Journal of Mechanical Design and Testing 2(2), (2020), 103-110 DOI: http://dx.doi.org/10.22146/jmdt.v2i2.56508 e-ISSN: 2685-8029, ISSN: 2716-1293

## Simulasi CFD Dinamika Frekuensi Gelombang Aliran Dua Fasa Minyak-Air pada Pipa Horizontal
E. Rekayana * dan A. Widyaparaga
Departemen Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada. Jl. Grafika No. 2, Kompleks UGM, Yogyakarta 55281, Indonesia *e-mail: erikrekayana91@gmail.com

## Abstrak
Aliran  minyak-air  dalam  pipa  akan  membentuk  pola  aliran  beragam  tergantung  dari  kondisi perpipaan dan properti fluida. Salah satu pola aliran yang terbentuk adalah aliran stratified wavy . Fokus  penelitian  ini  adalah  melakukan  simulasi  komputasi  dinamika  fluida (CFD)  untuk menganalisa karakteristik tebal film dan frekuensi gelombang dalam aliran stratified wavy yang tervalidasi dengan hasil penelitian eksperimen. Simulasi menggunakan pipa horizontal dengan diameter 24 mm dan panjang 1200 mm. Simulasi menggunakan Ansys Fluent 19 dengan model multiphase Eulerian multi-fluid VOF dan shear stress transport (SST) k- ω. Pada penelitian ini, simulasi mengaktifkan turbulence damping untuk memprediksi antramuka minyak dan air lebih tajam. Hasil simulasi akan diubah kedalam bentuk video dan kemudian akan dianalisa dengan  MATLAB menggunakan metode image processing agar diperoleh nilai tebal film dan frekuensi gelombang. Analisis  dilakukan  pada  delapan  kecepatan  superfisial  minyak  maupun  air.  Pengamatan dilakukan di dua titik yaitu titik 240 mm (10D) dan 960 mm (40D). Hasil simulasi menunjukkan rata-rata tebal film cenderung naik seiring meningkatnya kecepatan superfisial air. Terdapat rata- rata deviasi sebesar 15% dari enam belas data pengamatan tebal film di dua titik pengamatan jika dibandingkan dengan hasil eksperimen. Frekuensi gelombang mengalami kenaikan seiring dengan  kenaikan  kecepatan  superfisial  minyak  maupun  air.  Frekuensi  gelombang  menurun ketika  titik  pengamatan  semakin  jauh  dari  daerah  masuk  fluida.  Karakteristik  ini  tervalidasi dengan hasil eksperimen sebelumnya.
Kata kunci : computational fluid dynamics (CFD), Eulerian multi-fluid VOF, image processing, stratified wavy, frekuensi gelombang

## Abstract
The  oil-water  flow  in  the  pipeline  will  form  various  flow  patterns  depending  on  piping conditions and fluid properties. One of the flow patterns formed is stratified wavy flow. The focus of this research is conducting a computational simulation of fluid dynamics (CFD) to analyze the characteristics of film thickness and wave frequency stratified wavy flow validated with experimental research results. The simulation uses a horizontal pipe with a diameter of 24 mm and a length of 1200 mm. The simulation uses Ansys Fluent 19 with Eulerian multi-fluid VOF  multiphase  models  and  shear  stress  transport  (SST)  k- ω.  In  this  study,  the  simulation activates turbulence damping to predict sharper air and water interface. The simulation results will  be  converted  into  video  format  and  then  will  be  analyzed  with  MATLAB  using  image processing methods to obtain the value of film thickness and wave frequency. Analyzes were carried out at eight superficial speeds of oil and water. Observations were made at two points,
240 mm (10D) and 960 mm (40D). Simulation results show the average thickness of the film tends to increase with increasing water superficial speed. There is an average deviation of 15% from sixteen observations of film thickness at two points of observation when compared with experimental results. The frequency of the waves increases with the superficial velocity of oil and water. The frequency of the waves decreases when the observation point is farther from the fluid inlet area. This characteristic was validated with the results of previous experiments.
Keywords : computational fluid dynamics (CFD), Eulerian multi-fluid VOF, image processing, stratified wavy, wave frequency.

## 1. PENDAHULUAN
Pada  industri  hulu  minyak  dan  gas,  aliran  dua  fasa  sering  terjadi  dalam  proses transportasi maupun pengolahan minyak.  Aliran dua fasa antara minyak dan air dalam pipa horizontal sering terjadi pada saat fluida mengalir pada pipa produksi yang menghubungkan antara sumur minyak dan stasiun proses. Untuk kondisi sumur minyak tua perubahan komposisi minyak  dan  air  yang  dihasilkan  sangat  dinamis  dimana  kedua  fluida  tersebut  saling mempengaruhi antarmuka fluida satu sama lain sehingga menyebabkan adanya variasi bentuk aliran  yang  disebut  pola  aliran  (Angeli  &  Hewitt,  2000).  Pola  aliran  akan  berpengaruh  pada penurunan tekanan aliran serta hold up kedua fluida. Hal ini menjadi salah satu pertimbangan teknis yang penting untuk design engineering dan sistem operasi agar kondisi operasi dari produksi minyak tetap berjalan dengan selamat dan lancar. Pada saat ini, beberapa peneliti melakukan penelitian mengenai aliran dua fasa baik secara eksperimen maupun menggunakan komputasi dinamika fluida (CFD). Fokus dalam penelitian ini adalah melakukan simulasi aliran dua fasa regim stratified  wavy antara  minyak  dan  air  menggunakan  komputasi  dinamika  fluida  (CFD) dimana  hasil  dari  simulasi  akan  divalidasi  dengan  hasil  eksperimen  sebelumnya  yang  telah dilakukan  oleh  Hanif  (2018).  Hal  ini  dikarenakan  CFD  merupakan  alat  yang  mempunyai kemampuan  untuk  memberi  pandangan  perilaku  aliran  dengan  kemampuan  basis  komputer sesuai dengan fakta di lapangan.
Beberapa  penelitian  sebelumnya  melakukan  penelitian  untuk  mengetahui  fenomena bentuk aliran fluida dalam pipa campuran minyak dan air. Hal ini seperti yang dilakukan oleh Trallero  (1997)  yang  berhasil  mengidentifikasi  enam  jenis  pola  aliran  yaitu stratified  flow (ST), stratified flow with mixing at the antarmuka (ST & MI), dispersion of oil in water and water (Do/w &w ), oil in water emulsion (o/w), dispersion of water in oil and oil in water (Dw/o & D0/w) dan water in oil emulsion (w/o). Kemudian Yudi (2018) melakukan penelitian untuk mengidentifikasi pola aliran secara visual. Penelitian ini menggunakan pipa diameter 24 mm dan panjang pipa 6,6 m. Hasil dari  penelitian  ini  berhasil  mengidentikasi  pola  aliran stratified (ST), stratified  with  mixing  in antarmuka (ST & MI), dispersion of oil in water (Do/w &w), oil in water emulsion (O/W), dual dispersion (Do/w & Dw/o), water in oil emulsion (W/O), stratified wavy (SW), stratified wavy with drop (SWD), three-layer (3L), stratified mix (SM) dan mixed (M).  Penelitian lain dilakukan untuk mengetahui karakteristik dari pola aliran. Seperti yang dilakukan oleh Bhaskara (2018) yang meneliti tentang karakteristik aliran minyak-air pada rezim stratified wavy di dalam sebuah pipa horizontal dengan metode image  processing .  Hasil  penelitian  tersebut  menunjukkan  bahwa  perubahan  kecepatan superfisial  setiap  fluida  berbanding  lurus  dengan  kecepatan  gelombang  pada  setiap  titik pengamatan.  Selain  itu,  diperoleh  hasil  adanya  penurunan  kecepatan  gelombang  pada  titik pengamatan yang lebih jauh dari daerah titik masuk fluida . Hanif (2018) melakukan penelitian pada  pola stratified  wavy dengan  menganalisa  tebal  film  dan  frekuensi  dari  aliran  pada  pipa
horizontal. Hasil penelitian tersebut membuktikan bahwa semakin jauh dari jarak titik masuk fluida maka nilai frekuensi aliran pada setiap kecepatan superfisial baik minyak atau air akan mengalami  penurunan.  Selain  dengan  metode  ekperimen,  studi  aliran  dua  fasa  juga  telah dilakukan dengan menggunakan komputasi dinamika fluida (CFD). Jing Shi (2018) melakukan simulasi dengan menggunakan model multiphase volume of fluid (VOF) dan model turbulen SST k- ω. Hasil penelitian itu bisa memprediksi pola aliran dan gambaran cross-sectional untuk karakter turbulen  yang  berbeda  beda.  Gulia  (2017)  juga  melakukan  simulasi  aliran  CFD  pada  aliran stratified minyak dan air. Studi ini dilakukan pada pipa horizontal dua dimensi. Hasil simulasi tersebut dapat mengetahui interface profile, pressure drop, temperatur profile untuk non-isothermal, wall shear stress dan mass imbalance . Burlutskii (2018) melakukan simulasi aliran 3D CFD pada aliran  dalam  pipa  horizontal  dengan  metode  skema  Euler-Lagrange  yang  digunakan  untuk menyelesaikan interaksi antara air dan droplet dari minyak. Model turbulen yang dipilih adalah k- ε dan standard wall function . Studi ini menganalisa transisi dari dispersed oil water menjadi stratified flow , hasilnya ditemukan shear lift force mempunyai andil jauh lebih besar untuk merepresentasikan aliran dibandingkan dengan break-up atau fenomena koalesensi dalam kasus aliran pipa turbulen terdispersi. Selain jenis fluida minyak dan air, penelitian mengenai simulasi CFD aliran dalam pipa dua fasa juga menggunakan jenis fluida antara udara dan air seperti yang dilakukan oleh Deendarlianto, dkk (2016). Studi ini untuk mengetahui fenomena aliran dua fasa dari gas-liquid plug pada pipa horizontal secara 3 dimensi (3D). Diameter dan panjang pipa yang digunakan adalah 26 mm dan 9,5 m. Metode skema yang digunakan adalah volume of fluid (VOF) dangan kondisi no slip walls . Hasil dari studi tersebut menunjukkan bahwa panjang dari gas slug lebih tinggi dari liquid dan panjang dari liquid slug tergantung terhadap kecepatan superfisial dari gas dan liquid .
Penelitian ini melakukan simulasi komputasi dinamika fluida pada pola aliran stratified wavy dengan  fluida  campuran  minyak  tanah  dan  air.  Fokus  penelitian  ini  adalah  untuk mengetahui karakteristik tebal film dan frekuensi gelombang ketika terjadi perubahan kecepatan superfisial  fluida.  Karakteristik  tersebut  akan  divalidasi  dengan  hasil  penelitian  eksperimen sebelumnya yaitu oleh Hanif (2018).

## 2. METODE PENELITIAN
Pada  penelitian  ini  menggunakan  Fluent  Ansys  19.  Proses  perancangan  dilakukan dengan geometri pipa diameter 24 mm dan panjang 1,2 m menggunakan software Design Modeler (DM) yang terintegrasi di dalam ANSYS software package . Geometri dirancang secara dua dimensi (2D) dan disimulasikan dalam kondisi transien.

## Gambar 1. Geometri Pipa Dua Dimensi (2D)
Pada penelitian ini menggunakan 2 titik referensi pengamatan yaitu 240 mm (10D) dari titik masuk dan 960 mm (40D). Sedangkan properti dari fluida yang digunakan adalah seperti berikut :
Tabel 1. Properti Fluida pada T=30 0 C dan P = 1 atm
Air Massa Jenis (ρ) 997 kg/m 3 Viskositas Dinamis (μ) 0,00086 kg/m.s Minyak tanah Massa Jenis (ρ) 820  kg/m 3 Viskositas Dinamis (μ) 0,001332 kg/m.s
Untuk  memperoleh  karakteristik  frekuensi  gelombang  maka  setiap  kecepatan superfisial minyak dan air akan divariasikan dengan kondisi sebagai berikut :
Tabel 2. Data Variasi Kecepatan No Debit (lpm) Kecepatan Superfisial (m/s) Minyak Air Minyak Air 1 6 2 0,221 0,073 2 6 4 0,221 0,147 3 6 6 0,221 0,221 4 6 8 0,221 0,294 5 8 2 0,294 0,073 6 8 4 0,294 0,147 7 8 6 0,294 0,221 8 8 8 0,294 0,294
Untuk  pembuatan meshing dilakukan  dengan  menggunakan software pada  Ansys  19. Setelah dilakukan mesh independence test , meshing yang digunakan pada penelitian ini adalah seperti pada Gambar 2 dengan jumlah elemen 81516 dan nilai wall y+< 1.

## Gambar 2. Meshing di 10D
Pemodelan dekat dinding secara signifikan berdampak pada konsistensi solusi numerik karena dinding adalah sumber utama vortisitas rata-rata dan turbulensi (ANSYS Fluent Theory , 2012). Hal ini didukung oleh hasil karakteristik aliran simulasi yang menunjukkan pada bagian dinding terjadi energi kinetik turbulen yang lebih terkuat. Pada wilayah dekat dinding terdapat kondisi  bahwa  variabel  solusi  memiliki  gradien  besar,  serta  pada  wilayah  dekat  dinding  juga memiliki momentum dan transportasi skalar paling kuat. Oleh karena itu, representasi akurat dari aliran di wilayah dekat dinding ( wall y+ ) menentukan prediksi keberhasilan aliran turbulen yang dibatasi oleh dinding atau aliran turbulen di dalam pipa.
Kondisi  batas  yang  digunakan  pada  penelitian  ini  diatur  sedemikian  rupa  sehingga mendapat hasil yang realistis dengan hasil eksperimen.  Tabel 3 menunjukkan kondisi batas yang digunakan selama penelitan berlangsung.
Tabel 3. Kondisi Batas Kondisi Batas Nilai Minyak masuk Kecepatan masuk (m/s) Air masuk Kecepatan masuk (m/s) Dinding pipa No-slip walls condition Contact wall adhesion 30 0 - 60 0 Pipa luar Tekanan keluar
Model multiphase yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah eulerian  multi-fluid VOF. Eulerian  multi-fluid VOF  mampu  mengimplementasikan  kerangka Eulerian untuk  melacak antarmuka antara minyak dan air secara tajam. Model turbulensi yang digunakan pada penelitian ini adalah (SST) k- ω dengan mengaktifkan turbulence damping . Hasil simulasi diolah dalam CFD post yang kemudian akan diubah menjadi video dengan frame rate sebanyak 60 fps. Video tersebut kemudian diproses dengan metode image processing untuk menghasilkan frekuensi gelombang.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil simulasi akan diperoleh profil antarmuka pada setiap kecepatan superfisial minyak dan air. Profil antarmuka minyak dan air akan divalidasi dengan hasil penelitan secara ekperimen sebelumnya. Gambar 3 dan Gambar 4 menunjukkan perbandingan antara hasil simulasi dengan ekperimen pada titik 10D dan 40D.
(a) (b) (c)
Gambar 3. Profil Antarmuka pada Kecepatan Superfisial Minyak 0,221 m/s dan air 0,073 m/s di Titik
10D (a) Hasil Eksperimen (b) Hasil Simulasi (c) Hasil Simulasi dalam Mode Grayscale
(a) (b)

## (c)
Gambar 4. Profil Antarmuka pada Kecepatan Superfisial Minyak 0,221 m/s dan Air 0,073 m/s di Titik
40D (a) Hasil Eksperimen (b) Hasil Simulasi (c) Hasil Simulasi dalam Mode Grayscale
Hasil simulasi yang dilakukan pada penelitian ini sudah cukup representif dengan hasil eksperimen yang dilakukan sebelumnya. Sehingga dengan profil antarmuka tersebut, ketebalan film rata-rata yang diukur dari air dapat dideteksi dengan menggunakan metode image processing
pada MATLAB. Gambar 5 menunjukkan profil ketebalan film pada masing-masing kecepatan minyak dan air yang dilakukan pada penelitian ini dengan durasi pengambilan data selama 10 detik untuk setiap kecepatan.
(a) (b)
Gambar 5. Tebal Film Rata-Rata pada Kecepatan Superfisial Minyak 0,294 m/s (a) Tebal Film di 10D
(b) Tebal Film di 40D
Dari Gambar 5, diperoleh trendline ketebalan film yang sama antara hasil simulasi dengan hasil eksperimen.  Pada titik 10D baik hasil simulasi maupun eksperimen menunjukkan rata-rata tebal film yang tinggi, hal ini disebabkan oleh  aliran yang dekat dengan titik masuk pencampuran minyak dan air sehingga gelombang yang terbentuk cenderung memiliki amplitudo yang besar. Ketika aliran  menuju titik 40D, rata-rata tebal film mengalami penurunan, hal ini karena lapisan antarmuka pada aliran relatif lebih stabil karena posisinya yang cukup jauh dari titik masuk fluida. Ketebalan film cenderung naik ketika ada peningkatan kecepatan superfisial air. Terjadi deviasi dengan rata-rata sebesar 15% antara hasil simulasi dengan hasil eksperimen. Hal ini disebabkan oleh adanya asumsi-asumsi yang dipakai ketika simulasi dilakukan.
(a) (b)
Gambar 6. Frekuensi Gelombang Eksperimen vs Simulasi pada Kecepatan Superfisial Minyak 0,294 m/s (a) Titik Pengamatan 10D (b) Titik Pengamatan 40D
Gambar 7. Frekuensi Gelombang Eksperimen vs Simulasi pada Kecepatan Superfisial Minyak 0,221

## m/s  pada Titik Pengamatan 10D
Dari Gambar 6 dan 7 diperoleh hasil yaitu ketika kecepatan superfisial minyak dan air naik maka nilai frekuensi gelombang juga mengalami kenaikan.. Sama halnya yang terjadi di titik 40D yaitu terjadi kenaikan frekuensi gelombang ketika terjadi kenaikan kecepatan superfisial minyak  dan  air.  Hal  ini  sama  dengan  kondisi  hasil  eksperimen. Perbandingan  nilai frekuensi antara  hasil  eksperimen  dengan  hasil  simulasi  terjadi  deviasi.  Hal  ini  disebabkan  oleh kemampuan pengolahan video dari CFD post yang hanya mampu menyimpan video dengan frame rate maksimum  di  60  fps.  Sedangkan  untuk  hasil  ekperimen,  nilai frame  rate dari  video  yang dihasilkan mencapai 600 fps. Hal ini berpengaruh ketika melakukan ekstrak video menjadi grafik tebal film di MATLAB. Berikut adalah grafik yang menunjukkan perbandingan hasil dengan frame rate video antara hasil simulasi dengan hasil eksperimen pada kecepatan superfisial minyak 0,294 m/s dan air 0,147 m/s pada titik 10D.
(a) (b)

## Gambar 8. (a) Tebal Film Hasil Simulasi (b) Tebal Film Hasil Eksperimen
Dari Gambar 8 dapat dilihat perbedaan kerapatan pada grafik dengan frame rate video yang  berbeda  antara  hasil  simulasi  dan  hasil  ekperimen.  Hal  ini  yang  merupakan  penyebab terjadinya deviasi nilai frekuensi gelombang antara hasil simulasi dengan hasil eksperimen. Akan
tetapi, secara trendline nilai dari frekuensi gelombang sudah sesuai antara hasil simulasi dengan hasil  ekperimen  dengan  ditandai  nilai  frekuensi  yang  mengalami  kenaikan  ketika  kecepatan superfisial minyak atau air ikut naik.

## 4. KESIMPULAN
Model multiphase  Eulerian  Multi-Fluid VOF  mampu  untuk  mensimulasikan  aliran dua fasa campuran minyak dan air pada regim stratified wavy . Hasil simulasi memiliki karakteristik yang sama dengan hasil eksperimen . Berikut adalah kesimpulan dari penelitian ini :
o Hasil  simulasi  menunjukkan  pengaruh  dari  kecepatan  superfisial  terhadap  ketebalan film. Ketebalan film mengalami kenaikan ketika kecepatan superfisial air naik.
o Terjadi deviasi tebal film dengan rata-rata sebesar 15% antara hasil simulasi dengan hasil eksperimen. Hal ini disebabkan oleh adanya asumsi-asumsi yang dipakai ketika simulasi dilakukan.
Frekuensi  gelombang  akan  mengalami  kenaikan  seiring  dengan  bertambahnya kecepatan superfisial minyak (Jo) maupun kecepatan superfisial air (Jw) pada aliran pipa.

## 5. DAFTAR PUSTAKA
Angeli, P., & Hewitt, G. F., 2000, Flow Structure in Horizontal Oil - Water flow, International Journal of Multiphase Flow , 26, 1117 – 1140. ANSYS® Fluent., 2012, Fluent Theory Guide, ANSYS Inc : USA. Bhaskara, Ryan Wiratama., 2018, Studi Eksperimental Perubahan Kecepatan Gelombang Aliran Minyak-Air Rezim Stratified Wavy Pada Pipa Horizontal LLCC Menggunakan Metode Image Processing, Skripsi Studi Teknik Mesin Departemen Teknik Mesin Dan Industri Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada.
Burlutskiy, Evgeniy and Carry Kenny T. 2015. A Computational Fluid Dynamics Study on Oil- in-Water Dispersion in Vertical Pipe Flows. Chemical Engineering Research and Design 93, 48-54.
Deendarlianto, Moeso A., Adhika W., Okto D., Khasani, Indarto. 2016. CFD Studies on the Gas-Liquid Plug Two-Phase Flow in a Horizontal Pipe. J. Petroleum Sci. and Eng. 147,
779-787.
Hanif,  Muhammad  Abiyyu.,  2018,  Studi  Eksperimen  Perubahan  Frekuensi  Aliran  Dua  Fasa Campuran Air-Minyak Tanah dengan Pola Stratified Wavy Pada Pipa Horizontal LLCC dan  Pengaruhnya  Terhadap  Panjang  Pipa  Menggunakan  Metode  Image  Processing, Skripsi  Studi  Teknik  Mesin  Departemen  Teknik  Mesin  Dan  Industri  Fakultas  Teknik Universitas Gadjah Mada.
Gulia, Ravinder Singh, Ranjit K. S., Pardeep. 2017. CFD Modelling of Stratified Oil-Water Flow. Int. J Eng. Sci. and Research Technology. CODEN: IJESS7.
Shi, Jing., Gourma, Mustapha., Yeung, Hoi., 2017, CFD Simulation of Horizontal oil-water flow with Matched Density and Medium Viscosity Ratio in Different Flow Regimes, Journal Petroleum Science and Engineering , 151, 373-383.
Trallero, J. L., Sarica, Cem., Brill, J. P., 1997, A Study of Oil/Water Flow Patterns in Horizontal Pipes. SPE Production & Facilities , 12(03), 165 – 172. Yudi, Olga Priandana., 2018, Studi Eksperimental Pemetaan Pola Aliran Minyak-Air Pada Pipa Horizontal  Separator  Liquid-Liquid  Cylindrical  Cyclone,  Skripsi  Studi  Teknik  Mesin Departemen Teknik Mesin Dan Industri Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada.