pengaruh penambahan gangguan sisi...

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

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


49


50


51


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


66


68


70


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.

pengaruh penambahan gangguan sisi...

Documents