Analisis Gerakan Osilasi Pancaran Jet Nosel Kovergen-Divergen Akibat Screech Noise
La Ode Ichlas Syahrullah Yunus 1 * , Akhmad Fadli Ibrahim 1 , Yuvita Satriani Djuli 1 , Panci Yocing 2 1 Program Studi Teknik Mesin , Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sembilanbelas November Jalan Pemuda No. 339, Kabupaten Kolaka Provinsi Sulawesi Tenggara 93514
2 Program Studi Teknik Sipil, Sekolah Tinggi Teknologi Mekongga Jalan Pemuda No 34 Lalombaa, Kabupaten Kolaka Provinsi Sulawesi Tenggara 93514
*Email: ichlas.ode@gmail.com
Diajukan: 28 Juni 2022; Diterima: 14 Agustus 2022; Diterbitkan: 22 Agustus 2022

## Abstrak
Nosel  merupakan  suatu  alat  yang  berfungsi  sebagai  alat  bantu  untuk  menyalurkan  atau  mengalirkan  fluida  cair maupun  fluida gas. Karakteristik aliran fluida  yang bergerak  melalui  nosel  mempunyai  bentuk  yang berbeda untuk setiap  perubahan  tekanan  dan  kecepatan  aliran.  Mekanisme screech  noise merupakan  suatu  pusaran  ( loop ) gelombang akustik yang menjalar ke hilir diantara lapisan batas jet nosel pada kecepatan suara lokal dan gelombang menjalar ke hulu pada kecepatan akustik di bagian luar atau sekitar jet nosel. Fenomena loop yang muncul pada meja analogi  merupakan  gelombang  yang  tidak  stabil.  Teknik  visualisasi  dengan  metode  bayangan,  digunakan  untuk melihat  dan  mengamati  gerakan  osilasi  pancaran  jet  nosel.  Analisis  gambar  diidentifikasi  berdasarkan  kontur distribusi  intensitas  yang  diperoleh  pada  visualisasi  gambar.  Gerakan  pancaran  jet  yang  tidak  stabil  (berosilasi kekanan dan kekiri) pada rasio head Rh = 1,85 atau ratio tekanan  Rp = 3,4. Pancaran jet nosel menunjukkan gerakan yang relatif stabil pada kondisi rasio head Rh < 1,85 dan gerakan osilasi pancaran jet terjadi ketika kapasitas aliran meningkat  dengan  rasio  head  antara  Rh  =  1,85  sampai  Rh  =  2,1.  Kapasitas  aliran  dinaikkan  hingga  rasio  head mencapai  Rh  >  2,1,  maka  gerakan  pancaran  jet  mulai  stabil.  Pengoperasian  jet  nosel  dimana screech  noise pada kondisi dominan, maka secara visual aliran jet nosel menunjukkan fenomena gerakan osilasi secara lateral.
Kata kunci: Aliran fluida; aliran gas; analogi hidrolik; noise ; nosel

## Abstract
Nozzle is a tool that functions as a tool to channel or drain liquid or gas fluids. The Characteristics of fluid flow that moves  through  the  nozzle  has  a  different  shape  for  each  change  in  pressure  and  flow  velocity.  Screech  noise mechanism is a vortex (loop) of acoustic waves that propagate downstream between the shear layer of the nozzle jet at  the  local  sound  speed  and  the  waves  propagate  upstream  at  the  acoustic  velocity  on  the  outside  or  around  the nozzle  jet.  The  loop  phenomenon  that  appears  on  the  analogy  table  is  an  instability  waves.  The  visualization technique using the shadow method is used to see and observe the oscillating motion of the nozzle jet. Image analysis is  identified  based  on  the  intensity  distribution  contours  obtained  on  image  visualization.  Unstable  jet  motion (oscillating  right  and  left)  at  head  ratio  Rh  =  1.85  or  pressure  ratio  Rp  =  3.4.  The  nozzle  jet  showed  a  relatively stable  motion  at  the  head  ratio  condition  Rh  <  1.85  and  jet  nozzle  oscillation  motion  occurred  when  the  flow capacity increased with the head ratio between Rh = 1.85 to Rh = 2.1. The flow capacity is increased until the head ratio  reaches  Rh  >  2.1,  then  the  nozzle  jet  movement  get  going  to  stabilize.  Nozzle  operation  in  conditions  where screech noise is dominant, then the nozzle jet flow visually shows the phenomenon of lateral oscillating motion.
Keywords : Fluid Flow; Gas Flow; Hydraulic Analogy; Noise; Nozzle

## 1. Pendahuluan
Nosel  merupakan  suatu  alat  yang  berfungsi  sebagai  alat  ukur  aliran  dan  alat  bantu  untuk  menyalurkan  atau mengalirkan fluida cair maupun fluida gas. Karakteristik aliran fluida yang keluar melalui jet nosel mempunyai bentuk yang  berbeda  untuk  setiap  perubahan  tekanan  dan  kecepatan  aliran  [1,2].  Mekanisme screech  noise merupakan  suatu pusaran  ( loop )  gelombang  akustik  yang  menjalar  ke  hilir  diantara  lapisan  batas  ( shear  layer )  pancaran  jet  pada kecepatan suara lokal dan gelombang menjalar ke hulu pada kecepatan akustik di bagian luar atau sekitar pancaran jet nosel  [3,4].  Fenomena loop yang  muncul  pada  meja  analogi  merupakan  gelombang  yang  unstabil  (instability  waves) [5,6].
Kumar [7,8] mengungkapkan bahwa karakteristik dan gerakan osilasi pancaran jet nosel cukup rumit untuk diamati dan difahami karena struktur aliran yang terjadi sulit diamati secara langsung. Lain halnya dengan penelitian Kumar [9] dan  Zapryagaevi  [10]  menggunakan  teknik  bayangan  ( shadowgraph )  untuk  mengamati  aliran  fluida  cair  (air)  secara visual dengan mata telanjang.
Melalui prinsip analogi hidrolik dapat dipelajari secara lebih detail karakteristik aliran melalui saluran (nosel), yaitu menganalogikan aliran fluida cair (air) dengan aliran fluida gas (udara) seperti yang diungkapkan dalam penelitian yang dilakukan  oleh  Buchanan  [11]  dan  Carbonaro  [12].  Berdasarkan  persamaan  momentum  dan  kuantitas  fisik,  analogi untuk kedua jenis aliran fluida tersebut dirangkum dan disajikan pada Tabel 1. Penelitian sebelumnya, Abdul Makhsud [13]  meneliti karakteristik pancaran aliran gas menggunakan variasi beberapa nosel. Namun Screech noise yang tidak stabil  pada  setiap  perubahan  rasio  hidrolik  diberbagai  posisi  dan  sulit  teridentifikasi.  Sedangkan  Gunter  [14] menganalisis visualisasi gelombang dan pembentukan pancaran vertikal dengan metode komputasi. Dimana pencitraan pola  aliran  dapat  terlihat  sehingga  mudah  untuk  diidentifikasi.  Gerakan  osilasi  pada  nosel  akibat screech  noise masih jarang diteliti sehingga diperlukan metode yang tepat untuk menampilkan pecintraan pola aliran tersebut.
Tulisan  ini  mencoba  menampilkan  hasil  penelitian  mengenai  gerakan  osilasi  pancaran  jet  aliran  air  yang dianalogikan  dengan  aliran  gas  pada  geometri  nosel  konvergen-divergen  yang  diuji.  Melalui  instalasi  meja  analogi hidrolik dan analisis pencitraan gambar menggunakan ImageJ, diharapkan dapat memberikan informasi dan gambaran secara detail mengenai gerakan osilasi pancaran jet, sehingga fenomenanya dapat difahami lebih baik.

## 2. Metode Penelitian
Instalasi meja analogi hidrolik didesain khusus untuk mempelajari karakteristik aliran dan gerakan osilasi jet nosel. Sebuah instalasi meja analogi hidrolik diperlihatkan pada Gambar 1, terdiri dari bak penampungan air yang terbuat dari baja tahan karat ( stainless steel ) dan dilengkapi dengan saringan air agar kondisi air senantiasa terjaga kebersihannya. Untuk mengurangi getaran dari pompa, maka kaki meja analogi ditumpu dengan peredam getaran (pasir) dan instalasi pipanya  menggunakan pipa plastik elastis  yang  terpasang  diantara pompa dan  kedua  saluran bak penampungan. Meja analogi, terbuat dari kaca (panjang 2,5 m, lebar 1,6 m, tebal 0,015 m), ditopang pada setiap sisinya agar defleksi yang terjadi sekecil mungkin (<1/10 mm). Untuk menghindari adanya pantulan gelombang, maka dipasang gabus pada kedua sisi atau dinding meja analogi dan pada bagian hilir (belakang) dipasang pelat pengatur yang dimiringkan kurang dari 4 o .
Pelat  pengatur  tersebut  berfungsi  pula  sebagai  pengatur  tinggi  permukaan  air  diatas  meja  analogi.  Teknik  visualisasi dengan  metode shadowgraph ,  digunakan  untuk  melihat  dan  mengamati  karakteristik  bentuk  struktur  pancaran  jet. Sumber cahaya (lampu neon) ditempatkan sekitar 60 cm diatas meja analogi dan di bawah meja terdapat cermin yang dipasang  45 o ,  agar  bayangan  dapat  terlihat  pada  cermin.  Bayangan  yang  muncul  pada  cermin  dengan  mudah  dapat dilihat  melalui  mata  telanjang  dan  dapat  direkam  dengan  kamera  foto  atau  kamera  video.  Kapasitas  atau  kecepatan aliran jet nosel diukur dengan bantuan alat ukur dengan orificemeter atau pitotmeter untuk mengetahui profil kecepatan. Jenis nosel konvergen-divergen digunakan dalam penelitian dengan lebar bagian keluar dan tenggorokan nosel = 60 mm. Level  (tinggi)  permukaan  air  diatas  meja  diukur  dengan  jarum  yang  terpasang  pada  mikrometer.  Fluktuasi  tinggi  air dapat diukur dengan bantuan sensor optik (fiber optics) model MTI 1000 Fotonic Sensor. Sinyal yang tertangkap oleh sensor optik tersebut ditransfer ke FFT Analyser (HP 3582 A), dan dari alat ini dapat diketahui spektrum, koheren dan sudut  fasa  gelombangnya.  Nilai  fluktuasi  tinggi  air  yang  terukur  pada  alat  FFT  Analyser  dikonversi  menjadi  nilai tingkat intensitas bunyi yang dihasilkan oleh aliran air (pancaran nosel). Nilai tingkat intensitas bunyi yang terukur pada
alat  FFT  analyzer  menggunakan  analogi  perbandingan  nilai  kecepatan  penjalaran  bunyi  (suara)  dengan  kecepatan penjalaran  gelombang  air  (lihat  Tabel  1).  Hasil  pengambilan  gambar  dianalisis  menggunakan  aplikasi  ImageJ  untuk memperoleh kontur gerakan osilasi jet nosel.
Tabel 1. Rangkuman prinsip analogi hidrolik
Aliran gas kompresibel dua dimensi Aliran air pada permukaan bebas (gas hidrolik) Gas hidrolik dengan  γ = Cp/Cv = 2 Aliran fluida cair incompresible (air) Rasio temperatur, T/T a Rasio ketinggian (kedalaman) air, h/h a Rasio massa jenis (densitas), ρ/ρ a Rasio ketinggian (kedalaman) air, h/h a Rasio tekanan, p/p a Rasio ketinggian air kuadrat (h/h a ) 2 Kecepatan aliran gas, V Kecepatan aliran air, v Kecepatan penjalaran bunyi (suara), a = RT 
Kecepatan  penjalaran gelombang air,
c = gh Bilangan Mach, Ma = v /a
Bilangan Froude, Fr = v /c Gelombang kejut ( shock wave ) [15,16]
Lompatan hidrolik ( hydraulic jump ) [17]
Ta, ρa, pa, ha: nilai referensi (kondisi sekitar atau lingkungan dan ha: ketinggian air di atas meja analogi), Cp & Cv: panas jenis, dan g: percepatan gravitasi bunyi
Gambar 1. Instalasi penelitian meja analogi hidrolik (pandangan atas) P: pompa, K: katup, OM: orificemeter, UR: reservoir atas N: nosel, AT: meja analogi, WLCP: pelat pengatur tinggi muka air, LR: reservoir bawah, WF: penyaring air, ND: diameter nosel, SWA: area pengamatan, Cr: peredam gelombang terbuat dari gabus, FFT: analisis frekuensi

## 3. Hasil dan Pembahasan
Pada  meja  analogi  menunjukkan  bahwa  mekanisme  bunyi screech  noise merupakan  suatu  pusanan  murni  akustik yang menjalar ke hilir diantara shear layer jet nosel pada kecepatan suara lokal dan gelombang menjalar ke hulu pada kecepatan  akustik  dibagian  luar  atau  sekitar  jet  nosel.  Fenomena loop yang  muncul  pada  meja  analogi  adalah  murni akustik merupakan pusaran gelombang tidak stabil ( instability waves ).
Hasil penelitian ini  menunjukkan bahwa panjang loop dianggap  sebagai jarak  L (sumber bunyi)  yaitu jarak antara ujung  nosel  dan  akhir  sel  kejut  kedua.  Dengan  menganggap  bahwa  kecepatan  suara  di  sekitar  jet  sama  dengan kecepatan suara lokal (atmosfir), maka frekuensi screech noise dituliskan pada Persamaan (1).
1/f* = L 1 1 V a a                    
(1)
dengan  M  adalah  bilangan  Mach  rata-rata  sekitar  lapisan  batas  pancaran  jet.  Pada  Gambar  2  (a-e)  terlihat  bahwa fluktuasi aliran tidak stabil berdasarkan grafik intensitas selama posisi x. Hal ini dibuktikan dengan titik intensitas pada gambar  2.a  yang  teracak  menjelaskan  gerakan  osilasi  condong  ke  kanan  dengan  banyaknya  sel  kejut  yang  terbentuk disekitar pola aliran. Sedangkan fluktuali aliran yang ditunjukkan pada Gambar 2(f-j) terlihat stabil. Hal ini dibuktikan dengan  grafik  intensitas  pada  posisi  sebelah  kanan  dan  kiri  aliran  terhadap  posisi  x  yang  kembali  normal.  Jumlah  sel kejut pada sekitaran aliran juga semakin berkurang.
(a) (f)
(b) (g)
(c) (h) (d) (i) (e) (j)
Gambar 2. (a), (b), (c), (d) dan (e) fluktuasi gerakan osilasi jet nosel pada Rh=1,85; (f), (g), (h), (i) dan (j)
fluktuasi gerakan osilasi jet nosel pada RH >2,1
Ketidakstabilan aliran pancaran gas yang telah dijelaskan oleh Seiner et al (1987) terjadi pula pada aliran pancaran jet. Pada Gambar 3 diperlihatkan gerakan pancaran jet yang tidak stabil (berosilasi kekanan dan kekiri) hasil rekaman melalui  kamera  foto  pada  rasio  head  Rh  =  1,85  atau  ratio  tekanan    Rp  =  3,4  untuk  nosel  konvergen-divergen.  Pada gambar  tersebut  terlihat  jelas  bahwa  pancaran  jet  berosilasi  kekanan  (Gambar  3(a))  pada  kondisi  tertentu  dan  pada kondisi  (waktu)  berikutnya  pancaran  jet  berosilasi  kekiri  (Gambar  3  (c)).  Hasil  pencitraan  gambar  menggunakan
aplikasi  ImageJ  dengan  menentukan  35  titik  secara  acak  menunjukkan  fenomena  pergerakan  distribusi  aliran.  Hasil pengambilan  menggunakan  media  kamera  dan  pencitraan  gambar  menggunakan  aplikasi  ImageJ  terlihat  sama. Penggunaan  media  kamera  membutuhkan  pencahayaan  yang  stabil  sehingga  nilai  intensitasnya  dapat  teridentifikasi. Sedangkan menggunakan aplikasi ImageJ berdasarkan hasil gambar dapat menunjukkan kontur aliran yang baik. Pada Gambar 3(b) mencitrakan Gambar 3(a) dimana distribusi intensitas setiap titik menunjukkan kontur berosilasi ke kanan, sedangkan  Gambar  3(d)  mencitrakan  Gambar  3(c)  dimana  distribusi  intensitas  setiap  titik  menunjukkan  kontur berosilasi  ke  kiri  menuju  kontur  yang  stabil.  Pancaran  jet menunjukkan  gerakan  yang  relatif  stabil  pada  kondisi  rasio head Rh < 1,85 dan gerakan osilasi pancaran jet terjadi ketika kapasitas aliran meningkat dengan rasio head antara Rh = 1,85  sampai  Rh  =  2,1.  Selanjutnya,  ketika  kapasitas  aliran  dinaikkan  hingga  rasio  head  mencapai  Rh  >  2,1,  maka gerakan  pancaran  jet  mulai  stabil.  Kondisi  seperti  ini  dapat  terjadi  karena  ketika  kapasitas  aliran  meningkat,  maka kecepatan aliran dan energi gerak juga akan meningkat, sehingga energi tersebut mampu menembus dan mengarahkan gerakan jet kembali stabil. Pengoperasian jet nosel pada kondisi dominan saat screech noise , maka secara visual aliran jet  nosel  menunjukkan  fenomena  gerakan  osilasi  yang  lateral.  Fenomena  seperti  ini  sangat  jelas  terlihat  dengan  mata telanjang (tanpa alat bantu) pada pengujian instalasi meja analogi hidrolik.
(a) (c) (b) (d)
Gambar 3. (a) Gerakan osilasi jet nosel yang tidak stabil: berosilasi kekiri, (b) hasil pencitraan gambar (a), (c) Gerakan osilasi jet nosel yang tidak stabil: berosilasi ke kanan, (d) hasil pencitraan gambar (c)
X Position 5 10 15 20 25 30 35 Y P o si ti o n 2 4 6 8 10 12 120 140 160 180 200 X Position 5 10 15 20 25 30 35 Y P o si ti o n 2 4 6 8 10 12 120 140 160 180
200

## 4. Kesimpulan
Dari  pengolahan  data  dan  pembahasan  hasil  penelitian  yang  telah  dilakukan,  maka  dapat  disimpulkan  bahwa instalasi analogi hidrolik mampu memberikan gambaran lebih detail tentang karakteristik dan gerakan osilasi aliran jet nosel, sel kejut yang terjadi, dan mekanisme terjadinya screech noise. Dimana karakteristik pancaran jet aliran air yang dihasilkan  dari  penggunaan  instalasi  meja  analogi  hidrolik  secara  visual  sama  dengan  hasil  penelitian  aliran  pancaran gas.  Hasil  pencitraan  menunjukkan  mekanisme screech  noise yaitu loop murni  gelombang  akustik  yang  menjalar  ke hilir  didalam shear  layer sekitar  pancaran  jet  dan  gelombang  yang  menjalar  ke  hulu  dibagian  luar  jet  nosel.  Karena pengoperasian jet nosel dimana screech noise pada kondisi dominan, maka secara visual aliran jet nosel menunjukkan fenomena gerakan osilasi secara lateral.

## Referensi
[1]    Panda,  J.,  An  experimental  investigation  of  screech  noise  generation.  J.  Fluid  Mech.  1995;  378:  p.71-96.  DOI: 10.1017/S0022112098003383.
[2]  Rani,  S.L., Wooldridge,  M.S., Quantitative  flow  visualization  using the  hydraulic analogy. Experiment in Fluids. 2000; 27: p.165-169. DOI: 10.1007/s003480050021.
[3]   Brocher, E., Makhsud, A., A new look at the screech tone mechanism of underexpanded jets. European Journal of Mechanics. B, Fluids. 1997; 16: p.877-891.
[4]   Lavicka, D., Boiron, O., Polansky, J., CFD Simulation of Analogy between Compressible and Free Surface Flow. Fluent Forum; 2007; Paris France.
[5]  Andre,  B.,  Castelain,  T.,  Bailly,  C.,  Broadband  shock-associated  noise  in  screeching  and  non-screeching underexpanded supersonic jets. AIAA Journal. 2013; 51 : p.313-318. DOI: 10.2514/1.J052058.
[6]  Brocher, E., Makhsud. A., Experimental Study on the Influence of Nozzle Inlet Geometry on Screech Noise. First Joint CEAS/AIAA Aeroacoustics Conference; 1995.
[7]   Kumar, V., Ng, I., Sheard, G.J., Hourigan, K., Fouras, A., Hydraulic analogy examination of  underexpanded jet shock-cells using reference image topography. Proceeding of the 8th International Symposium on Particle Image Velocimetry PIV;  2009; 09. p.0086.
[8]    Kumar,  V.,  Ng.  Ivan,  Sheard,  G.  J.,  Brocher,  E.,  Hourigan,  K.,  Fouras,  A.,  Application  of  particle  image velocimetry and reference image topography to jet shock-cells using the hydraulic analogy. Exp Fluids. 2011; 51: p.543-551. DOI: 10.1007/s00348-011-1072-8.
[9]   Zapryagaevi, V.I., Kudryavtsev, A.N., Lokotko, A.V., Solotchin A.V., Pavlov A.A., Hadjadj, A., An Experimental and  Numerical  Study  of  a  Supersonic  Jet  Shock-waves  Structure.  Approved  for  public  release,  distribution unlimited. Russia,1-7 July 2002: P:09499-0014.
[10]  Tam,  C.K.W.,  Supersonic  jet  noise.  Annual  Review  of  Fluid  Mechanics.  1995;  27:  p.17-43.  DOI: 10.1146/annurev.fl.27.010195.000313.
[11]   Buchanan, A., Macartney R., Thompson, M.C., Brocher, E., Hourigan, K., Hydraulic analogy study of supersonic rectangular jet screech control with cylinders. AIAA Journal. 2007; 45: p.1539-1545. DOI: 10.2514/1.26714.
[12]  Carbonaro, M., Van der Haegen, V., Hydraulic Analogy of Supersonic Flow-Lab Notes. EUROAVIA Symposium. Von Karman Institute for Fluid Dynamics; 2002.
[13] Makhsud, A., Yunus, L.O.I.S., Gas flow characteristics using variation of nozzle with hydraulic analogy method. Journal of Engineering and Applied Sciences. 2017; 12(24): p.7583-7589. DOI: 10.36478/jeasci.2017.7583.7589.
[14] Gunter, A.L., Smadi, O., Kadem, L., Ng, H.D., Visualization of an imploding circular wave front and the formation of a central vertical jet. Journal of Visualization. 2011; 14: p. 19-22. DOI: 10.1007/s12650-010-0068-4.
[15] Seiner, J.M., Manning, J.C., Model and full scale study of twin supersonic plume resonance. 1987. AIAA 87-0244. DOI: 10.2514/6.1987-244.
[16] Makhsud, A., Yunus, L.O.I.S., Mekanika Fluida : teori dan aplikasi. Makassar: Nasmedia Pustaka; 2021. p. 275.
[17]  A,  Makhsud.  Experimental  Study  of  the  Acoustic  Radiation  and  Instability  of  Underexpanded  Supersonic  Jets (Simulation with Hydraulic Analogy). Marseille Perancis: Universite de la Mediterranee (Aix Marseille II). 1996. P.254