Pengaruh pemasangan ring berpenampang segi empat dengan posisi miring pada permukaan silinder tehadap koefisien drag.
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
PENGARUH PEMASANGAN RING BERPENAMPANG SEGIEMPAT
DENGAN POSISI MIRING PADA PERMUKAAN SILINDER
TERHADAP KOEFISIEN DRAG
Si Putu Gede Gunawan Tista, Ketut Astawa, Ainul Ghurri
Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana
Kampus Bukit Jimbaran, Badung - Bali, 80362
e-mail: Gunawan_tista@yahoo.com
Abstrak
Dalam aplikasi enginering banyak ditemukan peralatan yang menggunakan silinder seperti
tiang penyangga jembatan, cerobong asap, tiang pancang pengeboran minyak lepas pantai
dan sebagainya. Apabila dikenai aliran udara tentu akan membuat konstruksi dari peralatan
tersebut kekuatannya berkurang. Hal ini diakibatkan oleh adanya gaya hambat (drag) yang
ditimbulkan oleh aliran udara yang arahnya searah dengan arah aliran. Drag erat kaitannya
dengan separasi aliran, semakin cepat terjadi separasi semakin besar darg yang terjadi. Oleh
karena itu upaya yang dilakukan untuk mengurangi drag adalah dengan memanipulasi
medan aliran fluida. Manipulasi aliran bisa dilakukan secara pasif antara lain menempelkan
sebuah sirip pada bluff body, melubangi silinder, menambahkan spiral pada silinder dan
menempatkan penghalang yang lebih kecil di depan silinder. Dalam hal ini yang kami
lakukan adalah dengan menambahkan ring pada permukaan silinder. Tujuan dari penelitian
ini adalah untuk mengetahui pengaruh pemasangan ring berpenampang segi empat dengan
posisi miring pada permukaan silinder terhadap koefisien drag. Dalam penelitian ini silinder
yang dipasang ring dengan variasi sudut kemiringan ring 0 o ,5 o ,10 o , 15 o diletakkan vertikal
diuji di dalam wind tunnel (lorong angin) yang dilengkapi blower, manometer, pipa pitot.
Jarak antar ring adalah 30 mm. Bilangan Reynolds dengan diameter silinder D = 62 mm
adalah Re = 3,763.10 4 . Distribusi tekanan diperoleh dengan mengukur tekanan permukaan
silinder pada 36 titik dengan interval 10 o . Data yang diukur adalah tekanan permukaan
silinder, tekanan statis, dan kecepatan aliran fluida.Untuk pengukuran gaya drag digunakan
timbangan yang diletakkan diatas wind tunnel. Hasil penelitian menunjukkan, terjadi
penurunan koefisien drag pada saat dipasang ring pada silinder dengan posisi miring
dibandingkan tanpa ring. Nilai koefisien drag (C D ) untuk tanpa ring adalah C D = 0.857382.
Penurunan koefisien drag terbesar terjadi pada sudut kemiringan ring 10 o dengan nilai C D =
0.485082. Besarnya penurunan koefisien drag dibandingkan tanpa ring adalah 43,4%.
Kata Kunci: Silinder dengan Ring, Sudut Kemiringan Ring, Separasi Aliran, Koefisien Drag
Pendahuluan
Fenomena gerakan aliran fluida melintasi suatu benda (bluff body) memegang
peranan
sangat penting dalam aplikasi engineering seperti pada penukar kalor,
pembakaran, alat transportasi dan bangunan. Dengan demikian penelitian fenomena aliran
tersebut menjadi sangat penting jika dikaitkan dengan krisis energi yang melanda dunia
dewasa ini.
Pola aliran berbeda-beda tergantung geometri bluff body seperti silinder, segi
empat, dan plat. Aliran external viscous yang mengalir melalui silinder akan mengalami
stagnasi, lapisan batas, separasi(pemisahan) dan wake di belakang silinder. Untuk benda
yang bergerak dalam fluida viscous, gaya drag (gaya hambat) dan gaya lift (gaya angkat)
erat hubungannya dengan separasi aliran (Chew et al., 1997).
Adanya separasi aliran akan menyebabkan timbulnya wake di belakang silinder
yang mengakibatkan drag (hambatan). Semakin cepat terjadinya separasi aliran, wake akan
semakin lebar sehingga drag semakin besar.
Dalam dunia transportasi seperti pesawat udara, mobil atau kapal laut, drag yang
besar dihindari, karena energi atau tenaga yang dibutuhkan untuk bergerak menjadi lebih
besar. Berbagai upaya telah dilakukan untuk mengurangi drag, diantaranya dengan
TM-23 | 166
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
membuat body yang streamline atau memanipulasi medan aliran. Sebagai contoh, jika
drag dari mobil dan bangunan dapat dikurangi maka banyak biaya bahan bakar dan
material yang dapat dihemat (Tsutsui dan Igarasi, 2002).
Dalam aplikasi enginering banyak ditemukan peralatan yang menggunakan silinder
seperti tiang penyangga jembatan, cerobong asap, tiang pancang pengeboran minyak
lepas pantai dan sebagainya. Apabila dikenai aliran fluida tentu akan membuat kekuatan
konstruksi dari peralatan tersebut akan berkurang dan lebih cepat robohnya tidak sesuai
dengan yang direncanakan. Hal ini diakibatkan oleh adanya gaya hambat yang besar (drag)
yang ditimbulkan oleh aliran fluida yang arahnya searah dengan arah aliran.
Oleh karena itu, penelitian tentang pengurangan koefisien gaya hambat (drag) pada
silinder penting untuk dilakukan. Dalam penelitian ini silinder dipasang ring yang
berpenampang segi empat sehingga terjadi perubahan pola aliran pada silinder , diharapkan
separasi aliran bisa ditunda, wake dibelakang silinder menjadi lebih sempit dan terjadi
pengurangan koefisien gaya hambat (drag ) pada silinder.
Tujuan dari penelitian ini adalah adalah untuk mengetahui pengaruh pemasangan
ring berpenampang segi empat dengan posisi miring pada permukaan silinder terhadap
koefisien gaya hambat (drag).
Berbagai penelitian tentang drag yang mendukung penelitian ini antara lain:
Lee, et al. (2004), meneliti pengaruh pemasangan batang kontrol kecil pada
upstream dari silinder dengan fokus pada karakteristik drag dan struktur aliran. Bilangan
Reynold berdasarkan silinder utama (D = 30 mm) adalah sekitar Re = 20000. Maksimum
pengurangan koefisien total drag dari seluruh sistem meliputi silinder utama dan batang
kontrol sekitar 25%.
Lim & Lee (2004), membahas aliran disekitar silinder bulat yang dikontrol dengan
menempelkan gelang O untuk mengurangi gaya drag pada silinder. Gaya drag, kecepatan
wake dan intensitas turbulensi diukur pada bilangan Reynold dalam range ReD = 7,8 x 103
~ 1,2 x 105 dengan variasi kombinasi diameter dan jarak puncak antara gelang O yang
berdekatan. Didapatkan hasil silinder yang dipasang dengan diameter gelang O d =
0,0167D pada interval puncak dari PPD (jarak dari puncak ke puncak) = 0,165D
menunjukkan maksimum pengurangan drag sekitar 9% pada ReD = 1,2 x 105 ,
dibandingkan silinder halus. Tetapi, pemasangan gelang O dengan diameter lebih besar
dari pada d = 0,067D hanya sedikit mengurangi drag.
Tsutsui & Igarashi (2002), mengkaji aliran sekitar silinder dengan menempatkan
batang kecil pada upstream dari silinder . Diameter silinder adalah D = 40 mm, dan
diameter batang d rentangnya dari 1 sampai 10 mm.. Angka Reynold didasarkan pada D
rentang dari 1,5 x 104 sampai 6,2 x 104 . Pengurangan total drag yang meliputi drag dari
batang adalah 63% dibandingkan dengan yang satu silinder.
Igarashi (1997), Mengkaji aliran sekitar Prisma segiempat dengan menempatkan
batang kecil di depan prisma (upstream). Panjang sisi prisma D adalah 30 mm dan
bilangan Reynold Re adalah 3,2 x 104 . Pada jarak kritis Gc = D + 4,5d, vortex dari batang
hilang. Drag dari prisma menurun sekitar 50% pada G > Gc dan 70% pada G ≤ Gc.
Yajima & Sano (1996), Mengkaji aliran sekitar silinder
dengan melubangi
sepanjang silinder dalam dua baris yang dibuat melintang diamater silinder. Pengurangan
drag luar biasa didapat untuk bermacam-macam sudut serang. Besarnya pengurangan drag
adalah 40% dibandingkan dengan silinder halus.
Bouk, at al. (1998), melakukan studi eksperimental menggunakan silinder kecil
sebagai pengontrol pasif untuk mengurangi gaya
drag pada silinder utama. Hasil
eksperimental mereka menunjukkan bahwa rata-rata penurunan gaya hambat maksimum
sekitar 48% relatif terhadap silinder tunggal (tanpa pengontrol pasif).
TM-23 | 167
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
Dasar Teori
Aliran inkompresibel melintasi silinder dapat dilihat pada gambar 1.
(a) Aliran Viscous
(b) Aliran inviscid
Gambar 1. Gambar Kualititatif aliran pada suatu silinder (Fox, 1985)
Pada Gambar1.a. menunjukkan aliran viscous pada suatu silinder, streamlines
adalah simetris. Titik A adalah titik stagnasi dan selanjutnya terjadi boundary layer. Dari
titik A ke titik B terjadi kenaikan kecepatan yang berakibat penurunan tekanan dan
selanjutnya dari titik B ke titik C terjadi penurunan kecepatan yang berarti terjadi kenaikan
tekanan PC > PB. Di titik C momentum aliran tidak mampu melawan tegangan geser
sehingga menyebabkan pecahnya boundary layer. Titik C disebut dengan point of
separation. Di antara titik-titik atau tempat-tempat pemisahan boundary layer terjadi suatu
kawasan yang disebut dengan wake. Makin besar wake makin besar terjadi perbedaan
gaya di depan dan di belakang silinder berakibat makin besar gaya seret aliran terhadap
silinder. Aliran inviscid digambarkan pada gambar 1.b. terlihat bahwa streamlines
simetris, terjadi slip pada permukaan silinder dan perbedaan besar kecilnya kecepatan
aliran ditunjukkan oleh rapat longgarnya streamlines yang ada dan juga tidak terjadi wake
sehingga tidak terjadi gaya seret pada silinder.
Pengaruh turbulensi pada separasi aliran yang melintasi silinder dapat dilihat pada
gambar 2.
Gambar 2. Pengaruh turbulensi pada separasi (Incropera & DeWitt, 1981)
Karena momentum fluida dalam lapisan batas turbulen lebih besar dari pada lapisan
batas laminer, maka kemampuannya untuk melawan tegangan geser lebih besar sehingga
akan lebih mampu untuk menunda yang menyebabkan separasi, itu layak untuk
mengharapkan transisi. Jika ReD ≤ 2 x 105 , lapisan batas tetap laminer, dan separasi terjadi
pada θ ≈ 80o . Tetapi, jika ReD ≥ 2 x 105 , terjadi transisi lapisan batas, dan separasi ditunda
sampai θ ≈ 140o .
Pada penelitian ini perhitungan koefisien tekanan digunakan persamaaan (Lee, et
al., 2004):
P Po
CP
(1)
2
1
U
o
2
TM-23 | 168
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
dengan:
P = Tekanan permukaan (N/m2 )
Po = Tekanan statik (N/m2 )
Uo = Kecepatan aliran bebas (m/s)
ρ = Densitas udara (kg/m3 )
Koefisien drag berdasarkan luasan
persamaan (Lim & Lee, 2004):
2 xFD
CD
U 02 . A
dengan:
FD = Gaya drag (N)
A = Luasan Frontal silinder (m2 )
Uo = Kecepatan aliran bebas (m/s)
ρ = densitas udara (kg/m3 )
frontal
efektif
silinder
dihitung
menggunakan
(2)
Metode Penelitian
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah: lorong udara (wind tunnel),
pipa pitot, manometer, silinder utama, silinder penghalang, dan blower. Adapun susunan
alat uji adalah seperti pada gambar 3.
Gambar 3. Skema Instalasi
Keterangan gambar:
1. Blower
2. Penyearah
3. Pipa Pitot
4. Manometer U
5. Inclined Manometer
6. Rel/Lintasan
7. Tuas
8. Timbangan digital
9. Benda uji
TM-23 | 169
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
Gambar 4. Detail Silinder Dengan Ring, Sudut Kemiringan 0o , 5o , 10o , 15o .
Gambar 5. Detail Potongan Penampang Ring
Cara Kerja Dan Teknik Pengambilan Data
Aliran udara yang dihembuskan oleh blower mengalir dalam wind tunnel
Kecepatan aliran udara wind tunnel diukur dengan pipa pitot (3) dengan diameter pipa 2
mm yang membaca tekanan total, sedangkan alat ukur (4) yang dihubungkan dengan
selang berdiameter 2 mm untuk mengukur tekanan statis (P o ) yang juga dibaca secara
manual. Kecepatan udara bebas Uo diproses dari tekanan dinamik yakni selisih antara
tekanan total dan tekanan statik.
Selanjutnya pengukuran tekanan statis pada permukaan silinder untuk mendapatkan
harga koefisien tekanan (Cp), dimana untuk pengukuran tekanan pada permukaan silinder,
silinder dilubangi sebanyak 36 titik dengan jarak antar lubang 10º dengan diameter lubang
1 mm dan dihubungkan dengan selang berdiameter 2 mm ke inclined manometer
berdiameter 2 mm, untuk mengukur tekanan permukaan (P) digunakan alat ukur (5).
Untuk mengukur gaya drag (F D) digunakan timbangan digital. Aliran udara yang
dihembuskan mengalir dalam wind tunnel, melintasi penyearah(2) agar aliran udara dalam
wind tunnel mengalir uniform ke seluruh bagian dalam wind tunnel. Setelah melewati
penyearah udara melintasi benda uji (9) yang pada bagian atas dan bawahnya sudah
terpasang rel/lintasan (6) agar benda uji dapat bergerak ke belakang setealah terkena
hembusan udara, sehingga tuas (7) yang terpasang dibagian atas benda uji dapat
mendorong timbangan (8) yang terpasang pada bagian atas wind tunnel, lalu timbangan
akan mencatat besarnya gaya drag (FD)
Prosedur Pengambilan Data
Prosedur pengambilan data dilaksanakan setelah menentukan atau mengatur semua
instrumen yang mendukung dalam proses pengambilan data.
Langkah-langkah yang diambil antara lain:
1. Meletakkan silinder yang dipasang ring segiempat vertikal di dalam wind tunnel di
depan dari saluran subsonik.
TM-23 | 170
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
2.
3.
4.
5.
6.
Menghidupkan blower
Setelah blower berjalan stasioner dilakukan pengambilan data
Pengambilan data distribusi tekanan dengan variasi sudut kemiringan ring, dilakukan
dengan mengambil data pada permukaan silinder.
Pengambilan data dilakukan sebanyak tiga kali pada setiap variasi sudut kemiringan
ring.pengujian baik tanpa ring maupun dengan ring segiempat. Dilakukan juga
pengambilan data untuk kecepatan aliran bebas di depan dari saluran subsonik dan
juga pengukuran tekanan statik.
Pengambilan data gaya drag (FD) dengan variasi sudut kemiringan ring juga dilakukan
sebanyak tiga kali baik dengan ring maupun tanpa ring.
Hasil Dan Pembahasan
Hasil penelitian dengan varisi sudut kemiringan ring 0o , 5o , 10o , dan 15o .
Sedangkan kecepatan aliran udara Uo = 8,8 m/s, dengan bilangan Reynold
Re
4
= 3,763. 10 , adalah seperti terlihat pada gambar berikut.
0,2
0,15
0,1
0,05
Cp
0
0
40
80
120
160
200
240
280
320
360
-0,05
-0,1
-0,15
-0,2
Sudut (θ)
Tanpa ring
sudut ring 0 derajat
sudut ring 10 derajat
sudut ring 15 derajat
sudut ring 5 derajat
Gambar 6. Grafik Hubungan antara Koefisien Tekanan (Cp) terhadap sudut silinder (θ)
dengan Variasi Sudut Kemiringan ring.
Pada Gambar 6. menunjukkan grafik hubungan koefisien tekanan (Cp) terhadap
sudut silinder dengan variasi sudut kemiringan ring yaitu 0o , 5o , 10o , 15o , serta tanpa ring.
Pada gambar 6, terlihat tekanan dari titik stagnasi mengalami penurunan kemudian
meningkat dan akhirnya terjadi separasi (pemisahan aliran ). Separasi aliran terjadi dari
sudut 90o tanpa ring sampai 110o dengan variasi sudut kemiringan ring. Terlihat dengan
adanya ring pada silinder yang dipasang miring, penundaan separasi aliran sampai sudut
110o menyebabkan wake (daerah dibelakang silinder) menjadi lebih sempit sehingga drag
menjadi lebih rendah. Hal ini disebabkan dengan adannya penambahan ring, aliran yang
mengalir pada permukaan silinder menjadi lebih cepat sehingga momentum aliran menjadi
lebih besar untuk mengatasi tegangan geser. Meningkatnya aliran disebabkan oleh separasi
aliran yang terjadi pada ring menyebar ke permukaan silinder antar ring, sehingga aliran
yang mengalir melalui luasan sempit akan mengalami peningkatan.
TM-23 | 171
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
1
0,9
0,8
0,7
0,6
CD 0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
dengan ring
tanpa ring
0
5
10
15
20
Sudut Kemiringan Ring (θ)
Gambar 7. Grafik Hubungan antara Koefisien Drag (CD) terhadap Sudut Kemiringan Ring
dengan Ring dan Tanpa ring.
Pada gambar 7. menunjukkan grafik hubungan koefisien drag (CD) terhadap sudut
kemiringan ring dengan dan tanpa ring. Terlihat dengan penambahan ring pada silinder
yang dipasang miring, koefisien drag menurun mulai dari sudut 0o sampai 10o dan
meningkat lagi sampai 15o . Hal ini disebabkan, dengan penambahan ring yang dipasang
miring separasi aliran bisa ditunda menyebabkan wake sempit sehingga drag menjadi lebih
rendah. Penurunan koefisien drag terbesar terjadi pada sudut 10o besarnya CD = 0.485082.
Besarnya nilai koefisien drag tanpa ring adalah C D = 0.857382. Besarnya penurunan
koefisien drag dibandingkan tanpa ring adalah 43,4%.
Kesimpulan
Dari hasil penelitian yang telah dilakukan dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:
1. Dengan adaanya pemasangan ring pada silinder yang dipasang miring terjadi
penurunan koefisien drag dibandingkan tanpa dipasang ring.
2. Penurunan koefisien drag terbesar terjadi pada sudut kemiringan ring 10 o
Referensi
1. Chew, Y T., L S Pan, & T S Lee (1997). Numerical Simulation Of The Effect Of a
Moving Wall On Separation Of Flow Past a Symmetrical Aerofoil, ImechE, 212.
2. Fox, R. W.(1985).Introduction To Fluid Mechanics. John Wiley & Sons, New York.
3. Igarashi, T.(1997). Drag Reduction Of a Square Prism by Flow Control Using a
Small Rod. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 69 – 71(1997),
141 – 153.
4. Incropera, F. P. & D. P. DeWitt. (1981). Fundamentals Of Heat And Mass
Transfer.John Wiley & Sons, New York.
5. Lee, S., S. Lee, & C. Park (2004). Reducing The Drag On a Circular Cylinder by
Upstream Installation Of a Small Control Rod, Fluid Dynamics Reseach , 34(2004):
233-250.
6. Lim, H.C.&.Lee S.J., (2004). Flow Control of Circular Cylinder With O-Rings .Fluid
Dynamics Research, 35 (2004): 107 – 122
7. Tsutsui, T. & T. Igarashi, (2002). Drag Reduction of a Circular Cylinder in an AirStream. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 90(2002): 527541.
8. Yajima, Y & O. Sano, (1996). A Note On The Drag Reduction Of a Circular Cylinder
Due To Double Rows Of Holes. Fluid Dynamics Research, 18(1996): 237 – 243.
9. Bouak, F, and Lemay, J, (1998), Passive Control of the Aerodynamics Forces Acting
on a Circular Cylinder, ExperimentalThermal and Fluid Science, 16, pp. 112-121.
TM-23 | 172
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
PENGARUH PEMASANGAN RING BERPENAMPANG SEGIEMPAT
DENGAN POSISI MIRING PADA PERMUKAAN SILINDER
TERHADAP KOEFISIEN DRAG
Si Putu Gede Gunawan Tista, Ketut Astawa, Ainul Ghurri
Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana
Kampus Bukit Jimbaran, Badung - Bali, 80362
e-mail: Gunawan_tista@yahoo.com
Abstrak
Dalam aplikasi enginering banyak ditemukan peralatan yang menggunakan silinder seperti
tiang penyangga jembatan, cerobong asap, tiang pancang pengeboran minyak lepas pantai
dan sebagainya. Apabila dikenai aliran udara tentu akan membuat konstruksi dari peralatan
tersebut kekuatannya berkurang. Hal ini diakibatkan oleh adanya gaya hambat (drag) yang
ditimbulkan oleh aliran udara yang arahnya searah dengan arah aliran. Drag erat kaitannya
dengan separasi aliran, semakin cepat terjadi separasi semakin besar darg yang terjadi. Oleh
karena itu upaya yang dilakukan untuk mengurangi drag adalah dengan memanipulasi
medan aliran fluida. Manipulasi aliran bisa dilakukan secara pasif antara lain menempelkan
sebuah sirip pada bluff body, melubangi silinder, menambahkan spiral pada silinder dan
menempatkan penghalang yang lebih kecil di depan silinder. Dalam hal ini yang kami
lakukan adalah dengan menambahkan ring pada permukaan silinder. Tujuan dari penelitian
ini adalah untuk mengetahui pengaruh pemasangan ring berpenampang segi empat dengan
posisi miring pada permukaan silinder terhadap koefisien drag. Dalam penelitian ini silinder
yang dipasang ring dengan variasi sudut kemiringan ring 0 o ,5 o ,10 o , 15 o diletakkan vertikal
diuji di dalam wind tunnel (lorong angin) yang dilengkapi blower, manometer, pipa pitot.
Jarak antar ring adalah 30 mm. Bilangan Reynolds dengan diameter silinder D = 62 mm
adalah Re = 3,763.10 4 . Distribusi tekanan diperoleh dengan mengukur tekanan permukaan
silinder pada 36 titik dengan interval 10 o . Data yang diukur adalah tekanan permukaan
silinder, tekanan statis, dan kecepatan aliran fluida.Untuk pengukuran gaya drag digunakan
timbangan yang diletakkan diatas wind tunnel. Hasil penelitian menunjukkan, terjadi
penurunan koefisien drag pada saat dipasang ring pada silinder dengan posisi miring
dibandingkan tanpa ring. Nilai koefisien drag (C D ) untuk tanpa ring adalah C D = 0.857382.
Penurunan koefisien drag terbesar terjadi pada sudut kemiringan ring 10 o dengan nilai C D =
0.485082. Besarnya penurunan koefisien drag dibandingkan tanpa ring adalah 43,4%.
Kata Kunci: Silinder dengan Ring, Sudut Kemiringan Ring, Separasi Aliran, Koefisien Drag
Pendahuluan
Fenomena gerakan aliran fluida melintasi suatu benda (bluff body) memegang
peranan
sangat penting dalam aplikasi engineering seperti pada penukar kalor,
pembakaran, alat transportasi dan bangunan. Dengan demikian penelitian fenomena aliran
tersebut menjadi sangat penting jika dikaitkan dengan krisis energi yang melanda dunia
dewasa ini.
Pola aliran berbeda-beda tergantung geometri bluff body seperti silinder, segi
empat, dan plat. Aliran external viscous yang mengalir melalui silinder akan mengalami
stagnasi, lapisan batas, separasi(pemisahan) dan wake di belakang silinder. Untuk benda
yang bergerak dalam fluida viscous, gaya drag (gaya hambat) dan gaya lift (gaya angkat)
erat hubungannya dengan separasi aliran (Chew et al., 1997).
Adanya separasi aliran akan menyebabkan timbulnya wake di belakang silinder
yang mengakibatkan drag (hambatan). Semakin cepat terjadinya separasi aliran, wake akan
semakin lebar sehingga drag semakin besar.
Dalam dunia transportasi seperti pesawat udara, mobil atau kapal laut, drag yang
besar dihindari, karena energi atau tenaga yang dibutuhkan untuk bergerak menjadi lebih
besar. Berbagai upaya telah dilakukan untuk mengurangi drag, diantaranya dengan
TM-23 | 166
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
membuat body yang streamline atau memanipulasi medan aliran. Sebagai contoh, jika
drag dari mobil dan bangunan dapat dikurangi maka banyak biaya bahan bakar dan
material yang dapat dihemat (Tsutsui dan Igarasi, 2002).
Dalam aplikasi enginering banyak ditemukan peralatan yang menggunakan silinder
seperti tiang penyangga jembatan, cerobong asap, tiang pancang pengeboran minyak
lepas pantai dan sebagainya. Apabila dikenai aliran fluida tentu akan membuat kekuatan
konstruksi dari peralatan tersebut akan berkurang dan lebih cepat robohnya tidak sesuai
dengan yang direncanakan. Hal ini diakibatkan oleh adanya gaya hambat yang besar (drag)
yang ditimbulkan oleh aliran fluida yang arahnya searah dengan arah aliran.
Oleh karena itu, penelitian tentang pengurangan koefisien gaya hambat (drag) pada
silinder penting untuk dilakukan. Dalam penelitian ini silinder dipasang ring yang
berpenampang segi empat sehingga terjadi perubahan pola aliran pada silinder , diharapkan
separasi aliran bisa ditunda, wake dibelakang silinder menjadi lebih sempit dan terjadi
pengurangan koefisien gaya hambat (drag ) pada silinder.
Tujuan dari penelitian ini adalah adalah untuk mengetahui pengaruh pemasangan
ring berpenampang segi empat dengan posisi miring pada permukaan silinder terhadap
koefisien gaya hambat (drag).
Berbagai penelitian tentang drag yang mendukung penelitian ini antara lain:
Lee, et al. (2004), meneliti pengaruh pemasangan batang kontrol kecil pada
upstream dari silinder dengan fokus pada karakteristik drag dan struktur aliran. Bilangan
Reynold berdasarkan silinder utama (D = 30 mm) adalah sekitar Re = 20000. Maksimum
pengurangan koefisien total drag dari seluruh sistem meliputi silinder utama dan batang
kontrol sekitar 25%.
Lim & Lee (2004), membahas aliran disekitar silinder bulat yang dikontrol dengan
menempelkan gelang O untuk mengurangi gaya drag pada silinder. Gaya drag, kecepatan
wake dan intensitas turbulensi diukur pada bilangan Reynold dalam range ReD = 7,8 x 103
~ 1,2 x 105 dengan variasi kombinasi diameter dan jarak puncak antara gelang O yang
berdekatan. Didapatkan hasil silinder yang dipasang dengan diameter gelang O d =
0,0167D pada interval puncak dari PPD (jarak dari puncak ke puncak) = 0,165D
menunjukkan maksimum pengurangan drag sekitar 9% pada ReD = 1,2 x 105 ,
dibandingkan silinder halus. Tetapi, pemasangan gelang O dengan diameter lebih besar
dari pada d = 0,067D hanya sedikit mengurangi drag.
Tsutsui & Igarashi (2002), mengkaji aliran sekitar silinder dengan menempatkan
batang kecil pada upstream dari silinder . Diameter silinder adalah D = 40 mm, dan
diameter batang d rentangnya dari 1 sampai 10 mm.. Angka Reynold didasarkan pada D
rentang dari 1,5 x 104 sampai 6,2 x 104 . Pengurangan total drag yang meliputi drag dari
batang adalah 63% dibandingkan dengan yang satu silinder.
Igarashi (1997), Mengkaji aliran sekitar Prisma segiempat dengan menempatkan
batang kecil di depan prisma (upstream). Panjang sisi prisma D adalah 30 mm dan
bilangan Reynold Re adalah 3,2 x 104 . Pada jarak kritis Gc = D + 4,5d, vortex dari batang
hilang. Drag dari prisma menurun sekitar 50% pada G > Gc dan 70% pada G ≤ Gc.
Yajima & Sano (1996), Mengkaji aliran sekitar silinder
dengan melubangi
sepanjang silinder dalam dua baris yang dibuat melintang diamater silinder. Pengurangan
drag luar biasa didapat untuk bermacam-macam sudut serang. Besarnya pengurangan drag
adalah 40% dibandingkan dengan silinder halus.
Bouk, at al. (1998), melakukan studi eksperimental menggunakan silinder kecil
sebagai pengontrol pasif untuk mengurangi gaya
drag pada silinder utama. Hasil
eksperimental mereka menunjukkan bahwa rata-rata penurunan gaya hambat maksimum
sekitar 48% relatif terhadap silinder tunggal (tanpa pengontrol pasif).
TM-23 | 167
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
Dasar Teori
Aliran inkompresibel melintasi silinder dapat dilihat pada gambar 1.
(a) Aliran Viscous
(b) Aliran inviscid
Gambar 1. Gambar Kualititatif aliran pada suatu silinder (Fox, 1985)
Pada Gambar1.a. menunjukkan aliran viscous pada suatu silinder, streamlines
adalah simetris. Titik A adalah titik stagnasi dan selanjutnya terjadi boundary layer. Dari
titik A ke titik B terjadi kenaikan kecepatan yang berakibat penurunan tekanan dan
selanjutnya dari titik B ke titik C terjadi penurunan kecepatan yang berarti terjadi kenaikan
tekanan PC > PB. Di titik C momentum aliran tidak mampu melawan tegangan geser
sehingga menyebabkan pecahnya boundary layer. Titik C disebut dengan point of
separation. Di antara titik-titik atau tempat-tempat pemisahan boundary layer terjadi suatu
kawasan yang disebut dengan wake. Makin besar wake makin besar terjadi perbedaan
gaya di depan dan di belakang silinder berakibat makin besar gaya seret aliran terhadap
silinder. Aliran inviscid digambarkan pada gambar 1.b. terlihat bahwa streamlines
simetris, terjadi slip pada permukaan silinder dan perbedaan besar kecilnya kecepatan
aliran ditunjukkan oleh rapat longgarnya streamlines yang ada dan juga tidak terjadi wake
sehingga tidak terjadi gaya seret pada silinder.
Pengaruh turbulensi pada separasi aliran yang melintasi silinder dapat dilihat pada
gambar 2.
Gambar 2. Pengaruh turbulensi pada separasi (Incropera & DeWitt, 1981)
Karena momentum fluida dalam lapisan batas turbulen lebih besar dari pada lapisan
batas laminer, maka kemampuannya untuk melawan tegangan geser lebih besar sehingga
akan lebih mampu untuk menunda yang menyebabkan separasi, itu layak untuk
mengharapkan transisi. Jika ReD ≤ 2 x 105 , lapisan batas tetap laminer, dan separasi terjadi
pada θ ≈ 80o . Tetapi, jika ReD ≥ 2 x 105 , terjadi transisi lapisan batas, dan separasi ditunda
sampai θ ≈ 140o .
Pada penelitian ini perhitungan koefisien tekanan digunakan persamaaan (Lee, et
al., 2004):
P Po
CP
(1)
2
1
U
o
2
TM-23 | 168
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
dengan:
P = Tekanan permukaan (N/m2 )
Po = Tekanan statik (N/m2 )
Uo = Kecepatan aliran bebas (m/s)
ρ = Densitas udara (kg/m3 )
Koefisien drag berdasarkan luasan
persamaan (Lim & Lee, 2004):
2 xFD
CD
U 02 . A
dengan:
FD = Gaya drag (N)
A = Luasan Frontal silinder (m2 )
Uo = Kecepatan aliran bebas (m/s)
ρ = densitas udara (kg/m3 )
frontal
efektif
silinder
dihitung
menggunakan
(2)
Metode Penelitian
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah: lorong udara (wind tunnel),
pipa pitot, manometer, silinder utama, silinder penghalang, dan blower. Adapun susunan
alat uji adalah seperti pada gambar 3.
Gambar 3. Skema Instalasi
Keterangan gambar:
1. Blower
2. Penyearah
3. Pipa Pitot
4. Manometer U
5. Inclined Manometer
6. Rel/Lintasan
7. Tuas
8. Timbangan digital
9. Benda uji
TM-23 | 169
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
Gambar 4. Detail Silinder Dengan Ring, Sudut Kemiringan 0o , 5o , 10o , 15o .
Gambar 5. Detail Potongan Penampang Ring
Cara Kerja Dan Teknik Pengambilan Data
Aliran udara yang dihembuskan oleh blower mengalir dalam wind tunnel
Kecepatan aliran udara wind tunnel diukur dengan pipa pitot (3) dengan diameter pipa 2
mm yang membaca tekanan total, sedangkan alat ukur (4) yang dihubungkan dengan
selang berdiameter 2 mm untuk mengukur tekanan statis (P o ) yang juga dibaca secara
manual. Kecepatan udara bebas Uo diproses dari tekanan dinamik yakni selisih antara
tekanan total dan tekanan statik.
Selanjutnya pengukuran tekanan statis pada permukaan silinder untuk mendapatkan
harga koefisien tekanan (Cp), dimana untuk pengukuran tekanan pada permukaan silinder,
silinder dilubangi sebanyak 36 titik dengan jarak antar lubang 10º dengan diameter lubang
1 mm dan dihubungkan dengan selang berdiameter 2 mm ke inclined manometer
berdiameter 2 mm, untuk mengukur tekanan permukaan (P) digunakan alat ukur (5).
Untuk mengukur gaya drag (F D) digunakan timbangan digital. Aliran udara yang
dihembuskan mengalir dalam wind tunnel, melintasi penyearah(2) agar aliran udara dalam
wind tunnel mengalir uniform ke seluruh bagian dalam wind tunnel. Setelah melewati
penyearah udara melintasi benda uji (9) yang pada bagian atas dan bawahnya sudah
terpasang rel/lintasan (6) agar benda uji dapat bergerak ke belakang setealah terkena
hembusan udara, sehingga tuas (7) yang terpasang dibagian atas benda uji dapat
mendorong timbangan (8) yang terpasang pada bagian atas wind tunnel, lalu timbangan
akan mencatat besarnya gaya drag (FD)
Prosedur Pengambilan Data
Prosedur pengambilan data dilaksanakan setelah menentukan atau mengatur semua
instrumen yang mendukung dalam proses pengambilan data.
Langkah-langkah yang diambil antara lain:
1. Meletakkan silinder yang dipasang ring segiempat vertikal di dalam wind tunnel di
depan dari saluran subsonik.
TM-23 | 170
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
2.
3.
4.
5.
6.
Menghidupkan blower
Setelah blower berjalan stasioner dilakukan pengambilan data
Pengambilan data distribusi tekanan dengan variasi sudut kemiringan ring, dilakukan
dengan mengambil data pada permukaan silinder.
Pengambilan data dilakukan sebanyak tiga kali pada setiap variasi sudut kemiringan
ring.pengujian baik tanpa ring maupun dengan ring segiempat. Dilakukan juga
pengambilan data untuk kecepatan aliran bebas di depan dari saluran subsonik dan
juga pengukuran tekanan statik.
Pengambilan data gaya drag (FD) dengan variasi sudut kemiringan ring juga dilakukan
sebanyak tiga kali baik dengan ring maupun tanpa ring.
Hasil Dan Pembahasan
Hasil penelitian dengan varisi sudut kemiringan ring 0o , 5o , 10o , dan 15o .
Sedangkan kecepatan aliran udara Uo = 8,8 m/s, dengan bilangan Reynold
Re
4
= 3,763. 10 , adalah seperti terlihat pada gambar berikut.
0,2
0,15
0,1
0,05
Cp
0
0
40
80
120
160
200
240
280
320
360
-0,05
-0,1
-0,15
-0,2
Sudut (θ)
Tanpa ring
sudut ring 0 derajat
sudut ring 10 derajat
sudut ring 15 derajat
sudut ring 5 derajat
Gambar 6. Grafik Hubungan antara Koefisien Tekanan (Cp) terhadap sudut silinder (θ)
dengan Variasi Sudut Kemiringan ring.
Pada Gambar 6. menunjukkan grafik hubungan koefisien tekanan (Cp) terhadap
sudut silinder dengan variasi sudut kemiringan ring yaitu 0o , 5o , 10o , 15o , serta tanpa ring.
Pada gambar 6, terlihat tekanan dari titik stagnasi mengalami penurunan kemudian
meningkat dan akhirnya terjadi separasi (pemisahan aliran ). Separasi aliran terjadi dari
sudut 90o tanpa ring sampai 110o dengan variasi sudut kemiringan ring. Terlihat dengan
adanya ring pada silinder yang dipasang miring, penundaan separasi aliran sampai sudut
110o menyebabkan wake (daerah dibelakang silinder) menjadi lebih sempit sehingga drag
menjadi lebih rendah. Hal ini disebabkan dengan adannya penambahan ring, aliran yang
mengalir pada permukaan silinder menjadi lebih cepat sehingga momentum aliran menjadi
lebih besar untuk mengatasi tegangan geser. Meningkatnya aliran disebabkan oleh separasi
aliran yang terjadi pada ring menyebar ke permukaan silinder antar ring, sehingga aliran
yang mengalir melalui luasan sempit akan mengalami peningkatan.
TM-23 | 171
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
1
0,9
0,8
0,7
0,6
CD 0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
dengan ring
tanpa ring
0
5
10
15
20
Sudut Kemiringan Ring (θ)
Gambar 7. Grafik Hubungan antara Koefisien Drag (CD) terhadap Sudut Kemiringan Ring
dengan Ring dan Tanpa ring.
Pada gambar 7. menunjukkan grafik hubungan koefisien drag (CD) terhadap sudut
kemiringan ring dengan dan tanpa ring. Terlihat dengan penambahan ring pada silinder
yang dipasang miring, koefisien drag menurun mulai dari sudut 0o sampai 10o dan
meningkat lagi sampai 15o . Hal ini disebabkan, dengan penambahan ring yang dipasang
miring separasi aliran bisa ditunda menyebabkan wake sempit sehingga drag menjadi lebih
rendah. Penurunan koefisien drag terbesar terjadi pada sudut 10o besarnya CD = 0.485082.
Besarnya nilai koefisien drag tanpa ring adalah C D = 0.857382. Besarnya penurunan
koefisien drag dibandingkan tanpa ring adalah 43,4%.
Kesimpulan
Dari hasil penelitian yang telah dilakukan dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:
1. Dengan adaanya pemasangan ring pada silinder yang dipasang miring terjadi
penurunan koefisien drag dibandingkan tanpa dipasang ring.
2. Penurunan koefisien drag terbesar terjadi pada sudut kemiringan ring 10 o
Referensi
1. Chew, Y T., L S Pan, & T S Lee (1997). Numerical Simulation Of The Effect Of a
Moving Wall On Separation Of Flow Past a Symmetrical Aerofoil, ImechE, 212.
2. Fox, R. W.(1985).Introduction To Fluid Mechanics. John Wiley & Sons, New York.
3. Igarashi, T.(1997). Drag Reduction Of a Square Prism by Flow Control Using a
Small Rod. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 69 – 71(1997),
141 – 153.
4. Incropera, F. P. & D. P. DeWitt. (1981). Fundamentals Of Heat And Mass
Transfer.John Wiley & Sons, New York.
5. Lee, S., S. Lee, & C. Park (2004). Reducing The Drag On a Circular Cylinder by
Upstream Installation Of a Small Control Rod, Fluid Dynamics Reseach , 34(2004):
233-250.
6. Lim, H.C.&.Lee S.J., (2004). Flow Control of Circular Cylinder With O-Rings .Fluid
Dynamics Research, 35 (2004): 107 – 122
7. Tsutsui, T. & T. Igarashi, (2002). Drag Reduction of a Circular Cylinder in an AirStream. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 90(2002): 527541.
8. Yajima, Y & O. Sano, (1996). A Note On The Drag Reduction Of a Circular Cylinder
Due To Double Rows Of Holes. Fluid Dynamics Research, 18(1996): 237 – 243.
9. Bouak, F, and Lemay, J, (1998), Passive Control of the Aerodynamics Forces Acting
on a Circular Cylinder, ExperimentalThermal and Fluid Science, 16, pp. 112-121.
TM-23 | 172