Dept. of Mechanical Engineering - ITS

STUDI EKSPERIMEN PENGURANGAN INTENSITAS TURBULENSI DENGAN PENEMPATAN SCREEN PADA OPEN CIRCUIT SUBSONIC WIND TUNNEL DI

LABORATORIUM MEKANIKA DAN MESIN-MESIN FLUIDA JURUSAN TEKNIK MESIN FTI – ITS

“Studi Kasus Screen Berdiameter Kawat 0,7 mm dan 1 mm Serta Konfigurasi Penempatannya”

JURUSAN TEKNIK MESINFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBERSURABAYA

2011

Oleh:Andi Soviyana 2109105018

Dosen Pembimbing:Dr. Wawan Aries Widodo, ST., MT

TUGAS AKHIR

Latar Belakang Kebutuhan Eksperimen Aerodinamika Wind Tunnel

Aplikasi Wind Tunnel

Transisi lapis batas pada kontur permukaan benda yangmempunyai kelengkungan dipengaruhi oleh :

1. Free-stream Turbulence

2. Kecepatan dan Profil Aliran

3. Bentuk Benda dan Orientasi Terhadap Arah Aliran

4. Kekasaran Permukaan

5. Blockage Ratio

Free-streaM turbulence (turbulent intensity) Urms / Uaverage

Urms = standard deviasi kecepatanUaverage = kecepatan rata-rata

Cheung dan Melbourne (1983) Pengaruh intensitas turbulensi terhadapdistribusi koefisien tekanan (Cp) padasilinder sirkular pada Re 1,1 x 106

Diameter Silinder = 120 mm

CpminTu Cpmin mundur ke belakang

Letak separasi massive tertunda ke belakangCpbase

Penelitian Terdahulu

Bearman dan Morel (1983) Pengaruh intensitas turbulensi terhadapcoefficient of drag (CD) pada silinder sirkular

Diameter Silinder = 120 mm

Leonanda (2007) Penelitian pressure difference dengan penempatan screen

Pressure difference akibat penempatan screen

Visualisasi flow smoke

Flow smoke di belakang silinder tanpa screen

Flow smoke di belakang silinder setelah penempatan 4 screen

Ghobanian (2010)

Diameter kawat screen = 0,91 mm

Pengukuran intensitas turbulensi dengan penempatanscreen

Kondisi daerah freestream centerline test section open circuitsubsonic wind tunnel di laboratorium mekanika dan mesin-mesinfluida jurusan Teknik Mesin FTI – ITS

0,00%

1,00%

2,00%

3,00%

4,00%

5,00%

7 9 11 13 15 17 19 21

Inte

nsita

s tur

bule

nsi

Kecepatan (m/s)

Triyogi dkk (2010) Pengukuran intensitas turbulensi

Rumusan Masalahpenelitian oleh Ghobanian (2010)

Intensitas Turbulensi ? Pressure Difference ? Cp silinder sirkular tunggal ? Profil Kecepatan di Belakang silinder ?

Tujuan Penelitian1. Analisis terhadap sinyal output dari hot wire anemometer (HWA)

dan pressure tranducer.

2. Analisis terhadap intensitas turbulensi yang dihasilkan darikonfigurasi screen yang digunakan.

3. Mengkalkulasi static pressure difference akibat penambahanscreen.

4. Analisis pengaruh intensitas turbulensi terhadap distribusikoefisien tekanan (Cp) pada silinder sirkular dan profilkecepatan di belakang silinder sirkular antara intensitasturbulensi minimum dan kondisi tanpa screen.

Batasan MasalahHWA (Hot wire anemometer) dititikberatkan pada performa alat

ukur dan mengabaikan sisi elektronika. Penelitian dilakukan pada kecepatan freestream 8 m/s – 20 m/s.Fluida yang mengalir adalah udara dalam kondisi steady dan

incompressible. Pengukuran intensitas turbulensi dilakukan pada centerline test

section. Analisa dilakukan pada silinder sirkular dengan diameter 60 mm

dengan bilangan Reynolds = 5,4 x 104.

Metodologi PenelitianPerancangan Frame Screen

Ø 1 mm Ø 0,7 mm Ø 0,7 mm

Peralatan

1. Subsonic Wind Tunnel

Jenis : Subsonic, open circuit wind tunnelBentuk test section : penampang persegiTinggi : 660 mmLebar : 660 mm Panjang : 1780 mm

Peralatan

2. Benda Uji

Screen A Screen B

Silinder Sirkular

Peralatan

3. Alat Ukur Pitot Static TubeThermometer

Pressure TranducerDAQ pro

HWA

Konfigurasi Screen

Screen B ditempatkan di belakang screen A

Konfigurasi Screen

Kombinasi 6 screen A dan 1 screen B

Kombinasi 5 screen A dan 2 screen B

Langkah-langkah Eksperimen

1. Kalibrasi HWA

Langkah-langkah Eksperimen

2. Pengukuran Intensitas Turbulensi

Langkah-langkah Eksperimen

Perbandingan hasil pengukuran TI dengan HWA dan Pressure Tranducer

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

7 9 11 13 15 17 19

Tu (%

)

Kecepatan (m/s)

Intensitas Turbulensi Open Circuit Wind Tunnel Desain Screen Lama

Pressure tranducer

HWA

Langkah-langkah Eksperimen

3. Kalibrasi Pressure Tranducer

Langkah-langkah Eksperimen

4. Pengukuran Pressure Difference

Langkah-langkah Eksperimen

5. Pengukuran Cp dan Profil Kecepatan di Belakang Silinder

Alokasi Waktu Penelitian

Kalibrasi Hot wire anemometer

Kalibrasi dilakukan dengan menempatkan pitot static tube dan HWA padawind tunnel kecil

Contoh hasil pengukuran

ANALISA DAN PEMBAHASAN

Persamaan respon kalibrasi HWA

Tes Annova (Minitab 14) untuksimple power law n = 0,5

Sumber df Sum of Squares Mean Squares

Regresiion 1 6421.3 6421.3

Residual error 49998 37.1 0

Lack of fit 23 29.6 1.3

Pure error 49975 7.5 0

Total 49999 6458.4

%116,0%1006458,4

7,5%100error pure === xxSS

SS

total

ε

Persamaan respon kalibrasi HWA

Persamaan A B C n ε (%)

Simple Power Law

E2 = A + BUn 2 0,731 - 0,5 0,116

1,33 1,18 - 0,4 0,116

Extended Power Law

E2 = A + BUn + CU 0,651 1,48 - 0,102 0,5 0,116

Persamaan Polynomial ε (%)

U = A + BE + CE2 0,14

U = A + BE + CE2 + DE3 0,14

U = A + BE + CE2 + DE3 + FE4 0,14 Toleransi error : 0,1-0,15 %

Persamaan respon yang digunakan adalah simple power law n = 0,5

Pengukuran Intensitas Turbulensi Wind Tunnel

Contoh keluaran HWA dankonversi ke bentuk kecepatan

Intensitas turbulensi kondisi open circuit subsonic wind tunneltanpa screen

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Tu (%

)

Kecepatan (m/s)

tanpa screen

Intensitas turbulensi open circuit subsonic wind tunnel dengan penempatan screen berdiameter kawat 1 mm

0

1

2

3

4

5

6

7

8

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Tu (%

)

Kecepatan (m/s)

1 screen

2 screen

3 screen

4 screen

5 screen

6 screen

7 screen

Intensitas turbulensi open circuit subsonic wind tunnel dengan penempatan kombinasi screen A dan screen B

0

1

2

3

4

5

6

7

8

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Tu (%

)

Kecepatan (m/s)

6A+1B

5A+2B

4A+3B

3A+4B

2A+5B

1A+6B

Kalibrasi Pressure Tranducer

Kalibrasi dilakukan dengan menempatkan pitot static tube pada wind tunnel kecil

Contoh hasil pengukuran

Persamaan respon kalibrasi Pressure Tranducer untuk pengukuran tekanan statis

Toleransi error maksimal = 0,35%

Persamaan respon yang digunakan adalah persamaan linier

Jenis persamaan Persamaan ε (%)

Linier i = 12 + 0,00669ps 0,117

Polynimial Ps = -3168 + 394i – 10,9i2 0,1

Ps = 2519 – 1127i + 125i2 – 4,05i3 0,1

Ps = -954737 + 340371i – 45542i2 + 2709i3 – 60,4i4 0,1

Persamaan respon kalibrasi Pressure Tranducer untuk pengukuran kecepatan

Toleransi error maksimal = 0,35%

Persamaan respon yang digunakan adalah persamaan simple power law n=0,5

Jenis persamaan Persamaan ε (%)

Linier i = 11,5 + 0,0988U 0,16

Power law i = 102 + 17,3 U0,5 0,15

i = 95,6 + 21,7 U0,45 0,15

i = 87,5 + 27,6 U0,4 0,15

Polynomial U = -608 + 87,2i – 3,02i2 0,14

U = -3613 + 793i – 58,3i2 + 1,44i3 0,14

U = 159383 – 50254i + 5935i2 – 311i3 + 6,12i4 0,14

Pressure difference dengan penempatan screen berdiameter 1 mm

0

50

100

150

200

250

300

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

∆p (P

a)

Kecepatan (m/s)

1 screen

2 screen

3 screen

4 screen

5 screen

6 screen

7 screen

Pressure difference dengan penempatan kombinasi screen A dan screen B

0

50

100

150

200

250

300

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

∆p (P

a)

Kecepatan (m/s)

6A+1B

5A+2B

4A+3B

3A+4B

2A+5B

1A+6B

Grafik Cp = f(θ) silinder sirkular diletakkan pada centerline test section

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

0 30 60 90 120 150 180

Coef

ficie

nt o

f Pre

ssur

e (C

p)

Sudut Contur (θ)Tu = 9,52 %Tu = 1,48 %Norberg (1986) ; Tu=1,4 % ; Re=5,5 x 10^4Braza et al(2006) ; Tu=1,5 % ; Re=6,5 x 10^4

Penelitian Re Tu (%) Posisi Separasi Massive -Cpb

Sekarang 5,4x1049,56 95 o 1,515

1,48 85 o 1,204

Norberg 5,5x104 1,4 90 o 1,146

Braza et al 6,5x104 1,5 88 o 1,580

Profil kecepatan di belakang silinder sirkular diletakkan padacenterline test section

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

y/h

u/UmaxTu = 9,52 %

Tu = 1,48 %

KESIMPULAN

1. Adanya penambahan screen dapat menurunkan intensitas turbulensi danintensitas turbulensi cenderung menurun pada setiap kenaikan kecepatan.

2. Adanya penambahan screen menghasilkan pressure difference yang semakinbesar pada masing-masing tingkat kecepatan dan mengurangi pencapaiankecepatan maksimal aliran freestream pada putaran motor maksimal yangdiijinkan.

3. Letak titik separasi massive pada kontur permukaan silinder sirkular akibataliran freestream dengan intensitas turbulensi 9,52% lebih tertunda kebelakang jika dibandingkan dengan intensitas turbulensi 1,48% dan defisitmomentum yang terbentuk di belakang silinder sirkular dengan intensitasturbulensi 9,52% lebih kecil jika dibandingkan defisit momentum yangterbentuk dibelakang silinder sirkular dengan intensitas turbulensi 1,48%.

REKOMENDASI

1. Perlu perbaikan dalam desain probe HWA guna mencapai desain standar agarerror yang terjadi dapat diminimalisasi

2. Penggunaan filter pada keluaran HWA perlu dipertimbangkan untukmenyaring gangguan yang terjadi. Sebagai rekomendasi dipasang rangkaianband past reject 50 Hz dan low past filter 100 Hz.

3. Perbaikan wind tunnel diperlukan untuk mendapatkan intensitas turbulensiyang lebih kecil dengan memasang system peredam pada fan agar tidaktimbul vibrasi yang berlebih, redesain bentuk dan geometri honeycomb, serta corner-corner yang terlalu tajam sebaiknya dibuat lebih tumpul.