85 Sri Suwasti.
Analisis Eksperimental Profil Permukaan Vortex Bebas dengan Variasi
Lubang Bawah Tabung Silinder ANALISIS EKSPERIMENTAL PROFIL
PERMUKAAN VORTEX BEBAS DENGAN VARIASI
LUBANG BAWAH TABUNG SILINDER
Sri Suwasti .
Abstrak: Penelitian ini bertujuan mengetahui profil permukaan dari vortex bebas dengan menjelaskan pengaruh diameter lubang bawah pada tabung silinder yaitu, 1,75 cm dan 2,75 cm.
Metode pengambilan data dilakukan dua cara yaitu, pertama metode eksperimen dengan menvariasikan tinggi pengukuran permukaan vortex 11 cm, 14 cm,17 cm dan data yang akan diperoleh adalah jarak dari pusat tabung dan kedua metode secara visual berupa gambar dengan menggunakan kamera digital.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa vortex bebas membentuk hyperbola asymptotic dengan diameter pusaran bertambah besar jika diameter lubang bawah tabung silinder juga bertambah.
Kata kunci: Vortex, tabung silinder, hyperbola asymptotic.
PENDAHULUAN
Vortex atau gerak pusaran untuk beberapa sistem yang stabil sering dihindari, namun untuk proses-proses tertentu hal ini sangat dibutuhkan seperti pada alat pencampuran .
fluida, penukar kalor .
eat exchange.
, komponen pendingin elektronik dll.
Terjadinya vortex justru akan membawa efek yang menguntungkan karena dapat menghemat pemakaian energi dan mengurangi biaya produksi.
Vortex dapat terbentuk jika terdapat beda tekanan yang disebabkan oleh perbedaan kecepatan antara lapisan fluuida yang berdekatan, sehingga fluida tersebut mengalami torsi dan kemudian berputar.
Aliran vortex adalah aliran melingkar di sekeliling sebuah titik pusat, seperti sebuah pusaran air dimana partikel-partikel fluida adalah partikel Artinya partikel tidak berputar ketika bergerak di dalam lingkaranlingkaran sepusat terhadap sumbu vortex .
elty et al.
, 2.
Terbentuknya vortex ini dapat menguntungkan disesuaikan dengan Dampak menguntungkan dari pembangkitan vortex ini akan maksimal jika jaraknya didalam saluran baik secara longitudinal .
dan transversal .
adalah optimal (Valencia.
Dalam mekanika fluida terdapat dua type vortex, yaitu free vortex dan forced Dari pembagian type vortex tersebut maka peniliti melakukan analisis terhadap vortex bebas dimana pada jenis ini air dibiarkan mengalir ke dalam tabung silinder transparant dengan diameter lubang bawah yang bervariasi.
Adapun tujuan penelitian Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Ujung Pandang SINERGI NO.
TAHUN 8.
APRIL 2010
ini adalah menentukan profil permukaan dari vortex bebas dengan memvariasikan diameter lubang bawah silinder.
Banyak kriteria yang dapat digunakan untuk mengklasifikasikan fluida.
Sebagai contoh aliran dapat digolongkan sebagai aliran steady atau unsteady, satu-, dua-, atau tiga-dimensi, seragam atau tidak seragam, laminar atau turbulen dan dapat mampat atau tidak dapat mampat.
Selain itu, aliran gas ada yang subsonik, transonik, supersonik atau hipersonik, sedangkan zat cair yang mengalr disaluran terbuka ada yang subkritis, kritis atau superkritis.
Fluida adalah zat yang mampu mengalir dan menyesuaikan diri dengan bentuk wadah/tempatnya.
Bila berada dalam kesetimbangan, fluida tidak dapat menahan gaya tangensial atau tegangan geser, semua fluida dengan derajat kompresibilitas akan memberikan tahanan kecil terhadap perubahan bentuk.
Fluida terdiri atas dua jenis yaitu cair dan gas, perbedaan utama dalam penggolongan tersebut adalah:
cairan praktis tidak kompresibel yaitu terdiri atas molekul-molekul yang tetap rapat dengan gaya kohesi yang relative kuat dimana cairan mengisi volume tertentu dan mempunyai permukaan-permukaan bebas.
Fluida kompresibel dimana gas mempunyai jarak antara molekul-molekul besar dan gaya kohesinya terabaikan dimana gas dengan massa tertentu mengembang sampai mengisi seluruh wadahnya.
Pengukuran Kecepatan Kecepatan di sebuah titik atau sejumlah titik pada sebuah potongan sering diperlukan untuk menggambarkan profil kecepatan.
Profil kecepatan biasanya diminati dalam studi-studi dasar mengenai lapisan batas atau wake, atau untuk mendapatkan kecepatan rata-rata diseluruh potongan dari integrasi profil kecepatan untuk menentukan laju aliran.
Kecepatan titik adalah sebuah besaran yang hampir tidak mungkin diukur, karena alat sensor mana pun mempunyai daerah cakupan yang Namun, jika luas aliran yang ditempati oleh alat sensor sangat kecil dibanding luas total aliran.
Kita boleh beranggapan bahwa kecepatan yang diukur di situ pada dasarnya adalah kecepatan titik.
Perlu diperhatikan bahwa keberadaan sebuah alat sensor dalam sebuah aliran tidak boleh mempengaruhi aliran yang tengah diukur, karena itu persyaratan ini juga membatasi ukuran instrument yang dapat digunakan secara memuaskan.
Kecepatan biasanya diukur secara tidak langsung melalui pengukuran selisih antara tekanan stagnasi dan tekanan arus bebas .
Tabung Pitot Kalau sebuah tabung terbuka yang ditekuk ditempatkan menghadap ke arah hulu dalam suatu aliran zat cair terbuka, zat cair akan naik dalam tabung itu setinggi h .
fek kapiler dianggap tidak ad.
seperti gambar 1.
87 Sri Suwasti.
Analisis Eksperimental Profil Permukaan Vortex Bebas dengan Variasi Lubang Bawah Tabung Silinder Gambar 1.
Tabung Pitot dalam .
Aliran Zat Cair Terbuka, .
Sebuah Pipa, dan .
Sebuah Pipa yang Terhubung dengan Sebuah Manometer Persamaan Bernoulli yang ditulis dari sebuah titik di sebelah hulu ujung tabung yang terendam sampai ke ujung tabung itu sendiri adalah:
karena didalam tabung tersebut terjadi suatu kondisi stagnasi.
Karena maka untuk menghitung kecepatan arus.
Bila kecepatan arus di sebuah titik dalam pipa yang hendak diukur .
, persamaan yang sama juga berlaku.
Jika tekanan statik tinggi, akan besar sehingga pembacaan tinggi piezometrik mungkin sulit.
Tabung dalam gambar b harus terhubung dengan sebuah manometer sederhana seperti dalam gambar 1.
untuk menghasilkan sistem yang lebih enak.
Selisih antara tekanan stagnasi dan tekanan statik .
rus beba.
defleksi manometer dan berturut-turut adalah berat jenis manometer dan fluida yang mengalir.
Kecepatan arus dengan demikian menjadi .
Vortex Aliran vortex yang juga dikenal sebagai Vortex didefinisikan sebagai massa fluida .
airan atau ga.
yang partikel-partikelnya bergerak berputar dengan garis streamline yang membentuk lingkaran konsentris (Robenson, 1.
Gerakan berputar partikel fluida ini disebabkan adanya perbedaan kecepatan antar lapisan-lapisan fluida yang bersebelahan dengan jarak tertentu.
Gradien kecepatan ini akan menyebabkan puntiran SINERGI NO.
TAHUN 8.
APRIL 2010
, inilah yang menyebabkan terjadinya vortex pada fluida tersebut.
Secara teoritis vortex dianggap terdapat pada fluida yang tidak kental .
nviscid flo.
, dimana dalam aliran ini fluida tidak memiliki gesekan dan gerakannya kontinyu.
Namun pada kenyataannya tidak ada fluida yang tak kental, oleh karena itu gerakan secara kontinyu diperlukan untuk mempertahankan gerakan vortex.
Sesungguhnya vortex berwujud tiga dimensi, dan dapat berubah menurut harga bilangan Reynoldsnya.
Pada bilangan Reynolds yang rendah vortex berbentuk seperti tapal kuda, semakin tinggi bilangan Reynoldsnya maka vortex akan semakin meruncing (Robenson, 1.
Gambar 2.
Geometri Vortex Menurut Besar Bilangan Reynolds (Sumber: Robenson,1997: .
Untuk dapat melihat vortex dalam tiga dimensi dipakai peralatan khusus, namun karena keterbatasan alat maka vortex yang bisa diamati hanya dalam dua dimensi saja.
Berikut tampilan vortex dua dimensi berdasarkan hasil simulasi.
Gambar 3.
Countur Plot Vortex Dua Dimensi (Sumber: Williamson, 2.
Untuk memperoleh pemahaman tentang dinamika vortex maka diamati secara dua dimensi karena kompleksitasnya lebih sederhana.
Gambar 2 merupakan visualisasi vortex yang terbentuk saat aliran fluida melewati bluff body.
Ketidakstabilan aliran yang menyebabkan terbentuknya vortex diawali oleh separasi aliran pada titik stagnasi.
Fluida yang mengalir di sekitar bluff body akan mengalami percepatan yang mengakibatkan adanya perbedaan tekanan sehingga menimbulkan pembalikan arah aliran fluida di belakang bluff body, hal inilah yang membentuk 89 Sri Suwasti.
Analisis Eksperimental Profil Permukaan Vortex Bebas dengan Variasi Lubang Bawah Tabung Silinder vortex (Kreith, 1.
Saat vortex mengalir, ketidakstabilanya diperkuat dengan adanya regangan aliran fluida sehingga diameter vortex membesar.
Disini juga dapat dilihat bahwa pola garis arus pada vortex juga menyerupai lingkaran.
Aliran yang melewati benda tumpul seperti silinder akan mengalami hambatan.
Apabila hambatan aliran fluida tegak lurus dengan sumbu silinder maka pusaran vortices atau eddies .
aerah fluida yang bersirkulas.
akan terbentuk, dan meninggalkan .
objek tersebut secara teratur dan bergantian dari kedua sisi yang berilawanan seperti ditunjukkan oleh gambar dibawah ini.
Gambar 4.
Vortex Shedding dari Suatu Silinder (Sumber: Potter, 1997: .
Dari gambar terlihat bahwa proses pembentukan vortex pada bagian atas, bawah dan kekanan dari vortex pertama ke vortex yang lain.
Dimana proses pembentukan dan pelepasan vortex berlangsung dalam waktu yang cukup cepat, dengan demikian proses aliran dibelakang silinder meliputi pembentukan dan pelepasan dari vortex berlangsung secara bergantian dari satu sisi dan sisi yang lain.
Hal ini terjadi jika aliran disekitar silinder titik separasinya berosilasi dibelakang dan dibagian depan secara bergantian.
Aliran Vortex Aliran vortex dapat berupa aliran vortex paksa atau aliran vortex bebas, tergantung pada ada tidaknya gaya yang bekerja membentuk aliran vortex.
Pada kasus vortex bebas, streamlinesnya adalah pusat lingkaran, tapi variasi kecepatan dengan radius dinyatakan masing-masing tidak mengalami perubahan terhadap total energi per unit berat dengan radiusnya, sehingga:
Diintegralkan.
Maka .
SINERGI NO.
TAHUN 8.
APRIL 2010
Dimana C adalah konstan yang diketahui sebagai strength dari vortex pada setiap jari-jari r, .
dari persamaan .
Jika cairan berada pada permukaan bebas, dan profile dari permukaan bebas diberikan oleh persamaan.
Subtitusi untuk Pada setiap titik berlaku, .
II.
METODE PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Teknik Mesin Program Studi Teknik Energi Politeknik Negeri Ujung Pandang.
Adapun alat-alat yang digunakan adalah sebagai berikut:
Forced Vortex Apparatus Tabung silinder Jarum ukur diameter vortex Skala Katup control Hydraulic Bench tangki pengukuran volume tangki penampung air katup control skalr on/off sambungan cabang dua katup penampungan Pada penelitian ini pertama-tama menentukan alat ukur setelah itu melakukan pengukuran pada vortex dengan variasi tinggi permukaan air dari datum yaitu 11 cm, 14 cm, dan 17 cm untuk diameter lubang silinder dipakai 1,7 cm dan 2,75 cm dan pada masing-masing tinggi permukaan air akan diukur jari-jari permukaan vortex dan tinggi permukaan vortex dari datum.
91 Sri Suwasti.
Analisis Eksperimental Profil Permukaan Vortex Bebas dengan Variasi Lubang Bawah Tabung Silinder i.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Profil Permukaan Vortex Bebas Untuk vortex bebas dilakukan pengukuran pada diameter lubang bawah 1,75cm dan 2,75cm dimana tinggi air dari datum ho adalah 17cm, 14cm dan 11cm.
Peneliti mengukur jari-jari tertentu pada permukaan vortex untuk mendapatkan tinggi permukaan vortex dari datum dan menghitung putaran vortex dengan menggunakan seutas benang yang diberi beban.
Data hasil pengamatan dapat dilihat pada tabel di bawah ini.
Tabel 1.
Vortex bebas dengan diameter lubang bawah 1,75 cm pada ketinggian air 17 cm Jari-jari permukaan vortex r .
Tinggi permukaan vortex Eksperimen he .
Tinggi permukaan vortex Teori ht .
0,56 1,14 16,38 16,74 16,76 16,76 Tabel 2.
Vortex bebas dengan diameter lubang bawah 1,75 cm pada ketinggian air 14 cm Jari-jari permukaan vortex r .
Tinggi permukaan vortex Eksperimen he .
Tinggi permukaan vortex Teori ht .
0,02 5,86 9,22 11,85 13,89 13,96 13,97 Tabel 3.
Vortex bebas dengan diameter lubang bawah 1,75 cm pada ketinggian air 11 cm Jari-jari permukaan vortex r .
Tinggi permukaan vortex Eksperimen he .
Tinggi permukaan vortex Teori ht .
SINERGI NO.
TAHUN 8.
APRIL 2010
8,76
10,17
10,88
10,93
10,93
Tabel 4.
Vortex Bebas dengan diameter lubang bawah 2,75 cm pada ketinggian air 17 cm Jari-jari permukaan vortex r .
Tinggi permukaan vortex Eksperimen he .
1,54 12,06 16,17 16,39 16,39 16,39 Tinggi permukaan vortex Teori ht .
Tabel 5.
Vortex Bebas dengan diameter lubang bawah 2,75 cm pada ketinggian air 14 cm Jari-jari permukaan vortex r .
Tinggi permukaan vortex Eksperimen he .
Tinggi permukaan vortex Teori ht .
9,07 Tabel 6.
Vortex Bebas dengan diameter lubang bawah 2,75 cm pada ketinggian air 11 cm Jari-jari permukaan vortex r .
Tinggi permukaan vortex Eksperimen he .
Tinggi permukaan vortex Teori ht .
0,01 93 Sri Suwasti.
Analisis Eksperimental Profil Permukaan Vortex Bebas dengan Variasi Lubang Bawah Tabung Silinder 10,15 10,38 10,38 10,38 Dimana:
H = ho = tinggi air dari datum .
= tinggi permukaan vortex dari datum .
Sedangkan untuk Tinggi permukaan vortex secara teori dapat dihitung dengan menggunakan persamaan .
Sehingga, .
Dengan mengambil contoh data nomor 2 pada tabel 1 untuk membandingkan hasil eksprimen dan teori.
Diketahui:
rvor = 1cm, n = 1466rpm, ho = 17 cm Diketahui persamaan kecepatan tangensial:
Maka.
Subtitusi ke persamaan .
SINERGI NO.
TAHUN 8.
APRIL 2010
Untuk hasil perhitungan selengkapnya, dapat dilihat pada tabel yang sama dan perbandingan profil permukaan eksperimen dan teori dapat dilihat pada pembahasan.
Analisa Gambar dan Grafik pada Vortex Bebas dengan lubang bawah silinder 1,75cm.
Hasil Pengamatan ho = 17 Hasil Pengamatan ho = 14 cm Hasil Pengamatan h0 = 11 cm Gambar 5.
Karakteristik Vortex Bebas antara Tinggi Pusaran Air .
dengan Jari- Jari Pusaran Air .
pada Tinggi Air 17 cm, 14 cm dan 11 cm Jika dilihat ke tiga grafik hasil pengamatan pada gambar 5 menunjukkan bahwa semakin kecil jari-jari permukaan vortex maka pusaran air semakin tinggi.
Ini dapat dilihat pada tinggi air Adapun sama untuk setiap tinggi air yang berbeda ditetapkan oleh peneliti sebagai variabel konstan dengan tujuan supaya profil permukaan dapat terlihat dengan jelas.
Dari ketiga grafik menunjukkan kesamaan tinggi permukaan pusaran air relatif konstan.
95 Sri Suwasti.
Analisis Eksperimental Profil Permukaan Vortex Bebas dengan Variasi Lubang Bawah Tabung Silinder Analisa Gambar dan Grafik pada Vortex Bebas dengan lubang bawah silinder 2,75cm.
Hasil pengamatan ho = 17cm Hasil pengamatan ho = 14cm Hasil Pengamatan ho = 11cm Gambar 6.
Karakteristik Vortex Bebas antara Tinggi Pusaran Air .
dengan Jari-Jari Pusaran Air .
pada Tinggi Air 17 cm, 14 cm dan 11 cm Pada diameter lubang bawah 2,75cm ini, grafik hasil pengamatan antara tinggi pusaran air fungsi jari-jari pusaran relatif sama dengan diameter lubang bawah 1,75 Pada sisi tabung grafik untuk tiap tinggi air tidak rata, karena pada kondisi ini pengaruh daya isap pusaran masih ada sehingga air ingin terus bergerak naik.
Pada gambar 6 menunjukkan bahwa semakin kecil jari-jari pusaran maka semakin tinggi permukaan pusaran air bisa terjadi, hingga pada jari-jari tertentu tinggi permukaan pusaran akan relatif konstan.
IV.
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan bahwa:
Vortex yang terbentuk adalah hyperbola asymptotic, ini dapat dilihat dari bentuk gambar grafik yang dihasilkan.
Semakin kecil jari-jari pusaran maka semakin tinggi permukaan pusaran air bisa terjadi, hingga pada jari-jari tertentu tinggi permukaan pusaran akan relatif SINERGI NO.
TAHUN 8.
APRIL 2010
Saran