitian yang lebih tinggi. Fluida yang digunakan dalam manometer ini adalah kerosine dengan specific gravity (SG) = 0,82

Gambar 3. Manometer tekanan dengan kemiringan 30°.

Adapun spesifikasi benda uji adalah silinder terpotong di kedua sisi ( type-I) adalah:

Panjang (L) = 650 mmDiameter (D) = 60 mm

Sudut iris (\(\theta_S\)) = 45°, 53° dan 65°

Bahan = kayu

Pressure tap = pada sisi midspan silinder.

3. Hasil dan Pembahasan

Sudut iris 45°

Gambar 4. (a) Konfigurasi side by side dari sepasang silinder teriris tipe I, \(\theta_s = 45^\circ\) (b) Arah pembacaan data tekanan di permukaan benda uji

Dari Gambar 4 (a) terlihat bahwa yang dimaksud dengan Sudut iris (\(\theta_S\)) adalah setengah sudut pemotongan pada silinder, jadi untuk sudut iris 45° maka sudut pemotongannya sebesar 90° sedangkan pembacaan tekanan dari pressure tap terlihat pada gambar 4 (b), untuk silinder 1 sudut pembacaan tekanan (\(\theta\)) dari 0° sampai dengan \(360^\circ\) mengikuti arah jarum jam sedangkan pada silinder 2 sebaliknya pembacaan tekanan (\(\theta\)) dari \(0^\circ\) sampai dengan \(360^\circ\) berlawanan arah jarum jam. Pola pembacaan tekanan pada pressure tap berlaku untuk semua variasi T/D yang diujikan.

Penelitian sekarang ini dilakukan pada bilangan Reynolds 6,4 x 10⁴. Fenomena Bias flow ditemui pada celah T/D < 3, hal ditandai dengan harga koefisien drag silinder atas dan silinder bawah berbeda seperti yang terlihat pada Gambar 5. Arah bias ke silinder atas lihat Gambar 6, sehingga menyebabkan wake pada silinder atas lebih kecil daripada wake yang terbentuk pada silinder bawah, namun harga koefisien drag pada silinder atas lebih besar daripada silinder bawah hal ini disebabkan adanya rolling position dari shear layer dan kecepatan wake yang lebih tinggi kontribusi dari celah yang menyebabkan energi dari wake meningkat sehingga drag yang terjadi lebih besar [2].

Gambar 5. Distribusi koefisien drag untuk silinder teriris tipe I dengan \(\theta_S = 45^{\circ}\)

Seiring bertambahnya jarak celah maka fenomena bias menghilang, hal ini ditandai harga koefisien drag silinder 1 dan silinder 2 berimpit. Namun konfigurasi \(side\ by\ side\\)masih berpengaruh terhadap karakteristik aliran, hal dapat terlihat dari Gambar 6 dimana arah koefisen totalnya \((C_{total})\) inward (silinder 1 ke bawah sedangkan silinder 2 ke atas).

Gambar 6. Distribusi arah \(C_{Total}\) pada sepasang silinder teriris tipe I dengan \(\theta_S = 45^{\circ}\)

Pada jarak celah T/D = 1,1 terlihat adanya efek blokage yang cukup kuat di celah sehingga aliran cenderung melintasi sisi luar yang ditandai dengan ditemui banyak daerah stagnasi di sisi celah.

Sedangkan pada sisi luarnya terlihat adanya percepatan yang cukup tajam yang ditandai oleh harga Cp yang lebih negatif daripada sisi celahnya lihat Gambar 7. Percepatan ini diduga karena streamline-streamline aliran pada daerah perubahan kontur datar ke kontur lengkung membentuk streamtube yang membentuk geometri nozzle. Pada jarak celah ini juga ditemui adanya fenomena bubble separation pada rentang \(50^{\circ} < \theta\)< 70° yang ditandai adanya tekanan konstan. Fenomena bubble separation ini terjadi karena aliran yang meninggalkan permukaan datar (separasi) bertumbukkan dengan aliran bebas kemudian pulih kembali di permukaan lengkungnya dengan kondisi boundary layernya lebih turbulen daripada sebelumnya. Hal ini diduga karena momentum aliran sesaat meninggalkan permukaan datar lebih kecil daripada momentum aliran bebas.

Gambar 7. Distribusi koefisien tekanan sepasang silinder tipe I pada susunan side by side dengan \(\theta_s = 45^{\circ}\) dan T/D = 1.1

Karakteristik aliran pada jarak celah 1,1 < T/D < 3 hampir sama dengan karakteristik aliran pada jarak celah T/D = 1,1. Namun pada jarak celah sekarang aliran yang melintasi silinder 1 cenderung simetris hal ini terlihat dari arah koefsien drag totalnya yang mendekati nol (Gambar 6) dan distribusi koefisien tekanan dipermukaan silinder 1 yang hampir simetris lihat Gambar 8.

Gambar 8. Distribusi koefisien tekanan sepasang silinder tipe I pada susunan side by side dengan \(\theta_s=45^\circ\) dan T/D=2

Pada jarak celah T/D > 3 dimana jarak celah semakin lebar maka pengaruh blokage semakin melemah sehingga aliran cenderung mangalir kecelah. Namun pada celah sekarang adanya fenomena aliran mengalami percepatan disisi celahnya di permukaan silinder 1, sebaliknya pada permukaan silinder 2 percepatan terjadi di sisi luarnya. Hal ini di duga karena vortex street dari sepasang silinder tipe I pada jarak sekarang dalam konfigurasi In-phase seperti terlihat pada Gambar 9 dan Gambar 10.

Gambar 9. Distribusi koefisien tekanan sepasang silinder tipe I pada susunan side by side dengan \(\theta_s = 45^{\circ}\) dan T/D = 4

Gambar 10. Sketsa sinkronisasi In-phase vortex shedding pada jarak celah lebar

Sudut iris 53°

Gambar 11. (a) Konfigurasi side by side dari sepasang silinder teriris tipe I, \(\theta_s = 53^{\circ}\) (b) Arah pembacaan data tekanan dipermukaan benda uji

Dari Gambar 11 (a) terlihat bahwa yang dimaksud dengan Sudut iris (\(\theta_s\)) adalah setengah sudut pemotongan pada silinder, jadi untuk sudut iris 53° maka sudut pemotongannya sebesar 106° sedangkan pembacaan tekanan pressure tap, untuk silinder 1 sudut pembacaan tekanan (\(\theta\)) dari 0° sampai dengan 360° mengikuti arah jarum jam sedangkan pada silinder 2 sebaliknya pembacaan tekanan (\(\theta\)) dari 0° sampai dengan 360° berlawanan arah jarum jam. Pola pembacaan tekanan pada pressure tap berlaku untuk semua variasi T/D yang diujikan lihat gambar 11 (b).

Untuk sudut iris 53° terlihat bahwa fenomena bias flow terlihat jelas pada 1,1< T/D < 2 kemudian cenderung menghilang seiring bertambahnya jarak celah lihat Gambar 12.

Gambar 12. Distribusi koefisien drag untuk silinder teriris tipe I dengan \(\theta_S = 53^{\circ}\)

Dari Gambar 13 terlihat bahwa pada sudut iris \(53^{\circ}\) terlihat arah koefisien drag totalnya (\(C_{total}\)) cenderung inward (silinder 1 ke bawah sedangkan silinder 2 ke atas) pada T/D> 1,5. Hal ini diduga menyebabkan terjadinya percepatan di sisi celah pada pada jarak ini, sehingga aliran pada permukaan silinder tipe I di sisi celah lebih turbulen yang menyebabkan drag yang terbentuk lebih kecil.

Gambar 13. Distribusi arah \(C_{Total}\) pada sepasang silinder teriris tipe I dengan \(\theta_S = 53^{\circ}\)

Dari hasil penelitian untuk sudut iris 53° karakteristik aliran berdasarkan pola distribusi tekanan dipermukaan benda uji terbagi menjadi dua pola aliran dimana untuk aliran T/D < 2 ditemui fenomena bias flow yang ditandai dengan harga koefisien tekanan di daerah wake yang berbeda [7]. Pada jarak ini efek blokage lebih lemah daripada sudut iris 45° sehingga aliran yang melintasi frontal silinder uji terbagi seimbang di dua sisi seperti ditunjuk pada Gambar 14.

Gambar 14. Distribusi koefisien tekanan sepasang silinder tipe I pada susunan side by side dengan \(\theta_s = 53^{\circ}\) dan T/D = 1,5

Sedangkan untuk jarak celah \(T/D \geq 2\) aliran banyak melintasi daerah celah yang ditandai dengan harga Cp lebih negatif di sisi celahnya daripada sisi luarnya Hal ini diduga bentuk sinkronisasi vortex shedding membentuk antiphase lihat Gambar 15 dan Gambar 16. Selain itu ditemuinya titik stagnasi yang lebih dari satu di kedua sisi silinder I.

Gambar 15. Distribusi koefisien tekanan sepasang silinder tipe I pada susunan side by side dengan \(\theta_s = 53^{\circ}\) dan T/D = 4.

Gambar 16. Sketsa sinkronisasi anti-phase vortex shedding pada jarak celah lebar

Sudut iris 65

Dari Gambar 17 (a) terlihat bahwa yang dimaksud dengan sudut iris (\(\theta_s\)) adalah setengah sudut pemotongan pada silinder, jadi untuk sudut iris 65° maka sudut pemotongannya sebesar 130° sedangkan pembacaan tekanan pressure tap, untuk silinder 1 sudut pembacaan

tekanan (θ) dari 0° sampai dengan 360° mengikuti arah jarum jam sedangkan pada silinder 2 sebaliknya pembacaan tekanan (θ) dari 0° sampai dengan 360° berlawanan arah jarum jam. Pola pembacaan tekanan pada pressure tap berlaku untuk semua variasi T/D yang diujikan lihat Gambar 17 (b).

Gambar 17. (a) Konfigurasi side by side dari sepasang silinder teriris tipe I, θs = 65° (b) Arah pembacaan data tekanan dipermukaan benda uji

Pada sudut iris 65° terlihat bahwa fenomena bias flow terlihat jelas pada T/D < 2,5, kemudian fenomena tersebut menghilang seiring bertambahnya jarak celah lihat Gambar 18. Sedangkan arah koefisien drag totalnya (Ctotal) cenderung berubah-ubah dari ke arah atas baik silinder 1 maupun silinder 2, kemudian inward lihat gambar 19.

Gambar 18. Distribusi koefisien drag untuk silinder teriris tipe I dengan θ^S = 65°

Gambar 19. Distribusi arah CTotal pada sepasang silinder teriris tipe I dengan ^θS = 65°

Seiring bertambah besarnya irisan pada celah sempit, maka aliran di sisi luar silinder ketika aliran meninggalkan permukaan irisan langsung terseparasi, hal ini diduga semakin besar irisan maka momentum alirannya semakin besar pula sehingga ketika aliran lepas dari permukaan irisan memasuki daerah sirkularnya langsung terseparasi disebabkan momentum aliran dari daerah irisan lebih besar daripada momentum aliran bebas. Fenomena ini diindikasikan dengan pola distribusi tekanan dipermukaan silinder yang konstan yaitu pada daerah θ > 60°. Sedangkan di sisi celah akibat adanya fenomena bias flow dimana wake silinder 1 lebih besar daripada silinder 2 menyebabkan aliran yang lepas dari silinder 2 kembali pulih di permukaan celah silinder 2 sebelum terjadi separasi massive, hal ini ditandai dengan adanya fenomena bubble separation 290° < θ < 30° lihat Gambar 20.

Gambar 20. Distribusi koefisien tekanan sepasang silinder tipe I pada susunan side by side dengan θs = 65° dan T/D = 1,1.

Sedangkan pada jarak celah yang lebar fenomena aliran menuju fenomena aliran yang melintasi silinder tunggal tipe I terutama pada celah T/D = 4 lihat Gambar 21.

Gambar 21. Distribusi koefisien tekanan sepasang silinder tipe I pada susunan side by side dengan θs = 65° dan T/D = 4

Koefisien drag total

Sayers [8] telah mendefinisikan total drag sebagai nilai rata-rata dari drag masing-masing silinder. Dari gambar 22 terlihat bahwa total drag semakin besar seiring bertambah besarnya irisan. Begitupula pengaruh jarak celah semakin besar jarak celah total drag semakin turun kecuali pada sudut iris 65° total drag relatip sama untuk semua jarak celah.

Gambar 22. Distribusi koefisien total drag untuk silinder teriris tipe I untuk semua sudut iris.

Visualisasi

Pada Gambar 23 untuk celah T/D = 1,1 terlihat pada celah sempit pengaruh efek blokage yang kuat, namun dengan adanya celah dapat memberikan ruang bagi aliran masuk di daerah downstream dari pasangan silinder yang menyebab streamwise dan bentuk vortex lebih panjang didaerah wake daripada dua silinder yang kontak satu sama lainnya. Biasanya lebarnya wake yang terbentuk tergantung dari seberapa besar aliran terdefleksi pada saat memasuki daerah celah sempit [7]. Pada celah ini pola aliran hampir sama dengan pola aliran silinder teriris tipe I tunggal, sehingga terlihat dari Gambar 22 untuk sudut iris 65° pada celah ini total dragnya paling besar.

Gambar 23. Visualisasi aliran melintasi sepasang silinder teriris tipe I pada susunan side by side dengan ^θs = 65°, T/D = 1,1 dan Re = 1500.

Seiring bertambahnya jarak celah maka efek blokage yang terjadi semakin lemah sehingga banyak aliran yang melintasi sisi celah, namun pada celah ini masih terlihat fenomena bias flow dengan defleksi yang kecil seperti terlihat pada Gambar 24.

Gambar 24. Visualisasi aliran melintasi sepasang silinder tipe I pada susunan side by side dengan θs = 65°, T/D = 2 dan Re = 1500.

Pada jarak celah yang lebar konfigurasi side by side berpengaruh terhadap pola aliran yang melintasi sepasang silinder teriris tipe I dimana sheeding vortex bersinkronisasi dalam pola aliran in phase untuk sudut iris 45° dan antiphase untuk sudut iris 53° seperti terlihat pada Gambar 25. Sedangkan sudut iris 65° pada jarak celah lebar pola alirannya masing-masing silinder seperti silinder tunggal sudut iris 65°.

Gambar 25. Visualisasi dan skets pola aliran yang melintasi sepasang silinder teriris tipe I pada susunan side by side pada T/D = 4 dan Re =1500 (a) ^θs = 45° (b) θs = 53°

KESIMPULAN

Dari hasil Pengujian pada silinder teriris tipe I pada aliran subkritis dengan susunan side by side terlihat bahwa semakin besarnya sudut pengirisan maka total drag yang dihasilkan semakin besar. Sebaliknya semakin besar jarak celah total drag yang dihasilkan umumnya semakin kecil. Pada celah sempit ditemui fenomena bias flow pada semua sudut pengirisan yang diujikan.

Sedangkan pada celah lebar pengaruh konfigurasi side by side masih terlihat kecuali pada sudut iris 65°. Untuk sudut iris 45° pada celah lebar bentuk sinkronisasi vortex sheddingnya in-phase sedangkan pada sudut iris 53° sinkronisasi vortex shedding anti-phase.