70
DAFTAR PUSTAKA
Biksono, Damawidjaya. 2006. “Karakteristik dan Visualisai Aliran Dua Fasa Pada Pipa Spiral
”. Jurnal Teknik Mesin, Universitas Kristen Petra. 82: 69-74. Boyun, Guo. 2005. “Offshore Pipelines”. University of Louisiana at Lafayette.
Fauzi, Muhammad, Widya Wijayanti dan Agung Widodo. 2014. “Karakteristik
Aliran Dua Fase Air-Udara Pada Horizontal Circular Channels Melalui Orifice
”. Jurnal Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Brawijaya. Hlm. 1-7.
Hermawan. 2015. “Deteksi Mulai Terbentuknya Aliran Cincin Pada Pipa Horizontal Menggunakan Sensor Electrode
”. Seminar Nasional Teknik Mesin Jurnal Ilmiah Teknik Mesin dan Industri, Universitas Gadjah Mada.
Irsyad, Muhammad. 2012. “Pengaruh Aliran Dua Fasa Gas-Cair Terhadap Fluktuasi Gaya Pada Dinding Pipa Horizontal
”. Jurnal Mekanikal jurnal ilmiah Teknik Mesin, Universitas Lampung. 31: 205-212.
Korawan, Agus Dwi. 2015. “Pola Aliran Dua Fase Air-Udara Pada Pipa Horizontal
Dengan Variasi Kecepatan Superfisial Air”. Jurnal Teknik Mesin, Sekolah Tinggi Teknologi Renggolawe. 141: 57-63.
Mandhane, J.M., Gregory, G.A. and Aziz, K.A. 1974. “A Flow Pattern Map For Gas- Liquid Flow In Horizontal Pipes
”. Int. J. Multiphase Flow, Vol. 1. 537-553. Munson, Bruce. R., Donald Young and Ted Okiishi. 2
013. “Fundamental of Mechanics 7
th
Edition ”. Jhon Wiley Son, Inc.
Purnomo, Guntur. 2013. Tugas Akhir “Kajian Eksperimen Mengenai Topologi Dasar dari Aliran Annular Air-
Udara Pada Pipa Horizontal”. Yogyakarta: Teknik Mesin UGM.
Roul, Manmatha. K., and Suk anta K. Dash. 2012. “Numerical Modeling Of Pressure
Drop Due To Single-Phase of Water and Two-Phase Flow of Air-Water Mixtures Through Thick Orifices
”. International Journal of Engineering Trends and Technology. 34: 544-551.
Sadatomi, Michio, Akimaro Kawahara, Masatoshi Masuo and Katsuhiro Ishimura. 2010. “Effects of Surface Tension On Two-Phase Gas-Liquid Flows In
Horizontal Small Diameter Pipes ”. Journal of Power and Energy Systems.
42: 290-300.
71
Suandi, Agus, Ade Indra Wijaya, Deendarlianto, Khasani dan Indarto. 2013. “Pengaruh Viskositas Terhadap Liquid Hold-Up dan Kecepatan Gelombang
Aliran Annular Dua Fase Gas- Cair Pada Pipa Horizontal”. Seminar
Nasional Teknik Mesin XII Jurnal Ilmiah Teknik Mesin, Universitas Gadjah Mada. Hlm. 65-70.
Sukamta, Indarto, Purnomo dan Tri Agung Rohmat. 2010. “Identifikasi Pola Aliran
Dua Fasa Uap-Kondensat Berdasarkan Pengukuran Beda Tekanan Pada Pipa Horizontal”. jurnal ilmiah semesta teknika. 131: 83-94.
Suryadi, Indarto dan Deendarlianto. 2013. “Distribusi Liquid Hold-Up Pada Aliran Cincin Annular Air-Udara di Pipa Horizontal Menggunakan C.E.C.M
”. Seminar Nasional Teknik Mesin Jurnal Ilmiah Teknik Mesin, Universitas
Gadjah Mada. No.8. Hlm.39-43. Tuakia, Firman. 2008. Dasar-dasar CFD Menggunakan FLUENT. Bandung:
Informatika Bandung. Tzotzi, Christina, Vasilis Bontozoglou and Nikolas Andritsos. 2010.
“Effect of Fluid Properties On Flow Patterns In Two-Phase Gas-Liquid Flow In Horizontal
and Downward Pipes”. Department of Mechanical Engineering, University of Thessaly.
Versteeg, H.K., and W. Malalasekera. 1995. An Introduction To Computational Fluid Dynamics The Finite Volume Method. England : Longman Scientific
Technical. Yaou, Jun, Yufeng Yao, Antonini Arini, Stuart Mciiwain and Timothy Gordon. 2016.
“Modelling Air And Water Two-Phase Annular Flow In Small Horizontal Pipe”. International Journal of Modern Physics. Vol. 42. 1-12.
1
SIMULASI CFD ALIRAN ANNULAR AIR-UDARA SEARAH PADA PIPA HORIZONTAL
Sukamta
1
, Thoharuddin
2
, Achmad Virza Mubarraqah
3 1,2,3
Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Yogyakarta Jalan Lingkar Selatan, Tamantirto, Kasihan, Bantul, Yogyakarta 55183
1
msukamtagmail.com , 3
virzabarragmail.com
Intisari :
Aliran dua fasa dapat dibedakan menurut arah alirannya, yaitu searah dan berlawanan arah. Dapat juga dibedakan menurut salurannya yaitu horizontal, vertikal dan miring. Pola aliran dua fasa
cair-udara pada pipa horizontal paling banyak ditemukan pada pola aliran bubble, aliran stratified, aliran stratified wavy, aliran plug, aliran slug dan aliran annular.
Penelitian ini dilakukan untuk menentukan pola aliran annular dengan menggunakan software Computational Fluid Dynamics CFD Ansys FLUENT 15.0. Model yang digunakan Volume
Of Fluid VOF dengan jenis aliran turbulensi K- � realizable. Fluida kerja yang digunakan adalah air-
udara dengan panjang pipa 1000 mm, diameter dalam 19 mm dan diameter luar 25,4 mm. Besar kecepatan superfisial air J
L
adalah 1 ms, 1,5 ms, 2 ms dan 2,5 ms, sedangkan besar kecepatan superfisial udara adalah 35 ms, 45 ms, 55 ms dan 65 ms.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa dalam simulasi CFD pola aliran annular dapat terlihat dengan jelas karena udara mengalir ditengah pipa dalam jumlah yang lebih besar dan membentuk
cincin annular, sedangkan air mengalir lebih sedikit disepanjang pipa. Pada dasar permukaan pipa, air mengalir lebih banyak dibandingkan diatas permukaan pipa. Pola aliran tidak konstan atau berubah-
ubah bentuk tergantung dari kecepatan superfisial udara J
G
dan kecepatan superfisial air J
L
serta waktu pengambilan data. Semakin lama waktu yang diambil maka aliran annular yang dihasilkan
semakin sempurna.Kenaikan nilai J
G
akan menyebabkan tingginya gelombang dan aliran air yang ada
diatas permukaan pipa semakin sedikit. Kata kunci : aliran air-udara, aliran annular, CFD, VOF
1. PENDAHULUAN
Dalam kehidupan sehari-hari banyak
dijumpai berbagai macam aliran fluida. Jika ditinjau dari fasanya, aliran fluida dapat dibagi
menjadi dua macam, yaitu aliran satu fasa dan aliran dua fasa. Sebuah aliran dikatakan satu
fasa apabila media yang mengalir dalam suatu pipa berupa satu jenis fluida saja cair atau
gas. Sedangkan aliran dua fasa apabila media yang mengalir dalam suatu pipa berupa dua
jenis fluida, yaitu cair-gas, padat-cair, padat- gas dan sebagainya. Aliran dua fasa banyak
ditemui pada pada ketel uap, kondensor, reaktor nuklir, proses produksi minyak bumi.
Suryadi 2013 melakukan penelitian tentang distribusi liquid hold up pada aliran
cincin annular air-udara di pipa horizontal menggunakan
C.E.C.M. Adapun
hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai liquid
hold-up sangat tergantung pada besar dan kecilnya kecepatan superfisial gas. Hal ini
ditandai dengan nilai liquid hold-up yang tinggi yang sebanding dengan menurunnya
nilai kecepatan superfisial gas.
2
Suandi, A, dkk 2013 melakukan penelitian
tentang pengaruh
viskositas terhadapliquid
hold-up dan
kecepatan gelombang aliran annular dua fasa gas-cair
pada pipa horizontal. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa pengaruh viskositas
terhadap liquid hold-up ditandai dengan nilai liquid hold-up rata-rata larutan gliserin 30
yang lebih tinggi dibandingkan dengan liquid hold-up air 100.
Hermawan 2015 melakukan penelitian tentang deteksi mulai terbentuknya aliran
cincin pada pipa horizontal menggunakan sensor elektrode. Adapun hasil penelitian
menunjukkan bahwa meningkatnya kecepatan superfisial
udara terhadap
kecepatan superfisial air yang konstan menghasilkan
tebal film rata-ratanya semakin menipis. Biksono, D 2006 melakukan penelitian
tentang karakteristik dan visualisasi aliran dua fasa pada pipa spiral. Adapun hasil penelitian
menunjukkan bahwa koefisien gesek dua fasa lebih besar dibandingkan data satu fasa. Aliran
transisi lebih cepat terjadi pada aliran dua fasa, yaitu pada bilangan reynold
�
antara 1.600-1.700.
Efek penambahan
variasi kecepatan udara
�
�
, menyebabkan kenaikan nilai koefisien gesek.
Tzotzi, C, dkk 2010 melakukan penelitian tentang pengaruh properti pada pola aliran
gas-cair dua fasa pada pipa horizontal dan pipa bawah. Adapun hasil penelitian menunjukkan
bahwa penurunan tegangan permukaan dari 72 mNm
air ke
35 mNm
dengan menggunakan butanol hasil penurunan gas
dari tingkat yang lebih besar diperlukan untuk terjadinya ganguan pertama untuk tingkat
cairan yang sama.
Roul, K. M, dkk 2012 melakukan penelitian tentang permodelan numerik dari
penurunan tekanan akibat aliran satu fasa dan aliran dua fasa dari udara-air melalui lubang
tebal. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa aliran melalui lubang tipis sd =
0.025,
kontak vena
terbentuk diluar
pembatasan, sedangkan untuk lubang tebak sd = 0.59 kontak vena selalu terbentuk
didalam pembatasan. Penurunan tekanan ∆P dilubang
meningkat dengan
penurunan ketebalan orifice dan penurunan tekanan
berkurang dengan peningkatan rasio daerah. Sadatomi, M, dkk 2010 melakukan
pengujian tentang pengaruh tegangan dua fasa gas-cair pada pipa horizontal berdiameter
kecil. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa
sifat cair
dan diameter
pipa berpengaruh kuat pada transisi pola aliran,
terutama dalam masa transisi aliran slug dan bubble.
Purnama, G 2013 melakukan penelitian tentang kajian eksperimen mengenai topologi
dasar dari aliran annular air-udara pada pipa horizontal.
Adapun hasil
penelitian menunjmukkan bahwa terjadi perubahan mean
liquid hold-up, wave velocity, dan wave number tergantung pada kecepatan superficial
cairan dan gas. Mean liquid hold-up berkurang terhadap peningkatan kecepatan superficial
gas
dan meningkat
terhadap kenaikan
kecepatan superficial cairan. Selanjutnya wave velocity dan wave number meningkat terhadap
peningkatan kecepatan superficial cairan dan gas.
Isyad, M 2012 melakukan penelitian tentang pengaruh aliran dua fasa gas-cair
terhadap fluktuasi gaya pada dinding pipa horizontal.
Adapun hasil
penelitian menunjukkan bahwa gaya terbesar terjadi pada
saat pola
aliran gelembung
bubble, sedangkan pada pola aliran sumbat liquid lebih
menunjukkan gaya yang ditimbulkan lebih berfluktuasi dibandingkan dengan pola aliran
yang lain.
Fauzi, M, dkk 2014 melakukan penelitian tentang karakteristik aliran dua fase air-udara
pada horizontal circular channel melalui orifice. Adapun hasil penelitian menunjukkan
bahwa distribusi tekanan pada aliran dua fase memiliki kecenderungan yang sama dengan
aliran satu fasa.
Sukamta, dkk 2010 melakukan penelitian tentang identifikasi pola aliran dua fasa uap-
kondensat berdasrkan
pengukuran beda
tekanan pada pipa horizontal. adapun hasil
3
penelitian menunjukkan pola aliran yang teridentifikasi pada aliran dua fasa air-uap air
kondensat dari hasil kondensasi uap pada pipa horizontal ini meliputi pola aliran
stratified, wavy, plug, pre-slug dan slug.
2. METODE PENELITIAN
Gambar 1. Diagram Alir Simulasi CFD Menggunakan Ansys Fluent
Secara umum proses simulasi CFD dibagi menjadi 3 yaitu pre-processing, Processing
dan post-processing. Pre-processing adalah tahap awal dalam
simulasi CFD yang perlu dilakukan, seperti: membuat geometri dan melakukan pengecekan
mesh.
Processing program inti pencari solusi CFD menghitung kondisi-kondisi yang
diterapkan pada saat pre-processing. Post-processing merupakan
langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang
dilakukan pada
langkah ini
adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data
hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva dan animasi.
2.1 Geometri dan Mesh
Sebuah sketsa geometri yang digunakan dalam simulasi ini adalah pipa berdiameter 19
mm dan
panjang pipa
1000 mm.
Menggunakan 2 inlet yaitu inlet air dan inlet udara serta 1 outlet.
Gambar 2. Pipa tampak samping
Setelah geometri dibuat, perlu dilakukan proses meshing membagi volume menjadi
bagian-bagian kecil agar dapat dianalisis pada program CFD.Ukuran mesh yang terdapat
pada suatu obyek akan mempengaruhi
ketelitian dan daya komputasi analisis CFD. Semakin kecilhalus mesh yang dibuat, maka
hasil yang didapatkan akan semakin teliti, namun dibutuhkan daya komputasi yang
makin besar pula.
Pada penelitian ini mesh yang digunakan jenis triangle atau tidak terstruktur. Setelah itu
tiap pipa diberi nama sesuai dengan fungsi dan bagian pipa.
Gambar 2.2. Hasil meshing
1000 mm
4
Penelitian ini
menggunakan metode
simulasi Computational Fluid Dinamic CFD dengan menggunakan software Ansys Fluent
15.0.Dengan memilih model Multiphase jenis VOF Volume Of Fluid
, untuk mengetahui pengaruh tegangan permukaan dan digunakan
untuk memprediksi terjadinya pola aliran. Untuk
viscous disetting menggunakan k- epsilon dengan model realizable. Pada kasus
simulasi ini, Realizable k-epsilon dipilih karena memiliki tingkat akurasi yang lebih
baik dibanding metode standard k-epsilon ataupun RNG
k-epsilon. Material
yang digunakan adalah acrylic flexyglass sedangkan
untuk fluidanya menggunakan water-liquid dan air.Simulasi ini menggunakan skema
SIMPLE, persamaan yang digunakan untuk aliran transient atau untuk mesh yang
mengandung cells dengan skewness yang lebih tinggi dari rata-rata. Metode ini didasarkan
pada tingkatan yang lebih tinggi dari hubungan pendekatan antara faktor koreksi
tekanan dan kecepatan. Dalam proses iterasi tidak menunggu konvergensi dikarenakan ini
jenis aliran transient. Dengan tingkat akurasi time stepnya 0,0001.Dengan variasi kecepatan
superfisial air J
L
= 3 ms, 5 ms, 7 ms, 8 ms dan kecepatan superfisial udara J
G =
25 ms, 27 ms, 30 ms, 33 ms.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Pengaruh Kecepatan Superfisial
Udara J
G
Terhadap Kecepatan Superfisial Air J
L
= 2 ms
a Pola aliran air-udara dengan J
G
= 35 ms dan J
L
= 2 ms
b Pola aliran air-udara dengan J
G
= 45 ms dan J
L
= 2 ms
c
Pola aliran air-udara dengan J
G
= 55 ms dan J
L
= 2 m
s
d Pola aliran air-udara dengan J
G
= 65 ms dan J
L
= 2 ms
e Skala warna dan koordinat
Gambar 3.1. Hasil simulasi pola aliran annular terhadap pengaruh kecepatan superfisial udara
J
G
dengan J
L
= 2 ms, pada saat t = 0,1 detik, serta skala warna dan koordinat
Pembahasan :
Simulasi dengan J
L
= 2 ms menunjukkan bahwa telah terjadi aliran annular yang
ditandai dengan udara berada ditengah pipa sedangkan air berada di atas dan bawah
permukaan pipa. Pada simulasi dengan J
G
= 65 ms dan J
L
= 2 ms terjadi wavy yang disebabkan karena kecepatan udara mulai
bertambah dan akan terbentuk gelombang pada antar-muka disepanjang arah aliran.
Semakin besar kecepatan superfisial udara J
G
yang masuk kedalam pipa maka tekanan yang masuk kedalam pipa semakin besar pula.
Air Air
Udara
5
3.2 Pengaruh Waktu Terhadap Kecepatan Superfisial Udara J