DOI: http://dx.doi.org/10.22146/jmdt.v1i2.52810 e-ISSN: 2685-8029

## Perilaku Aliran Stratified Ditinjau dari Karakteristik Visual dan Tebal Film Cairan pada Pipa Horizontal
I. D. Arirohman 1,* , A. Z. Hudaya 1,2 , Deendarlianto 1,3 , Indarto 1,3
1 Departemen Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada Jl. Grafika No. 2 Yogyakarta 55281
2 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muria Kudus Gondangmanis, Bae, Kudus 59324
3 Pusat Studi Energi, Universitas Gadjah Mada Sekip K-1A Kampus UGM, Yogyakarta 55281 *e-mail: ilhamd.ari@gmail.com

## Abstract
The  characteristics  of  the  liquid  film  of  the  air-water  stratified  co-current  two-phase  flow  were  investigated experimentally. The inner diameter and the pipe length were 26 mm and 9.5 m respectively. The superficial water and air velocities ranged (0,01 – 0,1) m/s and (4 – 20) m/s, respectively. The liquid film thickness data were obtained by using the developed parallel wire sensors. The results indicated that the averaged liquid film thickness decreases with the increase of the superficial gas velocity. Next, the wave velocity increases with the increase both of gas and liquid superficial velocities
Keywords : Stratified flow, parallel wire, liquid film thickness, horizontal flow.

## Abstrak
Perilaku  aliran  stratified searah horizontal  diteliti  secara eksperimental  dengan menggunakan metode parallel wire dan visual. Eksperimen dilakukan pada pipa akrilik berdiameter 26 mm dan panjang 9,5 m. Beberapa sub pola aliran stratified yang telah dilaporkan oleh peneliti-peneliti sebelumnya dapat teramati dengan melakukan variasi kecepatan superfisial udara (J G ) dari 4 – 20   m/s  dan  kecepatan  superfisial air  (J L )  dari  0,01 – 0,1 m/s.  Ketebalan film  cairan  diukur dengan menggunakan sensor parallel wire , sementara kecepatan gelombang dihitung berdasarkan waktu delay yang diperoleh dari teknik cross correlation . Dari hasil penelitian disimpulkan bahwa ketebalan rerata film cairan menurun seiring meningkatnya J G , sementara kecepatan gelombang secara umum meningkat dengan meningkatnya J G dan J L .
Kata  kunci : Stratified , parallel  wire ,  ketebalan  film  cairan,  kecepatan  superfisial,  kecepatan gelombang

## 1. PENDAHULUAN
Aliran stratified adalah salah satu tipe aliran dua fase yang sering dijumpai dalam industri, misal pada shell - tube heat exchanger , sistem perpipaan minyak, pressurerized water reactor (PWR), dan lainnya. Pada aliran stratified dalam pipa horizontal, kedua fase mengalir secara terpisah. Fase cair mengalir pada bagian bawah, sementara fase gas mengalir pada bagian atas pipa. Aliran stratified adalah jenis aliran yang cukup aman untuk sistem perpipaan karena tidak ada fluktuasi tekanan yang sangat besar yang dapat memicu terjadinya blasting .
Bae dkk. (2017) mengamati karakteristik beberapa sub pola aliran stratified pada saluran kotak  dengan  lebar  40  mm  dan  tinggi  50  mm.  Dari  hasil  penelitiannya  disimpulkan  bahwa kecepatan gelombang antarmuka ( interfacial wave ) meningkat seiring meningkatnya Re g dan Re l .
Sementara menurut penelitian yang dilakukan oleh Hudaya dkk. (2016), kecepatan gelombang antarmuka meningkat dengan bertambahnya kecepatan superfisial udara pada sub pola aliran yang sama.
Peneliti-peneliti  sebelumnya  telah  mengembangkan  beberapa  metode  pengukuran untuk aliran stratified , salah satunya adalah metode konduktansi menggunakan sepasang kawat sejajar  atau  lebih  dikenal  sebagai  metode parallel  wire .  Metode  ini  memanfaatkan  sifat konduktansi  cairan  dan  kawat.  Secara  teoretik,  nilai  resistansi  antara  dua  kawat  sejajar  akan berubah nilainya sebagai fungsi dari ketebalan film cairan yang membasahi kedua kawat. Dengan mengukur  beda  tegangan  listrik  antara  kedua  kawat,  maka  ketebalan film cairan  pada  waktu tertentu  dapat  diperkirakan.  Brown  dkk.  (1978)  menggunakan wire  probes berbahan  platinum berdiameter 0,06 mm dengan jarak spacing antar kawat 3 mm untuk mengukur ketebalan film cairan  dan  mendeteksi  gelombang  gangguan  pada  aliran annular  downward .  Badaruddin  dkk. (2016) juga menggunakan metode ini untuk mengidentifikasi aliran counter-current dengan pola aliran stratified, wavy , dan slug pada pipa hotleg akrilik berdiameter 25,4 mm .
Tujuan  penelitian  ini  adalah  mempelajari  perilaku  ketebalan film cairan  pada  aliran stratified searah horizontal dengan menggunakan metode parallel wire . Parameter kajian meliputi ketebalan film cairan dan kecepatan gelombang.
Gambar 1. Skema alat penelitian

## 2. METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  dilakukan  di  Instalasi  Riset  Aliran  Dua  Fase  Air-Udara,  Laboratorium Mekanika Fluida, Departemen Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada. Eksperimen dilakukan pada kondisi tekanan dan temperatur atmosferik, 1 atm  dan 30 o C. Fluida kerja yang digunakan adalah air kran dan udara. Gambar 1 menunjukkan skema alat penelitian,  air  dan  udara  masuk  ke  pipa  melalui mixer .  Pengamatan  fenomena  aliran stratified dilakukan  secara  visual  dan pengukuran  kuantitatif  dengan menggunakan  sensor paraller  wire . Pada  pipa outlet ,  fluida  air  dan  udara  dipisahkan  dengan  menggunakan  separator.  Udara
dilepaskan ke lingkungan sedangkan air ditampung dalam tangki outlet untuk dialirkan kembali ke tangki inlet .
Sensor parallel wire terdiri dari sepasang kawat sejajar yang terbuat dari tembaga berlapis perak  dengan  diameter  0,51  mm  dan  jarak spacing 5  mm.  Ada  dua  sensor parallel  wire yang dipasang pada pipa akrilik transparan berdiameter 26 mm dan panjang 9,5 m, dengan jarak antar sensor  215  mm.  Sensor  dihubungkan  dengan  sebuah  rangkaian signal  conditioner yang  dicatu dengan sumber listrik DC 12 Volt. Sinyal keluaran dari signal conditioner kemudian dikirimkan ke sistem akuisisi data (DAQ). Pada penelitian ini pengambilan data menggunakan sampling rate 500 sampel/s. Gambar 2 dan 3 menunjukkan sistem pengukuran dengan metode parallel wire .
Gambar 2. Mounting sensor parallel wire pada pipa uji
Gambar 3. Skema sistem pengukuran ketebalan film cairan
Kalibrasi  sensor  dilakukan  dengan  cara  mengukur  sinyal  keluaran  berupa  nilai  beda tegangan listrik pada ketebalan film cairan tertentu, ketebalan diukur menggunakan mikrometer. Kalibrasi  dilakukan  pada kondisi  statis  (tanpa  aliran).  Kemudian,  pengukuran sinyal keluaran dari sensor dilanjutkan dengan menaikkan tebal cairan 1 mm secara bertahap.
Eksperimen ini dilakukan dengan mengalirkan air dan udara secara simultan ke dalam pipa  akrilik.  Kecepatan  superfisial  air  ( J L )  divariasikan  antara  0,01 – 0,1  m/s  dan  kecepatan superfisial udara ( J G ) divariasikan antara 4 – 20 m/s. Pengambilan data beda tegangan dilakukan pada  72  variasi  kecepatan  superfisial  air  dan  udara.  Untuk  mendapatkan  visualisasi  aliran digunakan kamera highspeed Phantom Miro M310.
Data beda tegangan yang diperoleh dari hasil pengukuran kemudian dikonversi menjadi data  ketebalan film cairan menggunakan piecewise  Langrange  interpolation dengan  data  kalibrasi sebagai acuannya. Data ketebalan film selanjutnya dianalisis menggunakan teknik cross correlation untuk mendapatkan waktu delay sinyal dari kedua sensor. Informasi waktu delay digunakan untuk menghitung kecepatan gelombang.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Dalam aliran  dua fase  pada  pipa horizontal  terdapat beberapa jenis  pola aliran  yang bergantung pada kecepatan masing-masing fase. Peneliti-peneliti sebelumnya setidaknya telah mengklasifikasi aliran dua fase horizontal menjadi enam pola aliran, yaitu aliran stratified smooth, stratified wavy, plug, slug, annular, dan dispersed bubble (Taitel dkk., 1978). Chen dkk.. (1997) lebih detail lagi membagi aliran stratified wavy menjadi empat sub pola aliran, yaitu aliran 2-D wave, 3- D wave , roll wave, dan entrained droplet .  Pada penelitian ini, kajian dilakukan untuk mempelajari perilaku ketebalan film cairan dari aliran stratified searah horizontal. Gambar 4 menunjukkan hasil pengamatan visual dan grafik ketebalan film cairan. Sub pola  aliran  yang  telah  disebutkan  oleh  peneliti-peneliti  sebelumnya  berhasil  teramati  dalam penelitian ini. Gambar 4.a mengilustrasikan aliran stratified smooth , yang dicirikan dengan batas antarmuka fase yang relatif datar tanpa adanya gangguan ( flate line ). Jenis aliran ini terjadi pada kecepatan  superfisial  udara  yang  rendah.  Dengan  meningkatnya  kecepatan  superfisial  udara, gelombang  pada  batas  antarmuka  fase  mulai  muncul  akibat  adanya interfacial  instability ,  yaitu terjadi ketidakseimbangan antara energi angin yang diumpankan ke batas antarmuka dan viscous dissipation (Andritsos dan Hanratty, 1987). Gambar 4.b menunjukkan sub pola aliran 2-D wave ditandai dengan adanya gelombang- gelombang teratur dengan ukuran yang kecil dan relatif sama pada batas antarmuka. Lebih jauh lagi, penambahan kecepatan superfisial udara meningkatkan ketidakstabilan di batas antarmuka. Pola aliran bergeser menjadi 3-D wave , gelombang-gelombang yang terbentuk tidak teratur baik ukuran dan jarak antar gelombangnya. Menurut Chen  dkk. (1997) pada pola aliran ini terjadi wave spreading effect, yaitu ketika fase cair menaiki dinding dalam pipa dan membentuk kurvatur pada batas antarmuka yang dekat dengan dinding pipa. Sub pola aliran 3-D wave ditunjukkan pada Gambar 4.c.
Aliran 3-D wave dapat berkembang menjadi aliran roll wave ketika kecepatan superfisial udara dan/atau air dinaikkan. Aliran ini ditandai dengan adanya gelombang yang menggulung serta beberapa gelembung udara yang terperangkap di sekitarnya. Terjadi lonjakan ketebalan film cairan  pada  aliran roll  wave yang  lebih  besar  daripada  aliran  3-D wave .  Menurut  Hudaya  dkk. (2016) pada aliran roll wave, shear stress yang searah aliran meningkat dan menekan cairan sehingga liquid holdup -nya turun, namun karena liquid discharge tetap sama maka akan terjadi lonjakan liquid holdup tiba-tiba pada daerah tertentu di dalam aliran. Gambar 4.d mengilustrasikan sebuah sub pola aliran roll wave .
Lin  dan  Hanratty  (1987) mengusulkan sub  pola  aliran pseudo-slug. Aliran ini  teramati pada  daerah  transisi  antara  aliran stratified dan slug .  Pada  aliran  ini  terjadi  fenomena  dimana puncak gelombang mencapai bagian atas pipa dan menyebabkan blockage pada aliran walaupun
hanya  sesaat.  Gambar  4.e  adalah  visualisasi  dari  sub  pola  aliran pseudo-slug .  Gambar  4.f menunjukkan sub pola aliran entrained droplet . Aliran ini teramati pada kecepatan superfisial udara > 14 m/s dan kecepatan superfisial air > 0,02 m/s. Aliran ini dicirikan dengan adanya droplet cairan yang lepas dari batas antarmuka dan terbawa aliran udara. Ketika kecepatan superfisial udara dinaikkan pola aliran akan bertransisi menjadi aliran annular (Gambar 4.g). Ketebalan rerata film cairan akan menurun saat J G dinaikkan. Desakan udara terhadap batas  antarmuka  menyebabkan  terjadinya wave  spreading  effect .  Ketebalan  rerata film berkurang karena sebagian volume air mulai menyebar dan menaiki dinding di bagian samping. Kondisi ini terus  berlangsung  hingga  keseluruhan  bagian  dinding  pipa  terlapisi  cairan,  pada  kondisi  ini lapisan film cairan  berbentuk  seperti  cincin  dan  disebut  sebagai  aliran annular. Perubahan ketebalan rerata film cairan terhadap J L dan J G ditunjukkan Gambar 5. Gambar 6.a adalah tipikal grafik dari fungsi cross correlation terhadap shift time . Waktu delay adalah nilai shift  time dimana  fungsi bernilai maksimum. Gambar 6.b  adalah grafik  hubungan antara kecepatan gelombang dengan kecepatan superfisial udara dan air. Kecepatan gelombang dihitung dengan membagi jarak antar sensor dengan waktu delay yang sudah diperoleh dengan teknik cross correlation .
a. Stratified smooth ( J L = 0,02 m/s; J G = 4 m/s)
b. 2-D wave ( J L = 0,03 m/s; J G = 5 m/s)
c. 3-D wave ( J L = 0,03 m/s; J G = 9 m/s) flate line reguler wave irreguler wave roll wave smooth interface small disturbance fluctuative amplitude
d. Roll wave ( J L = 0,075 m/s; J G = 5 m/s)
e. Pseudo-Slug ( J L = 0,1 m/s; J G = 4 m/s)
f. Entrained droplet ( J L = 0,075 m/s; J G = 14 m/s)
g. Annular ( J L = 0,075 m/s; J G = 20 m/s)
Gambar 4. Visualisasi sub pola aliran dan grafik ketebalan film cairan dalam domain waktu
Dapat dilihat pada grafik bahwa secara umum kecepatan gelombang meningkat seiring dengan meningkatnya kecepatan superfisial air dan udara. Hasil ini sama dengan apa yang telah dilaporkan Bae dkk. (2017) untuk aliran stratified pada saluran kotak 40 mm × 50 mm. Namun ada  hasil  yang  sedikit  berbeda  yaitu  pada J L =  0,075  m/s  dan  0,1  m/s  pada J G =  4  m/s,
aerated bubble blockage aerated bubble droplet roll wave Hydraulic jump supercritical flow relatively high frequency wave high  frequency  and  small amplitude wave
kecenderungan kecepatan gelombang menurun terhadap kenaikan J G hingga nilai J G = 8 m/s, kemudian  kecepatan  gelombang  meningkat  terhadap  kenaikan J G . Hal  ini  disebabkan terbentuknya  aliran pseudo-slug pada J L yang  tinggi  dan J G yang  rendah.  Kecepatan  gelombang dapat cukup tinggi karena gas tersumbat sehingga gradien tekanan naik dan memberikan gaya dorong yang cukup besar pada gelombang di depannya (Rahmandhika, 2018).
Gambar 5. Perubahan ketebalan rerata film cairan terhadap J L dan J G (a) 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0 5 10 15 20 h L /D J G (m/s) JL = 0.01 m/s JL = 0.02 m/s JL = 0.03 m/s JL = 0.04 m/s JL = 0.05 m/s JL = 0.075 m/s JL = 0.1 m/s SS 2D 3D SR ED A PS SS = Stratified Smooth 2D = Stratified 2D wave D = Stratified 3D wave 3 SR = Stratified Roll PS = Pseudo Slug ED = Entrained Droplet A    = Annular 2.48 s 0.62 s 0.20 s -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 5 10 15 20 25 30 Cxx shift time (s) JG = 5 m/s JG = 6 m/s JG = 14 m/s D = 26 mm; JL = 0,02 m/s
(b)
Gambar 6. ( a) Fungsi cross correlation (b) Pengaruh J L dan J G terhadap kecepatan gelombang

## 4. KESIMPULAN
Metode parallel wire dapat digunakan untuk mengukur ketebalan film cairan pada aliran stratified searah horizontal. Ketebalan rerata film cairan menurun seiring meningkatnya kecepatan superfisial  udara.  Sementara  kecepatan  gelombang  secara  umum  meningkat  dengan meningkatnya kecepatan superfisial udara dan air. Kecepatan gelombang pada aliran pseudo-slug cukup tinggi walaupun nilai J G rendah dikarenakan adanya mekanisme blockage aliran udara.
0 1 2 3 4 0 5 10 15 20 25 c (m /s ) J G (m/s) JL = 0.01 m/s JL = 0.02 m/s JL = 0.03 m/s JL = 0.04 m/s JL = 0.05 m/s JL = 0.075 m/s JL = 0.1 m/s Present work Bae, et al. (2017) JL =0,0083 m/s JL =0,0163 m/s JL =0,0245 m/s JL =0,0404 m/s JL =0,0638 m/s

## 5. DAFTAR PUSTAKA
Bae,  B.,  Ahn,  T.,  Jeong,  J.,  Kim,  K.,  Yun,  B.,  Characteristics  of  an  Interfacial  Wave  in  a Horizontal Air-Water Stratified Flow, International Journal of Multiphase Flow, Vol.
97 (2017) pp. 197-205.
Hudaya,  A.Z.,  Kuntoro,  H.Y.,  Dinaryanto,  O.,  Deendarlianto,  Indarto,  Experimental Investigation on the Interfacial Characteristics of Stratified Air-Water Two-Phase Flow in a Horizontal Pipe, AIP Coonference Proceedings 1737 (2016), 040012-1 – 040012- 10.
Brown, R. C., Andreussi, P., Zanelli, S., The Use of Wire Probes for The Measurement of Liquid Film Thickness in Annular Gas-Liquid Flows, The Canadian of Chemical Engineering, Vol. 36 (1978) pp. 754-757.
Badarudin, A., Arman, M., Interpretasi Hasil Pengukuran Tebal Cairan pada Aliran Dua Fase Udara-Air  Berlawanan  Arah  Menggunakan  Metode  Parallel-Wire  dalam  Pipa Kompleks, Prosiding Seminar Nasional XI STTN Yogyakarta, (2016) pp. 369-374.
Taitel, Y., Lee, N., Dukler, A.E., Transient Gas-Liquid Flow in Horizontal Pipes : Modeling
The Flow Pattern Transitions, AIChE Journal, Vol. 24, No. 5 (1978) pp. 920-934. Chen, X.T., Cal, X. D.; Brill, J. P., Gas-Liquid Stratified-Wavy Flow in Horizontal Pipelines, Journal of Energy Resources Technology, Vol. 119 (1997) pp. 209-216. Andritsos, N., Hanratty, T.J., Interfacial instabilities for horizontal gas-liquid flow in pipelines. International Journal of Multiphase Flow, Vol. 13 (1987) pp. 583-603. Lin,  P.Y.,  Hanratty,  T.J.,  Effect  of  Pipe  Diameter  on  Flow  Patterns  for  Air-Water  Flow  in Horizontal Pipes, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 13, No. 4 (1987) pp. 549-563.
Rahmandhika, A, Studi Eksperimental Mengenai Transisi Aliran Stratified ke Slug pada Aliran Dua Fasa Air-Udara dalam Pipa Horizontal, Tesis, Universitas Gadjah Mada, 2018.