1 PENDAHULUAN

Struktur dan geometri aliran ketika melewati obstacle sangat complicated. Perilaku aliran pada fenomena ini ditandai separasi aliran tiga-dimensi, tingginya intensitas turbulensi, meningkatnya fluktuasi tekanan, terciptanya resirkulasi dan munculnya beragam formasi vortex. Ciri spesifik aliran semacam ini terbentuk sistem vortex akibat interaksi gradien tekanan vertikal dengan gradien tekanan lateral. Munculnya gradien tekanan disebabakan defisit momentum aliran sebagai konsekuensi aliran viscous. Selain interaksi gradien tekanan, munculnya sistem vortex disebabkan adanya cross flow sesaat aliran datang menuju obstacle karena kontaminasi kurva leading edge. Mekanisme fisis selanjutnya menciptakan skewing boundary layer dalam aliran. Gabungan efek interaksi gradien tekanan dan skewing boundary layer membentuk horseshoe vortex system menyapu dan melingkupi obstacle. Aliran ini diidentifikasikan sebagai aliran sekunder (secondary flow). Keberadaan aliran ini menggangu aliran utama sehingga perlu dieliminasi dalam medan aliran. Kajian-kajian telah dilakuakan guna menguji implikasi secondary flow terhadap karakteristik aerodinamis geometri.

Dalam situasi aplikasi praktis, aliran sekunder ditemukan pada interaksi blade dengan hub mesin-mesin fluida famili turbomachinery, aliran melalui konfigurasi wing dengan body pesawat terbang, aliran pada interseksi sail dan hull kapal, aliran pada konstruksi dasar jembatan dan aliran-aliran melalui konfigurasi sejenisnya. Sejumlah implikasi muncul akibat formasi aliran ini. Terjadinya kenaikan laju perpindahan panas, shear stress dan fluktuasi tekanan pada blade dan hub mesin-mesin fluida turbomachinery karena adanya horseshoe vortex secara langsung akan mempengaruhi efisiensi mesin. Adanya multiple vortices dalam konfigurasi wing dan fuselage pesawat terbang menjadikan efek blockage yang dapat mempengaruhi karakteristik aerodinamis lift/drag. Adanya aliran sekunder pada interaksi sail dan hull kapal akan mempengaruhi karakteristik wake downstream vang menentukan performa propeller. Adanya local erosion karena scouring effect dan sediment transport phenomena pada dasar jembatan menjadikan tanah bebatuan fondasi terkikis meninggalkan dasar jembatan sehingga memperlemah konstruksi dan menyebabkan collapse-nya jembatan. Untuk mereduksi implikasiimplikasi tersebut maka diperlukan modifikasi geometri junction. Sampai sekarang, kajian-kajian telah banyak

dilakukan, namun belum ditemukan solusi dengan tepat untuk mendiagnosa dan mensintesa struktur aliran.

Kajian-kajian tentang aliran sekunder didasarkan pada pentingnya junction dalam rekayasa. Muculnya multiple vortices menjadikan kompleknya struktur aliran sehingga dapat menurunkan efisiensi geometri, Simpson [1]. Coon dan Tobak [2] dan Ballio dan Franzetti [3] membuat sintesa topologi bagian depan leading edge. Hasil kajian Coon dan Tobak ditunjukkan saddle point of attachment dan terbentuk evolusi singular point dalam medan aliran. Sedangkan, kajian oleh Ballio dan Franzetti ditemukan vortisitas boundary layer terkonsentrasi pada bottom surface karena reverse flow dengan terdifusi kedalam dua pasang vortex dipisahkan internal saddle point dan sebuah secondary vortex dalam posisi terseparasi dari bottom surface. Karakteristik kinematis dan dinamis vortex system dianalisa Ballio dkk [4]. Hasilnya didapat bahwa vortex system aliran turbulen, dimensinya hanya ditentukan geometri leading edge, sedangkan dalam aliran laminar dimensinya ditentukan Reynolds number dan boundary layer thickness.

Agui dan Andreopoulus [5] menguji separasi boundary layer pada interaksi circular cylinder dengan flat surface. Hasilnya dengan Reynolds number 105 dan 2,2 x 105 ditemukan titik separasi oncoming boundary layer berjarak sekitar 0,76D dan 0,82D (D = diameter silinder) di depan silinder. Studi hubungan shear stress dengan formasi horseshoe vortex oleh Ballio et al [6] ditunjukkan distorsi distribusi tekanan karena sistem vortex didekati penyelesaian potensial dua-dimensi. Pierce dan Shin [7] mengamati pertumbuhan sistem vortex pada aliran turbulen daerah interaksi streamlined cylinder dengan flat surface ditemukan aliran didominasi single vortex dan ditemukan corner vortex sangat dekat corner region. Investigasi secara eksperimental turbulent shear layer pada interaksi appendage dengan flat plate oleh Merati et al [8] ditemukan dominasi horseshoe vortex berdampak terhadap redistribusi dan karakteristik lapisan geser turbulen. Abdulla et al [9] mengukur distribusi lapisan geser dan tekanan statis pada interseksi blade dengan plate surface didapat kenaikan maksimum shear stress pada corner antara leading edge dengan thickness maksimum.

Kajian-kajian aliran pada wing-body junction dilakukan oleh Kubendran dan McMahon [10], Devenport dan Simpson [11], Devenport dan Simpson [12], Fleming dkk [13], Ölçmen dan Simpson [14]. Kubendran dan McMahon [10] menginvestigasi daerah upstream ditunjukkan vortex strength dan separasi vortex dipengaruhi oleh kelengkungan leading edge. Kajian serupa Devenport dan Simpson [11] didapat kecepatan backflow cukup rendah pada daerah upstream dan resirkulasi mendominasi downstream. Studi lanjutan Devenporrt dan Simpson [12] didapat bahwa eddy viscosity dan persamaan transport k-E kurang mampu memprediksi aliran. Pengujian karakterisrik turbulen dalam wake dilakukan Fleming et al [13] diperoleh kuatnya gradien tekanan dan cross flow mempengaruhi distorsi dan distribusi vortisitas boundary layer. Kajian Ölçmen dan Simpson [14] ditunjukkan leading edge

menentukan intensitas fluktuasi tekanan dan primary separation.

Modifikasi wing-body junction dilakukan untuk merubah struktur vortices menjadi lebih teratur. Devenport et al [15] menguji pengaruh fillet radius konstan pada dasar sambungan wing dengan flat plate. Sayangnya, dengan penambahan fillet belum mampu merubah struktur aliran, masih ditemukan formasi vortices dan terbentuk separasi pada bagian upstream. Kondisi demikian malah menambah buruknya fungsi kerja geometri. Namun, kesimpulan ini tidak disepakati Green dan Whitesides [16], dimana kajiannya didapat indikasi terjadi eliminasi separasi di depan leading edge. Devenport et al [17] melakukan studi lanjut dengan penempatan fairing pada endwall region. Hasilnya diperoleh indikasi penurunan nonuniformity, unsteadness, dan intensitas turbulensi. Kajian serupa [17] dilakukan Steenaert dkk [18] dan Oudheusden et al [19]. Dari kajiannya pada sambungan fairing wing dengan flat plate ditemukan terbentuknya laminerisasi separasi vortex.

Uraian konsep topologi didasarkan kinematis aliran diberikan Tobak dan Peak [20], [21] dan Peak dan Tobak [22], [23]. Mereka menggabungkan dan menggunakan hasil-hasil kerja para peneliti dalam memberikan analisa aliran secara tiga-dimensi dengan membuat interpretasi dalam topologi berdasarkan rangkaian singular point yang terbentuk pada surface.

Tujuan kajian dalam paper ini adalah memberikan informasi gambaran kualitatif mengenai kondisi struktur aliran akibat efek blockage berupa pola pathline dan topologinya pada konfigurasi wing-body fairing beserta distribusi total static pressure pada empat bidang pengukuran di daerah dekat trailing edge dengan variasi angle of attack.

2 METODE PENELITIAN

Makna 9C7/32.5C50:

[9] = 9% maximum thickness-chord ratio.

[C7] = basic wing profile.

[32.5] = camber angle.

[C] = circular arc camber line.

[50] = 50% maximum camber pada posisi 0,5 panjang chord.

2.2 Teknis Pengujian

Perangkat computational fluid dynamics (CFD) dalam penelitian ini adalah software fluent 6.2. Pada saat memulai menjalankan software fluent 6.2 terdapat dua macam pilihan penyelesaian (solver), yaitu single precision dan double precision solver. Penggunaan kedua solver ini tergantung pada jenis dan karakteristik masalah yang akan diselesaikan. Bila masalah sederhana dan tidak membutuhkan keakuratan lebih, maka sebaiknya digunakan single precision solver karena mempercepat konvergensi. Apabila permasalahnya jauh lebih kompleks dan membutuhkan keakuratan sanagt tinggi, sebaiknya digunakan double precision meskipun proses iterasi lebih lama konvergensi dan dibutuhkan memori komputer lebih besar.

Gambar 2 Lokasi pathlines dan bidang pengamatan pada a. x/c = 10/12, b. x/c = 12/12, c. x/c = 13/12, d. x/c = 14/12

Urutan menjalankan program software fluent 6.2 untuk simulasi pada penelitian ini adalah sebagai berikut:

• 1. Dipilih model tiga dimensi (3d,dp).
• 2. Grid: Mengimpor grid yang telah dibuat dari software gambit. Proses yang dilakukan dalam software gambit sebagai berikut: (i) Membuat model. Menggambar model wing dengan profil 9C7/32.5C50, dengan panjang chord = 120 mm, span = 300 mm. Posisi model uji α = 4⁰, 8⁰, 12⁰ dan 16⁰. (ii) Menentukan solver: Fluent 6.2. (iii) Menentukan daerah analisis: Menentukan permukaan yang berhubungan (link face meshes) pada permukaan periodik, menentukan bentuk continuum (fluid-udara) dan kondisi batas (wall, velocity inlet, periodic, outflow). (iv) Membuat mesh: membagi model solid menjadi elemen kecil-kecil sehingga kondisi batas dan beberapa parameter

• dapat diaplikasikan pada elemen-elemen tersebut. Pada paket program ini bentuk mesh/grid sangat mempengaruhi hasil simulasi. Bentuk mesh/grid mendekati hasil eksperimen adalah hexahedral atau quadrilateral pada semua permukaan dinding.
• 3. Models: Merupakan pemodelan viskositas aliran (karakteristik aliran), berupa jenis dan formula penyelesaian, penentuan model turbulen dan konstanta yang digunakan. Jenis penyelesaian yang digunakan adalah simplec dengan formula penyelesaiannya segregated. Ini dilakukan guna mendapat hasil yang akurat dalam kontur pathlines dan isototal static pressure sekitar wing, meskipun dibutuhkan waktu agak lama dan memori besar untuk mencapai konvergensi. Model turbulen menggunakan k-ε RNG dengan C1-Epsilon = 1,42 dan C2-Epsilon = 1,68 serta swirl factor = 0,07.
• Materials: Tahapan ini pemilihan material yang digunakan serta memasukkan data-data properties material tersebut. Material yang digunakan adalah udara, density 1,225 kg/m³ dan viscosity 1,7894x10^-5 kg/m.s
• 5. Operating conditions: Merupakan perkiraan kondisi daerah operasi, biasanya diasumsikan tekanan daerah operasi 1 atm.
• 6. Boundary conditions: Merupakan penentuan parameter dan batasan pada aliran, dengan pemberian beban kecepatan, tekanan maupun kondisi batas turbulensi pada inlet, outlet serta kondisi pada wall. Kondisi batas inlet adalah kecepatan sebesar 15 m/s (Re_c = 3,5 x 10⁵) dengan arah kecepatan masuk sesuai besarnya angle of attack (α). Kondisi batas outlet adalah outflow. Kondisi batas dinding arah span simetris dan arah pitch periodik transversal.
• 7. Solution: Tahap penyelesaian masalah berupa proses iterasi hingga mencapai convergence criterion yang diinginkan, yaitu minimal 10^-5.
• 8. Postprocessing: Merupakan tampilan hasil yang telah diperoleh, berupa pathlines dan kontur isototal static pressure.

3 HASIL-HASIL PENELITIAN

Secara kualitatif struktur aliran diwakili pathlines dan distribusi isototal static pressure. Gambar (3.a) merupakan pola pathlines permukaan flat surface pada α = 4⁰. Posisi saddle point sangat dekat leading edge karena momentum aliran mampu membawa fluida mendekati wing. Kurva imprint horseshoe vortex atau separation line relatif sempit. Ini menandakan kecepatan arah longitudinal lebih besar daripada kecepatan arah lateral meskipun defisit momentum bertambah karena adverse pressure gradient. Akibatnya gradien kecepatan dan wall shear stress arah longitudinal lebih besar dan menghasilkan defleksi kecil. Pada \(\alpha = 8^{\circ}\), Gambar (3.b). terlihat lokasi saddle point menjauhi leading edge dan imprint horseshoe vortex melebar. Ini karena aliran menghadapi naiknya adverse pressure gradient sehingga defisit momentum aliran bertambah besar. Dampaknya kecepatan arah longitudinal turun diikuti bertambahnya kecepatan arah lateral. Akibatnya terbentuk gradien kecepatan dan wall shear stress arah lateral bertambah

denagn menciptakan defleksi orientasi boundary layer bertambah besar.

Pada \(\alpha=12^{0}\), Gambar (3.c), kondisi aliran menghadapi naiknya adverse pressure gradient dan gaya viscous lebih kuat. Akibatnya defisit momentum bertambah besar dan diikuti turunya kecepatan longitudinal dan bertambah kecepatan lateral dengan menciptakan gradien kecepatan dan wall shear stress arah lateral semakin besar. Dampaknya imprint horseshoe vortex semakin lebar. Titik separasi bergerak maju merndekat maximum thickness. Pada \(\alpha=16^{0}\), Gambar (3.d), telihat rangkaian singular point lebih komplek dimana tercipta saddle point, dua node, half-saddle dan backward saddle point. Hal Ini menandakan aliran sangat komplek.

Gambar 3 Pola pathline pada flat surface

Topologi aliran permukaan plat datar pada \(\alpha=4^0\) sampai \(\alpha=16^0\) seperti Gambar (4). Pada \(\alpha=4^0\), Gambar (4.a) aliran didominasi horseshoe vortex, posisi saddle point sangat dekat leading edge dengan kaki horseshoe vortex menjauhi permukaan wing dan wall. Pada pressure side (PS) aliran total terseparasi, dengan diikuti half-saddle bergeser menuju maximum thickness trailing edge (TE). Topologi aliran pada \(\alpha=8^0\), Gambar (4.b), terjadi pergeseran saddle point menjauhi leading edge dan imprint horseshoe vortex bertambah lebar. Tercipta half node hasil dari transformasi half saddle pada posisi menuju thickness maksimum. Pada \(\alpha=12^0\), Gambar (4.c), daerah bagian downstream terbentuk spiral point, half node dan backward saddle. Ini menandakan tercipta struktur aliran jauh lebih komplek.

Gambar 4 Limiting streamline pada flat plate

Topologi aliran pada \(\alpha = 16^{\circ}\), Gambar (4.d), terjadi erbahan posisi saddle point semakin menjauh dari tang edge dan separation line membuka lebih lebar. The suction side (SS), titik separasi bergerak menuju tanum thickness. Menjauhnya saddle point karena erngkatan adverse pressure gradient, sedangkan erbarnya separation line karena defleksi orientasi taning boundary layer membesar.

distribusi isototal static pressure melebar menjauh dari permukaan wall dan wing. Diduga efek blockage karena stretching dari horseshoe vortex bertambah besar, sehingga menciptakan distribusi isototal static pressure bertambah lebar. Pada \(\alpha = 12^0\) dan \(\alpha = 16^0\), Gambar (5.c), daerah distribusi isototal static pressure semakin membesar pada SS maupun PS. Ini menandakan vortex stretching bertambah besar.

Gambar 5 Isototal static pressure, x/c = 10/12

Gambar (5) merupakan kontur isototal static pressure didasarkan kecepatan aksial karena perubahan \(\alpha\) untuk lokasi x/c = 10/12, yaitu 10 cm di depan TE. Pada \(\alpha\) = \(4^{\circ}\). Gambar (5.a), distribusi isototal static pressure relatif sempit sekitar corner region. Ini menandakan daerah kecepatan aksial terpengaruh blockage relatif sempit. Pada \(\alpha\) = \(8^{\circ}\), Gambar (5.b), terjadi perubahan pola

Gambar 6 Isototal static pressure, x/c = 12/12

Gambar (6) merupakan kontur isototal static pressure untuk x/c = 12/12, yaitu tepat trailing edge. Pada \(\alpha = 4^{0}\), Gambar (6.a), distribusi isototal static pressure sekitar corner baik pada SS maupun PS. Ini disebabkan kecepatan aksial terpengaruh blockage hanya sekitar interaksi wall dengan wing. Pada \(\alpha = 8^{0}\), Gambar (6.b) terjadi perubahan distribusi isototal static pressure

melebar menajuhi-permukaan wall dan wing karena efek blockage bertambah besar. Pada \(\alpha=12^0\), Gambar (6.c), distribusi isototal static pressure semakin membesar baik pada SS maupun PS. Blockage semakin kuat, menandakan vortex stretching mebesar. Pada \(\alpha=16^0\), Gambar (6.d), distribusi isototal static pressure menjauh dari permukaan wall dan wing karena blockage akibat vortex stretching semakin besar.

\(\alpha=12^0\), Gambar (7.c), distribusi kurva isototal static pressure semakin melebar baik pada SS maupun PS. Pada \(\alpha=16^0\), Gambar (7.d), pola distribusi isototal static pressure semakin lebar menajuh dari permukaan wall dan wing. Diduga kondisi ini karena efek blockage akibat vortex stretching semakin besar. Ini bisa diartikan inti vortex mebesar sehingga menciptakan blockage lebih kuat dan sangat menggangu aliran utam (main flow)

Gambar 7 Isototal static pressure, x/c = 13/12

Gambar (7) merupakan kontur isototal static pressure pada x/c = 10/12. Pada \(\alpha = 4^0\), Gambar (7.a), distribusi isototal static pressure relatif sempit sekitar corner baik pada SS maupun PS. Pada \(\alpha = 8^0\) Gambar (7.b) terjadi perubahan distribusi isototal static pressure lebih melebar menajuhi permukaan wall dan wing. Efek blockage akibat vortex stretching bertambah besar. Pada

Gambar 8 Isototal static pressure, x/c = 16/12

Gambar (8) merupakan kontur isototal static pressure untuk x/c = 16/12. Pada \(\alpha = 4^0\), Gambar (8.a), distribusi kontur isototal static pressure sekitar corner baik pada SS maupun pada PS, ini akibat kecepatan aksial yang terpengaruh efek blockage pada daerah sangat dekat corner region. Kondisi ini sebagai indikasi stretching dari horsesohe vortex relatif kecil pada daerah sangat

etat corner region. Pada \(\alpha=8^{\circ}\), Gambar (8.b) terjadi etatahan pola distribusi isototal static pressure lebih etatahan pola distribusi isototal static pressure lebih blockage akibat stretching dari horseshoe vortex etambah besar. Pada \(\alpha=12^{\circ}\), Gambar (8.c), daerah terpensure saik pada SS maupun PS, ini karena daerah etatahan aksial terpengaruh efek blockage bertambah etatah ini menunjukkan stretching dari horsesohe bertambah besar sehingga blockage semakin kuat. Pada \(\alpha=16^{\circ}\), Gambar (8.d), distribusi isototal static melebar menajuhi permukaan wall dan wing.

Secara eksperimen apa yang telah ditemukan dalam[1, 5-[4] dan kajian numerik [2-4, 16, 18-19] menghasilkan pemahaman bahwa aliran melalui obstacle adalah penelitian Sebagaiman kajian complicated. ditunjukkan pola pathline dan isototal static pressure berubah karena perubahan angle of attack. Penjelasan analisa pola pathline dan interpretasi topologi struktur aliran telah menunjukkan bahwa membesarnya angle of arack menyebabkan terjadi perubahan struktur aliran secara significan denagn ditandai menjauhnya posisi saddle point dan semakin membuka lebarnya separation line. Selain itu dapat dilihat adanya proses evolusi dan transformasi singular point karena membesarnya angle of attack dari half-node menjadi saddle atau sebaliknya dan terbentuk rangkaian singular point sangat komplek.

Distribusi isototal static pressure merepresentasikan kondisi aliran bisa dilihat secara kulitatif bahwa struktur aliran saat menghadapi obstacle akan membentuk horseshoe vortex system dengan kaki-kaki pada daerah downstream akan meinggalkan permukaan wall dan wing. Ini telah terlihat dari perubahan distribusi dimana pada empat lokasi peninjauan terlihat semakin menuju downstram distribusi bertambah lebar. Pada lokasi sama, dengan bertambahnya angle of attack maka menciptakan vortex stretching makin besar, ditandai semakin lebarnya daerah distribusi isototal static pressure

4 KESIMPULAN

Pola pathlines dan topologi pada flat surface telah diketahui bahwa membesarnya angle of attack menjadikan pola aliran lebih komplak. Hal ini ditandai terbentuknya rangkaian singular point dan tranformasi critical point yang menentukan stabilitas aliran. Adanya perubahan singular point berarti terjadi tranformasi dan evolusi titik-titik singular dengan adanya perubahan angle of attack. Kajian menggunakan computational fluid dynamics menunjukkan pola aliran yang hampir sama dengan hasil eksperimen. Bertambahnya angle of attack menjadikan posisi saddle point bergerak menjauhi leading edge dan imprint horseshoe vortex terbuka lebih lebar. Distribusi isototal static pressure berubah seiring bertambahnya \(\alpha\). Hasil simulasi dengan computational fluid dynamics diperoleh memerbesa α menjadikan pergeseran distribusi isototal static pressure semakin lebar dan blockage makin besar. Jika blockage sangat kuat maka mengganggu aliran utama dan akan membuat turunnya efesiensi kerja geometri.