JURUSAN TEKNIK MESINFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

2011

SIDANG TUGAS AKHIRLABORATORIUM MEKANIKA DAN MESIN-MESIN FLUIDA

Dosen Pembimbing :Prof. Ir. Sutardi, M.Eng., Ph.D.

STUDI EKSPERIMEN DAN NUMERIK KARAKTERISTIK BOUNDARY LAYER TURBULEN PADA PELAT DATAR

BERALUR D-TYPE

Oleh :Izzatul fitrianiNRP. 2107100027

2

LATAR BELAKANG

o Diinginkannya aliran yang melewati suatu permukaan memiliki CD yang kecil.

Aplikasi :• Kereta api• Pesawat terbang• Kapal selam• Mobil • dll.

3

PENELITIAN TERDAHULU

Choi dan Fujisawa (1993)Singgle square groove• Ukuran alur = 10x10 mm• Rex = 0,6x105

Total penurunan nilai skin friction sebesar 1% jadi pengaruh terhadap penurunan drag kecil sehingga dapat diabaikan

3

PENELITIAN TERDAHULU

Elavarasan dkk (1996)Double square groove• Ukuran alur = 5x5 mm• Jarak alur = 100 mm• Reθ = 400 dan 1300

Nilai Cf mengalami penurunan secara drastis hingga harga Cf lebih kecil dibandingkan dengan smooth wall pada daerah setelah alur.

4

PENELITIAN TERDAHULU

Fuad (2005)

Penelitian tentang karakteristik drag pada permukaan flat plate yang diberi kekasaran jenis DVariasi ukuran D (d = s = b)2 mm, 4 mm, 6 mm, 8 mm, dan 10 mmVariasi reynolds number1.5x105, 1.8x105, dan 2.7x105

Hasil penelitian

Distribusi koefisien skin friction untuk semua jenis pelat datar untuk ketiga harga Re◊ , smooth wall; □, 2 mm; ∆, 4mm; x, 6 mm; Ж, 8 mm; o,10 mm.

• Harga koefisian skin friction (Cf) pada pelat beralur mengalami penurunan bila dibandingkan dengan harga koefisien skin friction smooth wall.

• Nilai Cf mengalami peningkatan seiring dengan peningkatan harga Reynolds Number.

5

PERUMUSAN MASALAH

Viscous fluid flow Terjadi shear stress (ada Cf)

Penambahan alur bujur sangkar

Penurunan nilai Cf

Muncul gradient tekanan (ada CP)Penurunan nilai CD total

6

TUJUAN PENELITIAN

Dengan cara mengukur :

• Gaya drag.

• Profil kecepatan.

• Pengamatan kualitatif denganmenggunakan software fluent.

Untuk mengamati dan mengetahui efek yang ditimbulkan olehadanya penambahan alur D-type terhadap karakteristik boundarylayer turbulen yang terjadi.

7

BATASAN MASALAH

• Fluida yang mengalir adalah udara dalam kondisi steady flow, incompresible flow dan uniform flow pada sisi upstream, dengan bilangan Reynolds berdasarkan momentum thickness = 536.

• Aliran yang diamati adalah kasus turbulent boundary layer.

• Penambahan pebble strip untuk mendapatkan aliran turbulen, daerah setelah pebble strip pada leading edge sepenuhnya turbulen.

• Kemungkninan terjadinya perpindahan panas dan efek kekasaran permukaan pada test section dapat diabaikan.

8

METODOLOGI PENELITIAN

• Bilangan Reynolds berdasarkan momentum thickness = 536• Variasi ukuran alur adalah 2 mm, 6 mm, dan 10 mm• Numerik dengan program fluent 6.3.26

SKEMA PENELITIANρ∞

U∞

μ

Wind Tunnel

Weight balance

Benda uji

Flow

9

BENDA UJI

Panjang : 240 mmPosisi alur pertama: 70 mm Posisi Pebble strip : 20 mmPanjang ekor : 20 mm

Dimensi alur d = s = b : 2 mm, 6 mm,

10 mmTebal : 20 mm

10

PERALATAN PENELITIAN

• Jenis : subsonic, open circuit wind tunnel

• Bentuk saluran uji : Dimensi total• Panjang : 1780 mm• Tinggi : 660 mm• Lebar : 660 mm

WIND TUNNEL

SPESIFIKASI

11

ALAT UKUR

Total pressure tube denganmikrometer

Manometer Inclinedφ = 0,7 mm

Weight balance

12

METODE PENELITIAN

o Metode eksperimen

o Metode numerik

12

METODE PENELITIAN

Metode Eksperimen

o Pemasangan benda kerja pada wind tunnel.

o Set-up alat ukur penelitian.

o Pengukuran distribusi kecepatan di atas pelat datar.

o Pengukuran gaya drag.

13

METODE PENELITIAN

Metode Numeriko Pre-processing

• Membuat model• Membuat mesh• Penetapan jenis material• Menentukan operating dan boundary condition.

o Set-up alat ukur penelitian• Menggunakan second order untuk pressure, second

order upwind untuk mommentum, turbulent kinetic energy, dan turbulent dissipation rate.

o Post-processing• Menampilkan hasil analisa berupa grid display, pelat

kontur, dan grafik.

13

METODE NUMERIK

Meshing

Alur d/T = 0,1 Alur d/T = 0,3 Alur d/T = 0,5

13

METODE NUMERIK

Boundary Condition

14

FLOWCHART PENELITIAN

selesai

Pembahasan dan kesimpulan

Studi pustaka Persiapan bahan uji dan peralatan uji

mulai

Perumusan masalah

analisa

numerik

Pemodelan grid

Pemodelan dengan fluent 6.3

Post processing

eksperimen

Pemodelan aliran wind tunnel

Pengambilan data

13

HASIL DAN ANALISA PENELITIAN

o Grafik Profil kecepatan (u/U vs y/δ) eksperimen dan numerik

o Profil kecepatan rata-rata (u+ vs y+)o Shape factor vs d/To Grafik Cf vs d/To Distribusi Cp di dalam aluro Grafik wake pada 4T di belakang bodyo Grafik CD vs d/To Visualisasi kontur kecepatano Visualisasi kontur tekanan statiso Visualisasi vektor kecepatan di dalam alur

13

GRAFIK PROFIL KECEPATAN

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

upstreamsmooth wallalur 2 mmalur 6 mmalur 10 mm

y/δ

u/U

Profil kecepatan (u/U vs y/δ) eksperimen

Profil kecepatan (u/U vs y/δ) numerik

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

upstreamsmooth wallalur 2 mmalur 6 mmalur 10 mm

y/δ

u/U

13

PROFIL KECEPATAN RATA-RATA

Profil kecepatan rata-rata (u+ vs y+) eksperimen

0

10

20

30

40

50

60

1 10 100 1000

alur 10 mm

clauser chart

alur 6 mm

clauser chart

alur 2 mm

clauser chart

SW

clauser chartu+

y+

13

SHAPE FACTOR vs d/T

Shape factor vs d/T upstream

Shape factor vs d/T downstream

1.10

1.20

1.30

1.40

1.50

1.60

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

eksperimen

d/T

H

1.10

1.20

1.30

1.40

1.50

1.60

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60

eksperimen

d/T

H

13

GRAFIK Cf vs d/T

Cf vs d/T upstream

Cf vs d/T downstream

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.000 0.200 0.400 0.600

eksperimenNumerik

d/T

Cf

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600

eksperimenNumerik

d/T

Cf

13

DISTRIBUSI Cp DI DALAM ALUR

Cp vs d/T (upstream dandownstream)

Cp vs x/T (base)

-1.0

-0.9

-0.8

-0.7

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.00.0 0.2 0.4 0.6

Cp downstream d/T = 0,5 Cp upstream d/T = 0,5

Cp downstream d/T = 0,3 Cp upstream d/T = 0,3

Cp downstream d/T = 0,1 Cp upstream d/T = 0,1

Cp

y/T

Cp

y/T

-1.0

-0.9

-0.8

-0.7

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.03.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4

Cp base d/T = 0,5 Cp base d/T = 0,3

Cp

x/T

13

WAKE

Grafik wake dari metode eksperimen untuk pelat datar beralur d/T = 0,5 dan smooth wall.

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

alur 10 mm

smooth wall

y/H

u/U

13

GRAFIK CD vs d/T

Grafik CD vs d/T

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60

Coefficient Drag

d/T

d/T

No. Pelat datarReynolds

number (Reθ)(CD)

1. tanpa alur 536 0,00668

2. alur 2 mm 536 0,00782

3. alur 6 mm 536 0,01336

4. alur 10 mm 536 0,00867

Tabel CD pelat datar

13

KONTUR KECEPATAN

Kontur kecepatan pada smooth wall

Kontur kecepatan pada pelat beralur d/T = 0,1

Kontur kecepatan pada pelat beralur d/T = 0,3

Kontur kecepatan pada pelat beralur d/T = 0,5

13

KONTUR TEKANAN STATIS

Kontur tekanan statis pada smooth wall

Kontur tekanan statis pada pelat beralur d/T = 0,1

Kontur tekanan statis pada pelat beralur d/T = 0,3

Kontur tekanan statis pada pelat beralur d/T = 0,5

13

DETAIL KONTUR TEKANAN STATIS

Detai kontur tekanan statis di dalam alur pertama

• DETAIL A d/T = 0,1• DETAIL B d/T = 0,3• DETAIL C d/T = 0,5

13

VEKTOR KECEPATAN

Vektor kecepatan di dalam alur pertama pada pelat datar beralurd/T = 0,1

13

VEKTOR KECEPATAN

Vektor kecepatan di dalam alur pertama pada pelat datar beralurd/T = 0,3

13

VEKTOR KECEPATAN

Vektor kecepatan di dalam alur pertama pada pelat datar beralurd/T = 0,5

16

PERBANDINGAN HASIL PENELITIAN

Peneliti Reθ

Cf/Cfo Drag (CD) Bentuk

Peningkatan Penurunan Peningkatan Penurunan alur

Pearson et. al (1995) 1320 200% - - - Square

Nuch (2005) 995 4,30% - -

2% Square 1444 4,90% - -

Ronald (2005) 840 1,86% - 130% -

Square 1195 - 4% 350% -

Impron (2007) 710 1,17% - 51,78% -

Square 1370 1,32% - 28,16% -

Eris (2010) 1087 - 4,28% - 23,79% Square

Izzatul (2012)

536 - 0,79% 17,02% - Square (d/T = 0,1)

536 - 22,79% 99,99% - Square (d/T = 0,3)

536 - 1,2% 29,78% - Square(d/T = 0,5)

13

KESIMPULAN

o Penambahan alur bujur sangkar mengakibatkan harga CD meningkat, dimana peningkatan tertinggi pada pelat datar beralur d/T = 0,3.

o Penambahan alur pada pelat datar mengakibatkan penurunan harga Cf.o Distribusi Cp sepanjang pelat mengalami penurunan sepanjang pelat. Di

dalam alur harga Cp tertinggi pada sisi downstream atas alur.o Kontur kecepatan didalam alur menunjukkan adanya quasi stable vortex

pada setiap alur.o Kontur tekanan statis di dalam alur menunjukkan bahwa tekanan statis

pada downstream atas alur memiliki harga yang lebih tinggi.o Vektor kecepatan di dalam alur menunjukkan adanya secondary vortex

pada upstream dan dowstream bawah alur.o Distribusi shape vactor pada pelat datar beralur bujur sangkar relatif

mengalami penurunan pada pelat datar beralur dengan harga shape factor dowstream terendah pada smooth wall.

TERIMAKASIH

MOHON KRITIK SERTA SARAN DEMI KESEMPURNAAN PROPOSAL TUGAS AKHIR

17

KONSEP BOUNDARY LAYER

Perkembangan boundary layer pada pelat datar

dyUu

∫

−=

∞

δ

δ0

* 1

dyUu

Uu

−=

∞∞∫ 10

δ

θ

18

PERHITUNGAN TEGANGAN GESERPADA DINDING

Metode Clauser ChartData kecepatan rata-rata dari eksperimen

Plot grafik u+=f(logy+) dimana u+= ū/u* dan y+=y.u*/v

Untuk mendapatkan besarnya friction velocity (u*), grafik profil kecepatan rata-rata tersebutdidekati di daerah overlap region dengan clauserchart plot yang persamaannya sbb :

Dimana : k = 0.4 dan B = 5

Bv

yuku

u+

=

∗

∗ ln1

Menghitung tegangan geser padadinding dengan persamaan sbb :

19

LANGKAH KERJA PENGAMBILAN DATA

Skema pengambilan data

Persiapan peralatan

Pemasangan benda uji pada wind tunnel

Pengukuran tekanan stagnasi di atas pelat datar

Perubahan posisi benda uji pada wind tunnel

Pengukuran gaya drag dengan weight balance

Mengganti benda uji dengan ukuran alur yang berbeda

Melakuakan pengukuran seperti penggukuran sebelumnya

Simulasi numerik dengan fluent

ρ∞

U∞

μ

Wind Tunnel

Weight balance

Benda uji

Flow

20

LANGKAH KERJA PERHITUNGAN PENGAMBILAN DATA

Pengambilan kecepatan freestream pada Reθ = 536

Pengukuran kecepatan di atas pelat datar

Pengukuran Pstagnasi untuk masing-masing titik

Cf = τw / 0,5 × ρ × U2

Perhitungan gaya drag

Pengukuran dengan menggunakan weight balance

Plot grafik Cf=f(d/T)

Cd =

Plot grafik Cd=f(d/T)

Pembuatan model dan meshing pada gambit

Menjalankan model pada software fluentPengolahan data