## SIMULASI NUMERIK TERBENTUKNYA REATTACHMENT LENGTH TERHADAP PERUBAHAN TINGGI OBSTACLE PADA TEE DUCT
Priyo Agus Setiawan 1 , Arief Subekti 2
1,2 Jurusan Teknik Mesin Perkapalan Politeknik Perkapalan Negeri  Surabaya Jl. Teknik Kimia Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya.
E-mail 1 : priyo.as@ppns.ac.id

## Abstrak
Simulasi  Numerik  digunakan  untuk  melihat  fenomena  aliran  melintasi  tee  duct dengan  menggunakan  viscous  turbulence  model  Reliazible  k-epsilon. Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah dengan menggunakan simulasi numerik untuk mengkaji karakteristik aliran melintasi tee duct berukuran sisi inlet 1 meter, panjang sisi keluar 1 meter dan ukuran duct 0,15 m x 0,15 m. Pada studi ini, akan dipasang obstacle pada tee duct dengan penambahan variasi tinggi obstacle  (t/D) pada  sisi tee  duct  t/D  =  0,5 dan 1 dengan  menggunakan asumsi  dalam  keadaan  steady  flow,  incompressible  flow.  Prosedur simulasi  numerik  mengacu  dari  ten  element  policy. Simulasi  numerik  dengan  menggunakan  viscous  turbulence  model tipe Realizable  k-  (RKE) yang sesuai untuk melihat fenomena reattachment dan diskritisasi menggunakan Second Order Upwind. Hasil menunjukkan bahwa reattachment length semakin menurun dengan meningkatkanya ketinggian obstacle yaitu pada t/D = 1 dibanding tanpa obstacle.
Kata kunci - tee duct, obstacle, k- ε turbulence model, second order upwind

## Abstract
Numerical simulation is used to view flow phenomena across the tee duct by using the viscous turbulence model Reliazible k-epsilon. The method used in this research is to use numerical simulation to study the flow characteristics across the tee duct measuring the inlet side of 1 meter, the outlet length of 1 meter and the duct size 0.15 m x 0.15 m. In this study, obstacle will be placed on the tee duct by adding a high variation of obstacle (t / D) on the tee duct t / D = 0,5 and 1 by assuming steady flow, incompressible flow. Numerical simulation procedure refers to ten element policy. Numerical simulation using viscous  turbulence  model  Realizable  k-   (RKE)  type  is  suitable  for  viewing  reattachment  and  discrete  phenomena  using  Second  Order  Upwind.  The results show that the reattachment length decreases with increasing the height of the obstacle at t / D = 1 compared without obstacle.
Keywords - tee duct, obstacle, k- ε turbulence model, second order upwind
1. PENDAHULUAN Pada
bidang perpipaan mengalami perkembangan  teknologi  yang  begitu  pesat. Bentuk  penampang  persegi  disebut  dengan duct. Salah satu usaha dalam memperbaiki performansi bidang  perpipaan  telah  banyak  dilakukan. Penelitian  tentang backward  facing  step yang memiliki bentuk geometri  yang  sederhana dan populer digunakan untuk mengevaluasi  model turbulen  aliran  yang  terseparasi. Penelitian tentang Backward  facing  step telah  dilakukan secara  eksperimen[1]. Perbandingkan  prediksi hasil  simulasi numerik  dengan  berbagai  jenis turbulence  model terhadap  data eksperimen[3]. Penerapan backward facing step pada wall,  yang dihubungkan dengan aliran turbulen secara umum seperti  pada  pipa,  kanal, bodi  dan  sayap  pesawat serta bidang perkapalan[3].
Studi  numerik  mengenai Standard  wall function didasarkan  pada  proposal of  Launder and  Spalding[4].  Penelitian  sebelumnya  yang dilakukan  adalah  secara  eksperimen  dengan mengukur coefficient  pressure  (C p ), skin friction  (C f ),  profil  kecepatan  dan  vektor kecepatan  di  daerah recirculation  flow namun pengembangan penelitian Driver and seegmiller  sebagai  pembanding  hasil  simulasi numerik  dan  ekperimen  terhadap  aliran  yang melewati backward  facing  step[3].  Metode numerik  yang  digunakan pada  penelitian adalah model viscous dasar persamaan Reynolds  Average  Navier  Stoke [6] yang dikomparasikan  terhadap hasil  eksperimen. Kajian  simulasi  numerik yang dilakukan dengan  menggunakan near  wall  treatment methods dan  berbagai viscous  turbulence models terhadap coefficient  pressure,  skin
friction,  profil  kecepatan  dan  distribusi  vektor kecepatan di daerah corner[3].
Studi ini  akan  melakukan investigasi dalam bentuk  konfigurasi  geometri obstacle diletakkan pada tee  duct terhadap  fenomena  aliran yang melintasi tee  duct dengan  metode  simulasi numerik yang menggunakan viscous  turbulence model realizable  kepsilon dengan standard  wall function. Salah satu sistem perpipaan yang sangat banyak  digunakan  adalah tee  duct.  Pada penelitian  ini  adan  dilakukan modifikasi  dengan meletakkan obstacle pada  sisi tee  duct. Obstacle yang terpasang pada sisi tee merupakan salah satu jenis deflector dengan  tujuan  agar  dapat membantu aliran menuju  outlet  sehingga mengurangi  stagnasi  yang  diakibatkan  oleh tee. Pemasangan obstacle pada  sisi tee  duct sebelum daerah recirculation flow atau inlet pada tee duct diharapkan mampu  membuat  aliran terarah. Perubahan tinggi obstacle (t/D)  yang  dipasang pada tee  duct,  diduga  mampu  meningkatkan aliran  menjadi  lebih terarah  dan  mengurangi aliran  yang  berhenti  mendadak  pada  tee  duct sehingga mampu mempersempit daerah recirculation  flow,  dengan  melihat  lokasi  dan reattachment length.
Dari latar belakang tersebut, tee duct memiliki reattachment  length yang  besar  akibat  belokan yang  mendadak  dan  terjadinya stagnasi pada tee duct.  Tujuan  dari  studi  ini  adalah  untuk mengurangi reattachment length dengan menambahkan obstacle pada tee  duct agar  aliran akan diarahkan menuju outlet. Pada studi ini akan diamati kinerja tee  duct akibat  perubahan diameter tinggi obstacle (t/D) 0,5  dan  1. Penelitian  ini menggunakan  simulasi  numerik dengan tipe turbulence model Realizable kepsilon (RKE) dan diskritisasi  menggunakan Second Order Upwind.

## 2. METODE
Freitas membahas mengenai isu ketidakpastian mengenai numerik sehingga menghasilkan sebuah  pedoman  kebijakan  dalam  melakukan pentahapan simulasi numerik. Conference menghasilkan ten element policy yaitu: a. Penjelasan metode yang digunakan.
b. Minimal second order. c. Artificial viscosity seperti Reynolds Average Navier Stoke (RANS), LES (Large Edy Simulation) dan lain-lain.
d. Grid independence. e. Iterative convergence.
f. Untuk kalkulasi transient, kesalahan dinilai dan diminimumkan.
g. Boundary dan initial condition
h. Jenis turbulence model yang digunakan
i. Bencmark solution
j. Validasi dengan eksperimen
Penelitian  Driver  and  seegmiller,  meneliti tentang Backward  facing  step yang  memiliki geometri yang sangat sederhana dan merupakan  geometri  yang  sangat  populer digunakan untuk mengevaluasi model turbulen untuk aliran yang terseparasi. Backward facing step telah diteliti secara eksperimen[1].
Prediksi  hasil  simulasi turbulence  model terhadap  data  eksperimen.  Aplikasi backward facing  step pada wall yang  dihubungkan dengan  aliran  turbulen  umumnya  seperti  pada pipa,  kanal  dan  melintasi  bodi  dan  sayap pesawat dan sekitar kapal[1][3].

## Gambar 1. Back ward Facing Step[1]
Pada  Gambar  1 menujukan  penelitian [3] tentang terbentuknya reattachment point terhadap perubahan sudut kemiringan pada sisi atas  secara  2  dimensi[3]. Melakukan  variasi kemiringan  sisi  atas  pada  sudut  kemiringan  0 o dan 6 o . Terbentuknya recirculation zone terjadi akibat aliran  melintasi  area  yang  semakin membesar  secara  tiba-tiba  dan  aliran  akan
kembali  ke  kontur  yang  disebut  dengan reattachment point.
Gambar 2. Velocity pro ﬁles pada x/H = 10 dan x/H = 20
Profil  kecepatan  diprediksi  dengan  metode near-wall  treatment, menunjukkan  pada  Gambar 2  untuk  0 o wall-angle,  hampir  identik  dengan yang  lainya  dan  dengan  pengukuran  secara eksperimen. Profil kecepatan di inlet diasumsikan fully  developed dengan  kecepatan  44.2  m/s. Untuk  perbandingan,  dalam  eksperimen  dari[1], kondisi  inlet  adalah  dengan  kecepatan  sebesar 44.2  m/s  and  diameter  sebesar  0.019  m.  Pada Gambar  2  menunjukkan velocity  vectors di corner dengan  0 o wall-angle.  Seperti  yang ditunjukkan  pada  Gambar, recirculation diamati dalam  eksperimen  yang  dicapture  dengan menggunakan  metode near-wall  treatment.  SKE, RNG  dan  RKE  models  telah  gagal  untuk menampilkan recirculation ketika  dikomputasi dengan wall  functions.  Namun  dengan SKW  and SST models dikomputasi dengan mesh untuk wall functions mampu menampilkan recirculation.

## Tabel 1. Komparasi reattachment length
Tabel  1  menunjukan  hasil  riset  simulasi numerik  kim dkk,  2005  yang  melakukan
komparasi terhadap eksperimen yang dilakukan seegmiller, 1985. Prediksi reattachment lengths yang
ditunjukkan  dengan  menggunakan turbulence models dan  near-wall  treatment  methods  yang diukur  dengan  nilai[1]. Pada  tabel  1  diperoleh prediksi reattachment lengths dengan standard wall  functions pada  keadaan under-predicted 7.3 – 28%  tanpa  memperhatikan  penerapan turbulence  model untuk  0 o dan 6 o wall-angles. Untuk  kasus  pengerjaan non-equilibrium  wall functions,  RNG  dan  RKE  models  diprediksi reattachment lengths dalam 2.4% dari pengukuran  untuk  0 o dan  6 o wall-angles. Namun,  SKE  dan  RSM models denga non- equilibrium  wall  functions dalam  kondisi reattachment underpredicted untuk kedua wall angle dengan  7.3 – 22%. two-layer  model dengan  kondisi reattachment  length yang dibawah  prediksi  (under-predicted)  untuk kasus  dengan  SKE  dan  RSM  8.1 – 16%  untuk 0 o dan  6 o wall-angles.  Untuk  RNG  dan  RKE dengan two layer  model, reattachment  lengths diatas  prediksi  pengukuran  (over-predicted) dengan  nilai  3.0 – 7.8%  untuk  kedua wall- angles.
SKW model dikomputasi  dengan  mesh wall functions menghasilkan  diatas  prediksi  (over- predicted)  dengan  8.6 – 14%  untuk  0 o dan  6 o wall-angles.  Namun,  SST model dikomputasi dengan mesh wall functions dipredisi reattachment  length sekitar  2.4%  untuk  kedua wall-angle.  ketika  SKW model dikomputasi dengan  mesh two-layer  model,  hasil  dari reattachment  length terjadi  diatas  prediksi (over-predicted)  dengan  21%  untuk  kedua wall-angle.  SST model yang  dikomputasi dengan mesh untuk two-layer model menghasilkan over-predicted dengan  4.6 –
16% untuk kedua wall-angle.

## 2.1 Geometri tee duct
Penelitian  ini  akan  dilakukan  variasi obstacle  yaitu  tanpa obstacle, obstacle t/D sebesar  0,5 dan  1.  Obstacle  ditempatkan  pada tee duct seperti pada Gambar 3.
a) b) c) d)
Gambar 3. a) tee duct, b) tanpa duct, c) obstacle t = 7,5 cm dan d) obstacle t = 15 cm.

## 2.2 Simulasi numeric
Domain  simulasi numerik  pada tee  duct yaitu inlet (velocity  inlet), outlet (pressure  outlet), tee duct (wall) seperti  yang  ditunjukkan  pada Gambar  4.  Diameter hidraulic pada duct ukuran 15  cm  x  15  cm  dihitung  dengan  persamaan sebagai berikut;
Inputan  simulasi  pada program Ansys untuk inlet dan outlet dengan  menggunakan  nilai Turbulence  Intensity (TI)  sebesar  0,1%  dan Diameter  hidraulic (D h )  sebesar  0,15  m  dengan aliran yang steady flow.

## Gambar 4. Domain Simulasi

## 3. HASIL  DAN  PEMBAHASAN
Penelitian  dengan  mengggunakan  studi numerik, dimana fluida  melintasi  pipa duct berukuran 0,15 m  x 0,15 m dengan  kecepatan fluida 2 m/s dan 4 m/s pada Reynolds numbers (Re)  1,913×10 4 - 5,74×10 4 .  Aliran  pada duct adalah  turbulen dengan dimensi panjang inlet pada domain simulasi sebesar 1 m dan panjang oulet simulasi  sebesar  1  m.  Fluida  udara memiliki density (ρ) 1,2647 kg/m 3 dan dynamic viscosity (µ) 1,983  x  10 -5 kg/m-s. Studi  ini dengan menambahkan sirkular bump pada pipa inlet dengan temperatur kerja sebesar 300K. Penelitian ini menginvestigasi perkembangan terbentuknya reattachment length secara kualitatif dengan melihat velocity contour pada  tee  duct  yang  dipasang obstacle dengan  tinggi  (t/D)  sebesar 0,5  dan  1.  Hasil perkembangan pembentukan reattachment length pada  kecepatan  2  m/s  ditunjukkan seperti  pada  Gambar  5 dan  pada  kecepatan  4 m/s yang ditunjukkan pada Gambar 6.
Inlet (Velocity inlet) Outlet (outflow) Outlet (outflow) 0,1 m 0,15 m 0,1 m 0,1 m duct (wall)
a)
b)
c)
Gambar 4. Velocity contour pada tee duct a) tanpa obstacle, b) obstacle t/D = 0,5 dan c) obstacle t/D = 1 pada kecepatan angin 2 m/s.
Perkembangan  pembentukan reattachment length pada  tanpa obstacle menunjukkan terjadinya titik stagnasi pada tee duct dan aliran dari inlet menabrak tee  duct sehingga  akan menyebabkan  timbulnya recirculation pada setelah belokan tajam  pada tee  duct. Titik stagnasi  ditandai  dengan  kecepatan  rendah yang  mendekati  nol dan secara  kualitatif terlihat warna  biru pada  posisi  tepan  pada tee duct. Aliran  yang  melintasi  setelah tee  duct mengalami recirculation  zone seperti  yang ditunjukkan pada gambar. Kembalinya lintasan fluida  ke  kontur  dinding duct disebut  dengan reattachment. Pada Gambar 4 untuk kecepatan inlet  sebesar  2  m/s,  menunjukkan  bahwa reattachment  length semakin  pendek  dengan memasang obstacle pada tee.  Optimum tee duct terjadi pada t/D obstacle sebesar 1.
Pada Gambar 5 menunjukkan perkembangan pembentukan reattachment length pada  kecepatan  4  m/s. Fenomena  aliran melintasi tee  duct sama  dengan  kecepatan  2 m/s,  dimana  hasil  yang  mampu  menurunkan reattachment  length terjadi  pada  ketinggian obstacle t/D sebesar 1.
a)
Titik stagnasi Recirculation zone Reattachment point
b)

## c)
Gambar 5. Velocity contour pada tee duct a) tanpa obstacle, b) obstacle t/D = 0,5 dan c) obstacle t/D = 1 pada kecepatan angin 4 m/s.

## 4. KESIMPULAN
Hasil studi numerik menunjukkan bahwa reattachment  length semakin  menurun  dengan meningkatkanya  ketinggian obstacle yaitu  pada t/D = 1 dibanding tanpa obstacle.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan  terima  kasih saya  berikan  kepada 2 Jurusan  Teknik  Mesin  Perkapalan  Politeknik Perkapalan  Negeri    Surabaya yang  sudah memberikan dukungan. Kepada sumber- sumber  referensi  yang  mendukung  dalam penulisan jurnal ini.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Driver,  D.M  and  seegmiller,  H.,  L., Backward-facing step with inclined opposite wall- experiments by driver and seegmiller, 1985a, www.URL http://cfd.me.umist.ac. uk/ercoftac [2003, Jan 31]. [2] Freitas,  C.  J,  “The  issue  of  numerical uncertainty”, Second Internasional Conference on CFD in  the  Minerals  and  Proses Industries  CSIRO,  Melbourne, Australia. 6-8 Desember 1999. [3] Kim.  J.,  Y,  Ghajar  .A.J,  Tang.  C  and Foutch.G.L, ‘Comparison of near - wall  treatment  methods  for  high Reynolds number backward- facing  step  flow”,  International
Journal  of  Computational  Fluid Dynamics,  Vol.  19,  No.  7, October 2005, 493 – 500. [4] Launder  BE  and  spalding,  DB,  The numerical computation of turbulent  flows.  Comp.  Meth. Apll.  Mech.  Eng.,  1974,3,  269- 289. [5] Tuakia. F. 2008. Dasar-dasar Computational  Fluid  Dynamics (CFD) menggunakan Fluent, Informatika Bandung. [6] Veesteeg,  H.,K,  Malalasekera.  W,  An Introduction  to  Computational Fluid Dynamics,
Longman sciences & technical, 1995.