iii

EXPERIMENTAL STUDY ABOUT FLUID FLOW CHARACTERISTIC PASSING THROUGH CIRCULAR

CYLINDER DISTURBED BY CUT (t/B=10%) ELLIPTICAL CYLINDER (A/B=1/3)

Case Study for The Effect of Distance Between Cylinder and Elliptical Cylinder

( G/D = 0,72 ; 0,75 ; 0,78 ; 0,8 ; 0,85 ; 0,9 ) Name : Indah Kartika Sari NRP : 2105 100 010 Department : Mechanical Engineering Supervisor : Prof.Dr.Ir.Triyogi Y.,DEA

Abstract

The growing of technology nowadays, create a new inovations in both of technical industry and design of the building. For example is the aplication of cylinder body in building structure In that case, there are so many factors that have to be concern in order to create the best result.One of the important factors is about the fluid flow which passing through the body of the cylinder. If some fluids flow passing through the cylinder will cause the drag force. The investigation about the external flow passing through the cylinder body have been done in order to reduce the drag force. One of the effort is placing the inlet disturbance in upstream side of the main cylinder.

This experiment will be done in wind tunnel with the main cylinder disturbed by cut ellliptical in Reynolds Number 5,7 x104. The main cylinder which have diameter 80 mm disturbed by cut elliptical with aspect ratio (A/B=1/3) and t/B=10%. The longitudinal distance between cut elliptycal and main cylinder (G/D)is varied from 0,72 until 0,9. Velocity profile is measured placing pitot static tube behind the circular cylinder. Pressure distribution is measured with pressure tap which place both in main cylinder and cut elliptical. Visualitation is have been done with oil flow picture method.

 

  iv

The result of experimental shows that the pressure drag will decrease disturbance when elliptical cylinder is placed close to main cylinder. But in the gap ratio (G/D) 0.75 critical distance happens, where in that distance the disturbance ellips has less effect to reduce the drag force.

Keywords : Main cylinder, cut elliptical cylinder, drag force, distance between cylinder and elliptical cylinder

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  v

STUDI EKSPERIMENTAL TENTANG KARAKTERISTIK ALIRAN FLUIDA MELINTASI SILINDER SIRKULAR

YANG DIGANGGU ELLIPS (A/B = 1/3) TERIRIS (t/B = 10%)

Studi Kasus Pengaruh Jarak Antara Silinder dengan Ellips

Jarak (G/D) : 0,72 ; 0,75 ; 0,78 ; 0,80 ; 0,85 ; 0,90

TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar

Sarjana Teknik pada Bidang Studi Konversi Energi Program Studi S-1 Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

Oleh :

INDAH KARTIKA SARI NRP. 2105 100 010

Disetujui oleh Tim Penguji Tugas Akhir : 1. Prof. Dr. Ir. Triyogi Yuwono, DEA …………(Pembimbing) 2. Dr. Ing. Herman Sasongko …………(Penguji I) 3. Prof. Ir. Sutardi, M.Eng, P.hD …………(Penguji II) 4. Wawan Aries Widodo, ST, MT …………(Penguji III)

SURABAYA JULI, 2009

 

  vi

Halaman ini sengaja dikosongkan

 

 

 

 

 

  vii

KATA PENGANTAR

Segala puji dan syukur bagi Allah SWT, karena berkat limpahan rahmat dan hidayah-Nya saja penulis dapat menyelesaikan tugas akhir dengan judul “Studi Eksperimental Karakteristik Aliran Fluida Melintasi Silinder Sirkular Yang Diganggu Oleh Ellips (A/B=1/3) Teriris 10%”. Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi salah satu persyaratan kelulusan pendidikan Sarjana S-1 di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya.

Penyusunan Tugas Akhir ini dapat terlaksana dengan baik atas bantuan dan kerjasama dari beberapa pihak. Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada : 1. Bapak Prof. DR. Ir. Triyogi Yuwono, DEA selaku dosen

pembimbing, yang telah banyak memberikan ide, saran, bimbingan dan motivasi dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini di jurusan Teknik Mesin FTI - ITS.

2. Bapak DR. Ing. Herman Sasongko selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin ITS dan dosen pembahas Tugas Akhir.

3. Bapak Prof.Ir. Sutardi, M.Eng.Ph.D selaku dosen pembahas Tugas Akhir .

4. Bapak Wawan Aris Widodo, ST. MT. atas diskusi serta saran yang diberikan selama pengerjaan tugas akhir ini.

5. Bapak Soehariyanto dan ibu Elmuati, doa, bimbingan serta dukungan tidak akan pernah ananda lupakan.

6. Mbak Lidya yang selalu mendukung di saat suka maupun duka.

7. Bapak Nur Rohcman dan Pak Tris selaku pegawai di lab.mekflu atas nasehat-nasehat yang telah diberikan selama penulis mengerjakan tugas akhir di lab. Mekflu.

8. Rekan seperjuangan TA, “macan 2 dan 3” Afina,Riska, yang telah mensupport di saat sedih maupun senang “ Never Forget Our Friendship”

 

  viii

9. Dhani-Pentol, my soulmate, atas dukungan dan semangatnya.

10. Saudara-saudaraku di Lab. Mekanika Fluida, dan di M48 Teknik Mesin.Ardi, Kety, Anto, Nanang, Isce, Linche, Eva, Yunce, Bnu, SuTriz, Pepe,Jumari,Anugrah, lan sak wadyo balane, keep struggling, bro!

11. Semua karyawan dan Bapak Ibu Dosen di jurusan Teknik Mesin ITS “Mahatur Nuhun”.

12. Dan semua pihak yang telah memberikan bantuanya, dimana tidak sempat penulis sebutkan.

Penulis sadar bahwa penulisan Tugas Akhir ini memiliki banyak kekurangan, untuk itu kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan demi perbaikan dan kesempurnaan Tugas Akhir ini. Semoga tulisan ini dapat bermanfaat bagi kita semua.Amin.

Surabaya, Juli 2009

Penulis

 

 

 

 

 

 

  ix

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ABSTRAK......................................................................................i ABSTRACT.................................................................................iii LEMBAR PENGESAHAN...........................................................v KATA PENGANTAR …..…………………………………......vii DAFTAR ISI…………………………………..……………..…ix DAFTAR SIMBOL DAN SATUAN..........................................xiv DAFTAR GAMBAR...................................................................xv DAFTAR TABEL........................................................................xx

BAB I PENDAHULUAN …………...………………......…... ...1

1.1.Latar Belakang ……………………….…………......1 1.2 Perumusan Masalah....................................................3 1.3.Tujuan Penelitian……………………………............6 1.4 Batasan Masalah.........................................................6 1.5 Manfaat Penelitian......................................................7

BAB II TINJAUAN PUSTAKA................………..……......….3

2.1 Dasar Teori.................................................................9 2.1.1 Aliran Viscous dan Non Viscous...............9 2.1.2 Boundary Layer........................................10 2.1.3 Aliran Laminer dan Turbulen...................12 2.1.4 Aliran Kompresible dan Inkompresible....13 2.1.5 Reynolds Number.....................................14

2.1.6 Tekanan Statis, Tekanan Stagnasi, dan Tekanan Dinamis.....................................15

2.1.7 Koefisien Tekanan....................................16 2.1.8 Koefisien Drag..........................................17 2.1.9 Aliran Melintasi silinder Sirkular.............20

2.1.10 Aliran Melintasi Sebuah Silinder Teriris Tegak pada Bagian depan......................22

2.2 Penelitian Terdahulu.................................................23

 

  x

2.2.1 Penelitian Silinder Teriris.........................23 2.2.2 Penelitian Silinder Berpengganggu...........25 2.2.3 Penelitian Elliptyc Cylinder......................41

BAB III METODOLOGI PENELITIAN…........……......…. 45

3.1Parameter Yang Diukur.............................................45 3.1.1 Analisa Dimensi........................................46 3.2 Peralatan Eksperimental............................................49 3.2.1 Terowongan Angin...................................49 3.2.2 Alat Ukur..................................................50 3.3 Metode dan Langkah Kerja.......................................51 3.3.1 Persiapan Peralatan Eksperimen...............51 3.3.2 Pengambilan Data.....................................52 3.3.3 Benda Uji..................................................53 3.3.4 Visualisasi Aliran......................................54 3.3.5 Pengolahan Data dan Analisa...................55 3.4 Urutan Langkah Penelitian.......................................56 3.4.1 Ghant Chart Eksperimen..........................56 3.4.2 Flow Chart Penelitian...............................57

BAB IV ANALISA DATA........................................................59

4.1 DataPenelitian..........................................................59 4.2 Contoh Perhitungan..................................................61 4.2.1 Perhitungan Coefficient Pressure (Cp).....61

4.2.2 Perhitungan Coefficient Pressure Drag (CDp).........................................................63

4.2.3 PerhitunganKecepatan Aliran Di Belakang Silinder Utama.......................................................67

4.3 Analisa dan Diskusi..................................................73 4.3.1 Karakteristik Aliran Melintasi Ellips

Pengganggu Tunggal...............................74 4.3.2 Karakteristik Aliran Melintasi Silinder

Sirkular Utama Tunggal....................................................76

 

  xi

4.3.3 Profil Kecepatan Di Belakang Silinder Sirkular Tunggal......................................78

4.3.4 Karakteristik Aliran Melintasi Susunan Tandem Ellips dan Silinder Sirkular Tandem.....................................................79 4.3.4.1 Distribusi Ellips Pada Berbagai

Variasi Jarak (G/D).....................79 4.3.4.2 Distribusi Tekanan Silinder Sirkular

Utama Pada Berbagai Variasi jarak (G/D)..........................................86

4.3.4.3 Profil Kecepatan (wake) Silinder Utama Tandem..........................85

4.3.4.4 Coefficient Of Pressure Drag Silinder Susunan Tandem (CDp)...........................................87

4.3.4.5 Perbandinga CDp Silinder Tandem dengan CDp Silinder Tunggal (CDp/CDpo)...................................89

4.3.4.6 Koefisien Total Drag (CDt) Pada Silinder Susunan Tandem ..........90

4.3.4.7 Visualisasi Aliran Dengan Metode Oil Flow Picture.........................92 4.3.4.7.1 Visualisasi Aliran Untuk

Susunan Tandem Dengan G/D = 0,72.............................92

4.3.4.7.2 Visualisasi Aliran Untuk Susunan Tandem Dengan G/D = 0,75.............................94

4.3.4.7.3 Visualisasi Aliran Untuk Susunan Tandem

 

  xii

Dengan G/D = 0,78............................96

4.3.4.7.4 Visualisasi Aliran Untuk Susunan Tandem Dengan G/D = 0,80............................98

4.3.4.7.5 Visualisasi Aliran Untuk Susunan Tandem Dengan G/D = 0,85...........................100

4.3.4.7.6 Visualisasi Aliran Untuk Susunan Tandem Dengan G/D = 0,90.............................82

4.3.4.7.7 Visualisasi Aliran Untuk Susunan Tandem Dengan VariasiG/D...............104 4.3.4.7.7.1 Visualisasi

Aliran Melintasi Ellips Teriris Dengan Variasi G/D.......104

4.3.4.7.7.2 Visualisasi Aliran Melintasi Silinder Sirkular Tandem Dengan Variasi G/D.......106

 

  xiii

4.3.5 Diskusi....................................................108 4.3.5.1 Distribusi Tekanan Ellips Pada

Berbagai Variasi Jarak (G/D)........................................109

4.3.5.2 Distribusi Tekanan Silinder Sirkular Utama Pada Berbagai Variasi Jarak (G/D)...............................112

4.3.5.3 Profil Kecepatan (Wake) Silinder Utama Tandem.........................115

4.3.5.4 Perbandingan CDp Silinder Tandem Dengan CDp Silinder Tunggal (CDp/CDpo).................................116

4.3.5.5 Visualisasi Aliran Dengan Metode Oil Flow Picture.......................117

4.3.5.5.1 Visualisasi Pada Ellips Teriris......................118

4.3.5.5.2 Visualisasi Pada Silinder Sirkular...................120

BAB V KESIMPULAN...........................................................122

5.1 Kesimpulan............................................................122 5.2 Saran.......................................................................122

DAFTAR PUSTAKA...............................................................124

     

 

 

 

 

  xiv

 

 

 

 

 

 

 

 

Halaman ini sengaja dikosongkan

 

  xiii

DAFTAR SIMBOL DAN SATUAN

B panjang mayor axis (m)

A panjang minor axis (m)

A/B axis rasio t/B rasio irisan CD koefisien drag CDp koefisien pressure

drag CDt koefisien total drag Cp koefisien tekanan Cpb koefisien base

pressure D diameter silinder (m) FDf skin friction drag (N) FDp pressure drag (N) FD gaya drag (N) g percepatan gravitasi

(m/s2) L panjang silinder (m); p tekanan statis aliran

fluida (N/m2) po tekanan stagnasi

(N/m2) pc tekanan statis kontur

(N/m2) p∞ tekanan statis

freestream (N/m2) pb base pressure (N/m2) Re bilangan Reynolds U∞ kecepatan freestream

(m/s) u kecepatan lokal aliran

(m/s)

θ momentum thickness; sudut kontur silinder (deg)

Δp perbedaan antara tekanan freestream dengan tekanan pada dinding silinder (N/m2)

τyx tegangan geser (N/m2) μ viskositas udara

(Ns/m2)

dydu

gradient kecepatan

aliran (s-1) u kecepatan local aliran

(m/s) δ boundary layer

thickness δ* displacement

thickness ρ massa jenis udara

(kg/m3)

θ∂∂p

gradient tekanan pada

kontur π grup bilangan tak

berdimensi  

 

 

  xiv

Halaman ini sengaja dikosongkan

 

  xv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Perbandingan penggunaan ellips teriris sebagai

disturbance dengan silinder (a) Tsutsui dan Igarashi(2002) d/D=0,25 , L/D=1,75, ReD=4,1x104 (b) Yusuf(2008) A/D=0,25 , G/D=1,25, ReD=6,4x104 (c) Lee Sang Joon(2004) d/D=0,233 , L/D=1,833 , ReD=2x104 ..................5

Gambar 2.1 Aliran Viscous dan Inviscid...............................10 Gambar 2.2 Perkembangan lapis batas laminer dan turbulen

sepanjang plat datar....................................................................11

Gambar 2.3 Penguraian komponen gaya drag pada profil....17 Gambar 2.4 Control volume untuk perhitungan gaya drag

total...................................................................18 Gambar 2.5 Mekanisme terjadinya separasi pada aliran

melewati silinder...............................................21 Gambar 2.6 Spesimen yang diuji Type-I dan Type-D (Aiba

dan Watanabe, 1997)..................................................................24

Gambar 2.7 Grafik coefisien drag terhadap sudut iris (Aiba dan Watanabe, 1997)..................................................................25

Gambar 2.8 Skema percobaan (Prasad dan Williamson,1997)..............................................26

Gambar 2.9 Perbandingan drag dengan perubahan gap distance untuk (a) P/D =3% dan (b) P/D= 9% (Prasad dan williamson, 1997)..........26

Gambar 2.10 Perbandingan drag dari keseluruhan system terhadap drag dari silinder tunggal sebagai fungsi rasio lebar plat terhadap diameter silinder (Prasad dan Williamson, 1997)..........................27

Gambar 2.11 Skema percobaan (Tsusui dan Igarashi,2002)....................................................28

 

  xvi

Gambar 2.12 Distribusi koefisien tekanan pada silinder sirkular. (a) Pengaruh Reynolds Number dan (b) Pengaruh d/D.....................................................28

Gambar 2.13 Grafik Koefisien drag (Tsutsui dan Igarashi,2002)…............................……………30

Gambar 2.14 Visualisasi aliran dan distribusi pressure coefficient (Cp) silinder sirkular tunggal utama (Wake Impingement Mode ).............................31

Gambar 2.15 Visualisasi aliran dan distribusi pressure coefficient (Cp) silinder sirkular tunggal utama (Cavity Mode)....................................................32

Gambar 2.16 Skema percobaan (Joko, 2007)..........................33 Gambar 2.17 Grafik Cdp fungsi Jarak (Joko, 2007)................33 Gambar 2.18 Pengaruh variasi jarak (s/d) terhadap distribusi

tekanan pada silinder utama dengan pengganggu ellips(Sinaga, 2005)...........................................34

Gambar 2.19 Visualisasi aliran pada silinder utama dengan berbagai variasi jarak (Sinaga,2005).....................................................36

Gambar 2.20 Visualisasi aliran pada ellips dengan berbagai variasi jarak (Sinaga,2005).....................................................37

Gambar 2.21 Distribusi Cp Silinder utama tandem (Yusuf,2008)......................................................38

Gambar 2.22 Coefficient of Pressure Drag Silinder Utama (Yusuf ,2008).....................................................39

Gambar 2.23 Velocity Profile Wake Silinder utama tandem (Yusuf,2008)......................................................41

Gambar 2.24 Distribusi tekanan di satu sisi elliptic cylinder, aliran turbulen, 85%(Schubauer, 1935)............42

Gambar 2.25 Skema Penelitian (Ryan,2008)..........................43 Gambar 2.26 Perbandingan Karakteristik Aliran Fluida

Melintasi Silinder Ellips dan Silinder Ellips Teriris dengan A/B = 1/3 dan t/B = 5%, 10%, dan 15% (Ryan,2008)........................................43

 

  xvii

Gambar 3.1 Sketsa eksperimental..........................................45 Gambar 3.2 Sketsa pemasangan pitot static tube dan

manometer.........................................................46 Gambar 3.3 Wind tunnel subsonic jenis open circuit yang

digunakan..........................................................49 Gambar 3.4 Instalasi benda uji pada wind tunnel.................50 Gambar 3.5 Silinder sirkular utama......................................53 Gambar 3.6 Ellips teriris.......................................................54 Gambar 3.7 Skema visualisasi pada profil (a) ellips dan (b)

silinder...............................................................55 Gambar 3.8 Tabel Ghant chart eksperimen...........................56 Gambar 3.9 Flow Chart pelaksanaan penelitian....................57 Gambar 4.1 Sket defisit momentum akibat keberadaan benda

uji......................................................................68 Gambar 4.2 Distribusi Cp ellips 10% tunggal......................74 Gambar 4.3 Distribusi Cp silinder sirkular tunggal..............76 Gambar 4.4 Profil kecepatan di belakang silinder sirkular

tunggal...............................................................78 Gambar 4.5 Distribusi Cp ellips pada berbagai variasi jarak

ellips terhadap silinder sirkular...............................................................82

Gambar 4.6 Distribusi Cp silinder sirkular utama pada berbagai variasi jarak ellips terhadap silinder sirkular..............................................................85

Gambar 4.7 Velocity profile silinder sirkular utama tandem...............................................................70

Gambar 4.8 Coefficient of pressure drag silinder utama susunan tandem..................................................87

Gambar 4.9 Perbandingan CDP silinder tandem dengan CDp silinder tunggal (CDp/CDpo)..........................................................89

Gambar 4.10 Hasil visualisasi aliran fluida melintasi susunan silinder pada G/D=0,72 (Msp = massive separation; Bsp = Bubble Separation; Stgn

 

  xviii

=stagnation point;Rt = attachment point)..................................................................90

Gambar 4.11 Hasil visualisasi aliran fluida melintasi susunan silinder pada G/D =0,75 (Msp = massive separation; Bsp = Bubble Separation; Stgn = stagnation point;Rt = attachment point)..................................................................92

Gambar 4.12 Hasil visualisasi aliran fluida melintasi susunan silinder pada G/D=0,78 (Msp = massive separation; Bsp = Bubble Separation; Stgn = stagnation point;Rt = attachment point)..................................................................94

Gambar 4.13 Hasil visualisasi aliran fluida melintasi susunan silinder pada G/D=0,8 (Msp = massive separation; Bsp = Bubble Separation; Stgn = stagnation point;Rt = attachment point).................................................................96

Gambar 4.14 Hasil visualisasi aliran fluida melintasi susunan silinder pada G/D=0,85 (Msp = massive separation; Bsp = Bubble Separation; Stgn = stagnation point;Rt = attachment point).................................................................98

Gambar 4.15 Hasil visualisasi aliran fluida melintasi susunan silinder pada G/D=0,9(Msp = massive separation; Bsp = Bubble Separation; Stgn = stagnation point;Rt = attachment point)................................................................100

Gambar 4.16 Hasil Visualisasi Aliran Melintasi Ellips Teriris Untuk Berbagai Variasi jarak (G/D)................................................................102

Gambar 4.17 Hasil visualisasi aliran fluida melintasi susunan silinder sirkular tunggal dan tandem untuk berbagai variasi jarak (G/D).............................104

 

  xix

Gambar 4.18 Distribusi tekanan Cp pada ellips tunggal dan tandem pada berbagai variasi jarak (G/D)................................................................106

Gambar 4.19 Distribusi tekanan Cp pada silinder sirkular tunggal dan tandem pada berbagai variasi jarak (G/D)................................................................109

Gambar 4.20 Ilustrasi aliran pada konfigurasi utama dengan ellips pengganggu pada berbagai variasi jarak111

Gambar 4.21 Distribusi tekanan Cp pada silinder sirkular tunggal dan tandem pada berbagai variasi jarak (G/D)...............................................................112

Gambar 4.22 Velocity Profile Wake Silinder Utama Tandem............................................................115

Gambar 4.23 Perbandingan CDP silinder tandem dengan CDp silinder tunggal (CDp/CDpo).........................................................116

Gambar 4.24 Visualisasi aliran pada ellips teriris.................118 Gambar 4.25 Visualisasi Aliran Dengan Metode Oil Flow

Picture..............................................................20

 

 

 

  xx

Halaman ini sengaja dikosongkan

 

  xxi

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Integrasi Cp silinder sirkular yang diganggu ellips

teriris (t/b=10%) dengan jarak ellips dengan silinder (G/D) = 0, 75 untuk menghitung Coefficient pressure drag..................................64

Tabel 4.2 Integrasi CDtsilinder sirkular yang diganggu ellips teriris (t/b=10%) dengan jarak ellips dengan silinder (G/D) = 0, 75 untuk menghitung Coefficient total drag.........................................70

Tabel 4.3 Cp, Coefficient base pressure susunan ellips tandem...............................................................80

Tabel 4.4 Cp, Coefficient base pressure silinder sirkular susunan tandem.................................................83

Tabel 4.5 Coefficient of pressure drag silinder utama tunggal dan susunan tandem..............................87

Tabel 4.6 Perbandingan CDP silinder tandem dengan CDp silinder tunggal (CDp/CDpo)................................89

Tabel 4.7 Posisi attachment dan separasi hasil visualisasi silinder sirkular tunggal dan tandem..............................................................107

    

 

  xxii

Halaman ini sengaja dikosongkan