Pola Aliran Couette-Taylor dengan Aliran Aksial - repository civitas UGM
.frnFffi I€t{IlK
ffim
txxl gxnsm
Fakuh T*dk
Unfusshc#nttth&
Yogyakarb{NDONESIA
q
#Torau
PROCAADING
SEMINAR NASIONAL THERMOFLUID 2011
4 OKTOBER 2011
YOGYAKARTA, INDONESIA
Diedit oleh :
Eko Priyo Handoko
Eko Idris Hutagaol
tr'ransisko Pandiangan
Yohannes Sianturi
Yohanes C. Putandinto
Erick Sahata L. Tobing
Toby Purwanto
DISELENGGARAKAN OLEH:
JURUS$I TEKI\IK MESIN DAN II{DUSTRI
FAKULTAS TEKNIK UI\-IVERSITAS GADJAH MADA
SEMINAR NASIONAL THERMOFLUID
20lL
SUST]NAN PAN-ITIA
Penanggung Jawab
Ir. Tumiran, M.Eng., Ph.D.
(Dekan Fakultas Teknik UGM
Ir. M. Waziz Wildaru M.Sc., Ph.D.
(Ketua Jurusan Telcnik Mesin dan Industri
Panitia Pengarah
Ff UGM
Ir. Purnomo, MSME., Ph.D.
(Kepala Laboratorium Konversi Energi)
Prof. Dr.h.Indarto, DEA.
(Kepala Laboratorium Fluida)
Ir. Samsul Kamal, M.Sc., Ph. D.
(Kep. Laboratorium Perpindahan Kalor dan Massa)
Reviewer
Prof. Dr.Ir.Indarto, DEA. (UGIvI)
Prof. Ir. I Made Bendiyasa, M.Sc., Ph.D. (UGM)
Prof. Dr. Ir. Triyogi Yuwono, DEA. (ITS)
Dr. Ir. H. Djatmiko Ichsani, M.Eng. (ITS)
Dr. Ir. Anhar Rjza Antariks
ow on
(BATAI{)
Ketua
Fauzun, S.T., M.T., Ph.D.
Sekretaris
Muhammad Agung Bramantya, S.T., M.T., M.Eng., Ph.D.
Bendahara
Tri Agung Rohmat B.Eng., M.Eng., Dr.Eng.
KATA PENGAIITAR
Seminar Nasional Thermofluid 2011 yang diadakan oleh Jurusan Teknik Mesin dan
Industri, Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada merupakan wahana pertukaran informasi
bagi para iluwan, akademisi, dan engineer tentang hasil-hasil penelitian terbaru, pengalaman
operasional, metode, solusi permasalahan, dan tantangan praktis masa depan di bidang
thermal dan fluida. Seminar Nasional Thermofluid 2011 ini duharapkan mampu menjadi salah
satu media untuk menyelesaikan permasalahan di bidang thermal dan fluida yang semakin
kompleks, mengingat perkembangan industry yang cukup pesat di Indonesia.
Untuk mendiskusikan problem-problem nyata di industry, maka seminar ini
dilaksanakan dalam 2 sesi. Sesi I adalah sesi special lecture yang diisi oleh Prof. Konio
Yoshikawa dari Tokyo Institute of Technology. Sesi II adalah sesi presentasi paper yang
dibagi dalam beberapa kelompok besar, yaitu : Thermodynamics, Fluid Mechanics, dan Heat
and Mass Transfer dengan total 28 makalah. Pemikiran serta saran dari peserta seminar
nantinya diharapkan akan menjadi solusi terhadap permasalahan yang ada.
Pada akhirnya, diharapkan melalui presentasi makalah dalam seminar nasional
Thermofluid20ll ini akan dihasilkan suatu kontribusi yang signifikan terhadap pennasalahan
krisis energi di Indonesia.
Yogyakarta, 27 September 2011
Ketua Panitia
Fauzun, ST., MT, Ph.D.
lll
DAFTAR ISI
Susunan Panitia......
Kata Pengantar..............
Daftar Isi.............
A.
11
111
iv
Keynote Speech
ITYDROTIIERMAL TREATMENT: AN II{NOVATIYE PRE.TREATMENT
TECHNOLOGY FOR BIOMASS AND WASTE RESOTTRCES
B.
Heat and Mass Transfer
1.
MODEL LAJU PEMBAKARAN SAMPAH KOTA PADA INCINERATOR
LNGGUN TETAP (FIXED BED).......
2.
3.
E. Wiyono, S. Syamsiah, Sarto, H. Saptoadi
FL/LMMABILITY LIMIT CAMPTJRAN LIQUID PETROLIT]M GAS.T]DARA
Jayan Sentanuhady, Khollis Febryanto
')
9
FENOMENA DIFRAKSI GELOMBAI\G DETONASI DI BELAKANG
FACING STEP 25"4 PADA CAMPURAN BAHAN BAKAR HIDROGENOKSIGEN DENGAI\ DILUENT ARGON..
15
Iayan Sentanuhady, Bambang Puguh Manunggal
4. KAJIAN DARI KARAKTERISTIK
PERPINDAIIAN PANAS(MASSA)
PADA SALURAN PERSEGI EMPAT DENGAN BELOKAN TAJAM 18OO
(PENGARUH SUDUT DINDING PEMISAH DAN CLEARANCE
BELOKAT9
22
Ahmad Syuhada
5. ANALISIS NUMERIK
PENYTIMBATAII KANAL BAHAN BAKAR
RNAKTOR SERBA GTJNA G.A.SIWABESSY (RSG GAS), SERPONG
6.
29
Nardi, Tri Agung Rochmat, Susyadi
ANALISA KEEFEKTIFAN AL.A.T PENUKAR KALOR DOUBLE PIPE
BERSIRIP HELICAL T]NTTIK PEMANAS UDARA
DENGAN
MEMANFAATKAN GAS BUANG MESIN GENSET (DIESEL) SEBAGAI
PENGERING GABAH
37
Zainuddin
7. ANALISIS PENGARUH PERGA}ITIAN MATERIAL TTJBE CT]NI
DENGAN AISU3O4 TERIIADAP I]IIJUK KERJA AIR COOLER
8.
GENERATOR DI PLTA SAGULING .............
Yogi Sirodz Gaos, Candra Damis Widiawati
PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPIIIDAHAN PA}IAS DAN F'AKTOR
GESEKAII PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK DENGAN
CL.ASSrc TI|IISTED TAPE INSERT DAII PERFORATED TWISTED TAPE
INSERT..
Tri Istanto, Wibawa Endra Juwana,Indri Yaningsih
9. KARAKTERISASI BEBAII PENDINGIN TERHADAP BIAYA
PEMBUATAII DALAM PERANCANGAN COLD STORAGE
MENGGTINAKAN PANEL SURYA...
43
49
58
Boni Sena, Fauzun, Indarto
lv
C.
1.
Fluid Mechanics
DRAG REDUCTION LARUTAN BIOPOLIMER GETAH LATEKS (GUAR
GUV[) PADA PrPA SPIRAL...
Gunawan, M.Baqi, Yanuar
ANALISIS LAJU ALIRAN PADA UNTAI
65
UJI BETA GTUB)
BERDASARKAII PERUBAHAN FREKTIENSI POMPA SIRI(ULASI .............
71
Edi Marzuki, Mulya Juarsa, Urip Arpan, Januar Akbar
PERBANDINGAN METODE I\UMERIK REYNOLDS AVERAGE NAWER-
STOKES (RANS) DENGAN LARGE EDDY SIMALATION (TES) PADA
KASUS COMBUSTION.......
76
Albert MeigoR.E.Y, Romie O.Bura, Bambang Kismono
SIMI]LASI SEBARAN SUHU UDARA PADA SISTEM ALAT PENGERING
ERI(,HYBRID TIPE RAK MENGGUNAKAN CFD........
Edi Sutoyo, Y.Aris Purwanto, Leopold O. Nelwan
STUDI EKSPERIMEN DAN NUMERIK KARAKTERISTIK BOUNDARY
82
DIFFaSER 200...........
92
LAYER TURBALEN DI DALAM ASYMMETRIC FLAT.WALLED
Sutardi, Ahmad Ubaidillah M.
PENGARUH HAMBATAI{ DOITNSTREAM TERIIADAP PERUBAHAN
TEKANAI\ DI T-JUNCTION DAN KARAKTERISTIK PEMISAIIAN FASE
PADA ALIRAN KEROSENE.AIR .........
100
Untung Surya Dharma, Dewi Puspita, Indarto, Purnomo
7.
ANALISIS KURVA PENDIDIHAN DALAM CELAH SEMPIT VERTIKAL
UNTUK KASUS BILATERAL HEATING BERDASARKAN PERUBAHAN
TEMPERATTJR AWAL PLAT.......
108
IGN. Bagus Catrawedarrrra,Indarto, Mulya Juarsa, Ismu Handoyo, Kiswanta,
Ririn Fitriana
8.
OPTIMIZATION OF AMII\E CIRCULATION RATE ON ELECTRIC
MOTOR.DRTVEN AMINE PUMP IN PT.BADAK NGL
9.
Akbar Surya Laksamana, Fahmi
POLA ALIRAN COUTTE.TAYLOR DENGAN ALIRAN AKSIAL..
Praj itno, Sutrisno, Indarto, Purnomo
rO. AIIALISA KERUSAKAN GLOBE VALVE
VACUM STEAM TT]RBIN..
tt7
123
YAI\G DIGI.]}[AKA1\ PADA
128
Sumadi
D.
1.
Thermo4vnamics
DARI TANAMAII BANDOTAI{
(AGERATUM CONYZOIDES L.) SEBAGAT OCTANE IMPROVER BAHAN
BAKAR BENSIN PADA SEPEDA MOTOR 4 LANGKAH 1 SILINDER.......... 132
Bambang Sulistyo, Ni'mah Ma'furoh
ANALISIS ALIRAN SIRKT]LASI ALAMIAH DENGAII BILANGAN
REYNOLDS BERDASAKAN VARIASI SUDUT KEMIRINGAN TiNTAI
137
SIMULASI SIRKULASI ALAMIAH.........
Mulya Juarsa, Yogi Sirodz Gaos, Edi Marzuki, Arief Goeritno
PEMANT'AATAN TERPENTIN
3.
4.
PENERAPAII S'INGI.B RECTANGUL,AR PLATE FINT UNTT]K SIMTJLASI
.. 144
PROSES PENDINGINA}I AIR LAUT..............
Arief Goeritno, Kamaruddin Abdullah,
Armansyah H. Tambunan, Syachruddin AR
STUDI IDENTIFIKASI REJIM ALIRAN BERDASARKAN PERBEDAAN
DIAMETER PIPA DAN TEMPERATTJR AIR PADA TJNTAI UJI BETA
GruB)
Arief Goeritno,
Ainur Rosidi, Edi Marzuki, Isnu Handoyo
EXPERIMENTAL STUDY : COMBUSTION PROCESS ON A BOILER AT
MINI POWER PLANT BIOMASS FUELED
Putri Noviasri, Fauzun, Endang Lestari, Dedi
153
Januar Akbar, Mulya Juarsa,
5.
6.
7.
8.
9.
159
Suntoro, Paber P Sinaga
PERANAI\ PEMBAIIGKIT LISTRIK TENAGA I{T]KLIR TERIIADAP
PERGESERAN KEKUATAN SISTEM GLOBAL..............
165
h.Suharto
RANCANG BAIIGT]N APDRAFT FLUIDIZED BED GASIFIER fII\TTJK
GASIF'IKASI SEKAM PADI.......
I7I
Kamowo, Samsudin Anis, Wahyudi, Sudiyono
ADDITIONAL PRE-ITEATER IN REGEI\-ERATION GAS CIRCTIIT TO
REDUCE IIIGH PRESST]RE STEAM CONST]MPTION....
177
Muhammad Hatta
APLIKASI MIII-I TURBIN PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA
ST]RYA
183
Anastasya Fytry P,rtry, Faisal Ahmad Romadhoni,
Rifqi Dwi Prabowo
10. DEVELOPING INDONESIAII ECONOMY POWER THROUGH BIOGAS
FUEL UTILTT,ATION BY USING DIAPHRAGM SYST8M..........
Selly Riansyah, Achmad Fauzan H"ry,
Zamzami Septiropa, Tri Adhi Nugraha, Achmad
188
Yanis Wahyudi, Faizal Romadhi
vl
rsBN
97 8*97 9-97
986-6-4
*=Jil[*,,1*y;g
POLA ALIRAN COUETTE-TAYLOR DENGAII ALIRAN AKSIAL
Prajitnol, Sutrisnol, Indartol, dan Pumomol
Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada
Jl. Grafika No. 2, Kampus UGM Yogtaknrta 55281, Indonesia
Abstract: The experiment was conducted to study effect of rotation and axial flow on the flow
pattems in an annulus flow with the inner cylinder rotating and outer cylinder fixed. The test section
was an annulus with radius ratio of 0,716 and aspect ratio of 40. The ranges of the axial Reynolds
number and Circumference Reynolds number were 0-98,7 and 105-5593 respectively. It was shown
that when rotation were increased and there was axial flow, sequence of the flow pattern were CouettePoiseuille, Spiral Vortex, Wavy Vortex , and Turbulent Taylor Vortex. It was also obtained that for
turbulent Taylor vortex flow, increasing of rotation speed have no effect on the axial wavelength, and
vortex propagation velocity was slower than average velocity of fluid flow.
Key words z Flow pottern, Couette-TaylorJIow with axialflow, turbulent Taylor-vortex
1.
Jika tidak ada aliran aksial, aliran di dalam
annulus menjadi tidak stabil ketika putaran
silinder bagian dalam melampaui batas
kritisnya. Ketidakstabilan ini ditandai dengan
LATAR BELAKAI\G
Sistem aliran Couette-Taylor merupakan salah
satu prinsip yang diaplikasikan pada rheometer
yeng digunakan untuk mengukur viskositas
fluida yang pertama kali dikembangkan oleh
Mallock[l,2] pada tahun 1888 dan 1896, dan
Couet$e pada tahun 1890 [3]. Semenjak hasil
analisis teoritis dan eksperimen tentang
terjadinya perubahan pola aliran dari pola aliran
Couette melingkar menjadi pola aliran vortex
melingkar yang berpasangan. Pola aliran ini
selanjutnya dikenal dengan pola aliran vortex
Taylor. Jika putaran silinder makin tinggi,
dimungkinkan terjadi perubahan pola aliran
menjadi aliran vortex Taylor bergelombang,
instabilitas oleh G.I. Taylor dipublikasikan pada
1923141, kajian dan analisis teoritis
maupun eksperimental tentang aliran Coueffe-
tahun
dan selanjutnya menuju ke pola turbulen.
Taylor terus berkembang hingga
sekarang
dengan berbagai variasi parameter serta metode
yang digunakan untuk memperoleh pemahaman
Visualisasi pola aliran di antara dua silinder
koaksial yang berputar telah dilakukan oleh
Andereck, Liu, dan Swinney [1] untuk radius
rasio 11 : 0,883 dan aspect ratio f : 2A - 48.
Tidak kurang dari 13 macam pola aliran yang
yang diperoleh dari variasi putaran kedua
silinder searah dan berlawanan. Untuk silinder
luar diam, ketika putaran silinder bagian dalam
makin tinggi, evolusi pola aliran yang terjadi
adalah Couette laminer, vortex Taylor, vortex
bergelombang, vortex bergelombang termo-
yang mendalam dari aspek hidrodinamika
maupun pemanfaatan potensi yang menguntungkan.
Aliran Couette-Taylor dikarakterisasi dengan
parameter geometri dan parameter dinamik.
Parameter geometri berupa radius ratio (r:,)
yaitu perbandingan antara jari-jari silinder
bagian dalam (R7) dan silinder bagian luar (R2),
dan aspect ratio (I) yaitu perpandingan antara
panjang silinder (Z) dan jarak celah annulus (d).
Parameter dinamik berupa bilangan Taylor,
ra=pte? dl& dengan Ret adalah bilangan
Reynlods melingkar yang didefinisikan dengan
Re, =
Cr,Rd/y.
O1
dulasi, vortex Taylor turbulen, dan turbulen.
Xiao, Lim, dan Chew [5] melakukan penelitian
tentang pengaruh percepatan
terhadap
perubahan pola aliran transisi pada sistem aliran
adalah kecepatan sudut
Couette-Taylor dengan silinder bagian dalam
berputar dan silinder luar diam dengan jarak
celah d: 18,5 mm dan radius ratio r7:0,8032.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa jika
percepatan melampaui nilai kritis sekitar 2,2 s-1
terbentuk pola aliran baru di antara pola aliran
vortex bergelombang yang mirip dengan pola
silinder bagian dalam, dan v adalah viskositas
kinematis. Bilangan Reynolds aksial didefinisikan berdasarkan kecepatan rata-rata aliran (V,)
dan diameter hidraulik annulus QA, atau
dengan persamaan
p..e"
=2y,4 1,
.
123
rsBN 978-979-97986--H
*-.?-{m-?#lyif,
aliran vortex-Taylor yang mempunyai panjang
gelombang aksial yang lebih pendek daripada
panjang gelombang vortex-Taylor normal,
kemudian diberi nama aliran vortex Taylor
Silinder bagian dalam diputar menggunakan
motor listrik melalui transmisi puli, dan putaran
motor listrik diatur menggunakan inverter
dengan ketelitian 0,1 Hz. Fluida yang
kedua.
digunakan adalah larutan glycerine dengan
konsentrasi
Pemetaan pola aliran Taylor-Couette dengan
aliran aksial telah dilakukan oleh Wereley dan
Lueptow [6] berdasarkan pengukuran medan
kecepatan menggunakan metode PIY (Particle
0, dan
Image Velocimetry) untuk r7 0,83,
:
l:47,
p:
Re,: 1,6 -23,
dan 100 < Re1 <
215, kemudian divalidasi menggunakan metode
dengan
numerik oleh Hwang dan Yang I7l untuk
geometri yang sama. Selain aliran CouettePoiseuille yang stabil, pola aliran yang
diketahui berupa vortex Taylor laminer, aliran
vortex bergelombang, aliran vortex spiral,
aliran vortex spiral bergelombang, dan vortex
bergelombang acak. Pemetaan pola aliran
Taylor-Couette-Poiseuille berdasarkan visualisasi menggunakan metode MRI (Magnetic
Resonance Imaging) untuk ry:0,5 dan f : 16
telah dilakukan oleh Moser dkk. [8], Moser,
Raguin, dan Georgiadis
[9],
Raguin
50% sehingga mempunyai
viskositas kinematis sebesar 3,73x10-6 m'ls
pada temperatur 30oC, dan massa jenis 1129
kd*'. Fluida kerja disirkulasi menuju ke seksi
uji menggunakan pompa sentrifugal, dan debit
aliran diketahui melalui pembacaan flow meter
dengan ketelitian pembacaan 0,05 galon per
menit. Pada sisi masuk dan keluar seksi uji
dipasang alat ukur tekanan dengan ketelitian
0,5 mm.k.a. untuk mengetahui perbedaan
tekanan pada seksi uji. Temperatur fluida kerja
dicatat menggunakan termometer digital dengan
ketelitian 0,1 oC. Dengan variasi debit aliran
sebesar (0,25-l) galon per menit menghasilkan
bilangan Reynolds aksial, Re, : 22,4-89,7.
Variasi putaran silinder dari 3,8 sampai dengan
212 rpm menghasilkan bilangan Reynolds
melingkar Re7 : 1gt-t593. Untuk setiap variasi
debit alran dan putaran dilakukan pemotretan
dan perekaman gambar pola aliran menggunakan kamera digital Sony 8,1 Mega Pixels.
Untuk memperoleh gambar pola aliran, ke
dalam fluida kerja ditambahkan serbuk
dan
Georgiadis [10].
Penelitian pada umumnya dilakukan untuk
jangkauan terbatas dengan parameter geometri
dan rentang parameter dinamik tertentu.
Aluminium sehingga dapat
memantulkan
cahaya ketika dilakukan pemotretan.
Penelitian ini bertujuan mempelajari pengaruh
putaran dan aliran aksial terhadap perubahan
pola aliran di dalam annulus dengan silinder
bagian dalam berputar dan silinder bagian luar
diam dalam kondisi alian transisi dengan
rentang putaran yang lebih luas. Hasil
penelitian
ini
diharapkan bermanfaat dalam
perancangan peralatan yang berkaitan dengan
sistem aliran seperti ini, misalnya
filter,
:
rotating
peralatan dialisis, bantalan luncur,
z
a
reakfor, penukar kalor.
2.
F
o
u
F
METODE PENELITIAN
F
Skema alat percobaan dapat dilihat
pada
Seksi uji berupa annulus dengan
Gambar
silinder luar berjari-jari dalam Rz 7 cm, dan
l.
:
silinder bagian dalam berukuran jari-jari luar
R7= 5,01 cm sehingga mempunyai radius ratio,
r7: 0,716, dan lebar celah d :2,01 cm. Panjang
seksi uji sebesar 80 cm, sehingga mempunyai
aspect ratio, = 40. Silinder bagian luar dibuat
dari bahan transparan yaitu acrylic, sedangkan
f
Gambar 1. Skema alat pengujian
silinder bagian dalam dibuat dari bahan yang
tahan korosi yaitu stainless steel.
r24
rsBN 978-979-97986-H
*"?-'#,*,r**,,Jfi
3.
HASIL DAN PNMBAHASAII
Perubahan pola aliran yang diperoleh dari
penelitian ini antara lain berupa aliran Laminar
Couette, Couette-Poiseuille, Spiral Vortex,
Wavy Vortex, dan Turbulent Taylor-Vortex
yang disajikan pada Garnbar 2. Gambar 3
menunjukkan contoh dari beberapa pola aliran.
Ketika tidak terdapat aliran axial, tampak pada
gambar bahwa sampai dengan Rer : 132 pola
aliran masih berupa aliran Couette melingkar,
sedangkan secara teoritis, Rer. = 65,3.
Instabilitas mulai tampak pada Rer : I45, dan
terbentuk pola aliran vortex spiral. Pola aliran
ini berbeda dengan pola aliran Taylor-Couette
tanpa aliran axial pada umumnya, yang pada
kondisi instabilitas primer, pola aliran yang
terbentuk berupa aliran vortex melingkar. Hal
ini diduga karena kondisi batas pada kedua
ujung silinder seksi uji tidak berupa dinding
yang tetap atau ikut berputar. Instabilitas
sekunder mulai tampak pada Rer : 659, dan
pola aliran yang terbentuk berupa aliran vortex
bergelombang. Pada pola aliran vortex
MV
1187
MV
1055
MV
923
MV
791
MV
659
MV
527
SPV
396
SPV
264
SPV
185
SPV
158
SPV
132
LC
t19
LC
105
LC
TTV
MV
MV
MV
MV
MV
MV
MV
SPV
SPV
SPV
CP
CP
CP
MV
MV
MV
MV
MV
MV
MV
MV
SPV
SPV
SPV
SPV
CP
CP
MV
MV
MV
MV
MV
MV
MV
MV
MV
SPV
SPV
MV
MV
MV
MV
MV
MV
MV
SPV
SPV
SPV
SPV
SPV
CP
CP
22,4 M,8 67,3
CP
CP
CP
89,7
Re,
Keterangan :
: Laminar Couette
:
CP Couette Poiseuille
SPV Spiral Vortex
LC
:
WV :
TTV:
bergelombang terjadi pengecilan dan
pembesaran ukuran vortex karena terjadi
transfer massa antar vortex yang berdekatan,
sehingga terjadi proses percampuran yang
efektif. Pola aliran mulai berubah menjadi
berbentuk aliran vortex yang turbulen pada
Fte; 2241, dan turbulensi makin kuat
1319
Wavy Vortex
Turbulent Taylor Vortex
Gambar 3. Pengaruh aliran aksial dan putaran
terh
ketika
Re1 makin besar.
a) Couette Laminer
Re
5933
TTV
5538
TTV
5274
TTV
5010
TTV
4747
TTV
4483
TTV
4219
TTV
3956
TTV
3692
TTV
3428
TTV
3',t64
TTV
2901
TTV
2637
TTV
2505
TTV
2373
TTV
2241
TTV
2110
MV
1978
MV
1846
MV
1714
MV
1582
MV
1450
MV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
MV
MV
MV
TTV TTV
TTV TTV
TTV TTV
TTV TTV
TTV TTV
TTV TTV
TTV TTV
TTV TTV
TTV TTV
TTV TTV
TTV TTV
TTV TTV
MV MV
MV MV
MV MV
MV MV
MV MV
MV MV
MV MV
MV MV
MV MV
MV MV
Vortex
c) Wavy Vortex
b) Spiral Vortex
d) Turbulent Taylor
Vortex
Gambar 2. Contoh pola aliran
Ketika terdapat aliran aksial, tahapan perubahan
pola aliran dimulai berupa aliran CouettePoiseuille ketika putaran silinder bagian dalam
masih rendah sehingga aliran masih laminer.
Ketika putaran meningkat pola aliran berubah
mejadi berupa vortex spiral yang bergerak
searah dengan arah aliran. Tampak bahwa
adanya aliran
axial
terj adinya transisi
dari aliran Coueff e-Poiseuille
cenderung menunda
menjadi aliran vortex spiral. Ketika putaran
t25
a3r:$#-?ttyif,
rsBN 978-979-97986-H
makin tinggi, pola aliran berubah menjadi
vortex bergelombang, dan selanjutnya menjadi
vortex turbulen.
0,05
Ukuran vortex dapat dinyatakan
dengan
c Rez= 22,4
r Rez = 44,8
a Rez = 67,3
panjang gelombang dan bilangan gelombang
dalam arah aksial. Panjang gelombang sama
dengan panjang untuk satu pasang vortex.
Bilangan gelombang sebanding dengan ukuran
celah (d), dan berbanding terbalik dengan
ukuran panjang dari sepasang vortex )u), atau a
.Rez=
0
100
150
200
260
300
Rer/Rer
:2ndl)".
Gambar 4. Pengaruh putaran dan aliran aksial
terhadap panjang gelombang aliran vortex
Tabel 1. Panjang gelombang (1.) dalam arah
aksial, m
turbulen
Re"
Rer
22.4
44,8
673
89.7
0.055
0,0s5
0,055
0.055
0.055
3428
0
0.04
3692
0.05
39s6
0.05
0,06
0.06
0.055
4719
0.0s
0.05
0-055
0.055
0.055
4483
4747
0.05
0.05
0.055
0.055
0.055
0.05
0.05
0.055
0.055
0_055
s010
0,0s
0.05
0.055
0.055
5274
0.05
0.05
0.055
0.0s5
0.055
0-055
5538
0.05
0.05
0"055
0.055
0,055
5933
0,05
0,05
0,055
0.055
0,055
Tabel
50
0.055
0.055
0.055
2,0
(6 1,5
0-055
1,0
0,5
0,0
0
50
100
150
200
250
300
Rer/Re.
Gambar 5. Pengaruh aliran aksial terhadap
bilangan gelombang aksial aliran vortex
turbulen
I dan Gambar 4 menunjukkan
pengaruh
putaran terhadap panjang
aliran aksial dan
gelombang vortex dalam arah aksial. Ketika
1,6
1,25
tanpa aliran aksial, panjang gelombang vortex
rata-rata sebesar 5 cm. Adanya aliran aksial,
1
gelombang vortex menjadi makin panjang,
tetapi pada bilangan Re" yang makin besar,
panjang gelombang hampir konstan sebesar 5,5
co, dan tidak terpengaruh oleh putaran.
Gambar 5 menunjukkan pengaruh aliran aksial
dan putaran terhadap bilangan gelombang.
Tampak bahwa karena bilangan gelombang
lebih panjang daripada dua kali jarak celah,
maka bilangan gelombang yang dihasilkan
>to,zo
J
. Raz= 22,4
. Raz=
o,6
^ Ftez = 67,
o,26
o
o Re€
loo
150
Rei/Rs,
200
2&
300
Gambar 6. Kecepatan aksial vortex relatif
terhadap kecepatan aliran
lebih pendek.
Kecepatan perambatan vortex relatif terhadap
kecepatan aliran rata-rata disajikan dalam
Gambar 6. Tampak bahwa ketika putaran makin
tinggi, kecepatan perambatan menurun, tetapi
hampir konstan ketika Rer makin tinggi. Tetapi
secara keseluruhan kecepatan perambatan lebih
rendah daripada kecepatan rata-rata aliran
aksial, kecuali pada Re, : 44,8, kecepatan
perambatan sekitar 1,23 kali kecepatan rata-rata
aliran aksial.
t26
Pola Aliran Couette-Taylor dengan aliran aksial
Prajitno1, Sutrisno1, Indarto1, dan Purnomo1
Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada
Jl. Grafika No. 2, Kampus UGM Yogyakarta 55281, Indonesia
Abstract: The experiment was conducted to study effect of rotation and axial flow on the flow patterns in an annulus
flow with the inner cylinder rotating and outer cylinder fixed. The test section was an annulus with radius ratio of
0,716 and aspect ratio of 40. The ranges of the axial Reynolds number and Circumference Reynolds number were 098,7 and 105-5593 respectively. It was shown that when rotation were increased and there was axial flow, sequence
of the flow pattern were Couette-Poiseuille, Spiral Vortex, Wavy Vortex , and Turbulent Taylor Vortex. It was also
obtained that for turbulent Taylor vortex flow, increasing of rotation speed have no effect on the axial wavelength,
and vortex propagation velocity was slower than average velocity of fluid flow.
Key words : Flow pattern, Couette-Taylor flow with axial flow, turbulent Taylor-vortex
1. LATAR BELAKANG
Sistem aliran Couette-Taylor merupakan salah satu
prinsip yang diaplikasikan pada rheometer yang
digunakan untuk mengukur viskositas fluida yang
pertama kali dikembangkan oleh Mallock[1,2] pada tahun
1888 dan 1896, dan Couette pada tahun 1890 [3].
Semenjak hasil analisis teoritis dan eksperimen tentang
instabilitas oleh G.I. Taylor dipublikasikan pada tahun
1923[4], kajian dan analisis teoritis maupun
eksperimental tentang aliran Couette-Taylor terus
berkembang hingga sekarang dengan berbagai variasi
parameter serta metode yang digunakan untuk
memperoleh pemahaman yang mendalam dari aspek
hidrodinamika maupun pemanfaatan potensi yang
menguntungkan.
Aliran
Couette-Taylor
dikarakterisasi
dengan
parameter geometri dan parameter dinamik. Parameter
geometri berupa radius ratio (η) yaitu perbandingan
antara jari-jari silinder bagian dalam (R1) dan silinder
bagian luar (R2), dan aspect ratio (Γ) yaitu perpandingan
antara panjang silinder (L) dan jarak celah annulus (d).
Parameter dinamik berupa bilangan Taylor, Ta = Re12 d R1
dengan Re1 adalah bilangan Reynlods melingkar yang
didefinisikan dengan Re1 = Ω1R1d ν . Ω1 adalah kecepatan
sudut silinder bagian dalam, dan ν adalah viskositas
kinematis. Bilangan Reynolds aksial didefinisikan
berdasarkan kecepatan rata-rata aliran (Vm) dan diameter
hidraulik annulus (2d), atau dengan persamaan
Re z = 2Vm d ν .
Jika tidak ada aliran aksial, aliran di dalam annulus
menjadi tidak stabil ketika putaran silinder bagian dalam
melampaui batas kritisnya. Ketidakstabilan ini ditandai
dengan terjadinya perubahan pola aliran dari pola aliran
Couette melingkar menjadi pola aliran vortex melingkar
yang berpasangan. Pola aliran ini selanjutnya dikenal
dengan pola aliran vortex Taylor. Jika putaran silinder
makin tinggi, dimungkinkan terjadi perubahan pola aliran
menjadi aliran vortex Taylor bergelombang, dan
selanjutnya menuju ke pola turbulen.
Visualisasi pola aliran di antara dua silinder koaksial
yang berputar telah dilakukan oleh Andereck, Liu, dan
Swinney [1] untuk radius rasio η = 0,883 dan aspect ratio
Γ = 20 – 48. Tidak kurang dari 13 macam pola aliran
yang yang diperoleh dari variasi putaran kedua silinder
searah dan berlawanan. Untuk silinder luar diam, ketika
putaran silinder bagian dalam makin tinggi, evolusi pola
aliran yang terjadi adalah Couette laminer, vortex Taylor,
vortex bergelombang, vortex bergelombang termodulasi,
vortex Taylor turbulen, dan turbulen.
Xiao, Lim, dan Chew [5] melakukan penelitian
tentang pengaruh percepatan terhadap perubahan pola
aliran transisi pada sistem aliran Couette-Taylor dengan
silinder bagian dalam berputar dan silinder luar diam
dengan jarak celah d = 18,5 mm dan radius ratio η =
0,8032. Hasil penelitian menunjukkan bahwa jika
percepatan melampaui nilai kritis sekitar 2,2 s-1 terbentuk
pola aliran baru di antara pola aliran vortex
bergelombang yang mirip dengan pola aliran vortexTaylor yang mempunyai panjang gelombang aksial yang
lebih pendek daripada panjang gelombang vortex-Taylor
normal, kemudian diberi nama aliran vortex Taylor kedua.
Pemetaan pola aliran Taylor-Couette dengan aliran
aksial telah dilakukan oleh Wereley dan Lueptow [6]
berdasarkan pengukuran medan kecepatan menggunakan
metode PIV (Particle Image Velocimetry) untuk η = 0,83,
µ = 0, dan Γ = 47, dengan Rez = 1,6 – 23, dan 100 < Re1 <
215, kemudian divalidasi menggunakan metode numerik
oleh Hwang dan Yang [7] untuk geometri yang sama.
Selain aliran Couette-Poiseuille yang stabil, pola aliran
yang diketahui berupa vortex Taylor laminer, aliran
Aluminium sehingga dapat memantulkan cahaya ketika
dilakukan pemotretan.
Motor
Listrik
Pengatur putaran motor
Puli Transmisi
P2
TEST SECTION
vortex bergelombang, aliran vortex spiral, aliran vortex
spiral bergelombang, dan vortex bergelombang acak.
Pemetaan
pola
aliran
Taylor-Couette-Poiseuille
berdasarkan visualisasi menggunakan metode MRI
(Magnetic Resonance Imaging) untuk η = 0,5 dan Γ = 16
telah dilakukan oleh Moser dkk. [8], Moser, Raguin, dan
Georgiadis [9], Raguin dan Georgiadis [10].
Penelitian pada umumnya dilakukan untuk jangkauan
terbatas dengan parameter geometri
dan rentang
parameter dinamik tertentu. Penelitian ini bertujuan
mempelajari pengaruh putaran dan aliran aksial terhadap
perubahan pola aliran di dalam annulus dengan silinder
bagian dalam berputar dan silinder bagian luar diam
dalam kondisi alian transisi dengan rentang putaran yang
lebih luas. Hasil penelitian ini diharapkan bermanfaat
dalam perancangan peralatan yang berkaitan dengan
sistem aliran seperti ini, misalnya : rotating filter,
peralatan dialisis, bantalan luncur, reaktor, penukar kalor.
RD
FM-1
V-6
FM-2
RD
V-4
P1
V-7
V-5
V-3
2. METODE PENELITIAN
V-2
Skema alat percobaan dapat dilihat pada Gambar 1.
Seksi uji berupa annulus dengan silinder luar berjari-jari
dalam R2 = 7 cm, dan silinder bagian dalam berukuran
jari-jari luar R1= 5,01 cm sehingga mempunyai radius
ratio, η = 0,716, dan lebar celah d = 2,01 cm. Panjang
seksi uji sebesar 80 cm, sehingga mempunyai aspect
ratio, Γ = 40. Silinder bagian luar dibuat dari bahan
transparan yaitu acrylic, sedangkan silinder bagian dalam
dibuat dari bahan yang tahan korosi yaitu stainless steel.
Silinder bagian dalam diputar menggunakan motor
listrik melalui transmisi puli, dan putaran motor listrik
diatur menggunakan inverter dengan ketelitian 0,1 Hz.
Fluida yang digunakan adalah larutan glycerine dengan
konsentrasi 50% sehingga mempunyai viskositas
kinematis sebesar 3,73x10-6 m2/s pada temperatur 30oC,
dan massa jenis 1129 kg/m3. Fluida kerja disirkulasi
menuju ke seksi uji menggunakan pompa sentrifugal, dan
debit aliran diketahui melalui pembacaan flow meter
dengan ketelitian pembacaan 0,05 galon per menit. Pada
sisi masuk dan keluar seksi uji dipasang alat ukur
tekanan dengan ketelitian 0,5 mm.k.a. untuk mengetahui
perbedaan tekanan pada seksi uji. Temperatur fluida kerja
dicatat menggunakan termometer digital dengan
ketelitian 0,1 oC. Dengan variasi debit aliran sebesar
(0,25–1) galon per menit menghasilkan bilangan
Reynolds aksial, Rez = 22,4–89,7. Variasi putaran silinder
dari 3,8 sampai dengan 212 rpm menghasilkan bilangan
Reynolds melingkar Re1 = 105–5593. Untuk setiap
variasi debit alran dan putaran dilakukan pemotretan dan
perekaman gambar pola aliran menggunakan kamera
digital Sony 8,1 Mega Pixels. Untuk memperoleh gambar
pola aliran, ke dalam fluiida kerja ditambahkan serbuk
T
Tangki penampung
YS
P
V-1
V-8
Gambar 1. Skema alat pengujian
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Perubahan pola aliran yang diperoleh dari penelitian
ini antara lain berupa aliran Laminar Couette, CouettePoiseuille, Spiral Vortex, Wavy Vortex, dan Turbulent
Taylor-Vortex yang disajikan pada Gambar 2. Gambar 3
menunjukkan contoh dari beberapa pola aliran. Ketika
tidak terdapat aliran axial, tampak pada gambar bahwa
sampai dengan Re1 = 132 pola aliran masih berupa aliran
Couette melingkar, sedangkan secara teoritis, Re1c = 65,3.
Instabilitas mulai tampak pada Re1 = 145, dan terbentuk
pola aliran vortex spiral. Pola aliran ini berbeda dengan
pola aliran Taylor-Couette tanpa aliran axial pada
umumnya, yang pada kondisi instabilitas primer, pola
aliran yang terbentuk berupa aliran vortex melingkar. Hal
ini diduga karena kondisi batas pada kedua ujung silinder
seksi uji tidak berupa dinding yang tetap atau ikut
berputar. Instabilitas sekunder mulai tampak pada Re1 =
659, dan pola aliran yang terbentuk berupa aliran vortex
bergelombang. Pada pola aliran vortex bergelombang
terjadi pengecilan dan pembesaran ukuran vortex karena
terjadi transfer massa antar vortex yang berdekatan,
sehingga terjadi proses percampuran yang efektif. Pola
aliran mulai berubah menjadi berbentuk aliran vortex
yang turbulen pada Re1= 2241, dan turbulensi makin kuat
ketika Re1 makin besar.
Re
5933
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
5538
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
5274
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
5010
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
4747
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
4483
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
4219
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
3956
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
3692
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
3428
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
3164
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
2901
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
2637
TTV
TTV
TTV
MV
MV
2505
TTV
TTV
TTV
MV
MV
2373
TTV
TTV
TTV
MV
MV
2241
TTV
TTV
TTV
MV
MV
2110
MV
TTV
TTV
MV
MV
1978
MV
TTV
TTV
MV
MV
1846
MV
TTV
TTV
MV
MV
1714
MV
TTV
MV
MV
MV
1582
MV
TTV
MV
MV
MV
1450
MV
TTV
MV
MV
MV
1319
MV
TTV
MV
MV
MV
1187
MV
MV
MV
MV
MV
1055
MV
MV
MV
MV
MV
923
MV
MV
MV
MV
MV
791
MV
MV
MV
MV
MV
659
MV
MV
MV
MV
MV
527
SPV
MV
MV
MV
MV
396
SPV
MV
MV
MV
SPV
264
SPV
SPV
SPV
MV
SPV
185
SPV
SPV
SPV
SPV
SPV
158
SPV
SPV
SPV
SPV
SPV
132
LC
CP
SPV
SPV
CP
119
LC
CP
CP
CP
CP
105
LC
CP
CP
CP
CP
0
22,4
44,8
67,3
89,7
Rez
Keterangan :
LC = Laminar Couette
CP = Couette Poiseuille
SPV = Spiral Vortex
WV = Wavy Vortex
TTV = Turbulent Taylor Vortex
Gambar 3. Pengaruh aliran aksial dan putaran terhadap
pola aliran
a) Couette Laminer
c) Wavy Vortex
b) Spiral Vortex
d) Turbulent Taylor Vortex
Gambar 2. Contoh pola aliran
Ketika terdapat aliran aksial, tahapan perubahan pola
aliran dimulai berupa aliran Couette-Poiseuille ketika
putaran silinder bagian dalam masih rendah sehingga
aliran masih laminer. Ketika putaran meningkat pola
aliran berubah mejadi berupa vortex spiral yang bergerak
searah dengan arah aliran. Tampak bahwa adanya aliran
axial cenderung menunda terjadinya transisi dari aliran
Couette-Poiseuille menjadi aliran vortex spiral. Ketika
putaran makin tinggi, pola aliran berubah menjadi vortex
bergelombang, dan selanjutnya menjadi vortex turbulen.
Ukuran vortex dapat dinyatakan dengan panjang
gelombang dan bilangan gelombang dalam arah aksial.
Panjang gelombang sama dengan panjang untuk satu
pasang vortex. Bilangan gelombang sebanding dengan
ukuran celah (d), dan berbanding terbalik dengan ukuran
panjang dari sepasang vortex λ), atau a = 2πd/λ.
Tabel 1. Panjang gelombang (λ) dalam arah aksial, m
Re1
3428
3692
3956
4219
4483
4747
5010
5274
5538
5933
0
0,04
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
22,4
0,06
0,06
0,055
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
Rez
44,8
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
67,3
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
89,7
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
Tabel 1 dan Gambar 4 menunjukkan pengaruh aliran
aksial dan putaran terhadap panjang gelombang vortex
dalam arah aksial. Ketika tanpa aliran aksial, panjang
gelombang vortex rata-rata sebesar 5 cm. Adanya aliran
aksial, gelombang vortex menjadi makin panjang, tetapi
pada bilangan Rez yang makin besar, panjang gelombang
hampir konstan sebesar 5,5 cm, dan tidak terpengaruh
oleh putaran. Gambar 5 menunjukkan pengaruh aliran
aksial dan putaran terhadap bilangan gelombang. Tampak
bahwa karena bilangan gelombang lebih panjang
daripada dua kali jarak celah, maka bilangan gelombang
yang dihasilkan lebih pendek.
Kecepatan perambatan vortex relatif terhadap kecepatan
aliran rata-rata disajikan dalam Gambar 6. Tampak
bahwa ketika putaran makin tinggi, kecepatan
perambatan menurun, tetapi hampir konstan ketika Re1
makin tinggi. Tetapi secara keseluruhan kecepatan
perambatan lebih rendah daripada kecepatan rata-rata
aliran aksial, kecuali pada Rez = 44,8, kecepatan
perambatan sekitar 1,23 kali kecepatan rata-rata aliran
aksial.
4. KESIMPULAN
0,075
λ (m)
0,05
Rez
Rez
Rez
Rez
0,025
= 22,4
= 44,8
= 67,3
= 89,7
0
0
50
100
150
200
250
300
Re1/Rez
Gambar 4. Pengaruh putaran dan aliran aksial terhadap
panjang gelombang aliran vortex turbulen
2)
Dari hasil penelitian dapat diambil kesimpulan antara
lain sebagai berikut.
1) Untuk radius ratio, η = 0,716 dan aspect ratio, Γ =
40 pola aliran yang diperoleh adalah LaminerCouette, Couette-Poiseuille, Spiral-Vortex, WavyVortex, dan Turbulent-Taylor-Vortex
2) Panjang gelombang axial vortex turbulen cenderung
menurun dengan bertambahnya putaran, dan hampir
konstan ketika putaran makin tinggi
3) Kecepatan perambatan vortex turbulen cenderung
menurun dengan bertambahnya putaran dan lebih
kecil daripada kecepatan rata-rata aliran fluida
3,0
5. DAFTAR PUSTAKA
2,5
a
2,0
Rez = 22,4
Rez = 44,8
Rez = 67,3
Rez = 89,7
1,5
1,0
0,5
0,0
0
50
100
150
200
250
300
Re1/Rez
Gambar 5. Pengaruh aliran aksial terhadap bilangan
gelombang aksial aliran vortex turbulen
1,5
1,25
Vv/Vm
1
0,75
Rez
Rez
Rez
Rez
0,5
0,25
=
=
=
=
22,4
44,8
67,3
89,7
0
0
50
100
150
Re1/Rez
200
250
300
Gambar 6. Kecepatan aksial vortex relatif terhadap
kecepatan aliran
1. A. Mallock, Proc. R. Soc. Lond. A 45(1888), 126.
2. A.Mallock, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 187 (1896),
41.
3. C.D. Andereck, S.S. Liu, dan H.L. Swinney , J. Fluid
Mech., 164 (1986), 155
4. G.I. Taylor, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 223 (1923),
289.
5. Q. Xiao, T.T. Lim dan Y.T. Chew, Proc. 13th
Auatralian Fluid Mechanic Conference (1998), 965
6. S.T. Wereley dan R.M. Lueptow, Physics of Fluids,
11(12) (1999), 2637
7. J-Y. Hwang dan K-S. Yang, Computers & Fluids 33
(2004), 97
8. K.W Moser, L.G. Raguin, A. Harris, H.D. Morris , J.G.
Georgiadis, M. Shannon, dan M. Philpott, Magnetic
Resonace Imaging, 18 (2000), 199
9. K.W. Moser, L.G. Raguin, J.G. Georgiadis, Physical
Review E., 64 (2001), 016319
10. L.G. Raguin dan J.G. Georgiadis, J. Fluid Mech., 000
(2004), 1
ffim
txxl gxnsm
Fakuh T*dk
Unfusshc#nttth&
Yogyakarb{NDONESIA
q
#Torau
PROCAADING
SEMINAR NASIONAL THERMOFLUID 2011
4 OKTOBER 2011
YOGYAKARTA, INDONESIA
Diedit oleh :
Eko Priyo Handoko
Eko Idris Hutagaol
tr'ransisko Pandiangan
Yohannes Sianturi
Yohanes C. Putandinto
Erick Sahata L. Tobing
Toby Purwanto
DISELENGGARAKAN OLEH:
JURUS$I TEKI\IK MESIN DAN II{DUSTRI
FAKULTAS TEKNIK UI\-IVERSITAS GADJAH MADA
SEMINAR NASIONAL THERMOFLUID
20lL
SUST]NAN PAN-ITIA
Penanggung Jawab
Ir. Tumiran, M.Eng., Ph.D.
(Dekan Fakultas Teknik UGM
Ir. M. Waziz Wildaru M.Sc., Ph.D.
(Ketua Jurusan Telcnik Mesin dan Industri
Panitia Pengarah
Ff UGM
Ir. Purnomo, MSME., Ph.D.
(Kepala Laboratorium Konversi Energi)
Prof. Dr.h.Indarto, DEA.
(Kepala Laboratorium Fluida)
Ir. Samsul Kamal, M.Sc., Ph. D.
(Kep. Laboratorium Perpindahan Kalor dan Massa)
Reviewer
Prof. Dr.Ir.Indarto, DEA. (UGIvI)
Prof. Ir. I Made Bendiyasa, M.Sc., Ph.D. (UGM)
Prof. Dr. Ir. Triyogi Yuwono, DEA. (ITS)
Dr. Ir. H. Djatmiko Ichsani, M.Eng. (ITS)
Dr. Ir. Anhar Rjza Antariks
ow on
(BATAI{)
Ketua
Fauzun, S.T., M.T., Ph.D.
Sekretaris
Muhammad Agung Bramantya, S.T., M.T., M.Eng., Ph.D.
Bendahara
Tri Agung Rohmat B.Eng., M.Eng., Dr.Eng.
KATA PENGAIITAR
Seminar Nasional Thermofluid 2011 yang diadakan oleh Jurusan Teknik Mesin dan
Industri, Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada merupakan wahana pertukaran informasi
bagi para iluwan, akademisi, dan engineer tentang hasil-hasil penelitian terbaru, pengalaman
operasional, metode, solusi permasalahan, dan tantangan praktis masa depan di bidang
thermal dan fluida. Seminar Nasional Thermofluid 2011 ini duharapkan mampu menjadi salah
satu media untuk menyelesaikan permasalahan di bidang thermal dan fluida yang semakin
kompleks, mengingat perkembangan industry yang cukup pesat di Indonesia.
Untuk mendiskusikan problem-problem nyata di industry, maka seminar ini
dilaksanakan dalam 2 sesi. Sesi I adalah sesi special lecture yang diisi oleh Prof. Konio
Yoshikawa dari Tokyo Institute of Technology. Sesi II adalah sesi presentasi paper yang
dibagi dalam beberapa kelompok besar, yaitu : Thermodynamics, Fluid Mechanics, dan Heat
and Mass Transfer dengan total 28 makalah. Pemikiran serta saran dari peserta seminar
nantinya diharapkan akan menjadi solusi terhadap permasalahan yang ada.
Pada akhirnya, diharapkan melalui presentasi makalah dalam seminar nasional
Thermofluid20ll ini akan dihasilkan suatu kontribusi yang signifikan terhadap pennasalahan
krisis energi di Indonesia.
Yogyakarta, 27 September 2011
Ketua Panitia
Fauzun, ST., MT, Ph.D.
lll
DAFTAR ISI
Susunan Panitia......
Kata Pengantar..............
Daftar Isi.............
A.
11
111
iv
Keynote Speech
ITYDROTIIERMAL TREATMENT: AN II{NOVATIYE PRE.TREATMENT
TECHNOLOGY FOR BIOMASS AND WASTE RESOTTRCES
B.
Heat and Mass Transfer
1.
MODEL LAJU PEMBAKARAN SAMPAH KOTA PADA INCINERATOR
LNGGUN TETAP (FIXED BED).......
2.
3.
E. Wiyono, S. Syamsiah, Sarto, H. Saptoadi
FL/LMMABILITY LIMIT CAMPTJRAN LIQUID PETROLIT]M GAS.T]DARA
Jayan Sentanuhady, Khollis Febryanto
')
9
FENOMENA DIFRAKSI GELOMBAI\G DETONASI DI BELAKANG
FACING STEP 25"4 PADA CAMPURAN BAHAN BAKAR HIDROGENOKSIGEN DENGAI\ DILUENT ARGON..
15
Iayan Sentanuhady, Bambang Puguh Manunggal
4. KAJIAN DARI KARAKTERISTIK
PERPINDAIIAN PANAS(MASSA)
PADA SALURAN PERSEGI EMPAT DENGAN BELOKAN TAJAM 18OO
(PENGARUH SUDUT DINDING PEMISAH DAN CLEARANCE
BELOKAT9
22
Ahmad Syuhada
5. ANALISIS NUMERIK
PENYTIMBATAII KANAL BAHAN BAKAR
RNAKTOR SERBA GTJNA G.A.SIWABESSY (RSG GAS), SERPONG
6.
29
Nardi, Tri Agung Rochmat, Susyadi
ANALISA KEEFEKTIFAN AL.A.T PENUKAR KALOR DOUBLE PIPE
BERSIRIP HELICAL T]NTTIK PEMANAS UDARA
DENGAN
MEMANFAATKAN GAS BUANG MESIN GENSET (DIESEL) SEBAGAI
PENGERING GABAH
37
Zainuddin
7. ANALISIS PENGARUH PERGA}ITIAN MATERIAL TTJBE CT]NI
DENGAN AISU3O4 TERIIADAP I]IIJUK KERJA AIR COOLER
8.
GENERATOR DI PLTA SAGULING .............
Yogi Sirodz Gaos, Candra Damis Widiawati
PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPIIIDAHAN PA}IAS DAN F'AKTOR
GESEKAII PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK DENGAN
CL.ASSrc TI|IISTED TAPE INSERT DAII PERFORATED TWISTED TAPE
INSERT..
Tri Istanto, Wibawa Endra Juwana,Indri Yaningsih
9. KARAKTERISASI BEBAII PENDINGIN TERHADAP BIAYA
PEMBUATAII DALAM PERANCANGAN COLD STORAGE
MENGGTINAKAN PANEL SURYA...
43
49
58
Boni Sena, Fauzun, Indarto
lv
C.
1.
Fluid Mechanics
DRAG REDUCTION LARUTAN BIOPOLIMER GETAH LATEKS (GUAR
GUV[) PADA PrPA SPIRAL...
Gunawan, M.Baqi, Yanuar
ANALISIS LAJU ALIRAN PADA UNTAI
65
UJI BETA GTUB)
BERDASARKAII PERUBAHAN FREKTIENSI POMPA SIRI(ULASI .............
71
Edi Marzuki, Mulya Juarsa, Urip Arpan, Januar Akbar
PERBANDINGAN METODE I\UMERIK REYNOLDS AVERAGE NAWER-
STOKES (RANS) DENGAN LARGE EDDY SIMALATION (TES) PADA
KASUS COMBUSTION.......
76
Albert MeigoR.E.Y, Romie O.Bura, Bambang Kismono
SIMI]LASI SEBARAN SUHU UDARA PADA SISTEM ALAT PENGERING
ERI(,HYBRID TIPE RAK MENGGUNAKAN CFD........
Edi Sutoyo, Y.Aris Purwanto, Leopold O. Nelwan
STUDI EKSPERIMEN DAN NUMERIK KARAKTERISTIK BOUNDARY
82
DIFFaSER 200...........
92
LAYER TURBALEN DI DALAM ASYMMETRIC FLAT.WALLED
Sutardi, Ahmad Ubaidillah M.
PENGARUH HAMBATAI{ DOITNSTREAM TERIIADAP PERUBAHAN
TEKANAI\ DI T-JUNCTION DAN KARAKTERISTIK PEMISAIIAN FASE
PADA ALIRAN KEROSENE.AIR .........
100
Untung Surya Dharma, Dewi Puspita, Indarto, Purnomo
7.
ANALISIS KURVA PENDIDIHAN DALAM CELAH SEMPIT VERTIKAL
UNTUK KASUS BILATERAL HEATING BERDASARKAN PERUBAHAN
TEMPERATTJR AWAL PLAT.......
108
IGN. Bagus Catrawedarrrra,Indarto, Mulya Juarsa, Ismu Handoyo, Kiswanta,
Ririn Fitriana
8.
OPTIMIZATION OF AMII\E CIRCULATION RATE ON ELECTRIC
MOTOR.DRTVEN AMINE PUMP IN PT.BADAK NGL
9.
Akbar Surya Laksamana, Fahmi
POLA ALIRAN COUTTE.TAYLOR DENGAN ALIRAN AKSIAL..
Praj itno, Sutrisno, Indarto, Purnomo
rO. AIIALISA KERUSAKAN GLOBE VALVE
VACUM STEAM TT]RBIN..
tt7
123
YAI\G DIGI.]}[AKA1\ PADA
128
Sumadi
D.
1.
Thermo4vnamics
DARI TANAMAII BANDOTAI{
(AGERATUM CONYZOIDES L.) SEBAGAT OCTANE IMPROVER BAHAN
BAKAR BENSIN PADA SEPEDA MOTOR 4 LANGKAH 1 SILINDER.......... 132
Bambang Sulistyo, Ni'mah Ma'furoh
ANALISIS ALIRAN SIRKT]LASI ALAMIAH DENGAII BILANGAN
REYNOLDS BERDASAKAN VARIASI SUDUT KEMIRINGAN TiNTAI
137
SIMULASI SIRKULASI ALAMIAH.........
Mulya Juarsa, Yogi Sirodz Gaos, Edi Marzuki, Arief Goeritno
PEMANT'AATAN TERPENTIN
3.
4.
PENERAPAII S'INGI.B RECTANGUL,AR PLATE FINT UNTT]K SIMTJLASI
.. 144
PROSES PENDINGINA}I AIR LAUT..............
Arief Goeritno, Kamaruddin Abdullah,
Armansyah H. Tambunan, Syachruddin AR
STUDI IDENTIFIKASI REJIM ALIRAN BERDASARKAN PERBEDAAN
DIAMETER PIPA DAN TEMPERATTJR AIR PADA TJNTAI UJI BETA
GruB)
Arief Goeritno,
Ainur Rosidi, Edi Marzuki, Isnu Handoyo
EXPERIMENTAL STUDY : COMBUSTION PROCESS ON A BOILER AT
MINI POWER PLANT BIOMASS FUELED
Putri Noviasri, Fauzun, Endang Lestari, Dedi
153
Januar Akbar, Mulya Juarsa,
5.
6.
7.
8.
9.
159
Suntoro, Paber P Sinaga
PERANAI\ PEMBAIIGKIT LISTRIK TENAGA I{T]KLIR TERIIADAP
PERGESERAN KEKUATAN SISTEM GLOBAL..............
165
h.Suharto
RANCANG BAIIGT]N APDRAFT FLUIDIZED BED GASIFIER fII\TTJK
GASIF'IKASI SEKAM PADI.......
I7I
Kamowo, Samsudin Anis, Wahyudi, Sudiyono
ADDITIONAL PRE-ITEATER IN REGEI\-ERATION GAS CIRCTIIT TO
REDUCE IIIGH PRESST]RE STEAM CONST]MPTION....
177
Muhammad Hatta
APLIKASI MIII-I TURBIN PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA
ST]RYA
183
Anastasya Fytry P,rtry, Faisal Ahmad Romadhoni,
Rifqi Dwi Prabowo
10. DEVELOPING INDONESIAII ECONOMY POWER THROUGH BIOGAS
FUEL UTILTT,ATION BY USING DIAPHRAGM SYST8M..........
Selly Riansyah, Achmad Fauzan H"ry,
Zamzami Septiropa, Tri Adhi Nugraha, Achmad
188
Yanis Wahyudi, Faizal Romadhi
vl
rsBN
97 8*97 9-97
986-6-4
*=Jil[*,,1*y;g
POLA ALIRAN COUETTE-TAYLOR DENGAII ALIRAN AKSIAL
Prajitnol, Sutrisnol, Indartol, dan Pumomol
Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada
Jl. Grafika No. 2, Kampus UGM Yogtaknrta 55281, Indonesia
Abstract: The experiment was conducted to study effect of rotation and axial flow on the flow
pattems in an annulus flow with the inner cylinder rotating and outer cylinder fixed. The test section
was an annulus with radius ratio of 0,716 and aspect ratio of 40. The ranges of the axial Reynolds
number and Circumference Reynolds number were 0-98,7 and 105-5593 respectively. It was shown
that when rotation were increased and there was axial flow, sequence of the flow pattern were CouettePoiseuille, Spiral Vortex, Wavy Vortex , and Turbulent Taylor Vortex. It was also obtained that for
turbulent Taylor vortex flow, increasing of rotation speed have no effect on the axial wavelength, and
vortex propagation velocity was slower than average velocity of fluid flow.
Key words z Flow pottern, Couette-TaylorJIow with axialflow, turbulent Taylor-vortex
1.
Jika tidak ada aliran aksial, aliran di dalam
annulus menjadi tidak stabil ketika putaran
silinder bagian dalam melampaui batas
kritisnya. Ketidakstabilan ini ditandai dengan
LATAR BELAKAI\G
Sistem aliran Couette-Taylor merupakan salah
satu prinsip yang diaplikasikan pada rheometer
yeng digunakan untuk mengukur viskositas
fluida yang pertama kali dikembangkan oleh
Mallock[l,2] pada tahun 1888 dan 1896, dan
Couet$e pada tahun 1890 [3]. Semenjak hasil
analisis teoritis dan eksperimen tentang
terjadinya perubahan pola aliran dari pola aliran
Couette melingkar menjadi pola aliran vortex
melingkar yang berpasangan. Pola aliran ini
selanjutnya dikenal dengan pola aliran vortex
Taylor. Jika putaran silinder makin tinggi,
dimungkinkan terjadi perubahan pola aliran
menjadi aliran vortex Taylor bergelombang,
instabilitas oleh G.I. Taylor dipublikasikan pada
1923141, kajian dan analisis teoritis
maupun eksperimental tentang aliran Coueffe-
tahun
dan selanjutnya menuju ke pola turbulen.
Taylor terus berkembang hingga
sekarang
dengan berbagai variasi parameter serta metode
yang digunakan untuk memperoleh pemahaman
Visualisasi pola aliran di antara dua silinder
koaksial yang berputar telah dilakukan oleh
Andereck, Liu, dan Swinney [1] untuk radius
rasio 11 : 0,883 dan aspect ratio f : 2A - 48.
Tidak kurang dari 13 macam pola aliran yang
yang diperoleh dari variasi putaran kedua
silinder searah dan berlawanan. Untuk silinder
luar diam, ketika putaran silinder bagian dalam
makin tinggi, evolusi pola aliran yang terjadi
adalah Couette laminer, vortex Taylor, vortex
bergelombang, vortex bergelombang termo-
yang mendalam dari aspek hidrodinamika
maupun pemanfaatan potensi yang menguntungkan.
Aliran Couette-Taylor dikarakterisasi dengan
parameter geometri dan parameter dinamik.
Parameter geometri berupa radius ratio (r:,)
yaitu perbandingan antara jari-jari silinder
bagian dalam (R7) dan silinder bagian luar (R2),
dan aspect ratio (I) yaitu perpandingan antara
panjang silinder (Z) dan jarak celah annulus (d).
Parameter dinamik berupa bilangan Taylor,
ra=pte? dl& dengan Ret adalah bilangan
Reynlods melingkar yang didefinisikan dengan
Re, =
Cr,Rd/y.
O1
dulasi, vortex Taylor turbulen, dan turbulen.
Xiao, Lim, dan Chew [5] melakukan penelitian
tentang pengaruh percepatan
terhadap
perubahan pola aliran transisi pada sistem aliran
adalah kecepatan sudut
Couette-Taylor dengan silinder bagian dalam
berputar dan silinder luar diam dengan jarak
celah d: 18,5 mm dan radius ratio r7:0,8032.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa jika
percepatan melampaui nilai kritis sekitar 2,2 s-1
terbentuk pola aliran baru di antara pola aliran
vortex bergelombang yang mirip dengan pola
silinder bagian dalam, dan v adalah viskositas
kinematis. Bilangan Reynolds aksial didefinisikan berdasarkan kecepatan rata-rata aliran (V,)
dan diameter hidraulik annulus QA, atau
dengan persamaan
p..e"
=2y,4 1,
.
123
rsBN 978-979-97986--H
*-.?-{m-?#lyif,
aliran vortex-Taylor yang mempunyai panjang
gelombang aksial yang lebih pendek daripada
panjang gelombang vortex-Taylor normal,
kemudian diberi nama aliran vortex Taylor
Silinder bagian dalam diputar menggunakan
motor listrik melalui transmisi puli, dan putaran
motor listrik diatur menggunakan inverter
dengan ketelitian 0,1 Hz. Fluida yang
kedua.
digunakan adalah larutan glycerine dengan
konsentrasi
Pemetaan pola aliran Taylor-Couette dengan
aliran aksial telah dilakukan oleh Wereley dan
Lueptow [6] berdasarkan pengukuran medan
kecepatan menggunakan metode PIY (Particle
0, dan
Image Velocimetry) untuk r7 0,83,
:
l:47,
p:
Re,: 1,6 -23,
dan 100 < Re1 <
215, kemudian divalidasi menggunakan metode
dengan
numerik oleh Hwang dan Yang I7l untuk
geometri yang sama. Selain aliran CouettePoiseuille yang stabil, pola aliran yang
diketahui berupa vortex Taylor laminer, aliran
vortex bergelombang, aliran vortex spiral,
aliran vortex spiral bergelombang, dan vortex
bergelombang acak. Pemetaan pola aliran
Taylor-Couette-Poiseuille berdasarkan visualisasi menggunakan metode MRI (Magnetic
Resonance Imaging) untuk ry:0,5 dan f : 16
telah dilakukan oleh Moser dkk. [8], Moser,
Raguin, dan Georgiadis
[9],
Raguin
50% sehingga mempunyai
viskositas kinematis sebesar 3,73x10-6 m'ls
pada temperatur 30oC, dan massa jenis 1129
kd*'. Fluida kerja disirkulasi menuju ke seksi
uji menggunakan pompa sentrifugal, dan debit
aliran diketahui melalui pembacaan flow meter
dengan ketelitian pembacaan 0,05 galon per
menit. Pada sisi masuk dan keluar seksi uji
dipasang alat ukur tekanan dengan ketelitian
0,5 mm.k.a. untuk mengetahui perbedaan
tekanan pada seksi uji. Temperatur fluida kerja
dicatat menggunakan termometer digital dengan
ketelitian 0,1 oC. Dengan variasi debit aliran
sebesar (0,25-l) galon per menit menghasilkan
bilangan Reynolds aksial, Re, : 22,4-89,7.
Variasi putaran silinder dari 3,8 sampai dengan
212 rpm menghasilkan bilangan Reynolds
melingkar Re7 : 1gt-t593. Untuk setiap variasi
debit alran dan putaran dilakukan pemotretan
dan perekaman gambar pola aliran menggunakan kamera digital Sony 8,1 Mega Pixels.
Untuk memperoleh gambar pola aliran, ke
dalam fluida kerja ditambahkan serbuk
dan
Georgiadis [10].
Penelitian pada umumnya dilakukan untuk
jangkauan terbatas dengan parameter geometri
dan rentang parameter dinamik tertentu.
Aluminium sehingga dapat
memantulkan
cahaya ketika dilakukan pemotretan.
Penelitian ini bertujuan mempelajari pengaruh
putaran dan aliran aksial terhadap perubahan
pola aliran di dalam annulus dengan silinder
bagian dalam berputar dan silinder bagian luar
diam dalam kondisi alian transisi dengan
rentang putaran yang lebih luas. Hasil
penelitian
ini
diharapkan bermanfaat dalam
perancangan peralatan yang berkaitan dengan
sistem aliran seperti ini, misalnya
filter,
:
rotating
peralatan dialisis, bantalan luncur,
z
a
reakfor, penukar kalor.
2.
F
o
u
F
METODE PENELITIAN
F
Skema alat percobaan dapat dilihat
pada
Seksi uji berupa annulus dengan
Gambar
silinder luar berjari-jari dalam Rz 7 cm, dan
l.
:
silinder bagian dalam berukuran jari-jari luar
R7= 5,01 cm sehingga mempunyai radius ratio,
r7: 0,716, dan lebar celah d :2,01 cm. Panjang
seksi uji sebesar 80 cm, sehingga mempunyai
aspect ratio, = 40. Silinder bagian luar dibuat
dari bahan transparan yaitu acrylic, sedangkan
f
Gambar 1. Skema alat pengujian
silinder bagian dalam dibuat dari bahan yang
tahan korosi yaitu stainless steel.
r24
rsBN 978-979-97986-H
*"?-'#,*,r**,,Jfi
3.
HASIL DAN PNMBAHASAII
Perubahan pola aliran yang diperoleh dari
penelitian ini antara lain berupa aliran Laminar
Couette, Couette-Poiseuille, Spiral Vortex,
Wavy Vortex, dan Turbulent Taylor-Vortex
yang disajikan pada Garnbar 2. Gambar 3
menunjukkan contoh dari beberapa pola aliran.
Ketika tidak terdapat aliran axial, tampak pada
gambar bahwa sampai dengan Rer : 132 pola
aliran masih berupa aliran Couette melingkar,
sedangkan secara teoritis, Rer. = 65,3.
Instabilitas mulai tampak pada Rer : I45, dan
terbentuk pola aliran vortex spiral. Pola aliran
ini berbeda dengan pola aliran Taylor-Couette
tanpa aliran axial pada umumnya, yang pada
kondisi instabilitas primer, pola aliran yang
terbentuk berupa aliran vortex melingkar. Hal
ini diduga karena kondisi batas pada kedua
ujung silinder seksi uji tidak berupa dinding
yang tetap atau ikut berputar. Instabilitas
sekunder mulai tampak pada Rer : 659, dan
pola aliran yang terbentuk berupa aliran vortex
bergelombang. Pada pola aliran vortex
MV
1187
MV
1055
MV
923
MV
791
MV
659
MV
527
SPV
396
SPV
264
SPV
185
SPV
158
SPV
132
LC
t19
LC
105
LC
TTV
MV
MV
MV
MV
MV
MV
MV
SPV
SPV
SPV
CP
CP
CP
MV
MV
MV
MV
MV
MV
MV
MV
SPV
SPV
SPV
SPV
CP
CP
MV
MV
MV
MV
MV
MV
MV
MV
MV
SPV
SPV
MV
MV
MV
MV
MV
MV
MV
SPV
SPV
SPV
SPV
SPV
CP
CP
22,4 M,8 67,3
CP
CP
CP
89,7
Re,
Keterangan :
: Laminar Couette
:
CP Couette Poiseuille
SPV Spiral Vortex
LC
:
WV :
TTV:
bergelombang terjadi pengecilan dan
pembesaran ukuran vortex karena terjadi
transfer massa antar vortex yang berdekatan,
sehingga terjadi proses percampuran yang
efektif. Pola aliran mulai berubah menjadi
berbentuk aliran vortex yang turbulen pada
Fte; 2241, dan turbulensi makin kuat
1319
Wavy Vortex
Turbulent Taylor Vortex
Gambar 3. Pengaruh aliran aksial dan putaran
terh
ketika
Re1 makin besar.
a) Couette Laminer
Re
5933
TTV
5538
TTV
5274
TTV
5010
TTV
4747
TTV
4483
TTV
4219
TTV
3956
TTV
3692
TTV
3428
TTV
3',t64
TTV
2901
TTV
2637
TTV
2505
TTV
2373
TTV
2241
TTV
2110
MV
1978
MV
1846
MV
1714
MV
1582
MV
1450
MV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
MV
MV
MV
TTV TTV
TTV TTV
TTV TTV
TTV TTV
TTV TTV
TTV TTV
TTV TTV
TTV TTV
TTV TTV
TTV TTV
TTV TTV
TTV TTV
MV MV
MV MV
MV MV
MV MV
MV MV
MV MV
MV MV
MV MV
MV MV
MV MV
Vortex
c) Wavy Vortex
b) Spiral Vortex
d) Turbulent Taylor
Vortex
Gambar 2. Contoh pola aliran
Ketika terdapat aliran aksial, tahapan perubahan
pola aliran dimulai berupa aliran CouettePoiseuille ketika putaran silinder bagian dalam
masih rendah sehingga aliran masih laminer.
Ketika putaran meningkat pola aliran berubah
mejadi berupa vortex spiral yang bergerak
searah dengan arah aliran. Tampak bahwa
adanya aliran
axial
terj adinya transisi
dari aliran Coueff e-Poiseuille
cenderung menunda
menjadi aliran vortex spiral. Ketika putaran
t25
a3r:$#-?ttyif,
rsBN 978-979-97986-H
makin tinggi, pola aliran berubah menjadi
vortex bergelombang, dan selanjutnya menjadi
vortex turbulen.
0,05
Ukuran vortex dapat dinyatakan
dengan
c Rez= 22,4
r Rez = 44,8
a Rez = 67,3
panjang gelombang dan bilangan gelombang
dalam arah aksial. Panjang gelombang sama
dengan panjang untuk satu pasang vortex.
Bilangan gelombang sebanding dengan ukuran
celah (d), dan berbanding terbalik dengan
ukuran panjang dari sepasang vortex )u), atau a
.Rez=
0
100
150
200
260
300
Rer/Rer
:2ndl)".
Gambar 4. Pengaruh putaran dan aliran aksial
terhadap panjang gelombang aliran vortex
Tabel 1. Panjang gelombang (1.) dalam arah
aksial, m
turbulen
Re"
Rer
22.4
44,8
673
89.7
0.055
0,0s5
0,055
0.055
0.055
3428
0
0.04
3692
0.05
39s6
0.05
0,06
0.06
0.055
4719
0.0s
0.05
0-055
0.055
0.055
4483
4747
0.05
0.05
0.055
0.055
0.055
0.05
0.05
0.055
0.055
0_055
s010
0,0s
0.05
0.055
0.055
5274
0.05
0.05
0.055
0.0s5
0.055
0-055
5538
0.05
0.05
0"055
0.055
0,055
5933
0,05
0,05
0,055
0.055
0,055
Tabel
50
0.055
0.055
0.055
2,0
(6 1,5
0-055
1,0
0,5
0,0
0
50
100
150
200
250
300
Rer/Re.
Gambar 5. Pengaruh aliran aksial terhadap
bilangan gelombang aksial aliran vortex
turbulen
I dan Gambar 4 menunjukkan
pengaruh
putaran terhadap panjang
aliran aksial dan
gelombang vortex dalam arah aksial. Ketika
1,6
1,25
tanpa aliran aksial, panjang gelombang vortex
rata-rata sebesar 5 cm. Adanya aliran aksial,
1
gelombang vortex menjadi makin panjang,
tetapi pada bilangan Re" yang makin besar,
panjang gelombang hampir konstan sebesar 5,5
co, dan tidak terpengaruh oleh putaran.
Gambar 5 menunjukkan pengaruh aliran aksial
dan putaran terhadap bilangan gelombang.
Tampak bahwa karena bilangan gelombang
lebih panjang daripada dua kali jarak celah,
maka bilangan gelombang yang dihasilkan
>to,zo
J
. Raz= 22,4
. Raz=
o,6
^ Ftez = 67,
o,26
o
o Re€
loo
150
Rei/Rs,
200
2&
300
Gambar 6. Kecepatan aksial vortex relatif
terhadap kecepatan aliran
lebih pendek.
Kecepatan perambatan vortex relatif terhadap
kecepatan aliran rata-rata disajikan dalam
Gambar 6. Tampak bahwa ketika putaran makin
tinggi, kecepatan perambatan menurun, tetapi
hampir konstan ketika Rer makin tinggi. Tetapi
secara keseluruhan kecepatan perambatan lebih
rendah daripada kecepatan rata-rata aliran
aksial, kecuali pada Re, : 44,8, kecepatan
perambatan sekitar 1,23 kali kecepatan rata-rata
aliran aksial.
t26
Pola Aliran Couette-Taylor dengan aliran aksial
Prajitno1, Sutrisno1, Indarto1, dan Purnomo1
Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada
Jl. Grafika No. 2, Kampus UGM Yogyakarta 55281, Indonesia
Abstract: The experiment was conducted to study effect of rotation and axial flow on the flow patterns in an annulus
flow with the inner cylinder rotating and outer cylinder fixed. The test section was an annulus with radius ratio of
0,716 and aspect ratio of 40. The ranges of the axial Reynolds number and Circumference Reynolds number were 098,7 and 105-5593 respectively. It was shown that when rotation were increased and there was axial flow, sequence
of the flow pattern were Couette-Poiseuille, Spiral Vortex, Wavy Vortex , and Turbulent Taylor Vortex. It was also
obtained that for turbulent Taylor vortex flow, increasing of rotation speed have no effect on the axial wavelength,
and vortex propagation velocity was slower than average velocity of fluid flow.
Key words : Flow pattern, Couette-Taylor flow with axial flow, turbulent Taylor-vortex
1. LATAR BELAKANG
Sistem aliran Couette-Taylor merupakan salah satu
prinsip yang diaplikasikan pada rheometer yang
digunakan untuk mengukur viskositas fluida yang
pertama kali dikembangkan oleh Mallock[1,2] pada tahun
1888 dan 1896, dan Couette pada tahun 1890 [3].
Semenjak hasil analisis teoritis dan eksperimen tentang
instabilitas oleh G.I. Taylor dipublikasikan pada tahun
1923[4], kajian dan analisis teoritis maupun
eksperimental tentang aliran Couette-Taylor terus
berkembang hingga sekarang dengan berbagai variasi
parameter serta metode yang digunakan untuk
memperoleh pemahaman yang mendalam dari aspek
hidrodinamika maupun pemanfaatan potensi yang
menguntungkan.
Aliran
Couette-Taylor
dikarakterisasi
dengan
parameter geometri dan parameter dinamik. Parameter
geometri berupa radius ratio (η) yaitu perbandingan
antara jari-jari silinder bagian dalam (R1) dan silinder
bagian luar (R2), dan aspect ratio (Γ) yaitu perpandingan
antara panjang silinder (L) dan jarak celah annulus (d).
Parameter dinamik berupa bilangan Taylor, Ta = Re12 d R1
dengan Re1 adalah bilangan Reynlods melingkar yang
didefinisikan dengan Re1 = Ω1R1d ν . Ω1 adalah kecepatan
sudut silinder bagian dalam, dan ν adalah viskositas
kinematis. Bilangan Reynolds aksial didefinisikan
berdasarkan kecepatan rata-rata aliran (Vm) dan diameter
hidraulik annulus (2d), atau dengan persamaan
Re z = 2Vm d ν .
Jika tidak ada aliran aksial, aliran di dalam annulus
menjadi tidak stabil ketika putaran silinder bagian dalam
melampaui batas kritisnya. Ketidakstabilan ini ditandai
dengan terjadinya perubahan pola aliran dari pola aliran
Couette melingkar menjadi pola aliran vortex melingkar
yang berpasangan. Pola aliran ini selanjutnya dikenal
dengan pola aliran vortex Taylor. Jika putaran silinder
makin tinggi, dimungkinkan terjadi perubahan pola aliran
menjadi aliran vortex Taylor bergelombang, dan
selanjutnya menuju ke pola turbulen.
Visualisasi pola aliran di antara dua silinder koaksial
yang berputar telah dilakukan oleh Andereck, Liu, dan
Swinney [1] untuk radius rasio η = 0,883 dan aspect ratio
Γ = 20 – 48. Tidak kurang dari 13 macam pola aliran
yang yang diperoleh dari variasi putaran kedua silinder
searah dan berlawanan. Untuk silinder luar diam, ketika
putaran silinder bagian dalam makin tinggi, evolusi pola
aliran yang terjadi adalah Couette laminer, vortex Taylor,
vortex bergelombang, vortex bergelombang termodulasi,
vortex Taylor turbulen, dan turbulen.
Xiao, Lim, dan Chew [5] melakukan penelitian
tentang pengaruh percepatan terhadap perubahan pola
aliran transisi pada sistem aliran Couette-Taylor dengan
silinder bagian dalam berputar dan silinder luar diam
dengan jarak celah d = 18,5 mm dan radius ratio η =
0,8032. Hasil penelitian menunjukkan bahwa jika
percepatan melampaui nilai kritis sekitar 2,2 s-1 terbentuk
pola aliran baru di antara pola aliran vortex
bergelombang yang mirip dengan pola aliran vortexTaylor yang mempunyai panjang gelombang aksial yang
lebih pendek daripada panjang gelombang vortex-Taylor
normal, kemudian diberi nama aliran vortex Taylor kedua.
Pemetaan pola aliran Taylor-Couette dengan aliran
aksial telah dilakukan oleh Wereley dan Lueptow [6]
berdasarkan pengukuran medan kecepatan menggunakan
metode PIV (Particle Image Velocimetry) untuk η = 0,83,
µ = 0, dan Γ = 47, dengan Rez = 1,6 – 23, dan 100 < Re1 <
215, kemudian divalidasi menggunakan metode numerik
oleh Hwang dan Yang [7] untuk geometri yang sama.
Selain aliran Couette-Poiseuille yang stabil, pola aliran
yang diketahui berupa vortex Taylor laminer, aliran
Aluminium sehingga dapat memantulkan cahaya ketika
dilakukan pemotretan.
Motor
Listrik
Pengatur putaran motor
Puli Transmisi
P2
TEST SECTION
vortex bergelombang, aliran vortex spiral, aliran vortex
spiral bergelombang, dan vortex bergelombang acak.
Pemetaan
pola
aliran
Taylor-Couette-Poiseuille
berdasarkan visualisasi menggunakan metode MRI
(Magnetic Resonance Imaging) untuk η = 0,5 dan Γ = 16
telah dilakukan oleh Moser dkk. [8], Moser, Raguin, dan
Georgiadis [9], Raguin dan Georgiadis [10].
Penelitian pada umumnya dilakukan untuk jangkauan
terbatas dengan parameter geometri
dan rentang
parameter dinamik tertentu. Penelitian ini bertujuan
mempelajari pengaruh putaran dan aliran aksial terhadap
perubahan pola aliran di dalam annulus dengan silinder
bagian dalam berputar dan silinder bagian luar diam
dalam kondisi alian transisi dengan rentang putaran yang
lebih luas. Hasil penelitian ini diharapkan bermanfaat
dalam perancangan peralatan yang berkaitan dengan
sistem aliran seperti ini, misalnya : rotating filter,
peralatan dialisis, bantalan luncur, reaktor, penukar kalor.
RD
FM-1
V-6
FM-2
RD
V-4
P1
V-7
V-5
V-3
2. METODE PENELITIAN
V-2
Skema alat percobaan dapat dilihat pada Gambar 1.
Seksi uji berupa annulus dengan silinder luar berjari-jari
dalam R2 = 7 cm, dan silinder bagian dalam berukuran
jari-jari luar R1= 5,01 cm sehingga mempunyai radius
ratio, η = 0,716, dan lebar celah d = 2,01 cm. Panjang
seksi uji sebesar 80 cm, sehingga mempunyai aspect
ratio, Γ = 40. Silinder bagian luar dibuat dari bahan
transparan yaitu acrylic, sedangkan silinder bagian dalam
dibuat dari bahan yang tahan korosi yaitu stainless steel.
Silinder bagian dalam diputar menggunakan motor
listrik melalui transmisi puli, dan putaran motor listrik
diatur menggunakan inverter dengan ketelitian 0,1 Hz.
Fluida yang digunakan adalah larutan glycerine dengan
konsentrasi 50% sehingga mempunyai viskositas
kinematis sebesar 3,73x10-6 m2/s pada temperatur 30oC,
dan massa jenis 1129 kg/m3. Fluida kerja disirkulasi
menuju ke seksi uji menggunakan pompa sentrifugal, dan
debit aliran diketahui melalui pembacaan flow meter
dengan ketelitian pembacaan 0,05 galon per menit. Pada
sisi masuk dan keluar seksi uji dipasang alat ukur
tekanan dengan ketelitian 0,5 mm.k.a. untuk mengetahui
perbedaan tekanan pada seksi uji. Temperatur fluida kerja
dicatat menggunakan termometer digital dengan
ketelitian 0,1 oC. Dengan variasi debit aliran sebesar
(0,25–1) galon per menit menghasilkan bilangan
Reynolds aksial, Rez = 22,4–89,7. Variasi putaran silinder
dari 3,8 sampai dengan 212 rpm menghasilkan bilangan
Reynolds melingkar Re1 = 105–5593. Untuk setiap
variasi debit alran dan putaran dilakukan pemotretan dan
perekaman gambar pola aliran menggunakan kamera
digital Sony 8,1 Mega Pixels. Untuk memperoleh gambar
pola aliran, ke dalam fluiida kerja ditambahkan serbuk
T
Tangki penampung
YS
P
V-1
V-8
Gambar 1. Skema alat pengujian
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Perubahan pola aliran yang diperoleh dari penelitian
ini antara lain berupa aliran Laminar Couette, CouettePoiseuille, Spiral Vortex, Wavy Vortex, dan Turbulent
Taylor-Vortex yang disajikan pada Gambar 2. Gambar 3
menunjukkan contoh dari beberapa pola aliran. Ketika
tidak terdapat aliran axial, tampak pada gambar bahwa
sampai dengan Re1 = 132 pola aliran masih berupa aliran
Couette melingkar, sedangkan secara teoritis, Re1c = 65,3.
Instabilitas mulai tampak pada Re1 = 145, dan terbentuk
pola aliran vortex spiral. Pola aliran ini berbeda dengan
pola aliran Taylor-Couette tanpa aliran axial pada
umumnya, yang pada kondisi instabilitas primer, pola
aliran yang terbentuk berupa aliran vortex melingkar. Hal
ini diduga karena kondisi batas pada kedua ujung silinder
seksi uji tidak berupa dinding yang tetap atau ikut
berputar. Instabilitas sekunder mulai tampak pada Re1 =
659, dan pola aliran yang terbentuk berupa aliran vortex
bergelombang. Pada pola aliran vortex bergelombang
terjadi pengecilan dan pembesaran ukuran vortex karena
terjadi transfer massa antar vortex yang berdekatan,
sehingga terjadi proses percampuran yang efektif. Pola
aliran mulai berubah menjadi berbentuk aliran vortex
yang turbulen pada Re1= 2241, dan turbulensi makin kuat
ketika Re1 makin besar.
Re
5933
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
5538
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
5274
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
5010
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
4747
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
4483
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
4219
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
3956
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
3692
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
3428
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
3164
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
2901
TTV
TTV
TTV
TTV
TTV
2637
TTV
TTV
TTV
MV
MV
2505
TTV
TTV
TTV
MV
MV
2373
TTV
TTV
TTV
MV
MV
2241
TTV
TTV
TTV
MV
MV
2110
MV
TTV
TTV
MV
MV
1978
MV
TTV
TTV
MV
MV
1846
MV
TTV
TTV
MV
MV
1714
MV
TTV
MV
MV
MV
1582
MV
TTV
MV
MV
MV
1450
MV
TTV
MV
MV
MV
1319
MV
TTV
MV
MV
MV
1187
MV
MV
MV
MV
MV
1055
MV
MV
MV
MV
MV
923
MV
MV
MV
MV
MV
791
MV
MV
MV
MV
MV
659
MV
MV
MV
MV
MV
527
SPV
MV
MV
MV
MV
396
SPV
MV
MV
MV
SPV
264
SPV
SPV
SPV
MV
SPV
185
SPV
SPV
SPV
SPV
SPV
158
SPV
SPV
SPV
SPV
SPV
132
LC
CP
SPV
SPV
CP
119
LC
CP
CP
CP
CP
105
LC
CP
CP
CP
CP
0
22,4
44,8
67,3
89,7
Rez
Keterangan :
LC = Laminar Couette
CP = Couette Poiseuille
SPV = Spiral Vortex
WV = Wavy Vortex
TTV = Turbulent Taylor Vortex
Gambar 3. Pengaruh aliran aksial dan putaran terhadap
pola aliran
a) Couette Laminer
c) Wavy Vortex
b) Spiral Vortex
d) Turbulent Taylor Vortex
Gambar 2. Contoh pola aliran
Ketika terdapat aliran aksial, tahapan perubahan pola
aliran dimulai berupa aliran Couette-Poiseuille ketika
putaran silinder bagian dalam masih rendah sehingga
aliran masih laminer. Ketika putaran meningkat pola
aliran berubah mejadi berupa vortex spiral yang bergerak
searah dengan arah aliran. Tampak bahwa adanya aliran
axial cenderung menunda terjadinya transisi dari aliran
Couette-Poiseuille menjadi aliran vortex spiral. Ketika
putaran makin tinggi, pola aliran berubah menjadi vortex
bergelombang, dan selanjutnya menjadi vortex turbulen.
Ukuran vortex dapat dinyatakan dengan panjang
gelombang dan bilangan gelombang dalam arah aksial.
Panjang gelombang sama dengan panjang untuk satu
pasang vortex. Bilangan gelombang sebanding dengan
ukuran celah (d), dan berbanding terbalik dengan ukuran
panjang dari sepasang vortex λ), atau a = 2πd/λ.
Tabel 1. Panjang gelombang (λ) dalam arah aksial, m
Re1
3428
3692
3956
4219
4483
4747
5010
5274
5538
5933
0
0,04
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
22,4
0,06
0,06
0,055
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
Rez
44,8
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
67,3
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
89,7
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
Tabel 1 dan Gambar 4 menunjukkan pengaruh aliran
aksial dan putaran terhadap panjang gelombang vortex
dalam arah aksial. Ketika tanpa aliran aksial, panjang
gelombang vortex rata-rata sebesar 5 cm. Adanya aliran
aksial, gelombang vortex menjadi makin panjang, tetapi
pada bilangan Rez yang makin besar, panjang gelombang
hampir konstan sebesar 5,5 cm, dan tidak terpengaruh
oleh putaran. Gambar 5 menunjukkan pengaruh aliran
aksial dan putaran terhadap bilangan gelombang. Tampak
bahwa karena bilangan gelombang lebih panjang
daripada dua kali jarak celah, maka bilangan gelombang
yang dihasilkan lebih pendek.
Kecepatan perambatan vortex relatif terhadap kecepatan
aliran rata-rata disajikan dalam Gambar 6. Tampak
bahwa ketika putaran makin tinggi, kecepatan
perambatan menurun, tetapi hampir konstan ketika Re1
makin tinggi. Tetapi secara keseluruhan kecepatan
perambatan lebih rendah daripada kecepatan rata-rata
aliran aksial, kecuali pada Rez = 44,8, kecepatan
perambatan sekitar 1,23 kali kecepatan rata-rata aliran
aksial.
4. KESIMPULAN
0,075
λ (m)
0,05
Rez
Rez
Rez
Rez
0,025
= 22,4
= 44,8
= 67,3
= 89,7
0
0
50
100
150
200
250
300
Re1/Rez
Gambar 4. Pengaruh putaran dan aliran aksial terhadap
panjang gelombang aliran vortex turbulen
2)
Dari hasil penelitian dapat diambil kesimpulan antara
lain sebagai berikut.
1) Untuk radius ratio, η = 0,716 dan aspect ratio, Γ =
40 pola aliran yang diperoleh adalah LaminerCouette, Couette-Poiseuille, Spiral-Vortex, WavyVortex, dan Turbulent-Taylor-Vortex
2) Panjang gelombang axial vortex turbulen cenderung
menurun dengan bertambahnya putaran, dan hampir
konstan ketika putaran makin tinggi
3) Kecepatan perambatan vortex turbulen cenderung
menurun dengan bertambahnya putaran dan lebih
kecil daripada kecepatan rata-rata aliran fluida
3,0
5. DAFTAR PUSTAKA
2,5
a
2,0
Rez = 22,4
Rez = 44,8
Rez = 67,3
Rez = 89,7
1,5
1,0
0,5
0,0
0
50
100
150
200
250
300
Re1/Rez
Gambar 5. Pengaruh aliran aksial terhadap bilangan
gelombang aksial aliran vortex turbulen
1,5
1,25
Vv/Vm
1
0,75
Rez
Rez
Rez
Rez
0,5
0,25
=
=
=
=
22,4
44,8
67,3
89,7
0
0
50
100
150
Re1/Rez
200
250
300
Gambar 6. Kecepatan aksial vortex relatif terhadap
kecepatan aliran
1. A. Mallock, Proc. R. Soc. Lond. A 45(1888), 126.
2. A.Mallock, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 187 (1896),
41.
3. C.D. Andereck, S.S. Liu, dan H.L. Swinney , J. Fluid
Mech., 164 (1986), 155
4. G.I. Taylor, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 223 (1923),
289.
5. Q. Xiao, T.T. Lim dan Y.T. Chew, Proc. 13th
Auatralian Fluid Mechanic Conference (1998), 965
6. S.T. Wereley dan R.M. Lueptow, Physics of Fluids,
11(12) (1999), 2637
7. J-Y. Hwang dan K-S. Yang, Computers & Fluids 33
(2004), 97
8. K.W Moser, L.G. Raguin, A. Harris, H.D. Morris , J.G.
Georgiadis, M. Shannon, dan M. Philpott, Magnetic
Resonace Imaging, 18 (2000), 199
9. K.W. Moser, L.G. Raguin, J.G. Georgiadis, Physical
Review E., 64 (2001), 016319
10. L.G. Raguin dan J.G. Georgiadis, J. Fluid Mech., 000
(2004), 1