STUDI EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK ALIRAN D
(TESIS)
STUDI EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK ALIRAN DUA FASE (AIR –
UDARA) MELEWATI ELBOW 60°° DARI PIPA VERTIKAL MENUJU PIPA
DENGAN SUDUT KEMIRINGAN 30°°
(Studi Kasus Elbow dengan R/D = 0,7)
AGUS DWI KORAWAN
2108202001
DOSEN PEMBIMBING
Prof. Dr. Ir. TRIYOGI YUWONO, DEA
PROGRAM MAGISTER
BIDANG KEAHLIAN REKAYASA KONVERSI ENERGI
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA
2010
LATAR BELAKANG
(1) Aplikasi aliran dua fase
cair dan padat
cair dan gas
gas dan padat
Mesin hisap pasir
Air lift pump
Sand blasting
LATAR BELAKANG
(2) Pressure drop aliran dua fase
∆
Lebih komplek
∆
µ µ
α
ρ ρ
(3) Pengaruh elbow terhadap aliran dua fase
Centrifugal acceleration
Cavitation
Flow separation
Secondary flow
Separated flow
D
R
Secondary flow
PENELITIAN SEBELUMNYA
Yudi Sukmono (2009)
Lurus ?
Bergelombang ?
Studi Eksperiment al dan Numerik Tentang Karakteristik Aliran
Dua Fase (Air – Udara) Melewati Elbow 90°° dari Arah Vertikal
Menuju Horizontal
Range 0-25 lt/min
Skala 1 lt/min ?
Suply udara ?
PENELITIAN SEBELUMNYA
Priyo Heru Adiw ibow o (2009)
Studi Eksperiment al dan Numerik Gas – Cairan Aliran Dua
Fase Melewati Elbow 45⁰⁰ dari Arah Vertikal ke Posisi Miring
45⁰⁰
Menurun ?
Pola aliran ?
Elbow?
PENELITIAN SEKARANG
Yudi S
Pola aliran
Stratified
∆ P34 Naik
Priyo H
Pola aliran
Slug/Plug
∆ P34 Turun
+ Rotameter
Pola aliran
∆ P34 ?
+Tangki udara
?
Sekarang
Ada pengaruh ?
Experiment Setup
Keterangan :
1. Tangki air
2. Pompa
3. Katup bypass
4. Accumulator
5. Doppler flow meter
6. Annular air injector
7. Pressure gauge
8. Termometer digital
9. Rotameter
10. Moist separator
11. Tangki udara
12. Kompresor
13. Kamera digital
14. Photo editing
15. Gas-liquid separator
Penambahan alat
Batasan Masalah
• Fluida : air dan udara.
• Elbow : R/D = 0,7 dan D = 36 mm.
• Superficial liquid velocity : 0,3 ~ 1,1 m/s.
Range lebih lebar
0,05-0,2
• Volumetric ratio :0,03~0,25
• Tidak ada heat dan mass transfer antar fase.
• Bubble akan dipertimbangkan sebagai uniform sphere
shape dalam numerical simulation dengan CFD.
• Aliran akan diasumsikan sebagai fully developed flow.
Hasil
CFD
Pemodelan CFD
Category
Selected Model
Geometry
Diameter 36 mm ID and total
length 3.3 m (3D),
Grid number
361301
Solver
Steady state
Multiphase Model
Mixture Model, Euliran Model
Turbulent Model
k-ε Standard and Realizable Model
Inlet
Superficial velocity for each phase
Outlet
Outflow
Residual
10-5
Kontur dan vektor kecepatan
Hasil Pemodelan CFD aliran satu
fase
u= 0,3 m/s
pengaruh elbow terlihat pada distribusi
kecepatan yang terjadi, dimana kecepatan
maksimal sebelum elbow terjadi di tengah
pipa, setelah melewati elbow kecepatan
terbesar terjadi pada bagian atas pipa miring
u= 0,7 m/s
u= 1,1 m/s
Kontur tekanan Hasil Pemodelan
CFD aliran satu fase
u= 0,3 m/s
Terjadi perbedaan tekanan pada inner
elbow dan outer elbow, dimana dari
semua variasi kecepatan liquid terlihat
tekanan pada inner elbow lebih kecil
dari outer elbow,
u= 0,7 m/s
u= 1,1 m/s
Flow pattern hasil pemodelan
CFD aliran dua fase
β = 0,2 USL= 0,3 m/s
pada pipa vertikal terjadi campuran dari
fase liquid dan gas secara seragam
pada elbow mulai terjadi pemisahan,
semakin besar USL, fase gas
semakin terdorong menempati bagian
inner elbow
Sesudah elbow fase gas mulai
naik ke atas permukaan pipa miring
dan lapisan gas mulai terbentuk
pada jarak yg berbeda-beda sesuai
besar USL.
β = 0,2 USL= 0,7 m/s
β = 0,2 USL= 1,1 m/s
Visualisasi pola aliran
POLA ALIRAN PADA PIPA VERTIKAL
dengan ketinggian 0,35 m diatas bubble injector untuk USL=0,5 m/s.
Clustered bubbly flow
Bubbles yang terbentuk
berkelompok
dalam
media liquid tanpa
distribusi yang seragam
sepanjang radial crosssection pada pipa.
Homogeneous bubbly flow
Bubbles
terdistribusikan
seragam
(homogeneously)
sepanjang radial cross-section
pada pipa untuk semua
ketinggian
Dense bubbly flow
Seluruh
daerah
lintasan
pipa
dipenuhi
oleh
gelembung udara
Selengkapnya ada pada lampiran E
POLA ALIRAN PADA PIPA VERTIKAL
β konstan
Usl bertam bah
Usl=0,3 m/s Usl=0,5 m/s
Usl=0,7 m/s
Usl=0,9 m/s
Usl=1,1 m/s
Homogeneous bubbly flow
Bertambahnya Usl tidak mempengaruhi pola aliran
POLA ALIRAN PADA ELBOW
Usl konstan
β bertambah
USL = 0,5 m/s
Pada elbow masih terlihat
distribusi bubbles seragam,
menempati seluruh luasan,
tidak ada kecenderungan
bubbles mengalir pada sisi
outer elbow
Sesudah elbow mulai terjadi
kecenderung an bubbles
bergerak ke bagian atas pipa
miring dan akhirnya pada
jarak tertentu terlihat
berkelompok dan stabil
sampai keluar dari pipa
Mulai ditemukan perubahan flow
pattern menuju slug bubbly flow,
dimana bubbles berkelompok
menjadi kelompok kecil dibagian
atas lapisan pipa miring
POLA ALIRAN PADA ELBOW
β konstan (0,15)
Pada Usl=0,3 m/s
bubbles cenderung
menempati outer
elbow
Usl bertambah
Pada Usl=1,1 m/s
bubbles cenderung
menempati inner
elbow
Pada Usl=0,7 m/s
bubbles cenderung
menempati semua
permukaan elbow
Kontur tekanan
Tekanan pada outer
elbow semakin besar
U=0,3 m/s
U=0,7 m/s
U=1,1 m/s
POLA ALIRAN PADA
PIPA MIRING
β bertambah
Pada
kecepatan
superficial cairan USL =
0,5 m/s, secara umum
flow
pattern
yang
diamati pada pipa miring
adalah plug bubbly flow
atau slug bubbly flow,
plug bubbly flow
atau slug bubbly
flow
ditemukan
disetiap variasi β
POLA ALIRAN PADA
PIPA MIRING
Usl=0,3 m/s
Usl=0,5 m/s
Usl bertambah
Pada β=0,11 flow pattern
yang diamati pada pipa
miring
adalah
plug
bubbly flow atau slug
bubbly flow,
Usl=0,7 m/s
Usl=0,9 m/s
Usl=1,1 m/s
Semakin besar Usl
semakin sulit berkoalisi
plug bubbly flow
atau slug bubbly
flow makin sulit
ditemukan dengan
bertambahnya Usl
Pemetaan Flow Pattern pada Pipa Miring
Ada kesesuaian pola
aliran hasil eksperimen
dengan peta transisi
pola aliran dua fase
yang ditemukan
Somchai Wongwises
(2005
Flow patern transisi dengan θ=30º oleh Somcai Wongwises (2005)
Perhitungan Global void fraction
dengan Pressure gradient method
∆Z
α ! ∆ " ∆Z
Hasil pengukuran tinggi manometer untuk USL = 0,3 m/s dan β=0,03-0,25
80
α=
∆h ( h1 3 − h4 ) / 100
=
∆Z
(Z 1 3 − Z 4 )
USL = 0,3 m/s
78
β = 0,2
76
74
h (cm)
gradient
tekanan
hanya
diperhitung kan dari bagian yang
menunj ukkan evolusi l urus yaitu
(zone 2).
72
70
68
66
Zone 1
Zone 3
Zone 2
64
( 76,8 − 70,1) / 100
α=
= 0,149
(0 ,6 − 0,15)
62
60
0
0.0 5 0 .1 0 .1 5 0 .2 0 .25
0. 3 0 .35
0 .4 0 .45
0. 5 0 .55
Z(m)
grafik ketinggian air manometer
0.6
0. 65
0.7
0. 75 0 .8
Hasil perhitungan nilai global void fraction (α) untuk USL = 0,3 m/s
Tap
v1
v2
v3
v4
v5
v6
v7
v8
v9
v10
v11
v12
v13
v14
Z(m)
β
v15
v16
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
0,6
0,65
0,7
0,75
h1
h2
h3
h4
h5
h6
h7
h8
h9
h10
h11
h12
h13
h14
h15
h16
α
0,03
76,1
76,2
76,2
76,2
76,3
76,3
76,3
76,3
76,3
76,3
76,3
76,2
76,3
76,3
76,3
76,9
0,003
0,05
75,1
75,2
75,3
75,4
75,5
75,7
75,8
75,9
75,9
75,9
76
76
76,1
76,3
76,3
76,4
0,017
0,07
74,4
74,6
74,7
74,9
75
75,2
75,4
75,6
75,6
75,7
75,9
76
76,2
76,4
76,4
76,4
0,027
0,09
73,4
73,8
73,9
74,1
74,3
74,6
74,9
75,1
75,4
75,7
75,7
75,9
76
76,4
76,5
76,5
0,051
0,11
72,5
72,8
73,2
73,5
73,8
74,1
74,4
74,8
75,1
75,4
75,7
75,9
76,2
76,4
76,5
76,7
0,056
0,13
71,8
72,2
72,6
73
73,4
73,8
74,1
74,5
74,9
75,2
75,6
75,9
76,2
76,5
76,5
76,6
0,072
0,15
70
70,6
71,1
71,7
72,2
72,7
73,3
73,8
74,1
74,7
75,2
75,7
76,2
76,9
77,4
77,5
0,109
0,2
67,8
68,6
69,2
70,1
70,9
71,6
72,4
73,1
73,9
74,6
75,4
76,1
76,8
77,4
77,5
77,6
0,149
0,25
66,4
67,5
68,1
69,2
70
70,9
71,7
72,6
73,4
74,2
75
75,9
76,7
77,6
77,6
77,6
0,168
Ada perbedaan
Terjadi slip
Perbandingan antara data void fraction hasil eksperimen dengan void
fraction dari homogeneous flow model untuk USL = 0,3 m/s.
GLOBAL VOID FRACTION
Deviasi pengukuran void fraction dari homogeneous model
kecepatan slip lebih berpotensi terjadi bila β
kecil dan ada pada aliran vertikal.
Diagram Zuber dan Findly dari data eksperimen
y = 1,375x + 0,2
20 c m/s menunjukkan bahwa terdapat sli p tinggi antar a
fase liquid dan fase gas.
>1
menunjukkan sebuah bubbles terdistribusi pada centre region atau fase gas
mungkin tertinggi pada jarak tertentu dari dinding dalam kondisi bubbly flow.
Perhitungan pressure drop analitik
MATLAB GUI
Pola aliran
Parameter input:
-Pipa
-Air
-Udara
PRESSURE DROP
ALIRAN SATU FASE
−
∂p
P
G 2 d (1 / ρ)
= τ W + ρg sin θ +
∂x
A
dx
PIPA VERTIKAL
acceleration
frictional
gravitational
τW = f
ρu 2
2
Colebrook Correlation
1
f
= −2 log(
k / D 2 .51
+
)
3.7 Re f
PIPA MIRING
Pressure drop naik disebabkan karena
kecepatan air bertambah
Dianggap tidak ada elbow
PRESSURE DROP
ALIRAN SATU FASE
Vavg
πR
∆P = k s + f
×
ρ
2D
2
1
f
= −2 log(
2
ELBOW
k / D 2 .51
+
)
3.7 Re f
ks= 0,99
Pressure drop naik karena pengaruh kecepatan
PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE
PIPA VERTIKAL
Homogeneous
Pressure
drop
berdasar
pola aliran
Clustered
Dense
∆P = ?
Semakin besar bilangan
Reynolds superficial cairan (Resl)
menyebabkan pressure drop
semakin besar
Semakin besar bilangan
Reynolds superficial gas (Resg)
menyebabkan pressure drop
semakin rendah karena
densitas campuran (mixture)
makin berkurang
PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE
ELBOW
Pola aliran ?
Lockhart-Martinelli =
perhitungan
pressure drop tanpa
mempertimbangkan
pola aliran
PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE
PIPA MIRING
Pressure drop berdasar
pola aliran plug/slug
bubbly flow
Perhitungan Pressure drop eksperimen
∆pverical = [ ∆Z 12 + (h1 − h2 )]× ρ × g
∆pelbow = [ ∆Z 2 3 + (h2 − h3 )] × ρ × g
∆pmiring = [∆Z 34 + (h3 − h4 )]× ρ × g
PRESSURE DROP ALIRAN SATU FASE
PIPA MIRING
ELBOW
∆Pvertikal > ∆Pmiring > ∆Pelbow
Elevasi mempengaruhi
besar kecilnya pressure
drop
PIPA VERTIKAL
Pressure drop naik karena
kecepatan air semakin
besar
PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE
Resl konstan
β naik
20,50
P vertikal (kPa)
Bertambahnya β
Menyebabkan
densitas turun
21,00
13 497
20,00
40 490
49 487
19,50
19,00
18,50
18,00
17,50
PIPA VERTIKAL
17,00
∆P turun
22 494
32 492
Resl =
16,50
16,00
0
0,05
0,1
0,15
0,2
β
Resl naik
β konstan
Bertambahnya Resl
Karena
kecepatan naik
∆P naik
0,25
PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE
Penurunan
Pressure drop tidak
sebesar pada pipa
vertikal
ELBOW
Secondary flow
∆PEB = [∆Prestirction ]Two phase + [∆ Pf ] Two phase + [∆Ps ] Two phase
PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE
Pengaruh
gas core
sesudah
elbow
5,00
4,80
Pmiring (kPa)
Penurunan
Pressure drop tidak
sebesar pada pipa
vertikal
Resl =
4,60
134 97
224 94
324 92
404 90
494 87
4,40
4,20
4,00
PIPA MIRING
3,80
3,60
0
0,05
0,1
0,15
β
0,2
0,25
KOMPARASI
GLOBAL VOID FRACTION
EKSPERIMEN
PRESSURE DROP
EKSPERIMEN
VISUALISASI EKSPERIMEN
ELBOW
HOMOGENEOUS MODEL
PRESSURE DROP ANALITIK
PEMODELA N CFD
ELBOW
KOMPARASI PRESSURE DROP
ALIRAN DUA FASE
Pvertikal ( kPa )
Aktual >< ideal
21,00
20,50
20,00
19,50
19,00
18,50
Resl = 22494
D ata Ek sperimen
D ata Teori tis
18,00
17,50
17,00
16,50
16,00
0
50
100
150
200
250
300
350
400
1, 60
Lockhart–Martinelli =
kurang akurat
Pelbow (kPa)
Resl = 22494
1, 40
D at a Eks perimen
1, 20
D at a Teorit is
1, 00
0, 80
0, 60
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Gas core sesudah
elbow
P miring (kPa)
5,0 0
Re sl = 22494
4,8 0
4,6 0
Da ta Eksp er imen
Da ta Te or itis
4,4 0
4,2 0
4,0 0
3,8 0
3,6 0
0
50
10 0
15 0
2 00
2 50
3 00
35 0
40 0
KOMPARASI POLA ALIRAN
Usl = 0,3
Ada
kesesuaian
antara CFD
dengan
Eksperimen
Usl = 0,7
Usl = 1,1
Eksperimen
CFD
KOMPARASI PRESSURE DROP DENGAN PENELITIAN
SEBELUMNYA
Lebih dekat
KOMPARASI POLA ALIRAN PADA ELBOW DENGAN PENELITIAN SEBELUMNYA
90o
60o
Usl=0,3
β =0,2
Usl=1,1
β =0,2
Bubbles menempati inner elbow
Bubbles menempati outer elbow
45o
KOMPARASI POLA ALIRAN PADA PIPA MIRING DENGAN PENELITIAN SEBELUMNYA
Bubbly/plug flow
Usl=0,3
β =0,2
Plug/slug flow
Makin besar gangguan
menyebabkan makin
mudah terjadi koalisi
sehingga bubbles berubah
menjadi plug/slug/stratified
45o
30o
Stratified flow
0o
Terima kasih
STUDI EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK ALIRAN DUA FASE (AIR –
UDARA) MELEWATI ELBOW 60°° DARI PIPA VERTIKAL MENUJU PIPA
DENGAN SUDUT KEMIRINGAN 30°°
(Studi Kasus Elbow dengan R/D = 0,7)
AGUS DWI KORAWAN
2108202001
DOSEN PEMBIMBING
Prof. Dr. Ir. TRIYOGI YUWONO, DEA
PROGRAM MAGISTER
BIDANG KEAHLIAN REKAYASA KONVERSI ENERGI
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA
2010
LATAR BELAKANG
(1) Aplikasi aliran dua fase
cair dan padat
cair dan gas
gas dan padat
Mesin hisap pasir
Air lift pump
Sand blasting
LATAR BELAKANG
(2) Pressure drop aliran dua fase
∆
Lebih komplek
∆
µ µ
α
ρ ρ
(3) Pengaruh elbow terhadap aliran dua fase
Centrifugal acceleration
Cavitation
Flow separation
Secondary flow
Separated flow
D
R
Secondary flow
PENELITIAN SEBELUMNYA
Yudi Sukmono (2009)
Lurus ?
Bergelombang ?
Studi Eksperiment al dan Numerik Tentang Karakteristik Aliran
Dua Fase (Air – Udara) Melewati Elbow 90°° dari Arah Vertikal
Menuju Horizontal
Range 0-25 lt/min
Skala 1 lt/min ?
Suply udara ?
PENELITIAN SEBELUMNYA
Priyo Heru Adiw ibow o (2009)
Studi Eksperiment al dan Numerik Gas – Cairan Aliran Dua
Fase Melewati Elbow 45⁰⁰ dari Arah Vertikal ke Posisi Miring
45⁰⁰
Menurun ?
Pola aliran ?
Elbow?
PENELITIAN SEKARANG
Yudi S
Pola aliran
Stratified
∆ P34 Naik
Priyo H
Pola aliran
Slug/Plug
∆ P34 Turun
+ Rotameter
Pola aliran
∆ P34 ?
+Tangki udara
?
Sekarang
Ada pengaruh ?
Experiment Setup
Keterangan :
1. Tangki air
2. Pompa
3. Katup bypass
4. Accumulator
5. Doppler flow meter
6. Annular air injector
7. Pressure gauge
8. Termometer digital
9. Rotameter
10. Moist separator
11. Tangki udara
12. Kompresor
13. Kamera digital
14. Photo editing
15. Gas-liquid separator
Penambahan alat
Batasan Masalah
• Fluida : air dan udara.
• Elbow : R/D = 0,7 dan D = 36 mm.
• Superficial liquid velocity : 0,3 ~ 1,1 m/s.
Range lebih lebar
0,05-0,2
• Volumetric ratio :0,03~0,25
• Tidak ada heat dan mass transfer antar fase.
• Bubble akan dipertimbangkan sebagai uniform sphere
shape dalam numerical simulation dengan CFD.
• Aliran akan diasumsikan sebagai fully developed flow.
Hasil
CFD
Pemodelan CFD
Category
Selected Model
Geometry
Diameter 36 mm ID and total
length 3.3 m (3D),
Grid number
361301
Solver
Steady state
Multiphase Model
Mixture Model, Euliran Model
Turbulent Model
k-ε Standard and Realizable Model
Inlet
Superficial velocity for each phase
Outlet
Outflow
Residual
10-5
Kontur dan vektor kecepatan
Hasil Pemodelan CFD aliran satu
fase
u= 0,3 m/s
pengaruh elbow terlihat pada distribusi
kecepatan yang terjadi, dimana kecepatan
maksimal sebelum elbow terjadi di tengah
pipa, setelah melewati elbow kecepatan
terbesar terjadi pada bagian atas pipa miring
u= 0,7 m/s
u= 1,1 m/s
Kontur tekanan Hasil Pemodelan
CFD aliran satu fase
u= 0,3 m/s
Terjadi perbedaan tekanan pada inner
elbow dan outer elbow, dimana dari
semua variasi kecepatan liquid terlihat
tekanan pada inner elbow lebih kecil
dari outer elbow,
u= 0,7 m/s
u= 1,1 m/s
Flow pattern hasil pemodelan
CFD aliran dua fase
β = 0,2 USL= 0,3 m/s
pada pipa vertikal terjadi campuran dari
fase liquid dan gas secara seragam
pada elbow mulai terjadi pemisahan,
semakin besar USL, fase gas
semakin terdorong menempati bagian
inner elbow
Sesudah elbow fase gas mulai
naik ke atas permukaan pipa miring
dan lapisan gas mulai terbentuk
pada jarak yg berbeda-beda sesuai
besar USL.
β = 0,2 USL= 0,7 m/s
β = 0,2 USL= 1,1 m/s
Visualisasi pola aliran
POLA ALIRAN PADA PIPA VERTIKAL
dengan ketinggian 0,35 m diatas bubble injector untuk USL=0,5 m/s.
Clustered bubbly flow
Bubbles yang terbentuk
berkelompok
dalam
media liquid tanpa
distribusi yang seragam
sepanjang radial crosssection pada pipa.
Homogeneous bubbly flow
Bubbles
terdistribusikan
seragam
(homogeneously)
sepanjang radial cross-section
pada pipa untuk semua
ketinggian
Dense bubbly flow
Seluruh
daerah
lintasan
pipa
dipenuhi
oleh
gelembung udara
Selengkapnya ada pada lampiran E
POLA ALIRAN PADA PIPA VERTIKAL
β konstan
Usl bertam bah
Usl=0,3 m/s Usl=0,5 m/s
Usl=0,7 m/s
Usl=0,9 m/s
Usl=1,1 m/s
Homogeneous bubbly flow
Bertambahnya Usl tidak mempengaruhi pola aliran
POLA ALIRAN PADA ELBOW
Usl konstan
β bertambah
USL = 0,5 m/s
Pada elbow masih terlihat
distribusi bubbles seragam,
menempati seluruh luasan,
tidak ada kecenderungan
bubbles mengalir pada sisi
outer elbow
Sesudah elbow mulai terjadi
kecenderung an bubbles
bergerak ke bagian atas pipa
miring dan akhirnya pada
jarak tertentu terlihat
berkelompok dan stabil
sampai keluar dari pipa
Mulai ditemukan perubahan flow
pattern menuju slug bubbly flow,
dimana bubbles berkelompok
menjadi kelompok kecil dibagian
atas lapisan pipa miring
POLA ALIRAN PADA ELBOW
β konstan (0,15)
Pada Usl=0,3 m/s
bubbles cenderung
menempati outer
elbow
Usl bertambah
Pada Usl=1,1 m/s
bubbles cenderung
menempati inner
elbow
Pada Usl=0,7 m/s
bubbles cenderung
menempati semua
permukaan elbow
Kontur tekanan
Tekanan pada outer
elbow semakin besar
U=0,3 m/s
U=0,7 m/s
U=1,1 m/s
POLA ALIRAN PADA
PIPA MIRING
β bertambah
Pada
kecepatan
superficial cairan USL =
0,5 m/s, secara umum
flow
pattern
yang
diamati pada pipa miring
adalah plug bubbly flow
atau slug bubbly flow,
plug bubbly flow
atau slug bubbly
flow
ditemukan
disetiap variasi β
POLA ALIRAN PADA
PIPA MIRING
Usl=0,3 m/s
Usl=0,5 m/s
Usl bertambah
Pada β=0,11 flow pattern
yang diamati pada pipa
miring
adalah
plug
bubbly flow atau slug
bubbly flow,
Usl=0,7 m/s
Usl=0,9 m/s
Usl=1,1 m/s
Semakin besar Usl
semakin sulit berkoalisi
plug bubbly flow
atau slug bubbly
flow makin sulit
ditemukan dengan
bertambahnya Usl
Pemetaan Flow Pattern pada Pipa Miring
Ada kesesuaian pola
aliran hasil eksperimen
dengan peta transisi
pola aliran dua fase
yang ditemukan
Somchai Wongwises
(2005
Flow patern transisi dengan θ=30º oleh Somcai Wongwises (2005)
Perhitungan Global void fraction
dengan Pressure gradient method
∆Z
α ! ∆ " ∆Z
Hasil pengukuran tinggi manometer untuk USL = 0,3 m/s dan β=0,03-0,25
80
α=
∆h ( h1 3 − h4 ) / 100
=
∆Z
(Z 1 3 − Z 4 )
USL = 0,3 m/s
78
β = 0,2
76
74
h (cm)
gradient
tekanan
hanya
diperhitung kan dari bagian yang
menunj ukkan evolusi l urus yaitu
(zone 2).
72
70
68
66
Zone 1
Zone 3
Zone 2
64
( 76,8 − 70,1) / 100
α=
= 0,149
(0 ,6 − 0,15)
62
60
0
0.0 5 0 .1 0 .1 5 0 .2 0 .25
0. 3 0 .35
0 .4 0 .45
0. 5 0 .55
Z(m)
grafik ketinggian air manometer
0.6
0. 65
0.7
0. 75 0 .8
Hasil perhitungan nilai global void fraction (α) untuk USL = 0,3 m/s
Tap
v1
v2
v3
v4
v5
v6
v7
v8
v9
v10
v11
v12
v13
v14
Z(m)
β
v15
v16
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
0,6
0,65
0,7
0,75
h1
h2
h3
h4
h5
h6
h7
h8
h9
h10
h11
h12
h13
h14
h15
h16
α
0,03
76,1
76,2
76,2
76,2
76,3
76,3
76,3
76,3
76,3
76,3
76,3
76,2
76,3
76,3
76,3
76,9
0,003
0,05
75,1
75,2
75,3
75,4
75,5
75,7
75,8
75,9
75,9
75,9
76
76
76,1
76,3
76,3
76,4
0,017
0,07
74,4
74,6
74,7
74,9
75
75,2
75,4
75,6
75,6
75,7
75,9
76
76,2
76,4
76,4
76,4
0,027
0,09
73,4
73,8
73,9
74,1
74,3
74,6
74,9
75,1
75,4
75,7
75,7
75,9
76
76,4
76,5
76,5
0,051
0,11
72,5
72,8
73,2
73,5
73,8
74,1
74,4
74,8
75,1
75,4
75,7
75,9
76,2
76,4
76,5
76,7
0,056
0,13
71,8
72,2
72,6
73
73,4
73,8
74,1
74,5
74,9
75,2
75,6
75,9
76,2
76,5
76,5
76,6
0,072
0,15
70
70,6
71,1
71,7
72,2
72,7
73,3
73,8
74,1
74,7
75,2
75,7
76,2
76,9
77,4
77,5
0,109
0,2
67,8
68,6
69,2
70,1
70,9
71,6
72,4
73,1
73,9
74,6
75,4
76,1
76,8
77,4
77,5
77,6
0,149
0,25
66,4
67,5
68,1
69,2
70
70,9
71,7
72,6
73,4
74,2
75
75,9
76,7
77,6
77,6
77,6
0,168
Ada perbedaan
Terjadi slip
Perbandingan antara data void fraction hasil eksperimen dengan void
fraction dari homogeneous flow model untuk USL = 0,3 m/s.
GLOBAL VOID FRACTION
Deviasi pengukuran void fraction dari homogeneous model
kecepatan slip lebih berpotensi terjadi bila β
kecil dan ada pada aliran vertikal.
Diagram Zuber dan Findly dari data eksperimen
y = 1,375x + 0,2
20 c m/s menunjukkan bahwa terdapat sli p tinggi antar a
fase liquid dan fase gas.
>1
menunjukkan sebuah bubbles terdistribusi pada centre region atau fase gas
mungkin tertinggi pada jarak tertentu dari dinding dalam kondisi bubbly flow.
Perhitungan pressure drop analitik
MATLAB GUI
Pola aliran
Parameter input:
-Pipa
-Air
-Udara
PRESSURE DROP
ALIRAN SATU FASE
−
∂p
P
G 2 d (1 / ρ)
= τ W + ρg sin θ +
∂x
A
dx
PIPA VERTIKAL
acceleration
frictional
gravitational
τW = f
ρu 2
2
Colebrook Correlation
1
f
= −2 log(
k / D 2 .51
+
)
3.7 Re f
PIPA MIRING
Pressure drop naik disebabkan karena
kecepatan air bertambah
Dianggap tidak ada elbow
PRESSURE DROP
ALIRAN SATU FASE
Vavg
πR
∆P = k s + f
×
ρ
2D
2
1
f
= −2 log(
2
ELBOW
k / D 2 .51
+
)
3.7 Re f
ks= 0,99
Pressure drop naik karena pengaruh kecepatan
PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE
PIPA VERTIKAL
Homogeneous
Pressure
drop
berdasar
pola aliran
Clustered
Dense
∆P = ?
Semakin besar bilangan
Reynolds superficial cairan (Resl)
menyebabkan pressure drop
semakin besar
Semakin besar bilangan
Reynolds superficial gas (Resg)
menyebabkan pressure drop
semakin rendah karena
densitas campuran (mixture)
makin berkurang
PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE
ELBOW
Pola aliran ?
Lockhart-Martinelli =
perhitungan
pressure drop tanpa
mempertimbangkan
pola aliran
PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE
PIPA MIRING
Pressure drop berdasar
pola aliran plug/slug
bubbly flow
Perhitungan Pressure drop eksperimen
∆pverical = [ ∆Z 12 + (h1 − h2 )]× ρ × g
∆pelbow = [ ∆Z 2 3 + (h2 − h3 )] × ρ × g
∆pmiring = [∆Z 34 + (h3 − h4 )]× ρ × g
PRESSURE DROP ALIRAN SATU FASE
PIPA MIRING
ELBOW
∆Pvertikal > ∆Pmiring > ∆Pelbow
Elevasi mempengaruhi
besar kecilnya pressure
drop
PIPA VERTIKAL
Pressure drop naik karena
kecepatan air semakin
besar
PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE
Resl konstan
β naik
20,50
P vertikal (kPa)
Bertambahnya β
Menyebabkan
densitas turun
21,00
13 497
20,00
40 490
49 487
19,50
19,00
18,50
18,00
17,50
PIPA VERTIKAL
17,00
∆P turun
22 494
32 492
Resl =
16,50
16,00
0
0,05
0,1
0,15
0,2
β
Resl naik
β konstan
Bertambahnya Resl
Karena
kecepatan naik
∆P naik
0,25
PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE
Penurunan
Pressure drop tidak
sebesar pada pipa
vertikal
ELBOW
Secondary flow
∆PEB = [∆Prestirction ]Two phase + [∆ Pf ] Two phase + [∆Ps ] Two phase
PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE
Pengaruh
gas core
sesudah
elbow
5,00
4,80
Pmiring (kPa)
Penurunan
Pressure drop tidak
sebesar pada pipa
vertikal
Resl =
4,60
134 97
224 94
324 92
404 90
494 87
4,40
4,20
4,00
PIPA MIRING
3,80
3,60
0
0,05
0,1
0,15
β
0,2
0,25
KOMPARASI
GLOBAL VOID FRACTION
EKSPERIMEN
PRESSURE DROP
EKSPERIMEN
VISUALISASI EKSPERIMEN
ELBOW
HOMOGENEOUS MODEL
PRESSURE DROP ANALITIK
PEMODELA N CFD
ELBOW
KOMPARASI PRESSURE DROP
ALIRAN DUA FASE
Pvertikal ( kPa )
Aktual >< ideal
21,00
20,50
20,00
19,50
19,00
18,50
Resl = 22494
D ata Ek sperimen
D ata Teori tis
18,00
17,50
17,00
16,50
16,00
0
50
100
150
200
250
300
350
400
1, 60
Lockhart–Martinelli =
kurang akurat
Pelbow (kPa)
Resl = 22494
1, 40
D at a Eks perimen
1, 20
D at a Teorit is
1, 00
0, 80
0, 60
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Gas core sesudah
elbow
P miring (kPa)
5,0 0
Re sl = 22494
4,8 0
4,6 0
Da ta Eksp er imen
Da ta Te or itis
4,4 0
4,2 0
4,0 0
3,8 0
3,6 0
0
50
10 0
15 0
2 00
2 50
3 00
35 0
40 0
KOMPARASI POLA ALIRAN
Usl = 0,3
Ada
kesesuaian
antara CFD
dengan
Eksperimen
Usl = 0,7
Usl = 1,1
Eksperimen
CFD
KOMPARASI PRESSURE DROP DENGAN PENELITIAN
SEBELUMNYA
Lebih dekat
KOMPARASI POLA ALIRAN PADA ELBOW DENGAN PENELITIAN SEBELUMNYA
90o
60o
Usl=0,3
β =0,2
Usl=1,1
β =0,2
Bubbles menempati inner elbow
Bubbles menempati outer elbow
45o
KOMPARASI POLA ALIRAN PADA PIPA MIRING DENGAN PENELITIAN SEBELUMNYA
Bubbly/plug flow
Usl=0,3
β =0,2
Plug/slug flow
Makin besar gangguan
menyebabkan makin
mudah terjadi koalisi
sehingga bubbles berubah
menjadi plug/slug/stratified
45o
30o
Stratified flow
0o
Terima kasih