bab i pendahuluan

BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar belakang
Pola aliran plug merupakan pola aliran yang terjadi ketika kecepatan fase gas relatif
rendah. Pola aliran ini terdiri dari elongated gas bubbles yang bergerak di sepanjang bagian
atas saluran yang dipisahkan oleh liquid slug. Sedangkan pola aliran slug terjadi pada
kecepatan gas yang lebih tinggi daripada kecepatan gas pada pola aliran plug. Pola aliran slug
dicirikan dengan serangkaian large gas bubbles yang mengisi sebagian besar saluran yang
dilaluinya. Pada pola aliran slug, saluran yang dilaluinya secara periodik berisi large bubbles
yang dipisahkan oleh liquid slug. Large bubbles yang bergerak dengan kecepatan tinggi
mendorong liquid slug di depannya sehingga menyebabkan liquid slug juga bergerak dengan
kecepatan tinggi. Pada literatur, aliran slug dan plug oleh beberapa peneliti sering disebut
sebagai aliran intermittent.
Pola aliran plug banyak dijumpai pada berbagai sistem perpipaan dimana pipa
digunakan sebagai medium transportasi fluidanya, seperti pada sistem perpipaan
perminyakan. Pola aliran plug yang terjadi pada beberapa sistem dapat mempengaruhi kinerja
dari sistem tersebut. Pada aliran plug pipa horizontal, gesekan yang terjadi meliputi gesekan
antara liquid slug dengan pipa bagian atas, liquid slug dengan pipa bagian bawah serta slip
antar fasa.
Gesekan yang terjadi antara liquid slug dengan dinding pipa dapat menyebabkan
terjadinya pressure drop. Ketika tekanan pada liquid slug di sekitar dinding pipa telah
mencapai dibawah tekanan uap jenuhnya, maka dapat menyebabkan terjadinya kavitasi.
Kavitasi tersebut menyebabkan terbentuknya gelembung uap dimana ketika gelembung
tersebut pecah di dinding pipa, dapat menyebabkan shock pada dinding tersebut. Cairan akan
masuk pada ruang yang terbentuk akibat pecahnya gelembung uap pada dinding pipa
sehingga terjadi tumbukan pada dinding pipa tersebut. Bila proses tersebut terjadi secara
berulang-ulang pada tempat yang sama, maka dapat menyebabkan kerusakan pada
permukaan pipa seperti timbulnya lubang (erosi kavitasi), dan bahkan dapat menyebabkan
kebocoran pada pipa. Dari permasalahan tersebut, maka penelitian mengenai pola aliran plug
1
pada sistem perpipaan perlu dilakukan. Dalam penelitian ini, akan dilakukan penelitian
mengenai pola aliran plug air-udara pada pipa horisontal.
Pola aliran plug merupakan salah satu pokok bahasan dalam ilmu dinamika fluida.
Secara umum, ilmu dinamika fluida dapat dipelajari dengan tiga cara yaitu secara
eksperimen, teoritis, dan numerik. Pada penelitian ini, dilakukan pembelajaran pola aliran
plug secara numerik, yaitu dengan menggunakan computational fluid dynamics. Penelitian
yang dilakukan bertujuan untuk mensimulasikan pola aliran plug air-udara pada pipa
horisontal dengan menggunakan komputasi dinamika fluida.
Pada pola aliran plug, ukuran dari dispersed phase berupa elongated gas bubbles
memiliki ukuran relatif besar, maka dispersed phase tersebut dapat diasumsikan sebagai fase
kontinyu. Sehingga, kedua fase yang terlibat pada aliran plug adalah fase kontinyu.
Permasalahan tersebut dapat diselesaikan menggunakan pendekatan Eulerian-Eulerian. Pada
pendekatan Eulerian-Eulerian, fase sekunder dapat diasumsikan sebagai fase kontinyu,
seperti yang terdapat pada pola aliran plug air-udara pada pipa horisontal. Penelitian simulasi
numerik pola aliran plug air-udara pada pipa horisontal dilakukan menggunakan software
komersial FLUENT 6.3.26. Model untuk simulasi aliran multifase dengan pendekatan
Eulerian-Eulerian yang digunakan pada penelitian ini adalah Eulerian model.
1.2 Permasalahan
Berdasarkan uraian permasalahan utama yang disebabkan oleh aliran plug seperti
kerusakan pada struktur permukaan pipa (erosi kavitasi, kebocoran pada pipa), maka
penelitian pola aliran plug perlu dilakukan. Ditinjau dari segi perhitungan numerik,
permasalahan awal pada penelitian pola aliran plug adalah bagaimana agar pola aliran plug
dapat disimulasikan dengan baik menggunakan salah satu model aliran multifase yang
digunakan, yaitu Eulerian model. Setelah simulasi pola aliran plug telah berhasil dilakukan
menggunakan model tersebut, permasalahan selanjutnya adalah bagaimanakah mengetahui
karakteristik lokal (visualisasi) pola aliran plug ditinjau dari pengaruh variasi kecepatan
superfisial air dan udara terhadap panjang gas bubble yang dihasilkan. Permasalahan lainnya
adalah bagaimanakah pengaruh perturbasi berupa sinusoidal velocity dan sinusoidal water
level pada velocity inlet boundary conditions yang merupakan asumsi fluktuasi kecepatan
superfisial dan ketinggian air dari fenomena fisis yang sebenarnya terhadap pola aliran yang
dihasilkan.
2
1.3 Batasan Masalah
Simulasi dilakukan dengan batasan sebagai berikut:
1. Variabel berupa kecepatan superfisial air dan udara, tekanan, viskositas, dan densitas
fluida kerja pada simulasi numerik pola aliran plug air-udara pada pipa horisontal
sesuai dengan kondisi simulasi secara eksperimen pola aliran plug air-udara pada pipa
horisontal yang dilakukan oleh Okto dan Widharmiko (2012).
2. Menggunakan Eulerian model untuk mensimulasikan pola aliran plug air-udara pada
pipa horisontal.
3. Diasumsikan tidak terjadi perpindahan kalor pada simulasi pola aliran plug air-udara
pada pipa horisontal.
4. Dibatasi hanya tiga variasi kecepatan superfisial air dan udara karena lamanya waktu
komputasi.
1.4 Tujuan
1. Memodelkan pola aliran plug air-udara pada pipa horisontal menggunakan Eulerien
model.
2. Mengetahui pengaruh variasi kecepatan superfisial air dan udara terhadap panjang gas
bubble dari pola aliran plug air-udara pada pipa horisontal.
3. Mengetahui pengaruh perturbasi berupa sinusoidal velocity dan sinusoidal water level
pada velocity inlet boundary conditions terhadap pola aliran yang dihasilkan.
1.5 Manfaat
Penggunaan Eulerian model diharapkan dapat mensimulasikan pola aliran plug airudara pada pipa horisontal dengan akurat ketika divalidasi dengan data eksperimen.
Selanjutnya, dapat diketahui pengaruh dari variasi kecepatan superfisial air dan udara
terhadap panjang elongated gas bubbles yang dihasilkan dari pola aliran plug air-udara pada
pipa horisontal. Dari penelitian yang dilakukan juga dapat diketahui pengaruh perturbasi
berupa sinusoidal velocity dan sinusoidal water level pada velocity inlet boundary conditions
terhadap pola aliran yang dihasilkan.
3