pengaruh perubahan sudut butterfly valve · pdf filealiran fluida yang melalui suatu permukaan...

Vol. 1, No. 1, November 2009 ISSN : 2085-8817

DINAMIKA Jurnal Ilmiah Teknik Mesin

9

PENGARUH PERUBAHAN SUDUT BUTTERFLY VALVE TERHADAP POLA ALIRAN PADA DOWNSTREAM KATUP

Muhammad Hasbi

Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Haluoleo, Kendari

E-mail: [email protected]

Abstrak

Dalam dunia industri penggunaan katup sangat banyak digunakan sebagai kelengkapan sistem perpipaan. Masalah yang sering dijumpai saat pengoperasian katup yaitu berbagai pola aliran terjadi akibat perbedaan sudut katup. Pengamatan telah dilakukan dengan menggunakan metode visualisasi numerik dengan software CFD Fluent 6.2. Pengamatan bertujuan untuk mengetahui perubahan pola aliran yang melalui katup kupu-kupu berdiameter 50 mm dengan variasi angka Reynolds 1,1x105 sampai 1,5x105 dan variasi sudut penutupan katup mulai 0o sampai 50o . Hasil yang diperoleh memperlihatkan bahwa semakin besar penutupan katup pola aliran berubah dan membentuk pusaran yang besar. Angka Reynolds hanya berpengaruh pada besarnya vektor kecepatan pada tiap-tiap posisi sudut katup. Aliran kembali seragam saat mencapai jarak lebih besar dari 5D.

Abstract

In industrial applications, valves have been used widely in piping system. The problem encountered in operation valves is various pattern of flows occurred in and downstream valve side with respect to different valves angel. Experiments was conducted by using numerical visualization with software CFD Fluent 6.2. The Objective of this work is to investigate phenomena flow pattern change in flow passing through butterfly valve with a diameter of 50 mm. Experiments were conducted by varying Reynolds number from 1,1x105 to 1,5x105 and disc angel from 0o to 50o. The results investigated it was shown that , as the closing of the valve increases, flow pattern is change and vortices is grow. Reynolds number only influence at vector velocity on each valve angles. The flow pattern will be uniform when the distance is at bigger then 5D.

Keywords : valve, flow pattern, visualization, numerical, Fluent 6.2

1. Pendahuluan

Aliran fluida yang melalui suatu permukaan yang melengkung akan mengalami perubahan kecepatan disepanjang permukaannya. Aliran tersebut dapat diperlakukan sebagai aliran potensial, yaitu aliran irrotasional dimana komponen kecepatan dapat diturunkan dari fungsi potensial kecepatan. Dengan menetapkan kondisi fluida incompressible dan aliran irrotational, maka persamaan Bernoulli dapat diterapkan pada aliran tersebut.

Sebuah benda yang dilewati aliran dapat diklasifikasikan sebagai bluff body dan streamlined body yang didasarkan atas karakteristik aerodinamika di sekeliling benda tersebut. Pada aliran di sekeliling bluff body, separasi massive terjadi tanpa reattachment. Sedangkan aliran di sekitar streamlined body berdekatan. Pada benda yang sama dapat bekerja

sebagai streamlined body maupun bluff body tergantung pada orientasi aliran yang melalui benda tersebut.

Gaya hambat pada bluff body didominasi oleh pressure drag sedangkan pada streamlined body umumnya didominasi oleh skin friction drag. Perbedaan pressure drag di antara kedua benda tersebut menyebabkan perbedaan gaya hambat yang besar.

Silinder sirkular adalah salah satu contoh dari bluff body dua dimensi. Meskipun geometrinya relatif sederhana, aliran yang melintasinya akan menjadi kompleks dan senantiasa berubah seiring dengan berubahnya bilangan Reynolds. Pada aliran melintasi silinder sirkular, fluida memberikan gaya drag pada permukaan akibat efek viscous. Gaya hambat yang timbul akibat perbedaan tekanan pada arah normal terhadap permukaan tersebut dikenal sebagai pressure drag dan bila tangensial terhadap permukaan disebut skin friction drag.



10

Bila aliran fluida mengalir pada suatu permukaan dengan profil melengkung (sb.x adalah sumbu sepanjang permukaan, sb.y sumbu yang tegak lurus sumbu x), dimana jari-jari kelengkungan jauh lebih besar daripada ketebalan lapis batas, maka aliran fluida akan dipercepat hingga kecepatan maksimum pada titik C, pada titik ini tekanannya minimum. Pada Gambar 1, setelah melalui titik C aliran akan diperlambat dan gradien tekanannya bertambah. Momentum aliran (yang dapat direduksi menjadi gaya tekan) pun semakin berkurang, yang mana setelah mencapai titik D harga ∂u/∂y pada permukaan lengkung menjadi nol. Keadaan aliran tidak mampu melawan gradien tekanan yang semakin membesar, sehingga aliran fluida menjadi terpisah dari permukaan lengkung.

Gambar 1. Profil Kecepatan Aliran melintasi Silinder Silkular

Titik tempat terpisahnya aliran fluida dari

permukaan lengkung disebut titik separasi. Perbedaan tekanan ∂p/∂x sangat berpengaruh terhadap fluida yang terletak dekat dengan permukaan disebabkan pada daerah ini fluida memiliki momentum yang lebih rendah dibandingkan fluida diatasnya/diluar, sehingga ketika momentum berkurang terus oleh gaya tekan, fluida di dekat pemukaan cepat terbawa menjadi diam. Harga ∂u/∂y pada permukaan D = 0, lebih jauh lagi pada titik E aliran didekat permukaan telah benar-benar terbalik dan fluida sudah tidak mampu lagi mengikuti kontur permukaan, sehingga menjauh. Peristiwa pemisahan sebelum akhir dari permukaan disebut separasi, dan hal ini terjadi pertama kali pada titik saat harga

00

yyu . Keadaan karena pengurangan kecepatan

di lapis batas dan ditambah dengan adanya gradien tekanan yang melawannya. Garis kecepatan nol terpisah ke depan dan aliran balik meninggalkan permukaan pada titik separasi disebut steamlines separasi. Pada lapis batas laminer separasi mudah terjadi, hal ini disebabkan di dalam lapisan laminer jarak dari permukaan lebih kecil dan adverse pressure gradient lebih siap menghadang gerak dari fluida di permukaan. Lapisan turbulen lebih dapat bertahan dari adverse

pressure gradient sehingga aliran dapat mengikuti permukaan lebih jauh.

Salah satu contoh aplikasi dari aliran yang melalui benda bentuk silinder adalah aliran yang melalui katup kupu-kupu. Dimana bentuk disk katup berbentuk silinder. Katup kupu-kupu sangat banyak digunakan dalam bidang industri saat ini. Tujuan penggunaan katup diantaranya adalah untuk mengendalikan laju aliran. Dalam pengoperasian katup pada saat membuka atau menutup akan terjadi perbedaan tekanan yang besar pada bagian upstream dan downstream katup. Pembangkit listrik mikrohidro misalnya, untuk mengatur laju aliran dalam sebuah penstock menggunakan katup kupu-kupu untuk mengatur debit air yang masuk dalam turbin. Akibat dari proses membuka dan menutupkan katup, maka pada bagian downstream katup sering terjadi kerusakan.

Dalam mendesain suatu katup kupu-kupu, sangat penting untuk mengetahui karakteristik/ciri-ciri dari aliran-aliran di dalam katup tersebut. Sebagai tambahan untuk koefisien aliran, ada poin-poin lain yang harus dipertimbangkan suatu pabrik. Sebagai contoh, kavitasi yang terjadi pada tekanan lokal yang rendah harus dihindari karena kavitasi menyebabkan kebisingan dan vibrasi selama pengoperasian suatu katup kupu-kupu. Untuk suatu operasi jangka panjang, mungkin menyebabkan kerusakan serius pada suatu sistem perpipaan.

Di masa lalu, sangat sulit untuk dilakukan pengamatan secara detail mengenai aliran di dalam suatu katup, karena bentuk yang tidak transparan. Informasi mengenai penampilan katup diperoleh dari pengukuran-pengukuran tekanan dan laju aliran. Dengan kemajuan teknologi saat ini khususnya dengan perkembangan perangkat lunak CFD hal tersebut bukan menjadi kendala . Chern dan Wang (2003) mengamati visualisasi aliran turbulen dalam suatu katup bola secara eksperimen dan numerik dengan software STAR-CD untuk mengamati loss coefficient, flow coefficient dan cavitation number. Dari kedua metode tersebut adalah menunjukkan kecenderungan yang sama. Ota dan Itasaka mengukur distribusi tekanan permukaan di balik suatu body tumpul untuk memahami struktur dari peredaran ulang/ recirculation. Hasbi (2009) mengamati perubahan distribusi tekanan sepanjang pipa pada aliran yang melalui katup kupu-kupu dengan menggunakan software Fluent 6.2.

Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk mengamati karakteristik-karakteristik aliran dan pola-pola aliran pada daerah downstream katup kupu-kupu melalui metode numerik dengan menggunakan software Fluent 6.2. Pengamatan dilakukan dengan membuat model katup kupu-kupu berdiameter 50 mm dalam beberapa posisi sudut penutupan katup yaitu 500, 400, 300, 200, 100 dan 00 (fully open) dengan bantuan software Gambit. Kemudian aliran yang diamati merupakan aliran turbulen dengan angka Reynolds 1,1 x 105 sampai 1,5 x 105. Fluida yang digunakan dalam



11

penelitian ini adalah air. Daerah pengamatan mulai dari saat aliran melintasi katup hingga jarak 6D pada downstream katup.

2. Metode Penelitian

Perangkat lunak Computational Fluid Dynamics (CFD) yang digunakan dalam penelitian numerik ini adalah program Fluent 6.2.16. Langkah-langkah dalam penggunaan CDF adalah sebagai berikut: 1. Membuat geometri dan mesh pada model. Pada tahap

ini model prototype digambar dengan software Gambit sebanyak variasi bukaan katup. Gambar 2 memperlihatkan gambar katup kupu-kupu dan prototype yang telah dimeshing.

2. Menentukan models. Dalam simulasi ini digunakan solver 3D (double precision), segregated, implicit, stedy. Model turbulen yang dipakai adalah k-ε standard (Cµ = 0,09, C1ε = 1.44, C2ε = 1.92, σε = 1 dan σk = 1,3)

3. Menentukan materials. Material yang digunakan adalah air pada temperature 32 oC.

4. Menentukan operating conditions. Dalam penelitian ini kondisi daerah operasi disetting pada tekanan nol pascal.

5. Menentukan Boundary conditions. Penentuan kondisi batas dari pemodelan ini sebagaimana pada Tabel 1. Gambar 4 menunjukkan Boundary Conditions.

Tabel 1. Kondisi batas pemodelan

Zone Type Inlet Velocity inlet

Outlet Pressure Outlet Pipe surface Wall Disk valve Wall

6. Menentukan solution. Dalam tahap ini dilakukan iterasi hingga mencapai harga konvergen yang diinginkan.

7. Melakukan postprocessing. Tahap ini merupakan penampilan hasil iterasi dan menganalisa hasil yang didapatkan

a. Katup Kupu-kupu

b. Meshing katup kupu-kupu

Gambar 2. Prototip katup kupu-kupu yang telah dimeshing

Gambar 3. Boundary condition

inlet

Pipe surface

Disk valve

outlet



12

separasi pertama separasi kedua aliran balik

daerah pemulihan aliran

aliran balik

3. Hasil dan Pembahasan

Pada penelitian ini, simulasi numerik dilakukan

untuk mengamati perubahan aliran fluida yang mengalir melalui berbagai berubahan penutupan katup. Gambar 3 menunjukkan domain komputasi dan Boundary condition yang diterapkan dalam pemodelan penelitian ini. Faktor utama dalam pembentukan pola aliran yang terjadi sangat bergantung pada angka Reynolds (Re), orientasi dan bentuk geometri katup. Berikut adalah perbedaan pola aliran pada tiap-tiap perubahan posisi penutupan katup yang diambil pada Re = 1,5x105.

Saat posisi katup 0o (fully open)

Besarnya kecepatan aliran yang melalui kedua sisi katup adalah sama. Sehingga pada posisi ini streamline yang terbentuk simetris seperti tampak pada Gambar 4.

(a) Profil kecepatan aliran yang melalui katup

(b) aliran balik yang terjadi di belakang katup Gambar 4. Vektor kecepatan saat katup terbuka

penuh ( sudut 0o) Saat aliran berada pada jarak 1D upstream aliran

terlihat uniform sifat aliran turbulen berkembang penuh (fully developed). Saat aliran mencapai leading edge dari disk katup, aliran terganggu oleh geometri disk katup sehingga aliran mencari kondisi keseimbangan barunya, menyebabkan aliran mengalami separasi pertama pada tepi disk katup. Hingga aliran mencapai titik tengah disk katup kecepatan semakin meningkat, saat itu tekanan mencapai tekanan minimum, sehingga separasi kedua terjadi. Pada daerah downstream katup tepat di belakang Ujung disk katup terjadi aliran balik (backflow) yang membentuk sepasang vortek. Hal ini

terjadi karena pada daerah tersebut kecepatan aliran sangat rendah dan terjebak diantara dua freestream dari sisi disk katup, seperti diperlihatkan pada Gambar 4b. Saat Posisi katup 10o

Separasi terjadi pada ujung tepi disk katup. Pada posisi ini garis alir yang terbentuk tidak lagi simetris akibat perubahan sudut katup. Aliran balik terbentuk pada bagian atas disk katup disebabkan karena aliran pada permukaan disk katup yang kecepatannya rendah kemudian terhalang oleh poros disk katup yang melengkung sehingga tidak mampu menembus aliran freestream sehingga menyebabkan aliran balik. Pada sisi downstream katup masih terjadi pusaran akibat adanya aliran berkecepatan rendah terjebak diantara dinding disk katup dan dua freestream yang berkecepatan tinggi. Fenomena tersebut seperti terlihat pada Gambar 5a.

(a) Profil kecepatan aliran yang melalui katup

(b) Aliran balik yang terjadi di belakang katup

Gambar 5. Vektor kecepatan aliran saat aliran melalui katup sudut 10

Pada jarak tertentu dari tepi disk katup arah

downstream merupakan daerah pemulihan aliran (reattaching area) kemudian setelah itu pada jarak tertentu aliran akan memasuki daerah pengembangan kembali (redeveloping area). Gambar 6 memperlihatkan pusaran aliran di daerah downstream katup pada jarak 0,6D. Struktur aliran yang terbentuk akibat perubahan orientasi disk katup menyebabkan pusaran yang terjadi pada downstream katup tidak simetris lagi seperti pada saat sudut katup 0o Gambar 6a. Sementara pada posisi penutupan katup 10o pusaran yang terjadi hanya pada sebagian sisi katup seperti

separasi

aliran balik aliran balik daerah pemulihan aliran



13

terlihat pada Gambar 6b. Pusaran terjadi disebabkan karena saat aliran melewati disk katup, aliran mengalami penyebaran arah lintasan karena dipaksa memenuhi daerah yang lebih luas. Setelah aliran melalui poros katup yang permukaannya melengkung, aliran yang berada dekat dengan permukaan disk katup arah downstream mempunyai kecepatan sangat rendah tidak dapat menembus aliran yang jauh dari permukaan katup.

(a) bentuk pusaran pada sudut katup 0o (b) bentuk pusaran pada sudut penutupan katup 10o Gambar 6. Perbedaan pola aliran antara sudut

katup 0o dengan 10o dilihat pada penampang pipa jarak 0,6D arah downstream.

Saat Posisi katup 20o

Pada sudut penutupan katup 20o terjadi peningkatan kecepatan aliran pada kedua sisi katup. Hal ini disebabkan karena terjadinya pengecilan penampang pipa. Struktur aliran yang melalui katup diwakili oleh vektor kecepatan sebagaimana dilihat pada Gambar 7. Fenomena yang dapat dilihat adalah separasi aliran terjadi pada tepi disk katup yang menyebabkan kecepatan streamline aliran meningkat. Aliran balik masih terlihat di dua lokasi yaitu pertama di permukaan disk katup arah downstream dan kedua di belakang disk katup arah downstream. Gambar detail seperti terlihat pada Gambar 7b. Profil kecepatan saat aliran melalui katup seperti dilihat pada Gambar 7a. Aliran balik

masih terlihat setelah aliran melalui daerah menyempitan. Akibat penyempitan gradien kecepaatan di dekat dinding pipa meningkat menyebabkan tekanan pada lokasi itu turun.

(a) profil kecepatan saat sudut penutupan katup 20o

(b) pusaran pada jarak 0,6D downstream Gambar 7. Vektor kecepatan pada saat sudut

penutupan katup 20o Saat Posisi Katup 30o

Separasi terjadi pada tepi disk katup saat terjadi pengecilan penampang antara dinding pipa dan disk katup. Sehingga sesuai dengan hukum kontinuitas bahwa aliran yang melalui pipa mempunyai debit yang sama maka kecepatan pada saat itu akan mengalami peningkatan. Pada gambar ditandai dengan garis vektor yang semakin menebal yang menandakan pada posisi tersebut kecepatan tinggi.

Aliran balik seperti yang terjadi pada tiga sudut sebelumnya masih terlihat pada kondisi ini. Hanya saja fenomena yang berubah terlihat pada belakang disk katup arah downstream. Saat sudut penutupan katup menjadi 30o aliran balik tidak membentuk pusaran

separasi

aliran balik aliran balik



14

separasi aliran balik daerah pemulihan aliran

sebagaimana pada sudut 20o, yang terjadi adalah aliran balik hanya menuju ke satu arah saja (Gambar 8a). Fenomena ini terjadi sebab pada posisi 30o aliran balik semakin dekat dengan daerah penyempitan penampang pipa arah downstream dimana pada posisi tersebut kecepatan aliran fluida tinggi sementara tekanannya rendah. Sehingga aliran balik cenderung mengarah ke daerah yang bertekanan rendah. Sementara pusaran yang terlihat pada penampang pipa pada jarak 0,6D downstream mempunyai pola yang sama dengan saat penutupan katup 20o, perbedaan hanyalah pada besarnya kecepatan.

(a) Profil kecepatan saat sudut penutupan katup 30o

(b) pusaran pada jarak 0,6D downstream Gambar 8. Vektor kecepatan saat sudut penutupan

katup 30o

Saat sudut katup 40o Daerah aliran balik pada awal melalui disk katup

terlihat membentuk pusaran yang semakin luas, sementara aliran balik di ujung katup arah downstream berubah menjadi re-entrant jet hingga pada jarak tertentu memasuki daerah pemulihan aliran. Untuk memperjelas fenomena aliran yang terjadi pada daerah dekat disk katup ditampilkan pada Gambar 9a. Fenomena yang terjadi secara visual sama dengan pada sudut 30o, yang berbeda hanyalah dari segi kuantitas yaitu besarnya kecepatan dan tekanan. Demikian pula halnya dengan pusaran yang terjadi pada sisi downstream jarak 0,6D terlihat semakin membesar seperti terlihat pada Gambar 9b. Daerah pancaran aliran dari sisi upstream dan downstream semakin mengecil akibat sudut penutupan katup yang semakin membesar.

(a) Profil kecepatan saat sudut penutupan katup 40o

(b) pusaran pada jarak 0,6D downstream Gambar 9. Vektor kecepatan saat sudut penutupan

katup 40o Saat sudut katup 50o

Ketika aliran melewati celah sempit, aliran akan mengalami penyebaran arah aliran karena aliran dipaksa untuk memenuhi daerah yang lebih luas dan bertekanan

aliran balik re-entrant jet

pusaran pusaran

pancaran aliran dari sisi downstream

re-entran jet

pancaran aliran dari sisi upstream

pusaran pusaran



re-entrant jet



15

aliran balik daerah kecepatan rendah

aliran balik

rendah. Fenomena ini akan selalu menimbulkan adanya separasi aliran pada daerah penyempitan, re-sirkulasi aliran dan re-entrant jet hingga mencapai daerah pemulihan aliran pada lokasi tertentu di daerah downstream. Profil kecepatan pada saat aliran melalui disk katup sudut 50o ditampilkan pada Gambar 10. Fenomena aliran balik pada sudut katup 50o dapat diliat jelas pada Gambar 10. Aliran balik yang membentuk pusaran setelah aliran mengalami separasi 50o dapat diliat jelas pada Gambar 10b. Aliran balik yang membentuk pusaran setelah aliran mengalami separasi terlihat semakin besar.. Tepat di belakang disk katup terdapat daerah kecepatan rendah karena aliran hampir secara penuh ditutupi oleh disk katup. Jika melihat grafik distribusi tekanan sepanjang pipa (Gambar 10) maka pada daerah ini terjadi penurunan tekanan.

Gambar 10. Profil kecepatan saat sudut katup 50o

(a) Aliran balik saat melalui katup

(b) Aliran balik saat di downstream katup Gambar 11. Aliran balik yang terjadi pada saat

sudut katup 50o

Gambar 12. Pusaran pada penampang pipa jarak

0,6D downstream sudut penutupan katup 50o

Pusaran pada downstream

Bila diamati pada penampang arah downstream maka terlihat adanya pusaran aliran. Pada pembahasan ini pusaran diamati pada jarak 0,6D downstream katup. Gambar yang ditampilkan diambil dari arah pandang sumbu Z seperti yang terlihat pada gambar. Dengan berubahnya orientasi disk katup mempengaruhi pola aliran pada sisi downstream katup. Saat posisi katup fully open pusaran terbentuk di belakang katup. (Gambar 6a). Karena besarnya kecepatan aliran dikedua sisi katup sama maka pusaran yang terbentuk simetris. Fenomena yang berbeda terlihat ketika disk katup menutup 100, pusaran menjadi tidak simetris. Hanya dua pusaran yang terlihat yaitu pada sisi kiri dan kanan katup (Gambar 6b). Pusaran tersebut dipisahkan oleh free stream yang mengalir dari sisi upstream dan downstream katup. Semakin besar sudut penutupan katup maka pusaran yang terlihat semakin besar. Pusaran ini diduga sebagai aliran kedua (secondary flow). Hingga mencapai jarak lebih dari 5D downstream, saat aliran memasuki daerah pemulihan aliran, pusaran akan berangsur-angsur hilang dan kembali menjadi aliran seragam (uniform flow). Angka Reynolds tidak mempengaruhi bentuk pola aliran pada umumnya, tetapi hanya berpengaruh pada besarnya vektor kecepatan. 4. Kesimpulan dan Saran

Berdasarkan pengamatan hasil visualisasi numerik,

dapat dikatakan bahwa akibat perubahan orientasi disk katup menimbulkan fenomena pola aliran yang berbeda-beda. Angka Reynolds hanya berpengaruh pada besarnya vektor kecepatan aliran di sekitar katup. Pada semua perubahan sudut penutupan katup terdapat

re-entrant jet

pusaran

re-entrant jet

pusaran





16

adanya pusaran. Pusaran terlihat pada dua lokasi, yaitu satu pusaran terjadi saat melintasi bodi disk katup dan lainnya terjadi di belakang disk katup. Pusaran di belakang disk katup hanya terjadi pada sudut penutupan katup 00 – 200, setelah sudut penutupan katup berubah menjadi 300 pusaran berubah menjadi re-entrant jet. Hingga mencapai jarak lebih besar dari 5D downstream aliran akan memasuki daerah pemulihan aliran (reattaching area) hingga membentuk aliran seragam pada daerah pengembangan kembali (redeveloping area). Disarankan untuk mengamati pola aliran bila bentuk disk katup dibuat roundet. Hingga bisa dibandingkan dengan disk katup yang ujung disknya tumpul. Daftar Acuan

[1] Chern, M.J. dan Wang, C.C., “Flow

Visualization of Turbulento f Ball Valves”, Proceeding of PSFVIP-4, Chaminix, France (2003)

[2] Chern, M.J., Wang,C.C., Ma, C.H., “Performance Test and Flow Visualization of Ball Valve”, Submitted to Journal of Fluid Engineering. (2006)

[3] Hasbi, M., “Visualisasi Numerik Aliran Melalui Katup Kupu-Kupu”, Jurnal Metropilar edisi Juli, Fakultas Teknik Universitas Haluoleo, Kendari (2009)

[4] Munson, B.R, Young, D.F., dan Okisshi, T.H., “Dasar-dasar Mekanika Fluida”. Ed.empat, Erlangga. (2003)

[5] Smith, P. and Zappe, R.W, “Valve selection Handbook”, Fifth Edition, Gulf Professional Publishing is an Imprint of Elsevier Inc., USA, (2003)

pengaruh perubahan sudut butterfly valve · pdf filealiran fluida yang melalui suatu permukaan...

Documents