Bab III Aliran Putar

Bab III Aliran Putar
Bab III
Aliran Putar
Ada banyak jenis aliran fluida dalam dunia teknik, dimana komponen
rotasi dari nilai rata-rata deformasi memberikan kontribusi lebih besar terhadap
pola aliran yang terjadi. Memperhatikan kopel kompleks antara tegangan turbulen,
yang merupakan tensor simetris, dengan komponen rotasi dari nilai rata-rata
deformasi, yang merupakan tensor antisimetris, hubungan konstitutif turbulen
menjadi lebih kompleks dibandingkan dengan aliran fluida teregang murni. Hasil
studi eksperimental dan numerik yang telah dilakukan sebelumnya memberikan
gambaran tentang pengaruh penting dari komponen rotasi terhadap mekanisme
aliran terutama pada disipasi viskos dari energi kinetik turbulen, dan juga transfer
energi antar-komponen fluida. Pemahaman fisik terhadap dinamika turbulensi
pada aliran yang demikian, misalnya aliran putar, masih sangat sedikit sehingga
membutuhkan banyak usaha penelitian berikutnya.
3.1 Pengenalan Awal
Aliran swirl atau aliran putar banyak ditemukan dalam berbagai bentuknya
di alam, misalnya pada gejala angin tornado yang sering melanda beberapa
kawasan, pada pusaran air laut (whirl pool) yang biasa terjadi di tengah lautan,
pada aliran udara yang lepas dari ujung sayap (tip) pesawat udara, pada aliran air
yang melewati baling-baling (impeller) dari sebuah kapal laut atau kapal selam.
Aliran putar merupakan aliran fluida yang selain mempunyai komponen
kecepatan aksial dan radial, juga mempunyai komponen kecepatan swirl. Di
dalam tabung pembakaran, adanya kombinasi antara komponen kecepatan aksial
dan swirl tersebut mempengaruhi pencampuran dua atau lebih jenis fluida yang
mengalir di dalam tabung tersebut. Pada beberapa laporan penelitian sebelumnya,
aliran putar isothermal mempengaruhi kestabilan nyala api (flame stability) pada
reaksi pembakaran. Hal ini berhubungan dengan proses pencampuran antara
19
Bab III Aliran Putar
bahan bakar dan udara. Adanya komponen kecepatan swirl menginduksikan gaya
sentrifugal di dalam aliran, dimana gaya ini akan mempengaruhi puncak distribusi
kecepatan, distribusi tekanan statik, serta daerah resirkulasi. Resirkulasi memiliki
peranan yang sangat penting pada kestabilan pembakaran, karena dengan adanya
resirkulasi maka kecepatan aksial lokal udara didalam zona primer menjadi cukup
rendah untuk menjaga keberlangsungan reaksi pembakaran. Resirkulasi juga
meningkatkan pencampuran bahan bakar-udara di dalam ruang bakar, dan dapat
menyuplai cukup oksigen segar ke dalam daerah reaksi.
Gambar 3.1 Contoh Fenomena Aliran Putar di Alam
Banyak lagi fenomena lainnya yang membangkitkan medan aliran putar. Bahkan
air di dalam gelas apabila diaduk secara konstan akan membentuk suatu pola
aliran putar.
3.2 Karakteristik Aliran Putar
Aliran putar termasuk salah satu topik penelitian yang cukup lama, namun
masih menarik untuk dipelajari lebih dalam lagi. Aliran putar merupakan jenis
aliran tiga-dimensi yang sangat kompleks, yang melibatkan banyak aspek fisik
20
Bab III Aliran Putar
didalamnya. Aliran teregang turbulen berputar ini, dengan contoh kasus alian
putar di dalam pipa silinder lurus, telah dipelajari secara eksperimental oleh
ilmuwan Baker (1967), Fejer et al. (1968), Wolf et al. (1969), Senoo dan Nagata
(1972), Murakami et al. (1976), Algifri et al. (1987), Kitoh (1991), Li dan Tomita
(1994), dan Steenbergen (1995). Dari sekian banyak ilmuwan yang terjun dalam
topik penelitian ini, dan dari sekian banyak teori dan hipotesis yang dibangun,
tetapi belum ada satupun yang sanggup untuk menjelaskan fenomena aliran putar
secara lengkap dan menyeluruh. Walaupun demikian, bagaimana aliran putar
secara umum telah berhasil dibuat dan dapat diterima dengan memuaskan.
Secara umum, karakteristik aliran putar dinyatakan dengan bilangan swirl
(bilangan sirkulasi) dan bilangan Reynolds (Re), sebagaimana yang digunakan
beberapa ilmuwan ( [10], [11], [12], dan [14]) dalam penelitiannya. Bilangan swirl
yaitu bilangan nondimensional yang digunakan untuk menunjukkan kekuatan
putaran (swirl) pada aliran putar, dan didefinisikan sebagai perbandingan antara
momentum arah tangensial aliran dengan hasil kali antara momentum arah aksial
aliran dan radius tabung. Didapat suatu kecenderungan, semakin tinggi bilangan
swirl (untuk kasus kecepatan aksial rata-rata yang sama) maka kekuatan putaran
aliran semakin tinggi. Bilangan Reynolds (Re) yaitu bilangan nondimensional
yang digunakan untuk menunjukkan karakteristik turbulen aliran putar, secara
fisik didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya inersia dengan gaya friksi
dari aliran yang bersangkutan. Semakin tinggi Re maka gaya inersia setiap
bongkah aliran akan semakin tinggi pulan sehingga aliran lebih bersifat turbulen.
Untuk aliran di dalam tabung dengan penampang tetap, semakin tinggi Re maka
berarti kecepatan aksial rata-rata aliran semakin tinggi.
Bilangan swirl merupakan perbandingan antara momentum rata-rata aliran
putar terhadap momentum arah aksial dihitung dengan formula berikut:
R
S=
∫r
2
uwdr
0
R
2
R ∫ ru dr
0
S
= bilangan swirl
R = jari-jari tabung pembakaran
21
Bab III Aliran Putar
r
= posisi radial
u
= komponen kecepatan aksial
w = komponen kecepatan swirl
Untuk memperoleh bilangan swirl yang sama, dapat digunakan lebih dari
satu jenis konfigurasi bilah. Sebagai contoh, untuk memperoleh bilangan swirl
sekitar 0,18 dapat digunakan swirl vanes konstan 15° maupun swirl vanes punter
020° linier. Namun dari kedua konfigurasi tersebut, akan diperoleh medan aliran
yang berbeda. Secara umum, bilangan swirl yang dibangkitkan akan semakin
besar akibat penambahan sudut vanes. Ada dua jenis aliran swirl berdasarkan
harga bilangan swirlnya, yaitu aliran putar kuat (strong swirl) dan aliran putar
lemah (weak swirl) yang perhitungannya sesuai dengan persamaan diatas. Lebih
jelasnya pada bagian berikut.
3.3 Karakteristik Aliran Putar Lemah (Weak Swirl)
Aliran putar lemah (weak swirl) biasanya dipilih oleh perancang atau
peneliti untuk membangkitkan medan aliran putar namun tanpa terlalu
mempengaruhi medan aliran secara keseluruhan. Aliran putar lemah mempunyai
bilangan swirl kecil, S ≤ 0,4. Untuk pembangkitan aliran putar menggunakan
swirl vanes, maka weak swirl diperoleh dengan menggunakan sudut sudu yang
relative kecil, antara 0° sampai 30°. Karaktristik aliran weak swirl yaitu
komponen kecepatan aksial maksimum dan komponen kecepatan tangensial
maksimum berada pada garis sumbu aliran. Kekuatan putar dari weak swirl tidak
cukup kuat untuk membangkitkan daerah resirkulasi di dalam zona primer.
3.4 Karakteristik Aliran Putar Kuat (Strong Swirl)
Aliran putar kuat (strong swirl) mempunyai bilangan swirl kecil, S ≥ 0,6.
Untuk pembangkitan aliran swirl menggunakan swirl vanes, maka strong swirl
diperoleh dengan menggunakan sudut sudu yang relatif besar, antara 30° sampai
55°. Karaktristik aliran strong swirl yaitu komponen kecepatan aksial maksimum
dan komponen kecepatan tangensial maksimum bukan berada pada garis sumbu
22
Bab III Aliran Putar
aliran, namun berada disekitar garis sumbu. Strong swirl menimbulkan gradien
tekanan aksial dan radial yang cukup untuk membentuk zona resirkulasi toroid,
yang tidak teramati pada weak swirl.
3.5 Metode Pembangkitan Aliran Putar
Untuk membangkitkan medan aliran putar, dapat digunakan berbagai
macam metode, antara lain:
1. Melewatkan aliran masuk melalui swirler vanes
Gambar 3.2 Metode pembangkitan aliran putar menggunakan swirler vanes
2. Memberikan semburan udara pada arah tangensial ke dalam tabung
Gambar 3.3 Metode pembangkitan aliran putar menggunakan semburan
tangensial
3. Melewatkan udara masuk melalui pelat yang terpuntir
Gambar 3.4 Metode pembangkitan aliran putar menggunakan pelat berpuntir
23
Bab III Aliran Putar
4. Memberikan gerakan rotasi pada bagian pipa masukan udara
Gambar 3.5 Metode pembangkitan aliran putar menggunakan pipa berotasi
5. Menambahkan propeler pada bagian masukan udara
Gambar 3.6 Metode pembangkitan aliran putar menggunakan propeler
3.6 Karakteristik Pengurangan Aliran Putar (Swirl Decay)
Pada aliran putar di dalam tabung berdinding, kecepatan tangensialnya
mengalami pengurangan pada arah downstream yang disebabkan oleh tegangan
geser dinding tangensial. Tegangan geser dinding tangensial ini juga akan
memberi pengaruh terhadap bentuk profil dari ketiga komponen kecepatan dan
tegangan turbulen. Dalam pembahasan swirl decay, perhatian biasanya diarahkan
pada pengurangan “jumlah putaran”. Sejumlah kuantitas integral dikembangkan
untuk menyatakan “jumlah putaran” ini. Disini, bilangan swirl dari Kitoh (1991)
akan digunakan.
Walaupun kebanyakan analisis aliran putar didasarkan pada asumsi bahwa
alirannya aksisimetris (sehingga semua momentum angular dinyatakan oleh uθ
dan bukan oleh u r ), dalam kenyataannya muncul asimetris. Aliran asimetris yang
kecil saja dapat menimbulkan aliran asimetris lebih besar kearah downstream.
24