Journal of Mechanical Design and Testing 3(2), (2021), 118-132 DOI: https://doi.org/10.22146/jmdt.v3i2.66408 e-ISSN: 2685-8029, ISSN: 2716-1293

## Studi CFD mengenai Pengaruh Sifat Fisis Fluida terhadap Karakteristik Counter-Current Flow Limitation pada Pipa Horizontal
A S. Pratama * , Indarto dan Deendarlianto
Departemen Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada. Jl. Grafika No. 2, Kompleks UGM, Yogyakarta 55281, Indonesia *E-mail: andhika.s.p@mail.ugm.ac.id

## Abstrak
Tujuan penelitian ini ialah untuk mempelajari pengaruh densitas cairan, viskositas cairan, dan densitas gas terhadap karakteristik counter current flow limitation atau flooding pada pipa horizontal. Analisis  numerik  dilakukan  menggunakan software CFD  Ansys  Fluent  2020  R2 student  version dengan  menerapkan  model volume  of  fluid (VOF).  Aparatus  penelitian  yang  digunakan  ialah geometri pipa hot leg reaktor PWR tipe German Konvoi skala 1/30 yang terdiri dari reactor pressure vessel, pipa hot leg, dan steam generator . Pipa hot leg yang digunakan memiliki diameter dalam D = 25,4 mm dan panjang pipa horizontal L = 635 mm (L/D = 25). Cairan yang digunakan ialah air, kloroform, larutan gliserin 10%, dan propil asetat, sedangkan gas yang digunakan ialah udara dan uap air. Hasil penelitian menunjukkan bahwa peningkatan densitas cairan menyebabkan peningkatan kecepatan superficial flooding gas, serta menyebabkan pergeseran hydraulic jump dan locus of slugging menjauhi belokan. Hasil dari peningkatan viskositas cairan menunjukkan pola yang berkebalikan dibandingkan hasil dari peningkatan densitas cairan. Penurunan densitas gas menyebabkan flooding terjadi pada kecepatan superficial gas yang lebih tinggi, serta menyebabkan pergeseran hydraulic jump dan locus of slugging menjauhi belokan.
Kata kunci : Counter-current flow limitation, Sifat fisis fluida, Computational fluid dynamics.

## Abstract
The purpose of this research was to study the effect of liquid density, liquid viscosity, and gas density on the characteristics of counter-current flow limitation or flooding in horizontal pipes. Numerical analysis was carried out using CFD software Ansys Fluent 2020 R2 student version by applying the volume of fluid (VOF) model. The research apparatus used was the geometry of 1/30 downscale of PWR hot leg pipe of the German Convoy type reactor which consisted of a reactor pressure vessel, hot leg pipe, and a steam generator. The inner diameter of the hot leg pipe was D = 25,4 mm and the length of the horizontal pipe was L = 635 mm (L/D = 25). The liquids used were water, chloroform, 10% glycerin solution, and propyl acetate, while the gases used were air and water vapor. The results showed that an increase in liquid density caused an increase in the gas superficial flooding velocities, as well as a shift in the hydraulic jump and locus of slugging away from the bend. The result of increasing the viscosity of the liquid showed the opposite pattern compared to the result of increasing the density of the liquid. The decrease in gas density caused flooding to occur at higher superficial gas velocities and caused a shift in the hydraulic jump and locus of slugging away from the bend.
Keywords : Counter-current flow limitation, Fluid properties, Computational fluid dynamics.

## 1. PENDAHULUAN
Pada pressurized water reactor (PWR), coolant pada siklus primer berfungsi sebagai media pemindah kalor dari bahan bakar nuklir di reactor pressure vessel (RPV) menuju feedwater pada sistem sekunder.  Perpindahan  kalor  ini  terjadi  di  steam  generator  (SG).  Kalor  yang  diterima  oleh feedwater akan menyebabkan feedwater berubah fase menjadi uap. Uap tersebut digunakan untuk memutar turbin dan generator listrik. Pada kondisi operasi normal, coolant dijaga pada fase cair pada tekanan sekitar 15 MPa (Deendarlianto et al., 2012). Ketika terjadi kebocoran pada sistem primer, tekanan pada sistem primer akan mengalami penurunan. Ketika tekanan sistem primer lebih  rendah  dibandingkan  tekanan  saturasi coolant , coolant akan  mengalami  perubahan  fase menjadi  uap.  Kondisi  ini  disebut  sebagai loss-of-coolant  accident (LOCA).  Uap  akan  mengalir menuju steam generator ketika level coolant di reactor pressure vessel lebih rendah dibandingkan hot leg . Uap akan mengembun di steam generator dan sebagian kondensat akan mengalir menuju reactor pressure  vessel .  Aliran  uap  dan  kondensat  yang  berrsifat  berlawanan  arah  ini  membentuk konfigurasi  aliran  dua  fase  cair-gas  berlawanan  arah  ( counter-current  liquid-gas  two  phase  flow ). Keberadaan konfigurasi aliran ini membentuk proses pendinginan reflux condensation yang hanya dapat stabil pada kecepatan cairan dan gas tertentu.  Ketika kecepatan aliran uap meningkat, aliran kondensat menuju RPV akan berkurang dan sebagian kondensat akan mengalir kembali menuju  SG.  Fenomena  ini  disebut  sebagai counter-current  flow  limitation (CCFL)  atau flooding (Deendarlianto  et  al.,  2011).  Konfigurasi  aliran  dua  fase  berlawanan  arah  pada siklus  primer PWR ditampilkan pada Gambar 1 .
Gambar 1. Fenomena aliran dua fase cair-gas berlawanan arah ketika terjadi LOCA pada PWR (Seidel et al., 2011)
Salah satu parameter yang mempengaruhi karakteristik flooding ialah sifat fisis fluida ( fluid properties ). Terkait dengan surface tension , Suzuki dan Ueda (1977) menemukan bahwa kecepatan flooding gas mencapai nilai maksimum ketika nilai surface tension mendekati 0,05 N/m. Ousaka et al. (2006) dan Deendarlianto et al. (2010) melakukan penelitian dengan cara memvariasikan surface  tension sembari  menjaga  densitas  dan  viskositas  cairan  pada  nilai  yang  konstan  dan menemukan bahwa peningkatan surface tension menyebabkan peningkatan kecepatan flooding gas. Hasil yang serupa juga ditemui oleh Pantzali et al. (2007) walaupun pengaruh surface tension yang ditemukan lebih kecil dibandingkan viskositas cairan. Mouza et al. (2005) menemukan bahwa surface tension memiliki stabilizing effect pada permukaan cairan. Terkait dengan viskositas cairan, Kinoshita  et  al.  (2011)  menemukan  bahwa  peningkatan  viskositas  cairan  menyebabkan
penurunan  kecepatan superficial  flooding  gas dan  pengaruh  viskositas  tidak  ditemukan  pada kecepatan superficial cairan  yang  rendah.  Penurunan  kecepatan superficial  flooding  gas akibat peningkatan  viskositas  cairan  juga  ditemukan  oleh  Pantzali  et  al.  (2007)  dan  Prayitno  et  al. (2012), tetapi hasil yang berkebalikan ditemukan oleh Suzuki dan Ueda (1977).
Ohnuki (1986) melakukan penelitian dengan menggunaan kombinasi fluida air-udara dan air-uap air dan memperoleh hasil yang mana tidak ditemukannya perbedaan grafik flooding antara kombinasi fluida air-udara dan air-uap air. Berdasarkan hal tersebut, disimpulkan bahwa kombinasi fluida tidak mempengaruhi grafik flooding . Zapke dan Kroeger (1996) memperoleh hasil yang berbeda yang mana densitas fluida memiliki pengaruh yang lebih besar dibandingkan surface tension dan viskositas cairan untuk pipa vertikal. Hasil literature review menunjukkan bahwa terdapat beberapa hasil penelitian yang saling berkebalikan.  Hal  ini  dapat  disebabkan  oleh  penelitian  mengenai  sifat  fisis  fluida  belum dilaksanakan secara sistematis, yaitu dengan menjaga sifat fisis fluida yang lain konstan ketika salah satu sifat fisis fluida diteliti. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari pengaruh densitas cairan, viskositas cairan, dan densitas gas terhadap karakteristik CCFL pada pipa horizontal. Penelitian  mengenai surface  tension  yang telah  dilakukan  oleh  Ousaka  et  al.  (2006)  dan Deendarlianto  et  al.  (2010)  bersifat  sistematis  sehingga surface  tension tidak  dibahas  dalam penelitian ini. Pembahasan mengenai pengaruh densitas cairan akan dilakukan terlebih dahulu, diikuti oleh pembahasan mengenai pengaruh viskositas cairan dan densitas gas. Pada masing- masing bagian, grafik CCFL akan dibahas terlebih dahulu. Selanjutnya, pembahasan dilakukan terhadap proses terjadinya flooding melalui visualisasi pola aliran dan pengaruh flooding terhadap pressure difference antara RPV dan SG, kecepatan superficial delivered cairan, dan volume cairan yang memasuki RPV. Selanjutnya, pembahasan akan dilakukan terhadap locus of slugging dan diakhiri dengan  penjelasan  mengenai  bagaimana  sifat-sifat  fisis  fluida  tersebut  mempengaruhi karakteristik CCFL.

## 2. METODE PENELITIAN
Geometri yang digunakan pada penelitian ini adalah geometri pipa hot leg reaktor PWR tipe German Konvoi skala 1/30. Simulasi dilakukan secara tiga dimensi. Aparatus penelitian ini terdiri dari re actor pressure vessel, hot leg, dan steam generator . Hot leg tersusun dari pipa horizontal dan  belokan.  Dimensi  yang  digunakan  pada  penelitian  ini  mengacu  pada  aparatus  yang digunakan pada penelitian Badarudin (2018). Hot leg memiliki diameter dalam D = 25,4 mm dengan panjang pipa horizontal L = 635 mm (L/D = 25). Sudut kemiringan hot leg (dihitung dari  sudut  antara  pipa horizontal  dengan  sumbu  horizontal)  yang  digunakan  ialah  θ  =  0°. Belokan memiliki sudut β = 50° dengan radius dalam dan luar masing -masing 67,3 mm dan 97,2 mm. Grid awal  yang  digunakan  pada  penelitian  ini  berjumlah  72.511 cells dengan grid pada penampang hot  leg berjumlah  329 cells .  Penelitian  yang  dilakukan  Kinoshita  et  al.  (2011)  dan Murase et al. (2012) menunjukkan bahwa grid dengan rentang ukuran 59.000 hingga 120.000 cells cukup  untuk  digunakan  pada  simulasi  CCFL. Grid  independence  test dilakukan  dengan meningkatkan jumlah cell menjadi 1,5 kali jumlah cell awal (108.094 cells ). Geometri dan grid yang digunakan pada penelitian ini ditampilkan pada Gambar 2 .
Gambar 2. Geometri bagian hot leg reaktor PWR tipe German Konvoi skala 1/30 (mengikuti aparatus penelitian Badarudin (2018)) dan grid komputasi
Cairan diinjeksikan melalui bagian bawah SG dan gas diinjeksikan melalui bagian atas RPV.  Cairan  dan  gas  keluar  dari  aparatus  penelitian  melalui outlet yang  terletak  pada  bagian bawah SG dibalik baffle . Boundary condition yang digunakan pada lokasi penginjeksian cairan dan gas ialah velocity inlet dan boundary condition yang digunakan pada keluaran cairan dan gas ialah pressure outlet . Dinding aparatus dimodelkan sebagai stationary wall dengan kondisi no-slip . Analisis  numerik  dilakukan  dengan  menggunakan  komputer  simulasi  pada  Lab. Mekanika Fluida, Departemen Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada. Komputer ini memiliki spesifikasi CPU 6 cores dengan clock speed 3,2 GHz dan RAM 32 GB. Software yang digunakan untuk melakukan analisis numerik adalah Ansys Fluent 2020 R2 student  version .  Model  aliran  dua  fase  yang  digunakan  ialah volume  of  fluid (VOF).  Tiga  model turbulensi yang akan dibandingkan ialah standard k-epsilon, standard k-omega, dan k-omega SST. Grafik flooding yang diperoleh dari ketiga model tersebut dibandingkan dengan grafik flooding yang diperoleh pada penelitian Badarudin (2018) untuk panjang hot leg L = 635 mm. Persamaan konservasi momentum diselesaikan menggunakan second-order upwind , sedangkan turbulence kinetic energy dan dissipation  rate diselesaikan  dengan  menggunakan first-order  upwind .  Fraksi  volume diselesaikan dengan metode geo-reconstruction . Algoritma penyelesaian SIMPLE digunakan untuk menyelesaikan persamaan Navier-Stokes dan kontinuitas. Analisis dilakukan secara transient dan adiabatik dengan time step divariasikan dari 0,5 – 4 ms, tergantung stabilitas perhitungan. Jumlah iterasi yang dilakukan tiap time step ialah 20 iterasi. Flow time yang digunakan untuk tiap perubahan nilai kecepatan superficial gas ialah 15 s.
Cairan yang digunakan ialah air, larutan gliserin 10%, propil asetat, dan kloroform. Gas yang digunakan adalah udara dan uap air. Variasi nilai dari viskositas cairan, densitas cairan, dan densitas  gas  yang  digunakan  ditampilkan  pada  Tabel  1.  Kecepatan superficial cairan  yang digunakan pada ialah JL = 0,01 m/s; 0,026 m/s; 0,046 m/s; 0,066 m/s; 0,085 m/s; dan 0,102 m/s. Kecepatan superficial gas divariasikan dari 0 m/s hingga mencapai flooding dengan   ΔJG = 0,1645 m/s.
Tabel 1. Sifat Fisis Cairan dan Gas (P = 1 atm)
Jenis Fluida Nama Fluida Densitas (kg/m 3 ) Viskositas (Pa.s) Surface tension (N/m) Cairan Air 999 1,00 x 10 -3 72,7 x 10 -3 Larutan gliserin 10% (Glycerine Producers’ Association, 1963) 1022,1 1,31 x 10 -3 71,8 x 10 -3 Propil asetat (Haynes, 2016) 883 0,54 x 10 -3 23,9 x 10 -3 Kloroform (Haynes, 2016) 1480 0,54 x 10 -3 26,7 x 10 -3 Gas Udara 1,225 1,79 x 10 -5 - Uap air 0,554 1,34 x 10 -5 -
Data  kecepatan superficial  flooding  gas (J G )  ditentukan  pada  saat onset  of  flooding yang ditandai dengan terjadinya penurunan kecepatan superficial cairan yang memasuki reactor pressure vessel (J L, Delivered ). Data pressure difference (ΔP) diperoleh dengan cara membandingkan tekanan RPV dengan tekanan SG. Gambar pola aliran diperoleh dengan cara memotong aparatus penelitian menjadi simetris terhadap permukaan x-y. Gambar tersebut berupa kontur fraksi volume. Locus of slugging (lokasi pembentukan slug awal) ditentukan dengan mengukur lokasi slug awal relatif terhadap lokasi belokan.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1. Hasil Grid Independence Test
Gambar 3. Perbandingan data onset of flooding untuk air-udara  hasil simulasi dengan grafik Badarudin (2018)
Gambar  3 menunjukkan  data onset  of  flooding untuk  air-udara  yang  diperoleh menggunakan model turbulensi standard k-epsilon, standard k-omega, dan k-omega SST. Ukuran mesh yang digunakan ialah 72.511 cells . Data tersebut dibandingkan dengan data yang didapatkan oleh Badarudin (2018). Data tersebut disajikan dalam kecepatan superficial tak berdimesi Wallis (1969):
J k ∗ = J k ( 𝜌 k 𝑔D(𝜌 L −𝜌 G ) ) 0,5 (k = G atau L) (1) 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 J G * 0 ,5 J L * 0,5 Badarudin et al. [12] k-omega SST k-omega k-epsilon
Hasil  yang  diperoleh  menunjukkan  bahwa  data  hasil  perhitungan  numerik menggunakan  model  k-omega  SST  mendekati  data  acuan.  Model    standard  k-omega  dan standard  k-epsilon  memberikan  data  kecepatan superficial  gas yang  jauh  lebih  rendah dibandingkan data yang diperoleh dengan menggunakan k-omega SST pada kecepatan superficial cairan yang sama. Berdasarkan data yang diperoleh dari ketiga model terebut, model turbulensi yang akan digunakan seterusnya ialah model k-omega SST.
Grid  independence  test dilakukan  dengan  membandingkan  hasil  yang  diperoleh menggunakan  ukuran mesh 72.511 cells dan  108.094 cells (sekitar  1,5  kali  ukuran mesh awal). Gambar 4 menunjukkan data variasi parameter aliran terhadap waktu dari kedua ukuran mesh pada J L = 0,01 m/s. Bagian atas dari gambar menunjukkan volume cairan yang berada di dalam RPV dan kecepatan superficial cairan yang mengalir ke dalam RPV (J L, Delivered ), sedangkan bagian bawah dari gambar menunjukkan perbedaan tekanan antara RPV dan SG (ΔP) dan kecepatan superficial gas yang diinjeksikan (J G ). Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa kedua ukuran mesh memberikan data onset of flooding yang sama dan memberikan variasi volume cairan di RPV, J L, Delivered , ΔP, dan J G yang serupa. Pada J L = 0,01 m/s, kedua ukuran mesh memberikan kecepatan superficial flooding gas J G = 2,47 m/s. Fluktuasi Δ P pada mesh berukuran 72.511 cells ( Gambar 4.a ) relatif lebih besar dibandingkan fluktuasi tekanan pada mesh berukuran 108.094 cells ( Gambar 4.b ), tetapi hal tersebut tidak signifikan. Berdasarkan hasil tersebut, mesh berukuran 72.511 cells akan digunakan untuk seterusnya pada penelitian ini.

## 3.2. Pengaruh Densitas Cairan terhadap Karakteristik CCFL
Gambar 5. Data onset of flooding kloroform-udara dan propil asetat
Gambar 5 menunjukkan data onset of flooding antara  kloroform-udara dan propil asetat- udara.  Data onset  of  flooding dinyatakan  dalam  kecepatan superficial cairan  (J L )  dan  kecepatan superficial  gas (J G ).  Hasil  perhitungan  numerik  menunjukkan  bahwa  pada  kecepatan superficial cairan  yang  sama,  kloroform  menghasilkan  kecepatan superficial  flooding  gas yang  lebih  tinggi dibandingkan  propil  asetat.  Berdasarkan  hal  tersebut,  peningkatan  densitas  cairan  akan menyebabkan peningkatan kecepatan superficial flooding gas . 1,50 1,70 1,90 2,10 2,30 2,50 2,70 2,90 3,10 3,30 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 J G J L Kloroform-udara Propil asetat-udara
a. b.
Gambar 6. Onset of slugging pada J L = 0,046 m/s untuk: a. kloroform-udara dan b. propil asetat-udara
a. b.
Gambar 7. Variasi parameter aliran terhadap waktu pada J L = 0,046 m/s untuk: a. kloroform-udara dan b. propil asetat-udara
Gambar 6 menunjukkan proses pembentukan slug pada kondisi flooding pada J L = 0,046 m/s. Gambar  6.a menunjukkan  pembentukan  slug  untuk  kloroform-udara,  sedangkan Gambar  6.b menunjukkan  pembentukan slug untuk  propil  asetat-udara. Gambar  7 menunjukkan variasi parameter aliran untuk kedua kombinasi fluida tersebut. Pada kloroform- udara, hydraulic jump terbentuk pada bagian pipa horizontal. Seiring berjalannya waktu, hydraulic jump bergerak menuju belokan dan level air pada bagian subcritical meningkat. Peningkatan level cairan  pada  subcritical  menyebabkan  penurunan  luas  area  untuk  aliran  udara sehingga  aliran udara mengalami percepatan. Hal ini menyebabkan peningkatan perbedaan tekanan antara gas dan cairan pada permukaan cairan ( interface ). Aliran udara yang bersifat turbulen menyebabkan fluktuasi pada perbedaan tekanan tersebut. Gangguan ( disturbance ) berupa fluktuasi perbedaan tekanan  antara  gas  dan  cairan  tersebut  menyebabkan  terbentuknya  gelombang  di  bagian subcritical .  Gelombang  tersebut  berkembang  menjadi  gelombang  besar  (LW)  hingga  akhirnya membentuk slug (S). Keberadaan slug menyebabkan peningkatan Δ P akibat terhalangnya aliran
0,000 0,015 0,030 0,045 0,060 0,075 0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 J L , d e li v e re d (m /s ) V ol u m e c a ira n di R P V ( m 3 ) Volume Cairan di RPV JL delivered 0,0 0,6 1,2 1,8 2,4 3,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 0 50 100 150 200 250 J G (m /s ) Δ P ( k P a ) Waktu (s) Pressure Difference JG Onset of Flooding 0,000 0,015 0,030 0,045 0,060 0,075 0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 J L , d e li v e re d (m /s ) V ol u m e c a ira n di R P V ( m 3 ) Volume Cairan di RPV JL delivered 0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 0 50 100 150 J G (m /s ) Δ P ( k P a ) Waktu (s) Pressure Difference JG Onset of Flooding
udara dan menyebabkan penurunan J L , Delivered ( Gambar 7.a ). Hal yang berbeda terjadi pada propil asetat-udara. Ketika hydraulic jump telah mencapai belokan, level cairan di subcritical meningkat. Fluktuasi perbedaan tekanan antara gas dan cairan akibat turbulensi menyebabkan terbentuknya gelombang kecil. Gelombang ini bergerak ke arah belokan dan menyebabkan hydraulic jump bergerak naik turun di belokan. Ketika hydraulic jump turun, gelombang besar (LW) terbentuk di dekat belokan yang berkembang menjadi slug (S). Pada kondisi onset of flooding untuk J L = 0,046 m/s,  kloroform-udara  mengalami  penurunan  J L, Delivered yang  relatif  lebih  tinggi  dibandingkan propil  asetat-udara.  Hal  ini  dikarenakan  ketika slug mengalami breakdown (perubahan  slug menjadi roll wave yang ditandai dengan singkatan SB pada Gambar 6 ), jumlah debit cairan yang terbawa oleh aliran gas pada kloroform-udara lebih besar akibat kecepatan superficial flooding gas yang tinggi (J G, flooding kloroform-udara = 2,63 m/s, sedangkan J G, flooding propil asetat = 1,81 m/s).
Gambar 8. Locus of slugging kloroform-udara dan propil asetat-udara
Gambar 8 menunjukkan data locus of slugging untuk kloroform-udara dan propil asetat- udara. Data tersebut menunjukkan bahwa peningkatan densitas mengakibatkan pergeseran locus of  slugging menjauhi  lokasi inlet cairan.  Perbedaan  kecepatan superficial  flooding  gas ,  fenomena pembentukan slug ,  dan locus  of  slugging dapat  dijelaskan  dengan  menganalisis  gaya  inersia  dari cairan. Aliran kloroform memiliki gaya inersia yang lebih tinggi dibandingkan aliran propil asetat karena  densitas  kloroform  relatif  lebih  tinggi.  Hal  ini  menyebabkan  perlambatan  kecepatan aliran cairan akibat wall friction dan interfacial friction (akibat aliran gas) membutuhkan jalur tempuh yang  panjang  sehingga hydraulic  jump terbentuk  jauh  dari  belokan.  Pada  bagian subcritical , gelombang terbentuk akibat fluktuasi perbedaan tekanan antara gas dan cairan. Karena tingginya gaya inersia dari aliran kloroform, diperlukan gangguan berupa fluktuasi perbedaan tekanan yang tinggi  untuk  membentuk  gelombang.  Hal  ini  menyebabkan flooding terjadi  pada  kecepatan superficial gas yang tinggi. Keberadaan hydraulic jump yang jauh dari belokan menyebabkan slug awal terbentuk jauh dari belokan.
-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 x /L (- ) J L * 0,5 Kloroform-udara Propil asetat-udara Belokan Pipa horizontal

## 3.3. Pengaruh Viskositas Cairan terhadap Karakteristik CCFL
Gambar 9. Data onset of flooding air-udara dan larutan gliserin 10%-udara
Gambar 9 menunjukkan data onset of flooding antara air-udara dan larutan gliserin 10%- udara. Data onset of flooding dinyatakan dalam kecepatan superficial cairan (J L ) dan kecepatan superficial gas (J G ). Secara umum, hasil perhitungan numerik menunjukkan bahwa pada kecepatan superficial cairan yang sama,  air-udara menghasilkan kecepatan superficial flooding gas yang lebih tinggi  dibandingkan  larutan  gliserin  10%-udara.  Hal  ini  menunjukkan  bahwa  peningkatan viskositas cairan akan menyebabkan penurunan kecepatan superficial flooding gas . Hasil tersebut sesuai  dengan  hasil  yang  didapatkan  oleh  Zapke  dan  Kroeger  (1996),  Mouza  et  al.  (2005), Pantzali  et  al.  (2007),  Prayitno  et  al.  (2012),  dan  Kinoshita  et  al.  (2011),  tetapi  berkebalikan dengan pola hasil penelitian Suzuki dan Ueda (1977).  Data onset of flooding yang diperoleh juga menunjukkan bahwa perbedaan kecepatan superficial flooding gas yang signifikan terjadi ketika J L > 0,046 m/s. Data tersebut memberikan pola yang sesuai dengan data penelitian Kinoshita et al. (2011) yang menunjukkan bahwa pengaruh viskositas lebih besar pada J L yang bernilai tinggi.
a. b.
Gambar 10. Onset of slugging pada J L = 0,102 m/s untuk: a. air-udara dan b. larutan gliserin 10%-udara 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 2,20 2,40 2,60 2,80 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 J G J L Air-udara Laurtan Gliserin 10%-udara
a. b.
Gambar 11. Variasi parameter aliran terhadap waktu pada J L = 0,102 m/s untuk: a. air-udara dan b. larutan gliserin 10%-udara
Gambar 10 menunjukkan proses pembentukan slug pada kondisi flooding pada J L = 0,102 m/s. Gambar 10.a menunjukkan pembentukan slug untuk air-udara, sedangkan Gambar 10.b menunjukkan  pembentukan slug untuk  larutan  gliserin  10%-udara. Gambar  11 menunjukkan variasi parameter aliran untuk kedua kombinasi fluida tersebut. Pada air-udara, hydraulic jump terbentuk pada bagian pipa horizontal. Seiring berjalannya waktu, hydraulic jump bergerak  menuju  belokan  dan  level  air  pada  bagian subcritical meningkat.  Pembentukan gelombang di bagian subcritical diakibatkan oleh gangguan berupa fluktuasi perbedaan tekanan antara gas dan cairan. Gelombang tersebut berkembang menjadi gelombang besar (LW) hingga akhirnya membentuk slug (S). Keberadaan slug menyebabkan peningkatan perbedaan tekanan antara  RPV  dan  SG  akibat  terhalangnya  aliran  udara  dan  menyebabkan  penurunan  J L, Delivered ( Gambar 8.a ). Proses yang serupa juga terjadi pada larutan gliserin 10%-udara. Berdasarkan Gambar  9 dan Gambar  10 ,  penurunan  kecepatan superficial  flooding  gas akibat peningkatan viskositas cairan disebabkan oleh perbedaan tekanan antara cairan dan gas yang  ditimbulkan  oleh wall  friction (Prayitno  et  al.,  2012). Wall  friction yang  ditimbulkan  oleh viskositas  cairan  menyebabkan  perlambatan  aliran  sehingga  menyebabkan  peningkatan perbedaan tekanan antara gas dan cairan. Perbedaan tekanan ini akan bersifat dominan di bagian subcritical karena bagian ini memiliki gaya inersia yang rendah (akibat kecepatan yang rendah). Pada cairan dengan viskositas tinggi, fluktuasi perbedaan tekanan di interface dapat menghasilkan gelombang  pada  kecepatan superficial  gas yang  lebih  rendah  yang  nantinya  akan  berkembang menjadi slug .
0,00 0,04 0,08 0,12 0,16 0,000 0,003 0,006 0,009 0,012 J L , d e li v e re d (m /s ) V ol u m e c a ira n di R P V ( m 3 ) Volume Cairan di RPV JL delivered 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 0 50 100 150 J G (m /s ) Δ P ( k P a ) Waktu (s) Pressure Difference JG Onset of Flooding 0,00 0,04 0,08 0,12 0,16 0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 J L , d e li v e re d (m /s ) V ol u m e c a ira n di R P V ( m 3 ) Volume Cairan di RPV JL delivered 0,0 0,3 0,5 0,8 1,0 1,3 1,5 0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 0 50 100 J G (m /s ) Δ P ( k P a ) Waktu (s) Pressure Difference JG
Gambar 12. Locus of slugging untuk air-udara dan larutan gliserin 10%-udara
Data locus of slugging untuk beberapa nilai J L untuk air-udara dan larutan gliserin 10%- udara ditampilkan pada Gambar 12 . Data tersebut menunjukkan bahwa lokasi terbentuknya slug awal pada larutan gliserin 10%-udara berada lebih dekat dengan belokan dibandingkan air-udara. Data  tersebut  mengindikasikan  bahwa  peningkatan  viskositas  cairan  menyebabkan  locus  of slugging bergeser mendekati inlet cairan. Hal ini dikarenakan cairan dengan viskositas tinggi akan mengalami  perlambatan  aliran  akibat  besarnya wall  friction . Wall  friction akan  menyebabkan penurunan  gaya  inersia  cairan  sehingga  cairan  dengan  viskositas  tinggi  akan  mengalami perlambatan kecepatan aliran pada jarak tempuh aliran yang lebih dekat. Pada cairan dengan viskositas rendah, perlambatan aliran membutuhkan jalur yang panjang sehingga hydraulic jump dan slug awal terbentuk relatif lebih jauh dari belokan.

## 3.4. Pengaruh Densitas Gas Terhadap Karakteristik CCFL
Gambar 13. Data onset of flooding dari air-udara dan air-uap air
Gambar 13 menunjukkan data onset of flooding antara air-udara dan air-uap air. Data onset of  flooding dinyatakan  dalam  kecepatan  superficial  cairan  (J L )  dan  kecepatan superficial  gas (J G ). Secara umum, hasil perhitungan numerik menunjukkan bahwa pada kecepatan superficial cairan yang  sama,  air-udara  menghasilkan  kecepatan superficial  flooding  gas yang  lebih  rendah dibandingkan  air-uap  air.  Hal  ini  menunjukkan  bahwa  penurunan  densitas  gas  akan menyebabkan peningkatan kecepatan superficial flooding gas . Hasil yang diperoleh menunjukkan
-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 x /L (- ) J L * 0,5 Air-udara Larutan gliserin 10%-udara Belokan Pipa horizontal 1,30 1,50 1,70 1,90 2,10 2,30 2,50 2,70 2,90 3,10 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 J G J L Air-udara Air-uap air
pola yang serupa dengan hasil yang diperoleh pada penelitian Zapke dan Kroeger (1996) yang menggunakan pipa vertikal dan miring.
a. b.
Gambar 14. Onset of slugging pada J L = 0,046 m/s untuk: a. air-udara dan b. air-uap air
a. b.
Gambar 15. Variasi parameter aliran terhadap waktu pada J L = 0,046 m/s untuk: a. air-udara dan b. air- uap air
Gambar 14 menunjukkan proses pembentukan slug pada kondisi flooding pada J L = 0,046 m/s. Gambar 14.a menunjukkan pembentukan slug untuk air-udara, sedangkan Gambar 14.b menunjukkan  pembentukan slug untuk  air-uap  air. Gambar  15 menunjukkan  variasi parameter aliran untuk kedua kombinasi fluida tersebut. Kedua kombinasi fluida menunjukkan proses pembentukan slug yang serupa dengan fenomena pembentukan slug yang terjadi pada propil asetat-udara pada J L = 0,046 m/s ( Gambar 6.b ). Ketika hydraulic jump telah mencapai belokan, level cairan di subcritical meningkat. Fluktuasi perbedaan tekanan antara gas dan cairan akibat turbulensi menyebabkan terbentuknya gelombang kecil. Gelombang ini bergerak ke arah belokan dan menyebabkan hydraulic jump bergerak naik turun di belokan. Ketika hydraulic jump turun, gelombang besar (LW) terbentuk di dekat belokan yang berkembang menjadi slug (S). 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,0000 0,0015 0,0030 0,0045 0,0060 J L , d e li v e re d (m /s ) V ol u m e c a ira n di R P V ( m 3 ) Volume Cairan di RPV JL delivered 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 0 50 100 150 J G (m /s ) Δ P ( k P a ) Waktu (s) Pressure Difference JG Onset of Flooding 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,0000 0,0017 0,0034 0,0051 0,0068 0,0085 J L , d e li v e re d (m /s ) V ol u m e c a ira n di R P V ( m 3 ) Volume Cairan di RPV JL delivered 0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 0 50 100 150 200 J G (m /s ) Δ P ( k P a ) Waktu (s) Pressure Difference JG Onset of Flooding
Keberadaan slug menyebabkan  peningkatan  ΔP  akibat  terhalangnya  aliran  udara  dan menyebabkan penurunan J L, Delivered ( Gambar 15.a dan Gambar 15.b ).
Gambar 16. Locus of slugging air-udara dan air-uap air
Gambar 16 menunjukkan locus of slugging untuk air-udara dan air-uap air. Ketika J L * 0,5 ≤ 0,228, lokasi slug awal antara air-udara dan air-uap air berada pada lokasi yang sama. Ketika J L * 0,5 > 0,228, locus of slugging air-uap air relatif lebih jauh dari lokasi inlet cairan dibandingkan locus of slugging air-udara.  Hal  ini  menunjukkan  bahwa  penurunan  densitas  gas  dapat  menyebabkan pergeseran locus of slugging menjauhi lokasi inlet cairan. Peningkatan  kecepatan flooding  gas akibat  penurunan  densitas  gas  dapat  dijelaskan dengan menganalisis pengaruh densitas terhadap kondisi aliran gas. Udara memiliki densitas ρ = 1,225 kg/m 3 dan viskositas μ = 1,7 9 x 10 -5 kg/ms, sedangkan uap air memiliki densitas ρ = 0,554 kg/m 3 dan viskositas μ = 1,34 x 10 -5 kg/ms. Pada kecepatan aliran dan luas penampang aliran yang sama, udara mengalir dengan bilangan Reynolds yang lebih tinggi dibandingkan uap air.  Hal  ini  menyebabkan  udara  akan  mencapai  kondisi  turbulen  pada  kecepatan  yang  lebih rendah  dibandingkan  uap  air.  Keberadaan  turbulensi  ini  menyebabkan  gangguan  pada permukaan  cairan  berupa  fluktuasi  perbedaan  tekanan  antara  gas  dan  cairan  yang  dapat mengakibatkan terbentuknya gelombang dan slug. Perbedaan densitas yang besar antara cairan dan  gas  akibat  penurunan  densitas  gas  menyebabkan  penurunan interfacial  friction .  Hal  ini menyebabkan perlambatan aliran cairan terjadi pada jarak tempuh yang lebih jauh sehingga gas dengan densitas rendah akan menyebabkan hydraulic jump terbentuk jauh dari belokan. Hal ini juga menyebabkan pembentukan slug awal terjadi pada lokasi yang jauh dari belokan.

## 4. KESIMPULAN
Pengaruh  densitas  cairan,  viskositas  cairan,  dan  densitas  gas  terhadap  karakteristik flooding diteliti dengan menggunakan CFD. Cairan yang digunakan dalam penelitian ialah air, larutan gliserin 10%, kloroform, dan propil asetat, sedangkan gas yang digunakan ialah udara dan uap air. Geometri penelitian yang digunakan ialah pipa hot leg reaktor PWR tipe German Konvoi skala 1/30. Rangkuman hasil penelitian adalah sebagai berikut.
1.  Peningkatan densitas cairan menyebabkan peningkatan kecepatan superficial flooding gas. Hal ini dikarenakan gangguan yang cukup besar berupa perbedaan tekanan antara cairan dan gas diperlukan untuk melawan gaya inersia cairan yang tinggi. Gaya inersia cairan yang tinggi juga menyebabkan pergeseran lokasi hydraulic jump dan locus of slugging menjauhi belokan karena diperlukan jarak tempuh aliran yang jauh untuk memperlambat aliran. -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 x /L (- ) J L * 0,5 Air-udara Air-uap air Belokan Pipa horizontal
2.  Peningkatan viskositas cairan menyebabkan penurunan kecepatan superficial flooding gas.  Peningkatan  viskositas  mengakibatkan  peningkatan wall  friction yang  menyebabkan perbedaan tekanan antara cairan dan gas meningkat. Peningkatan wall friction juga menyebabkan pergeseran lokasi hydraulic jump dan locus of slugging mendekati belokan karena jalur tempuh yang dibutuhkan untuk memperlambat aliran cairan menjadi relatif lebih dekat.
3.  Penurunan densitas gas menyebabkan peningkatan kecepatan superficial flooding gas . Hal ini dikarenakan terjadinya penurunan interfacial friction yang juga menyebabkan pergeseran lokasi hydraulic jump menjauhi belokan sehingga locus of slugging berada jauh dari belokan.

## 5. DAFTAR PUSTAKA
Badarudin, A., Setyawan, A., Dinaryanto, O., Widyatama, A., Indarto, & Deendarlianto, 2018, Interfacial behavior of the air-water counter-current two-phase flow in a 1/30 scale-down of pressurized water reactor (PWR) hot leg, Annals of Nuclear Energy , 116 , 376 – 387. Deendarlianto, Höhne, T., Lucas, D., & Vierow, K., 2012, Gas-liquid countercurrent two-phase flow in a PWR hot leg: A comprehensive research review, Nuclear Engineering and Design , 243 (2), 214 – 233.
Deendarlianto, Höhne, T., Lucas, D., Vallée, C., & Zabala, G. A. M., 2011,. CFD studies on the phenomena around counter-current flow limitations of gas/liquid two-phase flow in a model of a PWR hot leg, Nuclear Engineering and Design , 241 (12), 5138 – 5148. Deendarlianto, Ousaka, A., Indarto, Kariyasaki, A., Lucas, D., Vierow, K., Vallee, C., & Hogan,
K., 2010, The effects of surface tension on flooding in counter-current two-phase flow in an inclined tube, Experimental Thermal and Fluid Science , 34 (7), 813 – 826. Glycerine Producers’ Association. , 1963, Physical Properties of Glycerine and Its Solutions , Glycerine Producers’ Association , New York. Haynes, W. M., 2016, CRC Handbook of Chemistry and Physics (edisi 97), CRC Press LLC Florence :
Taylor & Francis Group, Boca Raton.
Kinoshita,  I.,  Nriai,  T.,  Tomiyama,  A.,  Lucas,  D.,  &  Murase,  M.,  2011,  Effects  of  Liquid Properties on CCFL in a Scaled-Down Model of a PWR Hot Leg, Journal of Power and Energy Systems , 5 (3), 316 – 329.
Mouza, A. A., Pantzali, M. N., & Paras, S. V., 2005, Falling film and flooding phenomena in small  diameter  vertical  tubes:  The  influence  of  liquid  properties, Chemical  Engineering Science , 60 (18), 4981 – 4991.
Murase, M., Utanohara, Y., Kinoshita, I., Yanagi, C., Takata, T., Yamaguchi, A., & Tomiyama, A., 2012, VOF simulations of countercurrent gas-liquid flow in a PWR hot leg, Journal of Computational Multiphase Flows , 4 (4), 375 – 386. Ohnuki, A., 1986, Experimental Study of Counter-Current Two-Phase Flow in Horizontal Tube Connected to Inclined Riser, Journal of Nuclear Science and Technology , 23 (3), 219 – 232. Ousaka,  A.,  Deendarlianto,  Kariyasaki,  A.,  &  Fukano,  T.,  2006,  Prediction  of  flooding  gas velocity in gas-liquid counter-current two-phase flow in inclined pipes, Nuclear Engineering and Design , 236 (12), 1282 – 1292.
Pantzali, M. N., Mouza, A. A., & Paras, S. V., 2007, Study of hydrodynamic characteristics of the liquid layer during counter-current flow in inclined small diameter tubes : the effect of liquid properties, 6th International Conference on Multiphase Flow , Leipzig, 9-13 Juli 2007.
Prayitno, S., Santoso, R. A., Deendarlianto, Höhne, T., & Lucas, D., 2012, Counter current flow limitation of gas-liquid two-phase flow in nearly horizontal pipe, Science and Technology of Nuclear Installations , 2012 .
Seidel, T., Vallée, C., Lucas, D., Beyer, M., & Deendarlianto, 2011, Two-phase flow experiments in  a  model  of  the  hot  leg  of  a  pressurised  water  reactor,  TOPFLOW-Experiments: development and validation of CFD models for steam-water flows with phase transfer, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf , Dresden.
Suzuki, S., & Ueda, T., 1977, Behaviour of liquid films and flooding in counter-current two- phase flow-Part 1, Flow in circular tubes, International Journal of Multiphase Flow , 3 (6), 517 – 532. Wallis, G. B., 1969, One-dimensional Two-phase Flow . McGraw-Hill, New York. Zapke,  A.,  &  Kröger,  D.  G.,  1996,  The  influence  of fluid  properties  and  inlet  geometry  on flooding in vertical and inclined tubes, International Journal of Multiphase Flow , 22 (3), 461 – 472.