Turbulen

Prosiding Seminar Nasional Pascasarjana VII 2007 ISBN 979-545-0270-1

Studi Visualisasi Aliran didalam Sebuah Lapis Batas Turbulen yang Diganggu

dengan Alur Bujursangkar Melintang

Sutardi , Impron S., Nuch, M., and Ronalds, A.

Jurusan Teknik Mesin Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya

Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111 Email: [email protected]

Abstraks

Coherent structure yang paling dominan di daerah dekat dinding adalah semacam low-speed streak. Low-speed streak ini terbentuk diantara dua quasi-streamwise vortices yang berdekatan. Tujuan dari eksperimen kali ini ialah untuk mengkaji secara detail dari struktur aliran di dekat dinding dari sebuah lapis batas turbulen yang diganggu oleh alur bujur sangkar melintang. Kajian dilakukan menggunakan visualisasi aliran dengan minyak dan asap. Lingkup kajian meliputi struktur dari low-speed streak dan vortical motion didalam alur. Rata-rata laju ejeksi fluida dari dalam alur juga dikaji. Studi visualisasi dengan minyak dilakukan didalam wind tunnel dengan kecepatan arus bebas sebesar 13 dan 21 m/s, sedangkan studi visualisasi dengan asap dilakukan didalam wind tunnel dengan kecepatan arus bebas sebesar kurang lebih 0.6 m/s. Sebuah alur bujursangkar melintang dengan kedalaman 10 mm dan lebar 10 mm ditempatkan pada pelat uji. Karakter aliran didalam alur direkam menggunakan sebuah kamera berkecepatan tinggi dengan laju pengambilan gambar sebesar 125 fps. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa low-speed streak yang terbentuk didekat dinding sangat sesuai dengan kajian-kajian didalam literatur. Adanya alur bujursangkar mengakibatkan sedikit modifikasi dari struktur streak-nya. Vortical structure didalam alur terlihat dengan jelas dari visualisasi asap. Durasi satu siklus ejeksi fluida dari alur dalam bentuk tak berdimensi (t+ = t(u*)2/) ~ 20. Kata kunci: Alur bujur sangkar, visualisasi dengan minyak, visualisasi dengan asap, low-speed streak, ejeksi fluida.

Abstract The most dynamically dominant coherent structures in the near-wall region are the quasi-streamwise vortices. Low-speed streaks are formed between two adjacent quasi-streamwise vortices. The purpose of present experiments is to investigate in detail flow structure in the near-region of a turbulent boundary layer perturbed by single transversal square groove using oil-flow visualization and smoke visualization. The scope of the study encompasses low-speed streak structures and vertical motion in the groove. Additionally, the averaged of the rate of fluid ejection from the groove is determined.

The experiments were performed in a wind tunnel with freestream velocities of 13 and 21 m/s for oil flow visualization and of 0.6 m/s for smoke visualization. A transverse square groove of 10 mm width and 10 mm depth was cut on the test plate. The flow behavior inside the groove was recorded using a high speed camera with a rate of 125 frames per second (fps).

The experimental results show that the low-speed streaks in the near-wall region agrees well with the results from previous studies. There little modification of the structure due to the existence of the groove. Next, the vortical flow structure is clearly identified using smoke visualization. The non-dimensional ejection duration (t+ = t(u*)2/) is approximately of 20. Keywords: square groove, oil visualization, smoke visualization, low-speed streak, fluid ejection.

1. PENDAHULUAN Aliran viscous yang melalui suatu kontur permukaan akan membentuk boundary layer. Hal ini menyebabkan terjadinya gaya drag pada kontur tersebut, oleh karena itu boundary layer-nya perlu dikontrol. Pengontrolan boundary

layer dilakukan agar aliran yang terjadi pada kontur tidak terjadi drag terlalu besar. Salah satu pengontrolan boundary layer adalah dengan memberi alur pada permukaan yang dilalui aliran.

ENG05 1


Penelitian mengenai aliran fluida melalui

sebuah pelat datar yang terdapat alur berbentuk bujur sangkar sudah pernah dilakukan, kerena dengan memberi alur diharapkan dapat mengontrol boundary layer yang terbentuk sehingga dapat mengurangi gaya geser pada dinding (skin friction drag). Keuntungan dari berkurangnya skin friction drag adalah meningkatkan efisiensi atau performance dari mesin. Penelitian mengenai hal ini telah dilakukan oleh Pearson dkk (1997) yaitu membandingkan antara aliran laminar dan turbulen yang melalui permukaan datar yang terdapat satu alur bujur sangkar dengan permukaan halus. Penelitian mengenai hal ini juga telah dilakukan oleh Choi dan Fujisawa (1993) dimana pada pelat yang terdapat satu alur bujur sangkar dialiri dengan aliran turbulen. Begitu juga dengan Elavarasan dkk (1996) dimana penelitian ini adalah aliran turbulen yang melewati plat datar dengan dua alur bujur sangkar yang berjarak 20 kali dari lebar alur.

Dari penelitian Choi dan Fujisawa (1993) dan Elavarasan dkk (1996), sebuah kontradiktif telah ditemukan. Menurut Choi dan Fujisawa, penempatan alur bujursangkar melintang diatas pelat datar dapat menurunkan drag, paling tidak drag gesek akibat viskositas fluida. Sebailiknya, Elavarasan dkk menunjukkan suatu peningkatan drag akibat penempatan alur tersebut pada pelat datar. Dengan hasil yang kontradiktif ini, beberapa kajian tentang pengaruh penempatan alur diatas pelat datar terhadap karakteristik drag terus dilakukan, baik secara kuantitatif maupun kualitatif. Secara kuantitatif, Djenidi dkk (1999) mengkaji pengaruh penempatan beberapa alur bujursangkar melintang pada pelat datar terhadap karakteristik boundary layer turbulen yang terjadi. Dari kajiannya ditunjukkan bahwa pengaruh perubahan struktur permukaan ini terhadap aliran hanya terbatas di daerah dekat dinding. Selajutnya, Wahidi dkk (2005), mengkaji secara khusus pengaruh dari berbagai ukuran alur melintang pada pelat datar terhadap distribusi koefisien gesek (Cf). Dua kajian kulaitatif yang bisa disebutkan disini antara lain yang telah dilakukan oleh Elavarasan dkk (1996) dan Djenidi dkk (1999). Dua kajian tersebut secara umum menggunakan perangkat eksperimen yang sama, yaitu menggunakan air sebagai fluida kerja untuk visualisasi.

Dari beberapa kajian yang telah disebutkan, dapat ditarik beberapa informasi bahwa karakteristik boundary layer turbulen, termasuk koefisien gesek dan drag, sangat dipengaruhi oleh struktur dinding/pelat datar yang digunakan.

Interaksi antara fluida didalam alur dan aliran fluida diatasnya berperan penting terhadap mekanisme terjadinya drag pada pelat. Namun demikian, karena ketebalan lapis batas turbulen itu pada umumnya sangat tipis, pengukuran secara kuantitatif terhadap parameter-parameter aliran biasanya mengalami kesulitan. Oleh karenanya, kajian secara kualitatif terhadap struktur aliran didalam lapis batas turbulen, khususnya di daerah yang sangat dekat dengan dinding, maish memegang potensi positif untuk memecahkan permasalahan-permasalahan aliran lapis batas turbulen.

Tujuan dari studi ini adalah untuk mengetahui pengaruh dari penempatan alur bujursangkar melintang pada pelat datar terhadap struktur low-speed sreaks didalam lapis batas turbulen pada dua angka Reynolds yang berbeda. Selain itu, kajian ini juga bertujuan untuk menganalisa interaksi fluida didalam alur dengan aliran fluida diatasnya. Proses ejeksi fluida (fluid ejection) dan inflow juga dianalisa dalam studi ini. 2. DETAIL DARI EKSPERIMEN Eksperimen dilakukan meggunakan dua metode visualisasi: visualisasi dengan minyak dan visualisasi dengan asap. Pada visualisasi dengan minyak, wind tunnel yang digunakan mempunyai test section dengan ukuran panjang 150 cm, tinggi 66 cm dan lebar 66 cm. Kecepatan freestream maksimum yang bisa dicapai dari wind tunnel sebesar 25 m/s. Untuk pengambilan data dengan menggunakan kecepatan freestream 13 m/s dan 21 m/s. Lebih detail tentang wind tunnel ini bisa dilihat pada Impron (2007).

Sedangkan windtunnel yang digunakan untuk visualisasi dengan asap mempunyai test section dengan ukuran 0.16m x 0.31m x 0.9m, dengan kecepatan freestream maksimum sebesar 6.5 m/s. Pada kecepatan freestream maksimum ini, intensitas trubulensinya kurang lebih 0.6%. Visualisasi dengan asap dilakukan pada kecepatan freestraem sekitar 0.6 m/s, atau angka Reynolds (berdasar momentum thickness pada upstream alur) sebesar R = 63. Wind tunnel ini dilengkapi dengan sebuah camera berkecapatan tinggi (sampai 8000 fps). Asap yang mengalir disinari dengan lembaran sinar laser untuk memperoleh gambar yang lebih jelas. Sinar laser ini dihasilkan dari jenis pembangkit laser He-Ne yang berkekuatan 35mili Watt dan panjang gelombang 633 nm. Lebih detail dari metode eksperimen dengan asap ini bias dilihat pada Nuch (2005).

ENG05 2


3. HASIL DAN ANALISA - Visualisai Aliran dengan menggunakan Oil

Flow Picture Hasil visualisasi dengan oil ini dapat dilihat pada gambar 1 dan 2. Untuk Re = 1370 (Gb. 1) terbentuk low speed streak, yang merupakan gumpalan oil yang terbentuk diatas pelat datar. Low speed streak terbentuk akibat adanya counter rotating pairs of vortices (Smith dan Walker, 1997). Pada gambar 1a, visualisasi aliran pada smooth wall terbentuk low speed streak sepanjang permukaan benda uji. Pada gambar 1b, low speed streak yang terbentuk terganggu dengan adanya alur dan kemudian berkembang lagi setelah melewati alur. Pengujian yang dilakukan dengan alur maupun tanpa alur terbentuk low speed streak yang halus pada upstream alur. Adanya alur mengakibatkan low speed streak yang terbentuk halus pada downstream dari alur. Hal ini kemungkinan disebabkan adanya vortex quasi-stabil didalam alur yang menyerap dan menyusun kembali aliran turbulen yang melewatinya dengan cara memodifikasi struktur turbulen yang berada dekat permukaan (Choi dan Fujisawa, 1993).

(a) Pelat datar tanpa alur;

(b) Pelat datar dengan alur

Gb. 1. Visualisasi dengan menggunakan oil flow picture pada Re = 710.

Hasil visualisasi aliran dengan Re = 1370

ditunjukkan pada Gb. 2. Pada gambar tersebut ditunjukkan low speed streak yang hampir sama terjadi pada Re = 710, tetapi pada Re = 1370,

low speed streaks yang terbentuk lebih rapat dibandingkan dengan pada Re = 710. Hal ini terjadi baik pada pelat datar dengan alur maupun tanpa alur. Semakin rapatnya low-speed streaks dengan meningkatnya R ini sesuai dengan persamaan sebagai berikut :

*.uzz =+ ........................... (1)

dimana : z = jarak antar low speed streaks u* = friction velocity = viskositas kinematik Nilai z+ adalah mean spanwise streak spacing pada pelat datar tanpa alur yang berharga konstan yaitu 100 (Hinze, 1975). Pada pegujian dengan Re = 1370 didapat jarak antar low speed streaks yang semakin rapat. Hal ini disebabkan pengaruh nilai u* yang semakin besar dengan naiknya kecepatan, atau R, yang digunakan, dimana harga dan z+ yang cenderung konstan.

(a) Pelat datar tanpa alur;

(b) Pelat datar dengan alur Gb. 2. Visualisasi dengan menggunakan oil flow picture

pada Re = 1370. - Visualisai Aliran dengan menggunakan asap

Hasil visualisasi menggunakan asap ini dapat dilihat pada gambar 3 dan 4. Visualisasi dengan asap tersebut menunjukkan suatu interaksi yang sangat signifikan antara fluida didalam alur dengan aliran diatasnya. Dari visualisasi aliran yang diperoleh dapat dilihat adanya siklus aliran yang terjadi secara terus-menerus. Siklus aliran yang terjadi

ENG05 3


memperlihatkan adanya aliran berputar yang quasi stabil (quasi-steady vortex) di dalam alur. Vortek yang quasi-stabil ini sekali waktu ter-ejeksi keluar dari alur. Siklus yang terjadi pada downstream edge alur ini secara berurutan adalah aliran masuk ke dalam alur (inflow), aliran tenang, aliran keluar dari dalam alur (ejection), aliran tenang, kemudian aliran masuk kembali ke dalam alur. Dari hasil visualisasi dengan asap, ejection dan inflow tersebut dengan jelas teridentifikasi. Proses ejection dan inflow tersebut sekali waktu terlihat sangat kuat, dan sekali waktu terlihat agak lemah. Secara umum, proses ejection tidak terlalu mengganggu aktivitas quasi-steady vortex didalam alur, sebaliknya, adanya inflow bisa memperkuat vortek yang terjadi didalam alur. Proses-proses ejection dan inflow tersebut serupa dengan yang dilaporkan oleh Elavarasan et. al., (1996), namun intensitas ejection dan inflow yang teramati sekarang relatif lebih lemah dibandingkan dengan yang mereka laporkan.

(a)

(b)

Gb. 3. (a) Ejeksi fluida pada tahap awal. (b) Inflow pada tahap awal. Aliran dari kiri ke kanan.

Bentuk parameter tidak berdimensi dari

waktu ejection rata-rata dinyatakan dengan perumusan:

t+ = 2* ).(ut

, (2) [4] Elavarasan, R., Ching, C. Y., & Antonia, R. A., Turbulent boundary layer over a smooth wall with widely separated transverse square cavities, Applied Scientific Research, 55, pp. 227-243, 1996.

dan frekuensi dalam bentuk parameter tidak berdimensi dinyatakan dengan: f+ = (t+) -1 (3)

Waktu rata-rata untuk satu siklus yang diperoleh dari hasil visualisasi adalah 0,201 detik dari 20 kali ejection dalam satu kali rekaman high speed camera. Bentuk parameter tidak berdimensinya memiliki harga t+ = 17,4 dan harga f+ = 0,057. Hasil visualisasi yang dilakukan oleh Ari (2005) dengan alur berbentuk segitiga menghasilkan harga t+ = 12,32. Harga t+ penelitian Ari (2005) lebih kecil dibandingkan

dengan yang dihasilkan pada penelitian ini. Hal ini memiliki arti bahwa geometri alur bujursangkar memiliki kemampuan lebih lama untuk menahan fluida tetap berada di dalam alur dibandingkan dengan geometri alur penelitian Ari (2005). 4. KESIMPULAN Dari studi yang telah dilakukan diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Dari visualisasi aliran menggunakan metode

oil flow picture diperoleh low speed streak pada pelat datar dengan dan tanpa dengan alur. Low speed streaks pada pelat beralur terlihat terganggu dengan adanya alur. Low speed streak pada Re = 1370 memiliki jarak lebih rapat dibandingkan pada Re = 710. Hal ini konsisten dengan studi-studi sebelumnya.

2. Terjadi ejection dari dalam alur dan inflow ke

dalam alur untuk aliran yang melewati pelat datar dengan alur bujur sangkar. Durasi rata-rata dari ejection terjadi selama t+ (= t(u*)2/v) ~ 20.

5. REFERENSI [1] Ari, S., Studi Eksperimental Karakteristik

Turbulen Boundary Layer Di Sekitar Alur Berbentuk V Tunggal pada Pelat Datar, Tugas Akhir, Jurusan Teknik Mesin, FTI, ITS, 2005.

[2] Choi, K. -S. & Fujisawa, N., Possibility of drag reduction using d-type roughness, Applied Scientific Research, 50, pp. 315-324, 1993.

[3] Djenidi, L., Elavarasan, R., & Antonia, R. A., The turbulent boundary layer over transverse square cavities, J. Fluid Mech., 395, pp. 271-294, 1999.

[5] Hinze, J. O., Turbulence, 2nd edition, McGraw-Hill, New York, 1975.

[6] Impron, S., Studi Eksperimental Karakteristik Lapisan Batas Turbulen pada Pelat Datar dengan Alur Bujursangkar, Tugas Akhir, Jurusan Teknik Mesin, FTI, ITS, 2007.

[7] Nuch, M., Studi Eksperimental tentang Karakteristik Turbulent Boundary Layer Setelah Single Square Groove pada Flat Plate, Tugas Akhir, Jurusan Teknik Mesin, FTI, ITS, 2005.

ENG05 4


[8] Pearson, B. R., Elavarasan, R., & Antonia,

R. A., The response of a turbulent boundary layer to a square groove, J. Fluids Engineering, 119, pp. 466-469, 1997.

Gb. 4. Proses ejection melalui pelat datar dengan

alur bujursangkar. [9] Smith, C. R. and Walker, J. D. A., Sustaining

mechanisms of turbulent boundary layers: The role of vortex development and

interactions, in Self Sustaining Mechanisms of Wall Turbulence (Ed.: R. L. Panton), Computational Mechanics Publications, Southampton, pp. 13-47, 1997.

[10] Wahidi, R., Chakroun, W., & Al-Fahed, S., The behavior of the skin-friction coeffcient of a turbulent boundary layer flow over a flat plate with differently configured transverse square grooves, Exp. Thermal Fluids Sci., Vol. 30, pp. 141-152, 2005.

ENG05 5

Abstract The experiments were performed in a wind tunnel with freestream velocities of 13 and 21 m/s for oil flow visualization and of 0.6 m/s for smoke visualization. A transverse square groove of 10 mm width and 10 mm depth was cut on the test plate. The flow behavior inside the groove was recorded using a high speed camera with a rate of 125 frames per second (fps).

Documents

Turbulen