## ANALISIS COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC (CFD) RUANG

## BAKAR MESIN TURBOJET TJE500FH V.1 (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC ANALYSIS OF TURBOJET TJE500FH V.1’S COMBUSTION CHAMBER)
Firman Hartono *) dan Arizal **)
*) Institut Teknologi Bandung
**) Universitas Nurtanio Bandung e-mail: firman7738@gmail.com

## ABSTRACT
This paper explains the results of Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis of  TJE500FH  combustion  chamber.  The  purpose  of  this  work  is  to  investigate  the characteristics  of  airflow  in  the  combustion  chamber  especially  to  find  out  why  flame exists  outside  the  exhaust  nozzle.  The  simulation  uses  full  3D  model  in  cold  flow condition,  steady  and  constant  density  flow.  The  standard  k  –  model  is  used  to calculate  the  effect  of  turbulence.  From  the  simulation,  it  is  found  that  the  mass  of airflow  entering  primary  and  secondary  zones  is  smaller  than  its  design  value.  Hence the rich fuel – air mixture is probably formed in primary and secondary zones. Further, most  of  air  enters  the  liner  through  dilution  holes  so  that  instead  of  cools  the combustion  products,  the  combustion  reaction  takes  place  in  this  zone.  Lack  of  air entering primary and secondary zones are probably due to the sharp edges of the inner and outer wall of the liner.
Keywords: Small turbojet, Gas turbine, CFD, Combustion chamber

## ABSTRAK
Pada  makalah  ini  dijelaskan  hasil-hasil Computational  Fluid  Dynamics (CFD) dari  ruang  bakar  versi  1  mesin  TJE500FH.  Tujuan  dari  simulasi  ini  adalah  untuk menyelidiki karakteristik aliran udara di dalam ruang bakar terutama terkait fenomena adanya  pembakaran  di  luar  nosel.  Simulasi  ruang  bakar  dalam  makalah  ini menggunakan  model  3D  pada  kondisi  dingin,  tunak  dan  dengan  kerapatan  udara dianggap konstan.  Model  turbulensi  k  –  standar digunakan untuk  menghitung efek turbulensi terhadap medan aliran yang dihasilkan. Dari simulasi ini, diketahui bahwa massa  udara  yang  masuk  zona  primer  dan  zona  sekunder liner lebih  kecil  dari rancangannya  sehingga  kemungkinan  tercipta  campuran  bahan  bakar  –  udara  yang terlalu kaya di daerah tersebut. Selanjutnya, sebagian besar udara masuk liner ruang bakar  pada  zona  dilusi  sehingga  alih-alih  terjadi  pendinginan  malah  terjadi  reaksi pembakaran.  Kurangnya  udara  pada  zona  primer  dan  zona  sekunder  tampaknya disebabkan oleh bentuk sisi-sisi luar liner yang tajam.
Kata kunci: Mesin turbojet kecil, Turbin gas, CFD, Ruang bakar

## 1  PENDAHULUAN
TJE500FH  v.1  merupakan  mesin turbojet  kecil  yang  dirancang  untuk menghasilkan gaya dorong statik maksimum  500  N  pada  kondisi  muka laut  standar  ISA.  Seperti  umumnya
mesin  turbojet,  TJE500FH  terdiri  dari tiga  komponen  utama  yaitu:  kompresor, ruang  bakar  dan  turbin.  Fungsi  dari masing-masing  komponen  ini  adalah: kompresor  untuk  melakukan  proses kompresi  sehingga  tekanan  fluida  kerja
naik,  ruang  bakar  untuk  melakukan proses  pembakaran  sehingga  terjadi perubahan  energi  dari  energi  kimia bahan  bakar  menjadi  energi  dalam bentuk  panas  dan  energi  kinetik,  dan turbin yang berfungsi mengambil sebagian  energi  yang  dihasilkan  dari proses  pembakaran  untuk  memutar kompresor.  Selanjutnya  sisa  energi  gas hasil  pembakaran  disemburkan  dengan kecepatan  tinggi  untuk  menghasilkan gaya  dorong.  Proses  perancangan  mesin ini dapat dilihat pada Hartono [Hartono, F.,  2010]  dengan  titik  desain  sebagai berikut:
- Laju massa udara = 0.88 kg/s
- Rasio tekanan kompresor  = 4.06
- Temperatur masuk turbin  = 1150 K
Selanjutnya
mesin turbojet TJE500FH  v.1  yang  telah  dibangun ditunjukkan pada Gambar 1-1 [Hartono, F., 2011].
Gambar 1-1: Mesin turbojet TJE500FH v.1
Sebagai salah satu komponen inti mesin  turbojet,  ruang  bakar  harus memiliki  kinerja  yang  sesuai  dengan rancangan.  Hal  ini  penting  karena ketidaksesuaian  kinerja  salah  satu komponen  mesin  dapat  menyebabkan mesin  gagal  beroperasi  atau  minimal menjadi tidak efisien.
Terdapat  setidaknya  dua  metode untuk  menyelidiki  kinerja  komponen ruang  bakar,  yaitu:  metode  eksperimen dan metode komputasi. Metode eksperimen  membutuhkan  sebuah test bed yang  dapat  memberikan  massa udara,  tekanan  dan  temperatur  yang
sesuai dengan kondisi riil, sebuah model dengan skala yang  tepat  (lebih  baik  jika skala  1:1)  dan  alat-alat  ukur  yang memenuhi standar. Hal ini menyebabkan metode eksperimen  membutuhkan  waktu yang  cukup  lama  dan  biaya  yang  relatif mahal. Berbeda dengan metode eksperimen,  metode  komputasi  hanya memerlukan  komputer  yang  memenuhi kriteria  dan  pemodelan  yang  tepat sehingga  membutuhkan  waktu  yang lebih  singkat  dan  biaya  yang  lebih murah. Metode komputasi dapat dilakukan lebih dulu sebelum eksperimen.
Dalam  makalah  ini  dilaporkan hasil-hasil  analisis  numerik  komponen ruang bakar TJE500FH v.1. Tujuan dari dilakukannya  analisis  ini  adalah  untuk menyelidiki sifat-sifat aliran yang dihasilkan  oleh  ruang  bakar  yang  telah dirancang.  Hal  ini  terutama  untuk menjelaskan  fenomena  adanya  semburan api  diluar  nosel  dalam  uji  coba TJE500FH  v.1  seperti  terlihat  pada Gambar 1-2.

## Gambar 1-2: Uji coba mesin turbojet TJE500FH v.1
Sebelum  dilakukan  analisis  3 dimensi, telah terlebih dahulu dilakukan analisis  2  dimensi  aksisimetrik.  Hasil analisis  2  dimensi  aksisimetrik  ruang bakar ini dapat dilihat pada [Rahardianto S dan Hartono, F., 2011].

## 2  RUANG BAKAR TJE500FH V.1 2.1  Pengantar
Ruang  bakar  TJE500FH  v.1 termasuk  ke  dalam  tipe  ruang  bakar annular straight  through  flow .  Proses
perancangan ruang bakar secara umum mengacu  pada  [Lefebvre,  A.H.,  1983], namun  pertimbangan  dalam  pemilihan tipe  ruang  bakar  ini  dapat  dilihat  pada [Hartono, F., 2010].
Ruang  bakar  terdiri  dari casing dan liner . Casing adalah  bagian selongsong  luar  ruang  bakar  yang berfungsi mengatur aliran udara sebelum memasuki liner dan melindungi komponen  mesin  dan  lingkungan  luar dari  radiasi  panas  ruang  bakar.  Di bagian dalam casing terdapat liner . Liner merupakan  bagian  dari  ruang  bakar yang fungsinya sebagai tempat berlangsungnya reaksi pembakaran.
Ruang bakar ini dirancang untuk memiliki  tiga  zona  yaitu  zona  primer, zona  sekunder  dan  zona  dilusi.  Zona primer  adalah  daerah  tempat  proses pembakaran  utama  berlangsung.  Zona sekunder adalah tempat proses pembakaran  lanjutan  (jika  masih  ada bahan  bakar  yang  belum  terbakar) berlangsung.  Zona  dilusi  adalah  tempat terjadinya  pendinginan  gas-gas  hasil pembakaran  agar  memiliki  temperatur yang  sesuai  dengan  temperatur  masuk turbin  hasil  perancangan  termodinamika. Dalam proses perancangan aerodinamika, ditentukan  agar  31%  udara  masuk  ke dalam  zona  primer,  29%  udara  masuk ke dalam zona sekunder dan 40% udara masuk ke dalam zona dilusi.
Untuk mengatur banyaknya udara yang  masuk,  pada  dinding liner setiap zona  terdapat  lubang-lubang.  Ukuran dan jumlah lubang bervariasi tergantung pada  jumlah  udara  yang  harus  masuk dan  tingkat  penetrasi  udara.  Perhitungan untuk  penentuan  ukuran  dan  jumlah lubang  mengacu  pada  [Lefebvre,  A.H., 1983].

## 2.2  Hasil Perancangan
Ruang bakar anular hasil perancangan  aerodinamika  disajikan pada Tabel 2-1. Perhitungan jumlah dan diameter  lubang  pada  setiap  zona  di dalam  ruang  bakar  dapat  dilakukan
melalui proses perancangan aerodinamika, namun  demikian  perancangan  aero- dinamika pada [Lefebvre, A.H., 1983] tidak dapat  digunakan  untuk  menentukan jarak antar lubang atau pola lubang.

## Table 2-1: HASIL PERANCANGAN RUANG BAKAR
Kriteria Nilai Satuan Diameter liner dalam (depan) 115 mm Diameter liner luar 160 mm Casing dalam ( front ) 164 mm Casing luar 111 mm Panjang liner 134 mm Jumlah lubang primer 53 Diameter lubang primer 3,4 mm Jumlah lubang sekunder 109 Diameter lubang sekunder 1,7 mm Jumlah lubang dilusi 50 Diameter lubang dilusi 3,6 mm 2.3  Manufaktur Ruang Bakar Dimensi liner ruang bakar ditunjukkan  pada  Gambar  2-1.  Seperti telah  dijelaskan  sebelumnya,  tidak  ada metode  yang  secara  khusus  dapat digunakan  untuk  menentukan  posisi dan  pola  lubang-lubang  pada liner sehingga  sangat  mungkin  posisi  dan pola  lubang-lubang  pada liner akan berubah  atau  mengalami  modifikasi. Dengan  demikian, liner ini  merupakan liner ruang bakar versi pertama.
Liner dibuat  dari  material  baja pelat yang di roll . Bahan bakar masuk ke dalam liner melalui  dua  pipa  bahan bakar.  Bahan  bakar  yang  digunakan adalah  gas  LPG  dan  kerosene.  LPG digunakan untuk proses penyalaan awal dan akselerasi awal sedangkan kerosene digunakan  untuk  operasi  mesin  selanjut- nya. Hasil manufaktur liner ditunjukkan pada Gambar 2-2.
Gambar 2-2: Manufaktur liner ruang  bakar TJE500FH v.1

## 3  MODEL NUMERIK

## 3.1 Persamaan Atur
Pemodelan numerik aliran [Fluent Manual,  Fluent  Inc.]  dilakukan  dengan menggunakan  persamaan  konservasi massa  (kontinuitas)  dan  persamaan konservasi  momentum  dalam  bentuk integral dan kondisi stasioner.
Persamaan Kontinuitas
0 u d A     (3-1)
Persamaan Momentum
V
uu d A pd A d A FdV
       
    (3-2)
Keterangan:
 = densitas fluida u = vektor kecepatan A = vektor normal bidang batas P = tekanan
 ij = matriks tegangan geser fluida
2 3 j i l ij ij j i l u u u x x x                              (3-3)
F = faktor body forces dalam fluida
Kedua persamaan tersebut dapat dinyatakan  dalam  bentuk  persamaan transport.
V u d A d A S dV    
         (3-4)
Untuk  persamaan  kontinuitas, faktor skalar  berharga 1 dan    berharga
0. Sedangkan untuk persamaan konservasi  momentum,  merupakan vektor  kecepatan  dan  koefisien   merupakan  koefisien  viskositas  fluida (  . Suku S merupakan rangkuman dari gaya  konservatif  ( body  forces )  dan kontribusi  kecil  dari  tegangan  viskos ( viscous stress ). Suku yang mengandung faktor  gradien  tekanan  akan  dikaitkan dengan metode velocity-pressure coupling .
Aliran  turbulen  ditandai  dengan hadirnya  medan  aliran  yang  berfluktuasi. Fluktuasi  ini  memiliki  sifat  mencampur besaran yang mengalami proses transport seperti  momentum.  Untuk  itu,  pada persamaan atur aliran harus ditambahkan fungsi time-averaged . Dengan menambah- kan  fungsi  tersebut,  akan  muncul besaran  baru  hasil  dari  pemodelan fluktuasi tersebut. Proses ini dinamakan pemodelan  turbulen.  Terdapat  banyak model  turbulensi  yang  dapat  dipilih untuk  mensimulasikan  aliran.  Untuk aliran  di  dalam  ruang  bakar  dengan putaran ( swirling flows ) tinggi, sebaiknya digunakan model turbulensi RSM [Hogg, S.  dan  Leschziner,  M.A.,  1989].  Untuk aliran  di  dalam  ruang  bakar  dengan putaran  rendah,  model  turbulensi  RSM menjadi  tidak  ekonomis  sehingga  tidak disarankan. Hasil penelitian pada [Widmann,  J.F.,  Charagundla,  S.R.,  dan Presser,  C.,  1999]  menunjukkan  bahwa pada  putaran  yang  rendah  model turbulensi  RNG k–  sudah  sesuai dengan hasil eksperimen.
Ruang  bakar  mesin  turbojet TJE500FH  v.1,  tidak  menggunakan sudu  pemutar  aliran  sehingga  tidak terdapat  aliran  putar  di  dalam  ruang bakar.  Akan  terdapat  daerah-daerah aliran  geser  di  dalam  ruang  bakar karena adanya lubang-lubang liner , juga akan  terjadi  resirkulasi  dalam  skala kecil, namun secara umum tidak terjadi aliran  putar.  Pada  kondisi  ini  [Guo,  B., Langrish,  T.A.G,  and  Fletcher,  D.F., 2001]  menunjukkan  bahwa  model turbulensi k-  standar  dapat  digunakan dengan  hasil  yang  cukup  baik.  Hasil penelitian  Guo  dkk.  juga  bersesuaian dengan  hasil  penelitian  sebelumnya yang  dilakukan  oleh  [Chen,  J.,  Haynes, B.S.  dan  Fletcher,  D.F.,  1999].  Dengan mempertimbangkan  hasil-hasil  penelitian aliran  di  dalam  ruang  bakar  meng- gunakan  metode  CFD  pada  [Chen,  J., Haynes,  B.S.  and  Fletcher,  D.F.,  1999; Guo,  B.,  Langrish,  T.A.G,  and  Fletcher, D.F.,  2001;  Hogg,  S.  dan  Leschziner, M.A., 1989; Widmann, J.F., Charagundla, S.R., dan Presser, C., 1999], dan kondisi aliran  di  dalam  ruang  bakar  mesin turbojet TJE500FH V.1, dalam komputasi ini  digunakan  pemodelan  turbulensi k-  standar.  Persamaan  yang  digunakan dalam pemodelan turbulensi k-  standar adalah sebagai berikut.
  2 1 3 2 k eff k b M i i eff k b i i Dk k G G Y Dt x x D C G C G C R Dt x x k k                                               (3-5)
 
    2 2 2 2 2 2 1 2 1 ' ' '
2 k t K k K U V W
k u v w
        (3-6)
Keterangan:
G k = faktor pembentukan energi kinetik  turbulen  akibat  gradien kecepatan rata-rata
G b = faktor pembentukan energi kinetik turbulen akibat buoyancy
Y M = faktor
kontribusi dilatasi fluktuatif  dalam  aliran  turbulen kompresibel pada disipasi keseluruhan
 k ,   = bilangan Prandtl efektif untuk k dan  C 1  = 1,42 C 2  = 1,68 C 3  = 0,2 R
= faktor kontribusi tambahan akibat  pengaruh  laju  regangan ( strain rate )
Dari  harga k dan  tersebut, dihitung  suatu  besaran  t , koefisien viskositas  turbulen,  yang  menyatakan difusi turbulen.
2 t k C      (3-7)
dengan
C  = 0,0845
Sistem persamaan di atas diselesaikan  secara  implicit  dengan asumsi  kondisi  aliran  tunak  dan inkompresibel.  Penjelasan  lebih  rinci tentang  asumsi  inkompresibel  yang digunakan dalam komputasi ini disajikan pada sub-bab 3.3.

## 3.2 Model Liner
Liner dimodelkan secara 3 dimensi. Untuk mendapatkan data hasil simulasi berupa laju aliran massa udara yang  memasuki  liner  pada  zona  primer, sekunder dan dilusi, didefinisikan posisi cek pada beberapa lubang liner. Definisi posisi cek ditunjukkan pada Gambar 3-1 berikut.
Gambar 3-1: Posisi cek laju aliran massa udara
Oleh  karena  digunakan  model  3 dimensi,  pengambilan  data  laju  aliran massa  udara  pada  setiap  posisi  cek
dilakukan  dengan  mengintegrasikan kecepatan udara yang melewati permukaan  tersebut.  Dengan  asumsi kondisi  aliran  mendekati  aksisimetrik, posisi  cek  pada  lubang-lubang liner hanya diambil satu lubang per baris.
Selain  posisi  cek  untuk  meng- analisis  laju  aliran  massa  udara  yang memasuki liner ,  juga  didefinisikan  10 permukaan  arah  longitudinal  untuk visualisasi  aliran.  Permukaan-permukaan arah  longitudinal  ini  diambil  pada bidang  yang  memotong  lubang liner (permukaan  a)  dan  bidang  yang  tidak memotong  lubang liner tetapi  berada diantara  lubang-lubang liner (permukaan b). Posisi permukaan-permukaan tersebut ditunjukkan pada Gambar 3-2.

## Gambar 3-2: Permukaan cek arah longitudinal

## 3.3 Kondisi Aliran
Analisis  CFD  ini  dilakukan  pada ruang  bakar  dalam  kondisi  tanpa pembakaran.  Dengan  demikian  fluida kerja  yang  digunakan  adalah  udara (bukan  campuran  udara  dengan  bahan bakar).  Pada  mesin  turbojet,  ketika melewati  kompresor  udara  di  tekan sehingga  memiliki  tekanan  yang  lebih tinggi  dari  tekanan  atmosfer.  Dengan rasio  tekanan  kompresor  rancangan sebesar  4.06,  kerapatan  udara  ketika memasuki  ruang  bakar  adalah  3,0252 kg/m 3 . Pada kondisi tanpa pembakaran, tekanan dan temperatur udara di dalam ruang  bakar  relatif  konstan  sehingga kerapatan  udara  juga  relatif  konstan dan  dapat  dianggap  inkompresibel. Dengan  demikian,  dalam  simulasi  ini aliran  udara  dianggap  inkompresibel dengan  kerapatan  udara  3,0252  kg/m 3 . Pada sisi masukan ruang bakar, kondisi
aliran  yang  ditetapkan  adalah  tekanan statik  dan  tekanan  total  yang  masing- masing  sebesar  406530,1  Pa  dan 411998,8  Pa.  Tekanan  statik  dan  total pada kondisi masukan ruang bakar juga disesuaikan  dengan  hasil  perancangan. Kondisi  aliran  yang  juga  didefinisikan adalah  pada  sisi  keluaran.  Oleh  karena kerugian  tekanan  selama  udara  melewati liner tidak diketahui, kondisi aliran yang didefinisikan  pada  sisi  keluaran  adalah tekanan  statik  dan  target  laju  aliran massa  dengan  nilai  masing-masing 387278,9  Pa  dan  0,88  kg/s.  Pada dinding-dinding liner ,  berlaku  kondisi tak  slip  dan  tidak  ada  aliran  yang menembus dinding.

## 4  HASIL DAN ANALISIS
4.1 Studi Jumlah Grid
Aliran  di  dalam  ruang  bakar sangat kompleks sehingga dalam
simulasi ini digunakan grid tak terstruktur.  Untuk  mengetahui  apakah jumlah  grid  yang  digunakan  telah mencukupi,  terlebih  dahulu  dilakukan studi jumlah grid dengan cara memvariasikan  jumlah  grid  kemudian membandingkan hasilnya. Dalam simulasi ini, studi jumlah grid dilakukan pada  tiga  jumlah  grid  yang  berbeda yaitu:  1,8  juta,  3,6  juta  dan  5,9  juta. Hasil  studi  jumlah  grid  ditunjukkan pada Gambar 4-1.

## Gambar 4-1: Hasil studi jumlah grid
Variabel  yang  dianalisis  untuk menyelidiki pengaruh jumlah grid terhadap  hasil  simulasi  ini  adalah  laju aliran  massa  yang  memasuki  zona primer,  sekunder  dan  dilusi  pada
0.11 % 0.41 % ṁ [kg/s] 0.04 % 0.21 % 0.16 % 0.64 % 0,00000 0,10000 0,20000 0,30000 0,40000 0,50000 0,60000 0,70000 grid 1,8 juta  grid 3.6 juta  grid 5.9 juta Studi Jumlah Grid zona primary zona intermediate zona dilusi
lubang-lubang liner .  Mengacu  pada Gambar  4-1,  terlihat  bahwa  perbedaan hasil  antara  jumlah  grid  1.8  juta,  3.6 juta  dan  5.9  juta  kurang  dari  1%. Dengan  demikian,  jumlah  grid  5.9  juta dianggap  sudah  cukup  sahih  untuk analisis  kondisi  aliran  di  dalam  ruang bakar.  Selanjutnya  analisis  pada  pasal berikut  adalah  hasil  simulasi  dengan jumlah grid 5.9 juta.

## 4.2 Laju Aliran Massa
Laju  aliran  massa  udara  yang melewati setiap posisi cek disajikan pada Tabel  4-1.  Posisi  cek  pada  Tabel  4.1 mengacu pada Gambar 3-1.

## Tabel 4-1:  LAJU  MASSA  UDARA  MELEWATI POSISI CEK
No cek Keterangan Hasil Komputasi Velocity [m/s] Mass Flow [kg/s] % - Inlet 54,07 0,88007 100 - Outlet 107,94 1 An atas 83,60 0,59226 67,3 2 An bawah 86,77 0,28782 32,7 3 An atas 71,42 0,52390 59,5 4 An bawah 66,02 0,24555 27,9 5 An atas 56,77 0,42328 48,1 6 An bawah 55,41 0,18913 21,5 7 An atas 34,61 0,23853 27,1 8 An bawah 28,27 0,05349 6,1 9 Zona primary 65,53 0,03146 0,11062  12,6 10 72,94 0,03689 11 54,55 0,02224 12 57,22 0,02003 13
Zona intermediate
70,12 0,01719 0,15706  17,8
14 70,69 0,01874 15 71,16 0,02016 16 70,81 0,02163 17 70,42 0,02291 18 52,35 0,00868 19 54,27 0,00987 20 55,45 0,01115 21 54,30 0,01241 22 55,64 0,01431 23 Zona dilusi 76,41 0,05251 0,32038  36,4 24 75,03 0,06170 25 74,27 0,07054 26 62,29 0,03209 27 62,69 0,04432 28 62,49 0,05923 29 Pola persegi bawah 73,43 0,05349 6,1
Hasil  simulasi  ini  selanjutnya dibandingkan  dengan  target  rancangan ruang  bakar.  Target  rancangan  ruang bakar ditunjukkan pada Tabel 4-2.

## Tabel 4-2: LAJU MASSA UDARA RANCANGAN
Keterangan Pustaka [1] Mass Flow [kg/s] % Inlet 0,88 100 Outlet Zona primer 0,2728 31 Zona sekunder 0,2552 29 Zona dilusi 0,352 40
Dari Tabel 4-1 terlihat bahwa laju aliran  massa  udara  yang  melewati annulus  atas  adalah  sebesar  0,59226 kg/s  yaitu  67,3  %  dari  total  laju  aliran massa  udara  masuk  ruang  bakar , s edangkan  yang  melewati  annulus bawah adalah 0,28782 kg/s atau 32,7 % dari total laju aliran massa udara masuk ruang  bakar.  Selanjutnya,  udara  yang masuk zona primer melalui lubang liner atas  adalah  0,06835  kg/s  dan  melalui lubang  liner  bawah  0,04227  kg/s sehingga  total  udara  yang  masuk  zona primer adalah 0,11062 kg/s atau 12,6 % dari  total  massa  udara  masuk  ruang bakar.  Nilai  laju  aliran  massa  ini  jauh lebih  kecil  dari  nilai  rancangan  yaitu sebesar 0,2728 kg/s atau 31 % dari total laju  aliran  massa  udara  masuk  ruang bakar (Tabel 4-2).
Pada zona sekunder, jumlah total massa udara yang masuk melalui lubang- lubang  liner  adalah  0,15706  kg/s,  atau 17,8  %  dari  total  massa  udara  yang masuk ke ruang bakar.  Nilai  ini  berasal dari lubang liner bawah sebesar 0,10063 kg/s  dan  dari  lubang liner atas  sebesar 0,05642  kg/s.  Nilai  ini  juga  lebih  kecil dari  target  rancangan  yang  sebesar 0,2552 kg/s atau 29 % dari total massa udara yang masuk ruang bakar.
Berbasis  pada  rancangannya, udara  yang  masuk  zona  dilusi  melalui
lubang-lubang liner seharusnya  0,352 kg/s  atau  40  %  dari  total  laju  aliran massa  udara  masuk  ruang  bakar. Namun hasil analisis menunjukkan nilai yang  lebih  besar  yaitu  69,6  %.  Hal  ini karena  porsi  udara  yang  masuk  ruang bakar  pada  zona  primer  dan  sekunder lebih kecil dari rancangan.
Dengan  membandingkan  total massa  udara  yang  memasuki  setiap zona  pada  ruang  bakar  dari  hasil komputasi  dengan  target  perancangan, terlihat  bahwa  pada  zona  primer  dan sekunder  jumlah  udara  yang  masuk lebih rendah dari rancangannya.
Selanjutnya  pada  zona  dilusi,  jumlah udara  yang  masuk  menjadi  lebih  besar dari target rancangannya. Kondisi aliran tersebut  dapat  menyebabkan  terjadinya hal-hal berikut.

## A. Zona primer
Zona primer membutuhkan 31 % total  massa  udara  untuk  menciptakan reaksi  pembakaran  yang  baik.  Dengan total  laju  aliran  massa  udara  masuk zona primer sebesar 12,6 %, zona primer akan  kekurangan  udara  untuk  reaksi pembakaran.  Dengan  demikian  terjadi kondisi  rich  (kaya  bahan  bakar)  pada zona  primer  yang  kemungkinan  akan menyebabkan sebagian besar dari bahan bakar mengalir ke zona sekunder karena belum terbakar sempurna.

## B. Zona sekunder
Zona  sekunder  membutuhkan 29%  udara  segar  yang  masuk  melalui lubang-lubang sekunder untuk menyem- purnakan pembakaran pada zona primer. Namun  hasil  komputasi  menunjukkan laju  massa  udara  yang  masuk  zona sekunder  hanya  17,8%.  Ini  berarti, seperti kasus zona primer, zona sekunder akan  berada  pada  kondisi rich dan  ada kemungkinan  sisa-sisa  bahan  bakar yang  belum  habis  terbakar  pada  zona primer  juga  akan  masih  belum  habis terbakar  setelah  melewati  zona  sekunder. Sisa  bahan  bakar  ini  selanjutnya  akan memasuki zona dilusi.

## C. Zona dilusi
Hasil  komputasi  memperlihatkan laju  aliran  massa  udara  masuk  zona dilusi  sebesar  69,6  %.  Nilai  ini  lebih besar  dari  rancangannya  yaitu  40%. Jika pembakaran pada zona primer dan zona  sekunder  berlangsung  sempurna, maka  temperatur  masuk  turbin  akan lebih  rendah  dari  rancangannya  karena jumlah  udara  untuk  pendinginan  lebih besar. Namun dalam kasus ini, kekurangan udara pada zona primer dan sekunder akan menyebabkan pembakaran pada kedua zona tersebut tidak sempurna dan  sejumlah  sisa  bahan  bakar  akan memasuki  zona  dilusi.  Akibatnya,  alih- alih terjadi pendinginan, pada zona dilusi terjadi  penyempurnaan  pembakaran. Dengan demikian, diperkirakan pembakaran  masih  akan  berlangsung pada  zona  dilusi  dan  temperatur  gas yang  melewati  sudu  turbin  akan  lebih tinggi dari rancangannya.

## 4.3 Visualisasi Aliran
Hasil  komputasi  menunjukkan laju  aliran  massa  udara  yang  masuk setiap  zona  tidak  sesuai  dengan rancangannya.  Kondisi  ini  terjadi  sejak udara  memasuki  zona  primer.  Untuk memperkirakan  penyebab  kurangnya udara  yang  masuk  zona  primer,  berikut ditampilkan  gambar  vektor  kecepatan udara  pada  permukaan  a  (bidang  yang memotong  lubang-lubang  pada  per- mukaan liner) disekitar zona primer.
Gambar 4-2: Vektor kecepatan pada zona primer
Dengan  memperhatikan  gambar tampak  bahwa  pada  bagian  depan  liner
muncul  daerah  stagnasi.  Selanjutnya aliran udara akan terpencar ke arah luar (menuju  annulus  atas)  dan  ke  arah dalam (menuju annulus bawah).
Sebagian  udara  yang  bergerak  menuju annulus  bawah  membentuk  sirkulasi (daerah  1)  karena  ada  ruang  kosong  di depan liner yang  bukan  merupakan tempat  masuk  udara.  Namun  demikian, sirkulasi di daerah 1 ini merupakan hal yang  wajar  terjadi  pada  tipe diffuser dump seperti pada ruang bakar ini.
Kondisi  aliran  yang  menarik untuk  dicermati  adalah  fenomena  yang terjadi  pada  daerah  2  dan  3.  Seperti terlihat pada gambar, pada daerah 2 dan 3  kecepatan  udara  menjadi  sangat tinggi. Tampaknya hal ini terjadi karena bentuk  ujung  liner  di  daerah  2  dan  3 yang  tajam.  Bentuk  yang  tajam  ini menyebabkan  udara  harus  belok  dari arah  radial  ke  arah  aksial  pada  jari-jari putaran  yang  sangat  kecil  sehingga kecepatan  udara  pada  daerah  belokan itu  menjadi  tinggi.  Selain  adanya kecepatan tinggi, tampaknya di daerah 2 dan  3  juga  terjadi  separasi  aliran. Kondisi  ini  akan  menciptakan  tekanan rendah  di  sepanjang  annulus  atas  dan annulus bawah di sekitar lubang-lubang primer.
Fenomena  aliran  di  sekitar  zona primer  juga  dapat  diteliti  dengan mengamati  kontur  tekanan.  Untuk  itu, kontur tekanan udara ditunjukkan pada Gambar 4-3.
Gambar 4-3: Kontur  tekanan  di  sekitar  zona primer
Mengacu  pada  Gambar  4-2  dan Gambar  4-3,  tampak  bahwa  kecepatan
tinggi pada daerah 2 dan 3 menyebabkan tekanan  rendah  pada  B  dan  A.  Hal  ini sesuai  dengan  prinsip  Bernoulli.  Dari gambar  juga  terlihat  bahwa  selama udara  melewati  annulus,  baik  atas maupun  bawah,  tekanan  udara  ber- angsur-angsur naik.
Dengan  mengamati distribusi kecepatan  di  sekitar  zona  primer  pada Gambar  4-2  dan  kontur  tekanan  pada Gambar 4-3, dapat diperkirakan penyebab rendahnya  laju  aliran  massa  udara masuk  zona  primer  dan  sekunder.  Hal itu dapat dijelaskan sebagai berikut.
Setelah udara keluar dari kompresor,  udara  memasuki dump diffuser ruang  bakar.  Di  ujung  diffuser terdapat  dinding  depan liner sehingga udara  kemudian  terbagi  menjadi  dua, yaitu  sebagian  bergerak  ke  arah  luar dan  sebagian  bergerak  ke  arah  dalam. Bentuk  dinding  depan liner yang  tegak menyebabkan  lintasan  gerak  udara  ini membentuk  sudut  tegak  lurus  terhadap arah  aksial.  Setelah  mencapai  ujung liner  bagian  luar  dan  bagian  dalam, udara dipaksa untuk membelok ke arah aksial.  Pembelokan  ini  terjadi  pada  jari- jari  putaran  yang  sangat  kecil  karena bentuk ujung liner pada daerah 2 dan 3 yang  tajam.  Jari-jari  belok  yang  sangat kecil  menyebabkan  terjadinya  separasi karena  udara  tidak  dapat  mengikuti kontur  permukaan.  Separasi  menyebab- kan munculnya ulakan yang menyumbat sebagian saluran masuk annulus sehingga  luas  efektif  annulus  di  daerah tersebut  turun.  Berkurangnya  luas efektif kemudian memaksa udara memasuki  annulus  dengan  kecepatan yang  lebih  tinggi.  Sesuai  dengan persamaan Bernoulli, kecepatan tinggi di daerah masukan annulus menyebabkan turunnya tekanan statik udara di daerah tersebut.  Akibatnya  tekanan  di  daerah annulus  tidak  cukup  tinggi  untuk mendorong  lebih  banyak  udara  untuk memasuki liner .  Kondisi  aliran  inilah yang  tampaknya  menyebabkan  jumlah udara yang memasuki zona primer tidak
sebesar  rancangannya.  Seperti  terlihat pada  Gambar  4-2  dan  Gambar  4-3, lubang-lubang primer pada liner terletak di  daerah  separasi  dengan  tekanan rendah  dan  kecepatan  tinggi.  Hal  ini menyebabkan  udara  di  dalam  annulus tidak  mempunyai  cukup  tekanan  untuk memasuki liner ruang  bakar  melalui lubang-lubang primer.
Setelah  melewati  lubang-lubang primer,  udara  kemudian  bergerak  ke belakang menuju lubang-lubang sekunder. Di  daerah  ini,  kecepatan  udara  turun karena  pengaruh  dari  adanya  dinding casing  pada  bagian  belakang  liner. Turunnya  kecepatan  ini  pada  saat  yang sama  menyebabkan  naiknya  tekanan statik sehingga meningkatkan kemampuan dorongan  udara  untuk  masuk  zona sekunder liner .  Tampaknya  hal  inilah yang  menyebabkan  lebih  banyak  udara memasuki  zona  sekunder  dibandingkan dengan  yang  masuk  zona  primer. Namun demikian, udara yang memasuki liner  melalui  lubang  sekunder  masih tidak  sebanyak  rancangannya.  Hal  ini kemungkinan  disebabkan  oleh  dua  hal, yaitu:  1.  tekanan  di  daerah  tersebut tidak  cukup  tinggi,  dan  2.  diameter lubang-lubang  sekunder  terlalu  kecil. Sampai  dengan  makalah  ini  ditulis, belum  dapat  diketahui  yang  mana  dari kedua  kemungkinan  itu  yang  menjadi penyebabnya. Diperlukan penelitian lanjutan untuk menyelidikinya.
Bagian  akhir  dari  perjalanan udara  melalui  annulus  adalah  melewati lubang-lubang  dilusi.  Di  daerah  ini, adanya dinding casing di bagian belakang memaksa  udara  untuk  bergerak  lebih lambat  sehingga  tekanannya  menjadi lebih  tinggi.  Hal  ini  menyebabkan sebagian besar udara akhirnya memasuki liner ruang bakar melalui lubang-lubang dilusi.

## 5  KESIMPULAN
Analisis komputasi dinamika fluida ruang  bakar  mesin  turbojet  TJE500FH v.1 dilakukan untuk menyelidiki
penyebab  adanya  semburan  api  di  luar nosel  ketika  mesin  di  uji  coba.  Analisis dilakukan  menggunakan  model  ruang bakar  3  dimensi  dengan  geometri  dan ukuran  yang  sama dengan model ruang bakar  yang  terpasang  pada  mesin. Analisis  dilakukan  pada  kondisi  tanpa pembakaran.
Hasil analisis menunjukkan bahwa bentuk  ujung-ujung liner yang  tajam menyebabkan  jari-jari  belok  udara  dari arah  radial  ke  arah  aksial  yang  sangat kecil.  Jari-jari  belok  yang  sangat  kecil menyebabkan terjadinya separasi karena udara  tidak  dapat  mengikuti  kontur permukaan. Separasi menyebabkan munculnya  ulakan  yang  menyumbat sebagian saluran masuk annulus sehingga  luas  efektif  annulus  di  daerah tersebut turun. Berkurangnya luas efektif memaksa  udara  memasuki  annulus dengan  kecepatan  yang  lebih  tinggi. Sesuai  dengan  persamaan  Bernoulli, kecepatan  tinggi  di  daerah  masukan annulus menyebabkan turunnya tekanan statik  udara  di  daerah  tersebut. Akibatnya  tekanan  di  daerah  annulus tidak  cukup  tinggi  untuk  mendorong lebih  banyak  udara  untuk  memasuki liner .  Hal  ini  menyebabkan  jumlah massa  udara  yang  memasuki liner melalui  lubang-lubang  primer  dan sekunder lebih kecil dari rancangannya. Selanjutnya  sebagian besar udara memasuki liner melalui  lubang-lubang dilusi.
Adanya semburan api di luar nosel ketika  uji  coba,  tampaknya  merupakan akibat  lanjut  dari  kurangnya  massa udara yang masuk zona primer dan zona sekunder  ruang  bakar.  Kemungkinan campuran bahan bakar-udara pada zona primer  dan  sekunder  berada  pada kondisi rich sehingga pembakaran masih terus  berlangsung  atau  bahkan  justru terjadi pada zona dilusi.

## DAFTAR RUJUKAN
Chen,  J.,  Haynes,  B.S.  dan  Fletcher, D.F.,  1999. A  Numerical  and

## Experimental Study of Tangentially
Injected Swirling Pipe Flow , 2 nd Int. Conf. on CFD, 485-490. Fluent Manual, Fluent Inc. Guo,  B.,  Langrish,  T.A.G,  and  Fletcher, D.F., 2001. Simulation of Turbulent Swirl  Flow  in  an  Axisymmetric Sudden  Expansion , AIAA  Journal ,
Vol. 39, No. 1, 96-102.
Hartono,  F.,  2010. The  Design  of  Small Turbojet  Engine  for  High  Speed UAV ,  Regional  Conference  on Mechanical and Aerospace Technology, Bali, Indonesia.
Hartono,  F.,  2011. The  Development  of TJE500FH  Small  Turbojet  Engine , International  Conference  on  Fluid and  Thermal  Energy  Conversion, Zhengzhou, China.
Hogg,  S.  dan  Leschziner,  M.A.,  1989. Computation  of  Highly  Swirling
Confined  Flow  with  a  Reynolds Stress  Turbulence  Model , AIAA Journal , Vol. 27, No. 1, 57-63. Lefebvre,  A.H.,  1983. Gas  Turbine Combustion , Hemisphere Publishing Corp., New York.
Rahardianto  S  dan  Hartono,  F.,  2011.
Cold  Flow  2D  Axis-Symmetric Numerical Analysis and Modification of  Combustion  Chamber  of  Small
Turbojet Engine , International Conference  on  Fluid  and  Thermal Energy  Conversion,  Zhengzhou, China.
Widmann,  J.F.,  Charagundla,  S.R.,  dan Presser,  C.,  1999. Benchmark Experimental Database for
Multiphase Combustion Model Input and Validation : Characterization of the  Inlet  Combustion  Air ,  NISTIR, 6370.