SJME KINEMATIKA Vol.
9 No.
2, 31 Desember 2024, pp 244-253 https://kinematika.
id/index.
php/kinematika KARAKTERISTIK ALIRAN MINYAK-AIR DENGAN RASIO VISKOSITAS
RENDAH DI PIPA HORIZONTAL DENGAN CFD
CHARACTERISTICS OF LOW VISCOSITY RATIO OF OIL-WATER FLOW
IN A HORIZONTAL PIPE USING CFD
Eli Kumolosari.
Teguh Wibowo.
Ndaru Atmi Purnami.
1,2Program Studi Teknik Mesin.
Fakultas Teknologi Kedirgantaraan.
ITD Adisutjipto.
Yogyakarta.
Indonesia 3Program Studi Teknik Industri.
Fakultas Teknologi Industri.
ITD Adisutjipto.
Yogyakarta.
Indonesia email: elikumolosari@itda.
, teguhwibowo@itda.
*, ndaru.
p@mail.
Received:
11 Juli 2024 Accepted:
12 November Published:
31 Desember Abstrak Aliran dua fasa merupakan fenomena penting yang dapat terjadi di berbagai bidang, salah satunya industri minyak.
Dalam industri tersebut, aliran minyakair seringkali terjadi di sumur produksi di lepas pantai.
Minyak dialirkan bersama dengan air dalam proses transportasinya.
Salah satu pola aliran yang membuat transportasi tersebut lebih ekonomis adalah core annular flow (CAF).
Penelitian ini melakukan studi CFD terhadap pola aliran minyak-air dengan rasio viskositas rendah pada pipa horizontal dengan L/d 30.
Tujuannya adalah untuk mendapatkan kecepatan superfisial minyak dan air (JO dan JW) yang sesuai untuk mendapatkan pola aliran CAF serta mengetahui nilai pressure drop dan water hold up.
Validasi dilakukan dengan data eksperimen penelitian sebelumnya untuk mendapatkan hasil yang akurat.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa pola aliran yang terbentuk dari variasi JO dan JW adalah stratified flow.
Core Annular Flow (CAF), dan wavy flow.
Kemudian, nilai pressure drop naik secara linier seiring naiknya nilai J, mulai 0,0413499 kPa pada J 0,21 m/s hingga 0.
6898102 pada J 2 m/s.
Hubungan antara pressure drop dengan water hold up tidak spesifik yang dimungkinkan terjadi karena pengaruh faktor gesekan aliran dua-fasa.
Terakhir, nilai pressure drop pola aliran CAF lebih rendah dari stratified flow pada nilai J yang sama.
Hal tersebut mengindikasikan kesesuaian hasil dengan teori.
Kata Kunci: CFD, aliran minyak-air, aliran dua-fasa.
CAF Abstract Two-phase flow is crucial in various fields, particularly in the oil industry, where oil-water flows are common in offshore production wells.
Oil is transported with water during its process, and Core Annular Flow (CAF) is one flow pattern that enhances transportation efficiency.
This study uses CFD simulations to analyze oil-water flow with a low viscosity ratio in a horizontal pipe (L/d = .
The aim is to determine the superficial velocities of oil and water (Jo and J.
that form CAF flow patterns and calculate pressure drop and water hold up.
Validation was conducted using experimental data for accuracy.
Results show three flow patterns: stratified flow.
CAF, and wavy flow.
Pressure drop increases linearly with rising J values, from 0.
0414 kPa at Jo = 0.
21 m/s 6898 kPa at J2 = 2 m/s.
The relationship between pressure drop and water SJME KINEMATIKA Vol.
9 No.
2, 31 Desember 2024, pp 244-253 https://kinematika.
id/index.
php/kinematika hold up is nonspecific, likely due to shear stress in two-phase flow.
Pressure drop in the CAF pattern is lower than in stratified flow at the same J values, aligning with theoretical predictions.
Keywords: CFD, oil-water flow, two-phase flow.
CAF DOI:10.
20527/sjmekinematika.
How to cite: Kumolosari.
Wibowo.
, & Purnami.
AuKarakteristik Aliran Minyak-Air dengan Rasio Viskositas Rendah di Pipa Horizontal dengan CFDAy.
Scientific Journal of Mechanical Engineering Kinematika, 9.
, 244-253, 2024.
PENDAHULUAN
Aliran dua fasa merupakan fenomena penting yang dapat terjadi di berbagai bidang, seperti industri minyak dan gas, reaktor nuklir, sistem pendingin, dan banyak lagi.
Pola aliran yang teramati mempengaruhi beberapa kondisi yang diperlukan sistem, sehingga memicu banyak peneliti untuk mempelajari hal ini.
Keamanan, optimalisasi, dan efisiensi adalah contoh parameter yang terkait dengan pola aliran.
Karena fakta bahwa faktor desain, termasuk penurunan tekanan, laju aliran, dan perpindahan panas, sangat dipengaruhi oleh pola aliran, maka memahami pola aliran sangatlah penting.
Dalam industri perminyakan, aliran minyak-air seringkali terjadi di sumur produksi di lepas pantai.
Minyak dialirkan bersama dengan air dalam proses transportasinya.
Perbedaan sifat kimia dan polaritas menyebabkan kedua cairan tersebut tidak menyatu, sehingga kedua cairan bisa mengalir bersamaan di dalam pipa tanpa tercampur.
Salah satu pola aliran yang membuat transportasi tersebut lebih ekonomis adalah Core Annular Flow (CAF).
Minyak mengalir di tengah pipa dengan air di sekelilingnya.
Tujuannya adalah minyak tidak berinteraksi langsung dengan pipa, sehingga meminimalisir gesekan, yang kemudian meminimalisir penurunan tekanan.
Air diatur untuk melapisi minyak karena memiliki viskositas yang lebih rendah sehingga rugi-rugi karena gesekan dengan pipa tidak sebesar Selain pola aliran, pressure drop dan water hold up juga merupakan parameter yang penting dalam aliran minyak-air.
Nilai pressure drop yang rendah diharapkan, sebagai indikasi rugi-rugi yang kecil selama berlangsungnya transportasi minyak-air di dalam pipa.
Water hold up merupakan parameter untuk menunjukkan persentase kandungan air di dalam suatu aliran dua-fasa.
Pressure drop dan water hold up terkait dengan beberapa hal yang urgent dalam distribusi minyak, salah satunya desain dan operasi dalam aplikasi teknik.
CFD (Computational Fluid Dynamic.
merupakan salah satu metode untuk memodelkan pola aliran di dalam saluran.
CFD memiliki kemampuan untuk mengeksplorasi area yang tidak dapat diakses dan dilakukan dengan studi eksperimental.
Selain itu, metode CFD memiliki biaya dan risiko yang lebih rendah dibandingkan dengan studi Di sisi lain, hasilnya mungkin tidak akurat akibat pengaturan pemodelan yang tidak tepat.
Konsekuensinya, harus divalidasi dengan data eksperimen.
Deendarlianto dkk.
melakukan studi CFD dan eksperimental untuk mendapatkan pemahaman yang lebih baik tentang karakteristik plug gas-cair pada saluran horizontal.
Data eksperimen digunakan untuk memvalidasi CFD.
Hasilnya menunjukkan kesesuaian yang baik dari kedua metode.
Shi dkk.
juga melakukan studi CFD untuk mengetahui perilaku aliran minyak-air .
engan rasio viskositas tingg.
pada saluran horizontal.
Penelitian numerik pada aliran minyak-air juga dilakukan oleh Benziane dkk.
Tujuan penelitian tersebut adalah untuk mensimulasikan aliran emulsi yang merupakan fenomena kompleks di industri perminyakan, sehingga bisa memberikan solusi kasus korosi selama transportasi Benziane dkk.
merekomendasikan CFD sebagai alat investigasi karena Dehkordi dkk.
melakukan studi CFD tentang CAF pada aliran minyakair.
Flow pattern, pressure drop, dan water hold up yang dihasilkan menunjukkan konsistensi dengan hasil eksperimen.
Ismail dkk.
melakukan investigasi pressure drop SJME KINEMATIKA Vol.
9 No.
2, 31 Desember 2024, pp 244-253 https://kinematika.
id/index.
php/kinematika dan water hold up pada aliran minyak-air di dalam pipa.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa pressure drop meningkat seiring meningkatnya laju aliran, sedangkan water hold up sedikit menurun pada water cut yang lebih tinggi, kemungkinan diakibatkan adanya emulsi pada minyak.
Penelitian ini melakukan studi CFD terhadap pola aliran minyak-air dengan rasio viskositas rendah pada pipa horizontal dengan L/d 30.
Tujuannya adalah untuk mendapatkan kecepatan superfisial minyak dan air (JO dan JW) yang sesuai untuk mendapatkan pola aliran CAF serta mengetahui nilai pressure drop dan water hold up.
METODE PENELITIAN
Alur penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 1.
Alur penelitian ini menjelaskan tentang langkah-langkah penelitian yang dilaksanakan.
Dengan adanya alur penelitian ini diharapkan bisa memudahkan peneliti untuk menjalankan penelitian sehingga penelitian dapat mencapai tujuan sesuai harapan.
Gambar 1.
Diagram alir penelitian Studi literatur Pada tahap ini, jurnal-jurnal terkait dipelajari untuk mendapatkan pandangan mengenai arah penelitian serta gap penelitian yang kemudian diteliti di jurnal ini.
Selain itu, studi literatur juga dilakukan untuk mendapatkan jurnal sebagai rujukan validasi data.
Pembuatan model matematis fenomena Penurunan persamaan-persamaan yang terkait, sesuai dengan fenomena yang terjadi pada aliran minyak-air di pipa horizontal.
Dilakukan juga penentuan parameter-parameter yang diperlukan, sebagai langkah awal simulasi.
Pengaturan simulasi Penelitian simulasi dilakukan dengan Ansys Student dengan langkah-langkah sebagai Pembuatan geometri Penelitian ini memodelkan objek sebagai aliran transien dengan geometri 3D.
Pipa diatur dengan diameter 25,4 mm dan panjang 762 mm (L/d = .
Gambar 2 menunjukkan geometri pipa pada penelitian ini.
SJME KINEMATIKA Vol.
9 No.
2, 31 Desember 2024, pp 244-253 https://kinematika.
id/index.
php/kinematika water inlet oil inlet Gambar 2.
Geometri pipa 3D Proses meshing Proses meshing adalah proses pembagian geometri menjadi elemen-elemen lebih kecil sehingga bisa dilakukan penyelesaian persamaan-persamaan di dalamnya.
Dalam simulasi ini, jenis mesh yang digunakan adalah tetrahedral dengan proses refinement di diameter luar .
ekat dindin.
Tujuan refinement adalah memperhalus mesh agar fenomena kritis di area dinding bisa dideteksi dengan lebih akurat.
Gambar 3 menunjukkan hasil meshing Gambar 3.
Meshing tetrahedral pada pipa Setup Volume of Fluid (VoF) digunakan untuk menggambarkan perilaku aliran dua fasa di dalam pipa seperti penelitian-penelitian sebelumnya .
,6,.
Aliran minyak-air dideskripsikan dengan Persamaan 1-3.
Konservasi massa:
uU) ON.
uUye.
= 0 yuiyc Konservasi momentum:
uUye.
ON.
uUyen.
= OeONycy ON.
uN (ONyen ONyenycN )] yuUyeO yc yuiyc Persamaan fraksi volume:
uUycu yuycu ) .
ON.
uUycu yuycu y.
= 0 yuiyc Model shear stress transport (SST) yco Oe yui digunakan untuk memodelkan aliran Metode solusi yang diaplikasikan adalah skema SIMPLE serta diskritisasi spasial PRESTO!, dan skema interpolasi fraksi volum adalah Geo-Reconstruct.
SJME KINEMATIKA Vol.
9 No.
2, 31 Desember 2024, pp 244-253 https://kinematika.
id/index.
php/kinematika Validasi Validasi dilakukan dengan membandingkan hasil simulasi dengan hasil eksperimen penelitian sebelumnya.
Tujuannya untuk mendapatkan hasil simulasi yang akurat sesuai dengan eksperimen.
Studi parametrik Dalam studi parametrik, minyak diatur memiliki densitas 910 kg/mA dan viskositas 20 cP .
,02 kg/m.
Tegangan permukaan dimasukkan sebesar 0,02 N/m.
JO dan JW diatur dalam rentang 0,11-1,2 m/s dan 0,1-0,8 m/s secara berturut-turut.
Variasi tersebut diatur untuk mendapatkan pola aliran serta nilai pressure drop dan water hold up kasus terkait.
Nilai pressure drop aliran dua-fasa di dalam pipa terkait dengan rumus berikut:
ya yuUyco yayco 2 OIycE = yceyco ya 2 Dengan yceyco merupakan faktor gesekan dua fase, yuUyco merupakan densitas campuran, dan yayco merupakan kecepatan campuran.
yuUyco = yuycuycnyco yuUycuycnyco yuycycaycyceyc yuUycycaycyceyc yayco = yuycuycnyco yaycuycnyco yuycycaycyceyc yaycycaycyceyc Dengan yuycuycnyco yccycaycu yuycycaycyceyc adalah fraksi volumetrik masing-masing volum.
Nilai water hold up aliran dua-fasa di dalam pipa terkait dengan rumus berikut:
yuycuycnyco yuycycaycyceyc = 1 yuycycaycyceyc = 1 Oe yuycuycnyco Analisis dan pembahasan Langkah selanjutnya setelah simulasi selesai adalah analisis data dan pembahasan.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Validasi Penelitian oleh Shi dkk.
menjadi rujukan dalam validasi penelitian ini.
Parameter yang divalidasi berupa pola aliran (Gambar .
serta nilai pressure drop dan water hold up (Tabel .
Gambar 4.
Perbandingan pola aliran .
hasil CFD dengan .
hasil eksperimen.
Simulasi diatur sesuai dengan kondisi ekseperimen hingga mendapatkan pola aliran yang sesuai.
Pada penelitian ini, digunakan model VoF, dan (SST) yco Oe yui.
Metode solusi yang diaplikasikan adalah skema SIMPLE serta diskritisasi spasial PRESTO, dan skema interpolasi fraksi volum adalah Geo-Reconstruct.
Sudut kontak dengan dinding diatur hingga mendapatkan pola aliran yang sesuai.
Dalam penelitian ini, sudut kontak yang sesuai adalah 130o.
Jumlah nodes dan elements adalah 16118 dan 75465 secara berturut-turut.
SJME KINEMATIKA Vol.
9 No.
2, 31 Desember 2024, pp 244-253 https://kinematika.
id/index.
php/kinematika Perbandingan pola aliran hasil simulasi dan eksperimen terlihat pada Gambar 4.
Dari gambar tersebut terlihat pola aliran yang teramati adalah core annular flow di mana minyak mengalir di tengah pipa dengan air mengelilinginya.
Berdasarkan hasil studi validasi juga didapatkan nilai pressure drop dan water hold up yang dibandingkan dengan hasil eksperimen.
Tabel 1 menunjukkan nilai hasil validasi pressure drop dan water hold up.
Tabel 1.
Nilai hasil studi validasi Pressure Drop .
CFD
Eksperimen
Error
1,77371719
1,31
35,40%
Water Hold up CFD
Eksperimen
0,61872434
Error
23,74%
Pola Aliran Pada studi CFD ini.
JO dan JW diatur dalam rentang 0,11-1,2 m/s dan 0,1-0,8 m/s secara berturut-turut untuk mendapatkan pola aliran yang paling menguntungkan dalam kasus aliran minyak-air.
Pola aliran yang diharapkan adalah CAF.
Tabel 2 menunjukkan pola aliran yang terbentuk dari variasi JO dan JW, sedangkan Gambar 5 menunjukkan grafik hubungan JO dan JW dengan pola aliran yang teramati.
Tabel 2.
Pola aliran yang terbentuk dari variasi JO dan JW Var JO .
0,11 JW .
0,02 Pola Aliran Stratified flow
Stratified flow
Stratified flow
CAF
CAF
Stratified flow
Stratified flow
Stratified flow
CAF
Stratified flow
CAF
Stratified flow
Stratified flow
CAF
Wavy flow
CAF
CAF
Jw .
Stratified flow
CAF
Wavy flow Jo .
Gambar 5.
Pola aliran pada variasi JO dan JW SJME KINEMATIKA Vol.
9 No.
2, 31 Desember 2024, pp 244-253 https://kinematika.
id/index.
php/kinematika Gambar 3 menunjukkan bahwa pola aliran stratified flow terbentuk pada nilai JO dan JW yang cenderung rendah, yaitu di bawah 1 m/s dan 1,5 m/s secara berturut-turut.
Pola aliran ini menunjukkan aliran minyak dan air yang terpisah.
Minyak berada di bagian atas, dan air di bawah.
Hal tersebut terkait dengan densitas minyak yang lebih rendah dari air.
Kemudian pola aliran CAF terbentuk pada variasi JO dan JW yang beragam.
Pola CAF teramati sebagai aliran di mana minyak mengalir di inti dengan air mengalir Sementara itu, pola aliran wavy flow hanya teramati sekali, yaitu pada nilai JO rendah dan JW menengah.
Tabel 3 menunjukkan visual pola aliran jika ditangkap dari wall dan outlet.
Di Tabel 3, minyak direpresentasikan berwarna biru, dan air berwarna Tabel 3.
Visual pola aliran ditangkap dari wall dan outlet
Pola
Aliran Plane
Outlet
Keterangan Stratified Flow
CAF
Wavy Flow Pressure Drop dan Water Hold up Tabel 4 menunjukkan nilai pressure drop dan water hold up hasil CFD.
Sedangkan Gambar 6 dan 7 menunjukkan grafik hubungan J .
ecepatan superfisial campura.
dengan pressure drop serta grafik hubungan pressure drop dengan water hold up secara berturutturut.
Tabel 4.
Nilai pressure drop dan water hold up hasil CFD Var JO .
0,11 JW .
J .
0,02 0,21 0,42 Pressure Drop .
0,0413499 0,1170838 0,2129056 0,8753237 0,3796178 0,4787854 0,5253519 0,5663833 1,7891285 0,2683884
0,4350934
Water Hold
0,45406071
0,12193508
0,49883908
0,68437533
0,56625656
0,50144454
0,51518636
0,52814968
0,68226208
0,29045891
0,47832677
SJME KINEMATIKA Vol.
9 No.
2, 31 Desember 2024, pp 244-253 https://kinematika.
id/index.
php/kinematika Var JO .
JW .
J .
Pressure Drop .
0,7541732 0,3949005 0,4564615 0,3069958 0,5138923 0,6898102 Water Hold
0,48975895
0,3550744
0,46606147
0,19010665
0,46425498
0,42011406
Gambar 6 menunjukkan hubungan antara J dengan pressure drop di mana pressure drop naik secara linier seiring naiknya nilai J.
Nilai pressure drop terendah terjadi pada nilai JO dan JW 0,11 m/s dan 0,1 m/s secara berturut-turut.
Kemudian, nilai pressure drop tertinggi dialami aliran pada JO dan JW 0,6 m/s dan 3 m/s secara berturut-turut.
Sedangkan di Gambar 7 terlihat hubungan antara pressure drop dengan water hold up.
Dari grafik terlihat bahwa hubungan antara pressure drop dengan water hold up tidak spesifik.
Hal tersebut dimungkinkan terjadi karena pengaruh faktor gesekan aliran dua-fasa yang masih di luar batasan studi CFD ini.
Pressure Drop .
J .
Water Holdup Gambar 6.
Grafik hubungan J .
ecepatan superfisial campura.
dengan pressure drop Pressure Drop .
Gambar 7.
Grafik hubungan pressure drop dengan water hold up Gambar 8 menunjukkan grafik perbandingan pressure drop pada pola CAF dan stratified flow.
Dari grafik tersebut terlihat bahwa nilai pressure drop pola aliran CAF lebih rendah dari stratified flow pada nilai J yang sama.
Hal ini sesuai dengan teori bahwa ketika aliran minyak-air mengalir bersamaan di dalam pipa dengan posisi minyak di inti dan air di sekelilingnya .
ola CAF), maka nilai pressure drop lebih rendah dibanding pola aliran SJME KINEMATIKA Vol.
9 No.
2, 31 Desember 2024, pp 244-253 https://kinematika.
id/index.
php/kinematika lain.
Hal tersebut tentu saja menguntungkan, karena dengan nilai J yang sama, nilai rugirugi yang dialami lebih rendah.
Oleh karena itu pola CAF sangat disarankan pada industri perminyakan, khususnya pada proses distribusinya.
Pressure Drop .
Stratified flow
CAF
J .
Gambar 8.
Grafik perbandingan nilai pressure drop pada pola aliran CAF dan stratified KESIMPULAN Beberapa kesimpulan yang bisa ditarik dari studi CFD aliran minyak-air ini adalah sebagai berikut:
Pola aliran yang teramati pada aliran minyak-air studi ini adalah stratified flow, core annular flow (CAF), dan wavy flow.
Nilai pressure drop naik secara linier seiring naiknya nilai J.
Hubungan antara pressure drop dengan water hold up tidak spesifik yang dimungkinkan terjadi karena pengaruh faktor gesekan aliran dua-fasa.
Nilai pressure drop pola aliran CAF lebih rendah dari stratified flow pada nilai J yang UCAPAN TERIMA KASIH (Jika ad.
Penelitian ini merupakan hasil dari skema penelitian internal institusi penulis.
Oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih kepada Lembaga Penelitian dan Pengabdian Masyarakat (LPPM).
Institut Teknologi Dirgantara Adisutjipto Yogyakarta yang telah mendanai keseluruhan penelitian ini.
REFERENSI