(TESIS)
STUDI EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK ALIRAN DUA FASE (A IR –UDARA) MELEWATI ELBOW 60 °°°° DARI PIPA VERTIKAL MENUJU PIPA
DENGAN SUDUT KEMIRINGAN 30 °°°°(Studi Kasus Elbow dengan R/D = 0,7)
AGUS DWI KORAWAN2108202001
DOSEN PEMBIMBINGProf. Dr. Ir. TRIYOGI YUWONO, DEA
PROGRAM MAGISTERBIDANG KEAHLIAN REKAYASA KONVERSI ENERGIJURUSAN TEKNIK MESINFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRIINSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBERSURABAYA2010
LATAR BELAKANG
(1) Aplikasi aliran dua fase
cair dan gas gas dan padatcair dan padat
Mesin hisap pasir Air lift pump Sand blasting
LATAR BELAKANG
Bubbly flow
Stratified flow
Slug flow
Annular flow
∆∆∆∆P (D, L, k, Re)
∆∆∆∆P ( USL, USG, αααα, D,
L, k, µµµµL, µµµµG, ρρρρ L, ρρρρ G,
Flow Pattern )
Single Phase
(2) Pressure drop aliran dua fase
Lebih komplek
Centrifugal accelerationCavitationFlow separationSecondary flow
Separated flowSecondary flow
RD
(3) Pengaruh elbow terhadap aliran dua fase
PENELITIAN SEBELUMNYA
Yudi Sukmono (2009) Studi Eksperiment al dan Numerik Tentang Karakterist ik Aliran Dua Fase (Air – Udara) Melewati Elbow 90 °°°° dari Arah Vertikal Menuju Horizontal
Lurus ?
Range 0-25 lt/minSkala 1 lt/min ?
Bergelombang ? Suply udara ?
PENELITIAN SEBELUMNYA
Priyo Heru Adiw ibowo (2009) Studi Eksperiment al dan Numerik Gas – Cairan Aliran Dua
Fase Melewati Elbow 45 ⁰⁰⁰⁰ dari Arah Vertikal ke Posisi Miring 45⁰⁰⁰⁰
Menurun ? Pola aliran ?
Elbow?
PENELITIAN SEKARANG
Yudi S
Priyo H
Sekarang + Rotameter
+Tangki udara
Pola aliranStratified
Pola aliran Slug/Plug
Pola aliran
?
∆ P34 Turun
Ada pengaruh ?
∆ P34 Naik
∆ P34 ?
Experiment Setup
Keterangan :1. Tangki air2. Pompa3. Katup bypass4. Accumulator5. Doppler flow meter6. Annular air injector7. Pressure gauge8. Termometer digital9. Rotameter10. Moist separator11. Tangki udara12. Kompresor13. Kamera digital14. Photo editing15. Gas-liquid separator
Penambahan alat
Batasan Masalah
• Fluida : air dan udara.
• Elbow : R/D = 0,7 dan D = 36 mm.
• Superficial liquid velocity : 0,3 ~ 1,1 m/s.
• Volumetric ratio :0,03~0,25
• Tidak ada heat dan mass transfer antar fase.
• Bubble akan dipertimbangkan sebagai uniform sphere
shape dalam numerical simulation dengan CFD.
• Aliran akan diasumsikan sebagai fully developed flow.
Range lebih lebar
0,05-0,2
Pemodelan CFD
Category Selected Model
Geometry Diameter 36 mm ID and totallength 3.3 m (3D),
Grid number 361301
Solver Steady state
Multiphase Model Mixture Model, Euliran Model
Turbulent Model k-ε Standard and Realizable Model
Inlet Superficial velocity for each phase
Outlet Outflow
Residual 10-5
Kontur dan vektor kecepatanHasil Pemodelan CFD aliran satufase
u= 0,3 m/s
u= 0,7 m/s
u= 1,1 m/s
pengaruh elbow terlihat pada distribusi kecepatan yang terjadi, dimana kecepatan maksimal sebelum elbow terjadi di tengah pipa, setelah melewati elbow kecepatan terbesar terjadi pada bagian atas pipa miring
Kontur tekanan Hasil PemodelanCFD aliran satu fase
u= 0,3 m/s
u= 0,7 m/s
u= 1,1 m/s
Terjadi perbedaan tekanan pada inner elbow dan outer elbow, dimana dari semua variasi kecepatan liquid terlihat tekanan pada inner elbow lebih kecil dari outer elbow,
Flow pattern hasil pemodelanCFD aliran dua fase
β = 0,2 USL= 0,3 m/s
β = 0,2 USL= 0,7 m/s
β = 0,2 USL= 1,1 m/s
pada pipa vertikal terjadi campuran dari fase liquid dan gas secara seragam
pada elbow mulai terjadi pemisahan, semakin besar USL, fase gassemakin terdorong menempati bagian inner elbow
Sesudah elbow fase gas mulai naik ke atas permukaan pipa miring dan lapisan gas mulai terbentuk pada jarak yg berbeda-beda sesuai besar USL.
POLA ALIRAN PADA PIPA VERTIKAL dengan ketinggian 0,35 m diatas bubble injector untuk USL=0,5 m/s.
Clustered bubbly flowBubbles yang terbentukberkelompok dalammedia liquid tanpadistribusi yang seragamsepanjang radial cross-section pada pipa.
Homogeneous bubbly flow Bubbles terdistribusikanseragam (homogeneously)sepanjang radial cross-sectionpada pipa untuk semuaketinggian
Dense bubbly flowSeluruh daerahlintasan pipadipenuhi olehgelembung udara
Selengkapnya ada pada lampiran E
POLA ALIRAN PADA PIPA VERTIKAL
β β β β konstan Usl bertambah
Usl=0,3 m/s Usl=0,7 m/sUsl=0,5 m/s Usl=0,9 m/s Usl=1,1 m/s
Bertambahnya Usl tidak mempengaruhi pola aliran
Homogeneous bubbly flow
POLA ALIRAN PADA ELBOW
Pada elbow masih terlihat distribusi bubbles seragam, menempati seluruh luasan, tidak ada kecenderungan
bubbles mengalir pada sisi outer elbow
USL = 0,5 m/s
Mulai ditemukan perubahan flow pattern menuju slug bubbly flow, dimana bubbles berkelompok menjadi kelompok kecil dibagian atas lapisan pipa miring
Sesudah elbow mulai terjadi kecenderung an bubbles bergerak ke bagian atas pipa miring dan akhirnya pada jarak tertentu terlihat berkelompok dan stabil sampai keluar dari pipa
Usl konstan
β β β β bertambah
POLA ALIRAN PADA ELBOW
β β β β konstan (0,15) Usl bertambah
Pada Usl=0,3 m/s bubbles cenderung menempati outer elbow
Pada Usl=0,7 m/s bubbles cenderung menempati semua permukaan elbow
Pada Usl=1,1 m/s bubbles cenderung menempati inner elbow
Tekanan pada outer elbow semakin besar
U=0,3 m/s U=0,7 m/s U=1,1 m/s
Kontur tekanan
POLA ALIRAN PADA PIPA MIRING
Pada kecepatansuperficial cairan USL =0,5 m/s, secara umumflow pattern yangdiamati pada pipa miringadalah plug bubbly flowatau slug bubbly flow,
β bertambah
plug bubbly flowatau slug bubblyflow ditemukandisetiap variasi β
Pada β=0,11 flow patternyang diamati pada pipamiring adalah plugbubbly flow atau slugbubbly flow,
Usl bertam
bah
Usl=0,3 m/s
Usl=0,5 m/s
Usl=0,7 m/s
Usl=0,9 m/s
Usl=1,1 m/s
POLA ALIRAN PADA PIPA MIRING
plug bubbly flowatau slug bubblyflow makin sulitditemukan denganbertambahnya Usl
Semakin besar Usl semakin sulit berkoalisi
Pemetaan Flow Pattern pada Pipa Miring
Flow patern transisi dengan θ=30º oleh Somcai Wongwises (2005)
Ada kesesuaian pola aliran hasil eksperimen dengan peta transisi pola aliran dua fase yang ditemukan Somchai Wongwises (2005
60
62
64
66
68
70
72
74
76
78
80
0 0.05 0 .1 0 .15 0 .2 0 .25 0. 3 0 .35 0 .4 0 .45 0. 5 0 .55 0.6 0. 65 0.7 0. 75 0 .8
Zone 1 Zone 2 Zone 3
β = 0 ,2
Z(m)
USL = 0,3 m/s
h (
cm
)
Hasil pengukuran tinggi manometer untuk USL = 0,3 m/s dan β=0,03-0,25
grafik ketinggian air manometer
( )( )413
413 100/
ZZ
hh
Z
h
−−
=∆∆
=α
149,0)15,06,0(100/)1,708,76( =
−−=α
gradient tekanan hanyadiperhitung kan dari bagian yangmenunj ukkan evolusi l urus yaitu(zone 2).
Tap v1 v2 v3 v4 v5 v6 v7 v8 v9 v10 v11 v12 v13 v14 v15 v16
Z(m) 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75
β h1 h2 h3 h4 h5 h6 h7 h8 h9 h10 h11 h12 h13 h14 h15 h16 α
0,03 76,1 76,2 76,2 76,2 76,3 76,3 76,3 76,3 76,3 76,3 76,3 76,2 76,3 76,3 76,3 76,9 0,003
0,05 75,1 75,2 75,3 75,4 75,5 75,7 75,8 75,9 75,9 75,9 76 76 76,1 76,3 76,3 76,4 0,017
0,07 74,4 74,6 74,7 74,9 75 75,2 75,4 75,6 75,6 75,7 75,9 76 76,2 76,4 76,4 76,4 0,027
0,09 73,4 73,8 73,9 74,1 74,3 74,6 74,9 75,1 75,4 75,7 75,7 75,9 76 76,4 76,5 76,5 0,051
0,11 72,5 72,8 73,2 73,5 73,8 74,1 74,4 74,8 75,1 75,4 75,7 75,9 76,2 76,4 76,5 76,7 0,056
0,13 71,8 72,2 72,6 73 73,4 73,8 74,1 74,5 74,9 75,2 75,6 75,9 76,2 76,5 76,5 76,6 0,072
0,15 70 70,6 71,1 71,7 72,2 72,7 73,3 73,8 74,1 74,7 75,2 75,7 76,2 76,9 77,4 77,5 0,109
0,2 67,8 68,6 69,2 70,1 70,9 71,6 72,4 73,1 73,9 74,6 75,4 76,1 76,8 77,4 77,5 77,6 0,149
0,25 66,4 67,5 68,1 69,2 70 70,9 71,7 72,6 73,4 74,2 75 75,9 76,7 77,6 77,6 77,6 0,168
Hasil perhitungan nilai global void fraction (α) untuk USL = 0,3 m/s
Ada perbedaan
Perbandingan antara data void fraction hasil eksperimen dengan void fraction dari homogeneous flow model untuk USL = 0,3 m/s.
Terjadi slip
GLOBAL VOID FRACTION
Deviasi pengukuran void fraction dari homogeneous model
kecepatan slip lebih berpotensi terjadi bila βkecil dan ada pada aliran vertikal.
Diagram Zuber dan Findly dari data eksperimen
y = 1,375x + 0,2
>1 menunjukkan sebuah bubbles terdistribusi pada centre region atau fase gas
mungkin tertinggi pada jarak tertentu dari dinding dalam kondisi bubbly flow.
20 cm/s menunjukkan bahwa terdapat sli p tinggi antar afase liquid dan fase gas.
PRESSURE DROP ALIRAN SATU FASE
PIPA VERTIKALdx
)/1(dGsing
A
P
x
p 2
W
ρ+θρ+τ=∂∂−
2
uf
2
W
ρ=τ
)fRe
51.2
7.3
D/klog(2
f
1 +−=
frictionalgravitational
acceleration
Colebrook Correlation
Pressure drop naik disebabkan karena kecepatan air bertambah
PIPA MIRING
Dianggap tidak ada elbow
ELBOW
PRESSURE DROP ALIRAN SATU FASE
2
V
D2
RfkP
2avg
s ρ×
π+=∆
)fRe
51.2
7.3
D/klog(2
f
1 +−=
ks= 0,99
Pressure drop naik karena pengaruh kecepatan
PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE PIPA VERTIKAL
Semakin besar bilangan Reynolds superficial gas (Resg) menyebabkan pressure drop semakin rendah karena densitas campuran (mixture) makin berkurang
Semakin besar bilangan Reynolds superficial cairan (Resl) menyebabkan pressure drop semakin besar
Homogeneous
Pressure drop berdasar pola aliran
Clustered Dense
∆P = ?
PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE
ELBOW
Lockhart-Martinelli = perhitungan pressure drop tanpa mempertimbangkan pola aliran
Pola aliran ?
Perhitungan Pressure drop eksperimen
( ) ghhZpverical ××−+∆=∆ ρ][ 2112
( ) ghhZpelbow ××−+∆=∆ ρ][ 3232
ghhZpmiring ××−+∆=∆ ρ)]([ 4334
PRESSURE DROP ALIRAN SATU FASE
PIPA VERTIKAL
ELBOW
PIPA MIRING
Elevasi mempengaruhi besar kecilnya pressure drop
Pressure drop naik karena kecepatan air semakin besar
∆Pvertikal > ∆Pmiring > ∆Pelbow
PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE
16,00
16,50
17,00
17,50
18,00
18,50
19,00
19,50
20,00
20,50
21,00
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
β
∆P
vert
ikal
(kP
a)
13497
2249432492
4049049487
Resl =
PIPA VERTIKAL
∆P turun
Bertambahnya βMenyebabkandensitas turun
Resl konstanβ naik
Resl naikβ konstan
Bertambahnya Resl Karena
kecepatan naik∆P naik
ELBOW
PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE
PenurunanPressure drop tidak sebesar pada pipa vertikal
[ ] [ ] [ ] phaseTwosphaseTwofphaseTwonrestirctioEB PPPP ∆+∆+∆=∆
Secondary flow
PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE
3,60
3,80
4,00
4,20
4,40
4,60
4,80
5,00
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
β
134 97
224 94
324 92
404 90
494 87
Res l =
∆P m
irin
g (k
Pa)
PIPA MIRING
PenurunanPressure drop tidak sebesar pada pipa vertikal
Pengaruh gas core sesudah elbow
KOMPARASI
GLOBAL VOID FRACTION EKSPERIMEN HOMOGENEOUS MODEL
PRESSURE DROP EKSPERIMEN PRESSURE DROP ANALITIK
VISUALISASI EKSPERIMEN PEMODELA N CFD
ELBOW ELBOW
KOMPARASI PRESSURE DROP ALIRAN DUA FASE
16,00
16,50
17,00
17,50
18,00
18,50
19,00
19,50
20,00
20,50
21,00
0 50 100 150 200 250 300 350 400
∆P
vert
ikal
(kP
a) Resl = 22494
Data Ek sperimen
Data Teori tis
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
0 50 100 150 200 250 300 350 400
∆P e
lbow
(kPa
)
Data Eksperimen
Data Teorit is
Resl = 22494
3,6 0
3,8 0
4,0 0
4,2 0
4,4 0
4,6 0
4,8 0
5,0 0
0 50 10 0 15 0 2 00 2 50 3 00 35 0 40 0
∆P
mir
ing (k
Pa)
Data Eksper imen
Data Teor itis
Re sl = 22494
Aktual >< ideal
Lockhart–Martinelli = kurang akurat
Gas core sesudah elbow
KOMPARASI POLA ALIRAN CFDEksperimen
Usl = 0,7
Usl = 0,3
Usl = 1,1
Ada kesesuaian antara CFD dengan Eksperimen
KOMPARASI POLA ALIRAN PADA ELBOW DENGAN PENELITIAN SEBELUMNYA
90o 60o 45o
Usl=0,3 ββββ=0,2
Usl=1,1 ββββ=0,2
Bubbles menempati outer elbow
Bubbles menempati inner elbow
KOMPARASI POLA ALIRAN PADA PIPA MIRING DENGAN PENEL ITIAN SEBELUMNYA
Usl=0,3 ββββ=0,2
0o
30o
45o
Plug/slug flow
Stratified flow
Bubbly/plug flow
Makin besar gangguan menyebabkan makin mudah terjadi koalisi sehingga bubbles berubah menjadi plug/slug/stratified