ta15 bab v metodologi eksperimen - · pdf filegambar 5.1 diagram rangkaian instrumen ......
TRANSCRIPT
35
Bab V Metodologi Eksperimen
Bab V
Metodologi Eksperimen
Proses eksperimentasi merupakan suatu seni tersendiri dalam dunia ilmu
terapan, karena sangat banyak teori ilmiah yang dihasilkan setelah melakukan
eksperimen di lapangan. Setiap eksperimen tentu harus mengikuti kaidah-kaidah
pelaksanaan yang baku yang dapat diterima oleh masyarakat ilmu pengetahuan,
sehingga data yang didapat merupakan hasil yang dapat dipertanggungjawabkan
secara ilmiah. Begitu juga dengan studi eksperimen aliran swirl dalam tabung ini.
Dalam Bab Metodologi Eksperimen ini akan dijelaskan secara rinci tentang
pelaksanaan eksperimen yang telah penulis lakukan di dalam laboratorium hingga
pelaporan hasil akhir yang menjadi sebuah laporan tugas akhir, meliputi alat yang
digunakan serta kalibrasi alat, persiapan ruangan dan terowongan angin, prosedur
eksperimen, teknik pengambilan data, dan metode pengolahan data.
5.1 Alat-alat
Pada eksperimen ini digunakan alat-alat dan beberapa model sistem sudu
pengarah yang diperlukan untuk proses pengukuran data. Semua komponen yang
diperlukan dirangkai secara integral dan menjadi satu kesatuan yang saling
memberi dan menerima sinyal-sinyal input dan output. Alat-alat yang digunakan
antara lain:
1. Terowongan angin
2. Unislide
3. Probe holder
4. Probe Lima Lubang
5. Transduser tekanan
6. Analog to Digital Converter (ADC)
7. Scanivalve, dan
8. Komputer kerja
36
Bab V Metodologi Eksperimen
Di laboratorium, perangkaian alat dan instrumen yang disebutkan diatas dapat
ditunjukkan oleh diagram berikut:
Terowongan Angin
Five hole probe Unislide Pressure Transducer
Output PC/Aerologger ADC
Gambar 5.1 Diagram Rangkaian Instrumen Eksperimen
Sedangkan model yang digunakan untuk eksperimen adalah beberapa buah
model sistem sudu pengarah aliran putar dengan besar sudut dan distribusi sudut
yang bervariasi. Perhatikan tabel berikut:
Tabel 5.1 Kode Penamaan Swirl Vanes pada Eksperimen
Bilangan swirl Sudut Sudut Kode geometrik pangkal ujung Distribusi
V018L 0,18 0° 20° linier V018K 0,18 15° 15° konstan V039L 0,39 0° 38° linier V039K 0,39 30° 30° konstan V068L 0,68 0° 53° linier V068K 0,68 45° 45° konstan
Dibawah ini ditampilkan salah satu model sudu pengarah yaitu V039K:
Gambar 5.2 Sudu Pengarah Aliran Putar Model V039K
37
Bab V Metodologi Eksperimen
Keseluruhan gambar dari tiap-tiap model dapat dilihat pada lampiran. Berikut ini
diuraikan karakteristik dari masing-masing alat yang digunakan.
5.1.1 Terowongan Angin
Pada eksperimen ini digunakan terowongan angin aliran putar jenis sirkuit
terbuka (open loop). Konfigurasi dan komponen yang digunakan tidak jauh
berbeda dengan terowongan angin pada umumnya, yaitu:
1. bellmouth
2. fan
3. screen
4. contraction
5. vanes holder
6. seksi uji
7. exhaust diffuser
8. support
Perangkat pendukung berupa swirler vanes, slider (unislide), dan inverter
juga digunakan pada terowongan angin ini. Skema terowongan angin putar secara
rinci dijelaskan pada gambar dibawah:
Gambar 5.3 Skema Terowongan Angin Aliran Putar
38
Bab V Metodologi Eksperimen
Spesifikasi terowongan angin ini adalah sebagai berikut:
panjang : 1566.2 mm
tinggi : 1309 mm
diameter inlet : 859.6 mm
fan : 400 mm dia., 10 bilah, 2 HP Power source
diameter seksi uji : 94 mm (dalam), 100 mm (luar)
sistem akuisisi data : Betz micromanometer, TSI Model 1050 data
converter Hot wire system, PC
Benda fisik terowongan angin putar yang digunakan dapat dilihat lebih jelas pada
gambar-gambar dibawah ini:
Gambar 5.4 Terowongan Angin Putar Tampak Depan Kiri
Gambar 5.5 Terowongan Angin Putar Tampak Kanan Belakang
39
Bab V Metodologi Eksperimen
Bellmouth
Merupakan bagian yang menyelubungi fan terowongan angin. Dibuat dari
kerangka kayu yang dilapisi dengan karton tebal. Kemudian untuk menguatkan
dan menghaluskannya, karton tersebut dilapisi kembali dengan dempul. Lubang-
lubang untuk sekrup M10 penyambung fan casing dibuat di sekeliling flange,
yang terbuat dari kayu (plywood) terdapat pada bagian belakang. Mempunyai
diameter inlet fan sebesar 400 mm dengan radius lengkungan 100 mm.
Fan
Komponen ini berupa kipas dengan 10 bilah yang dapat diatur sudut dan
putarannya. Sebagai sumber putaran digunakan motor listrik berkekuatan 2 HP
yang dipasang di dalam casing dengan sumbu yang sama tepat di belakang
konstruksi bilah. Modul ini mempunyai diameter 400 mm dengan panjang 420
mm terbuat dari baja (untuk casing) dan alumunium cor untuk bilah-bilahnya.
Rangkaian fan dan bellmouth ditampilkan pada gambar berikut:
Gambar 5.6 Rangkaian Fan dan Bellmouth
Putaran bilah diatur oleh inverter sehingga kecepatan aliran dapat divariasikan.
Konektor listrik terdapat pada sisi kanan (pandangan depan) yang dihubungkan
dengan inverter.
40
Bab V Metodologi Eksperimen
Gambar 5.7 Inverter Terowongan Angin
Kisi Penyaring (Screen)
Terdiri atas bingkai dan jalinan kawat tipis dengan pola segiempat. Ukuran
mesh yang digunakan adalah (1x1) mm. Dengan ukuran ini diharapkan tingkat
keseragaman aliran dapat ditingkatkan dengan losses seminimal mungkin.
Terowongan angin ini menggunakan 1 screen.
Gambar 5.8 Kisi Penyaring (Screen)
Screen ini mempunyai diameter dalam 400 mm dan diameter luar 480 mm.
Bingkainya dibuat dari kayu dan untuk jalinan kawat, digunakan kawat kasa.
Modul ini dipasang di belakang fan sehingga aliran spiral yang keluar dapat
langsung di luruskan oleh wiremesh. Di belakang screen terdapat peredam getaran
yang terbuat dari kulit dan karet. Peredam ini berfungsi sebagai sambungan antara
struktur depan dengan belakang dan bersifat fleksibel sehingga getaran motor fan
yang merambat ke struktur depan dapat diminimalkan.
41
Bab V Metodologi Eksperimen
Seksi Kontraksi
Terbuat dari keramik keras, sambungan flange kepada screen dilapisi karet
untuk mencegah keausan permukaan keramik. Terdapat 2 buah lubang untuk
memasukkan pitot tube pada bagian depan dan belakang. Penempatan lubang ini
berguna untuk mengukur kecepatan depan dan belakang contraction sehingga
kenaikan kecepatan dapat diketahui. Diameter belakang adalah 100 mm dan
diameter depan adalah 400 mm. Gambar sebenarnya dari seksi kontraksi ini dapat
dilihat pada gambar di bawah ini:
Gambar 5.9 Seksi Kontraksi
Vanes Holder
Dibuat dari pipa stainless steel berdiameter 100 mm yang diberi flange.
Berguna untuk menahan dan meletakkan swirler karena struktur sambungan
antara seksi uji dan seksi kontraksi tidak fixed. Vanes holder ini memungkinkan
dan memudahkan swirler vanes untuk dapat diganti (changeable).
Gambar 5.10 Vanes Holder sebelum Dipasang Vanes
42
Bab V Metodologi Eksperimen
Gambar 5.11 Vanes Holder setelah Dipasang Vanes
Komponen ini dibaut pada flange contraction keramik dan dibuat lubang
pada salah satu sisi untuk masukan pipa gas tekanan tinggi yang mensimulasikan
injeksi bahan bakar.
Seksi Uji
Untuk bagian seksi uji, berbentuk tabung berdiameter 94 mm dengan tebal
3 mm. Pada inlet dan outlet terdapat flange tempat memasang seksi uji kepada
contraction serta slot persegi panjang tempat memasukkan probe lima lubang di
sisi kiri tabung.
Gambar 5.12 Seksi Uji Terowongan Angin Aliran Putar
43
Bab V Metodologi Eksperimen
Slot panjang ini berukuran 300 mm x 20 mm, untuk menempatkan probe lima
lubang. Pada inlet flange terdapat ceruk untuk menempatkan sensor yang paling
dekat dengan keluaran swirler (± 2.0 mm dari keluaran).
Seksi Difuser
Merupakan bagian paling akhir yang berbentuk kerucut berlubang dengan
penampang makin luas ke arah keluaran. Sumbu aksialnya sepanjang 300 mm
dengan diameter 160 mm. Komponen ini terbuat dari pelat stainless steel dengan
pertimbangan tahan terhadap temperatur tinggi saat pengujian dengan api.
Perhatikan gambar dibawah ini:
Gambar 5.13 Skema Seksi Difuser
Gambar 5.14 Bentuk Fisik Difuser
44
Bab V Metodologi Eksperimen
Struktur Penyangga
Keseluruhan komponen terowongan angin aliran putar ditopang oleh
suatu struktur penyangga, pembuatannya dilakukan di bengkel laboratorium
aerodinamika. Kerangka terbuat dari batang-batang besi berongga (40 x 40) mm
dengan sambungan las.
Gambar 5.15 Struktur Penyangga Terowongan Angin
Struktur penyangga tersebut terbagi atas 2 bagian, yaitu penyangga depan meliputi
fan dan bellmouth serta penyangga belakang meliputi contraction, seksi uji,
exhaust diffuser. Pembagian tersebut dilakukan supaya getaran fan seminimal
mungkin menjalar ke bagian seksi uji.
5.1.2 Unislide
Supaya proses pengambilan data dapat berjalan dengan cukup akurat
maka digunakan slider berupa tumpuan yang dapat digeser. Pengguna dapat
mengetahui besar pergeseran melalui angka yang ditunjukkan pengukur.
Gambar 5.16 Unislide
45
Bab V Metodologi Eksperimen
Alat ini mempunyai 6 derajat kebebasan dengan memutar sekrup-sekrup
pergeserannya. Sensor berupa probe lima lubang dipasang pada tumpuan yang
disediakan. Tumpuan tersebut terhubung pada batang-batang yang dapat digeser.
5.1.3 Probe Holder
Komponen ini merupakan base support yang terbuat dari kuningan dan
terpasang pada sumbu radial dari unislide. Pada probe holder ini probe lima
lubang nantinya akan dipasang ke slider dengan sekrup di samping terowongan
angin sehingga posisi probe dapat digeser-geser dengan keakuratan tinggi di
dalam terowongan angin. Komponen ini juga di-bor sepanjang tingginya untuk
memasukkan pipa probe dan harus dilakukan cukup teliti supaya lubang benar-
benar lurus sehingga posisi pipa probe benar-benar tegak lurus arah aliran bebas
saat kalibrasi. Ukuran diameter harus disesuaikan (lebih kecil sedikit) supaya
mudah perputaran untuk mengatur sikap pitch probe agar lurus arah aliran.
Gambar 5.17 Probe Holder
5.1.4 Probe Lima Lubang
Pada eksperimen ini probe lima lubang digunakan untuk mengukur
tekanan statik pada titik-titik uji di dalam terowongan angin. Penjelasan mengenai
probe lima lubang, kalibrasi, dan cara menngunakannya telah diberikan dengan
rinci pada bab sebelumnya.
46
Bab V Metodologi Eksperimen
5.2 Asumsi dan Data Ruangan
Setelah semua instrumen yang digunakan pada eksperimen telah dirangkai,
maka sebelum dimulai, perlu ditentukan asumsi-asumsi aliran udara dan data
kondisi ruangan ketika eksperimen dilakukan. Adapun asumsi-asumsi yang
digunakan adalah:
• Fluida Newtonian
• Aliran inkompresibel
• Aliran bergerak dalam arah 3-dimensi
• Sistem isothermal
Sedangkan data ruangan yang perlu diketahui adalah: tekanan (p), temperatur (T),
dan kelembaban (α).
5.3 Set-up Eksperimen
Pada bagian ini akan dipaparkan persiapan yang dilakukan sebelum mulai
dilakukan eksperimen. Persiapan tersebut antara lain:
1. Perangkaian alat-alat yang digunakan
2. Pemasangan sistem sudu pengarah aliran putar di vanes holder
3. Setting probe lima lubang di dalam terowongan angin
Apabila semua alat telah dipasang di tempatnya dan terangkai dengan alat lainnya,
maka proses pengambilan data bisa dimulai. Langkah-langkah pengambilan data
akan dijelaskan pada bagian berikutnya.
5.3.1 Perangkaian Alat-alat yang Digunakan
Setelah semua peralatan dan model yang diperlukan tersedia, maka tahap
berikutnya yaitu perangkaian (instalasi) semua peralatan tersebut menjadi suatu
kesatuan yang akan digunakan untuk melakukan pengambilan data. Perangkaian
alat-alat dijelaskan sebagai berikut:
1. Terowongan angin aliran putar ditempatkan di dalam laboratorium,
sebagai komponen yang menyediakan aliran udara seragam untuk proses
pengukuran. Maka kondisi di sekeliling terowongan ini diusahakan bebas
dari gangguan dan halangan (obstacle) yang dapat mempengaruhi aliran
47
Bab V Metodologi Eksperimen
udara, terutama pada sisi masukan (bellmouth) dan sisi keluaran (diffuser).
Inverter diletakkan dekat dengan terowongan sehingga kecepatan putar fan
lebih mudah dilakukan.
2. Unislide diletakkan disamping terowongan dengan arah sumbu-sumbu
slider disesuaikan dengan arah aliran. Perlu diingat juga bahwa posisi
unislide harus diatur sedemikian sehingga ketika slider digeser-geser dapat
menjangkau semua titik-titik uji yang diinginkan. Posisi penopang unislide
dijaga agar tidak bergeser atau tersenggol selama proses pengukuran data.
3. Probe lima lubang dipasang pada probe holder yang ditempel pada slider
radial dengan tangkai probe mengarah ke slot seksi uji. Konfigurasi seperti
ini agar probe dapat digeser pada arah radial dan aksial sehingga lubang
probe dapat diletakkan pada titik-titik uji. Ingat bahwa kepala probe
dipasang sejajar dengan arah aliran udara (sudut yaw sebesar 0°).
4. Selang keluaran dari probe (selang nomor 1 sampai 5 untuk lubang-lubang
probe nomor 1 sampai 5, berurutan) dihubungkan ke scanivalve ke nomor
lubang masukan yang bersesuaian. Pencatatan data masing-masing lubang
probe dilakukan dengan memutar knop scanivalve. Disini scanivalve
dipakai sebab transduser tekanan yang tersedia hanya 1.
5. Selang keluaran dari scanivalve (satu buah) lalu dihubungkan ke
transduser tekanan. Ingat bahwa lubang input pada transduser ada dua, ini
untuk memisahkan antara tekanan titik uji yang lebih tinggi dari tekanan
atmosfer, dan tekanan titik uji yang lebih rendah dari tekanan atmosfer.
6. Kabel-kabel dari transduser (sebanyak dua pasang) dihubungkan ke power
supply (satu pasang) sebagai pembangkit tegangan listrik untuk transduser,
dan ke ADC sebagai transfer sinyal data analog.
7. Kabel data dari ADC dihubungkan ke komputer kerja untuk mengirim
sinyal-sinyal digital yang dapat dibaca oleh komputer. Data yang terukur
akan ditampilkan oleh program Aerologger yang telah dibuat sebelumnya,
dan langsung tersimpan dengan format xls.
Sampai disini persiapan untuk mengukur dan mencatat data telah siap. Berikutnya
adalah pemasangan sudu pengarah pada vanes holder terowongan angin dan
setting probe di dalam terowongan angin.
48
Bab V Metodologi Eksperimen
5.3.2 Pemasangan Sistem Sudu Pengarah Aliran Putar di Vanes Holder
Pemasangan sistem sudu pengarah harus dilakukan dengan hati-hati dan
secermat mungkin. Diusahakan agar titik tengah sistem sudu (hub) tepat berimpit
pada pangkal garis sumbu aksial seksi uji (titik referensi 0,0,0). Apabila titik
tengah ini tidak tepat berimpit dengan sumbu aksial, kemungkinan data yang
terukur mengalami penyimpangan. Untuk itu sebelum sistem sudu dipasang,
terlebih dulu dicari posisi titik referensi dengan menggunakan sebuah bandul ayun
dan busur derajat.
Setelah posisi titik ini diketahui, maka sistem sudu dapat dipasang pada
tempatnya. Perhatikan bahwa sistem sudu mempunyai sudu-sudu yang terpasang
pada jari-jarinya dan nantinya probe akan digeser-geser pada arah radial
sepanjang garis diameter tabung dibelakang sudu-sudu ini. Ingat agar sistem sudu
diputar-putar untuk mendapatkan sikap sedemikian hingga sudu-sudunya tidak
memotong garis pergerakan radial dari probe. Hal ini dilakukan agar sudut
inklinasi aliran yang menuju probe tidak terlalu besar, karena bila terlalu besar
maka kemungkinan data yang tercatat kurang bagus.
Sistem sudu dipasang pada vanes holder menggunakan dua buah baut
yang memegang sistem sudu pada tempatnya. Usahakan baut diputar sekencang
mungkin untuk mencegah agar sistem sudu tidak bergeser karena pengaruh aliran
udara yang cukup kencang. Setelah sistem sudu terpasang dengan benar, maka
tabung seksi uji digeser kedepan menyambung dan menutupi vanes holder. Jaga
agar tidak terjadi rembesan udara yang keluar dari celah sambungan antara vanes
holder dengan tabung seksi uji.
5.3.3 Setting Probe Lima Lubang di dalam Terowongan Angin
Tangkai probe lima lubang ditumpu oleh probe holder yang melekat pada
unislide, sedangkan kepala probe berada di dalam seksi uji. Lubang-lubang yang
berada pada kepala probe merupakan bagian paling penting karena di bagian
tersebut harga tekanan statik yang akan terukur oleh alat ukur. Sehingga bagus
tidaknya data yang terekam sangat bergantung pada tepat tidaknya setting probe
di dalam terowongan. Untuk itu pengaturan sikap dan posisi probe dilakukan
berulang kali dengan secermat mungkin.
49
Bab V Metodologi Eksperimen
Tahap awal adalah menentukan garis radial dan aksial di dalam seksi uji
berdasarkan posisi titik-titik uji yang diinginkan. Disini harus diketahui posisi
radial maksimum minimum dan posisi aksial maksimum minimum, kemudian
posisi unislide diatur sehingga dapat menjangkau posisi tersebut. Selama proses
ini tabung uji berulang kali digeser kedepan dan kebelakang untuk memastikan
posisi unislide dan probe telah benar. Sumbu-sumbu unislide yang digunakan
adalah sumbu horisontal dan radial, sementara sumbu vertikal tidak digunakan.
Tahap berikutnya yaitu setting sikap probe, dalam hal ini sudut pitch dan
yaw kepala probe diatur sehingga membentuk sudut 0° terhadap arah aliran udara.
Hal ini dilakukan untuk menyesuaikan dengan proses kalibrasi yang telah
dilakukan sebelumnya, sehingga koefisien kalibrasi yang telah dihitung dapat
digunakan pada proses pengambilan data. Idealnya, setting posisi dan sikap probe
dilakukan secara bersamaan karena perubahan sikap probe saat setting akan
mempengaruhi perubahan posisi aksial dan radial.
5.4 Prosedur Pengambilan Data
Setelah dilakukan persiapan-persiapan diatas dengan seksama, maka tahap
berikutnya adalah proses pengambilan dan perekaman data. Langkah-langkahnya
dijelaskan sebagai berikut:
1. Pasang terlebih dahulu sudu pengarah yang akan diukur pada vanes
holder, pastikan pemasangan telah kencang. Geser tabung seksi uji ke
depan hingga tersambung erat dengan vanes holder dan tidak ada udara
yang merembes keluar.
2. Nyalakan terowongan angin putar, pastikan daerah di depan sisi masukan
(bellmouth) bebas dari halangan yang dapat mengganggu aliran udara
3. Gunakan selang tekanan total dan tekanan statik yang terpasang pada
terowongan angin untuk mensetting kecepatan aliran udara bebas sesuai
dengan yang diinginkan, yaitu 10 m/s.
4. Posisikan ujung kepala probe lima lubang pada titik uji pertama yaitu pada
posisi aksial 2 mm dan posisi radial -44 mm (sisi kiri). Tutup rapat slot
50
Bab V Metodologi Eksperimen
persegi-panjang dengan selotip hitam agar tidak ada udara merembes,
terutama celah pada tangkai probe.
5. Sampai disini probe telah dapat mengukur tekanan statik aliran tiap-tiap
lubangnya. Pastikan knop pada scanivalve menunjuk pada angka 1, artinya
data tekanan yang masuk ke scanivalve merupakan data yang terukur pada
lubang nomor-1 pada probe.
Gambar 5.18 Scanivalve Menunjuk Lubang Nomor-1
6. Tunggu beberapa saat (kira-kira 1 menit) hingga kondisi aliran udara di
sekitar kepala probe cukup stabil, hal ini dilakukan agar data yang terukur
cukup bagus untuk direkam. Data dikatakan cukup bagus apabila garis
yang ditunjukkan oleh aerologger menunjuk pada satu harga tertentu.
Perhatikan gambar barikut:
Gambar 5.19 Garis Aerologger Data Terukur
7. Tentukan direktori dan nama file yang digunakan untuk menyimpan data
terekam, kemudian rekam data dengan cara meng-klik tombol run pada
aerologger. Rekam data kira-kira selama 10-15 detik, setelah itu tekan
kembali tombol run agar aerologger berhenti merekam data.
51
Bab V Metodologi Eksperimen
8. Putar knop scanivalve ke posisi nomor-2 agar data yang terekam sekarang
adalah data tekanan pada lubang nomor-2 pada probe. Lakukan langkah 5
sampai 7 untuk lubang nomor 3, 4, dan 5.
9. Lepas selotip perekat, kemudian geser posisi probe dengan cara memutar
sumbu radial unislide. Posisikan probe pada titik uji aksial 2 mm dan
radial -40 mm (sisi kiri), rekatkan selotip rapat-rapat. Lakukan kembali
langkah 5-8 untuk posisi radial berikutnya hingga posisi radial 44 mm (sisi
kanan tabung).
10. Tentukan nama file baru untuk posisi aksial 5 mm, kemudian lakukan
kembali langkah 5-9. Rekam data untuk semua posisi aksial. Semua data
yang terekam akan disimpan dalam format xls.
11. Geser probe keluar tabung, kemudian geser tabung kebelakang agar seksi
uji terbuka. Ganti sudu pengarah dengan model berikutnya. Keenam model
yang digunakan dapat dilihat pada Lampiran A.
12. Setelah semua data dari semua model sudu pengarah berhasil direkam,
selanjutnya data diolah menggunakan program yang sudah dipersiapkan
sebelumnya [20]. Apabila ada data yang menyimpang jauh, maka ulangi
pengambilan data untuk posisi titik uji yang berkaitan.