## STUDI EKSPERIMEN MENGENAI SUB-SUB POLA ALIRAN STRATIFIED PADA ALIRAN DUA FASA SEARAH BERDASAR FLUKTUASI BEDA TEKANAN PADA PIPA HORISONTAL
Rianto Wibowo Program Studi Teknik Mesin, Universitas Muria Kudus Gondang Manis, Bae, Kudus Email: riantowibowo_umk@yahoo.com

## Akhmad Zidni Hudaya
Program Studi Teknik Mesin, Universitas Muria Kudus Gondang Manis, Bae, Kudus
Masruki Kabib Program Studi Teknik Mesin, Universitas Muria Kudus Gondang Manis, Bae, Kudus

## ABSTRAK
Keakuratan  perhitungan  rekayasa  untuk  aliran  dua  fasa  sangat  tergantung  dari  model  dan karakteristik spesifik dari peta pola aliran tersebut, sehingga penentuan pola-pola aliran dan sub-sub pola aliran  menjadi  sangat  penting.  Pada  tataran  aplikasi,  pengkajian  pola  aliran stratified menggunakan metode analisis statistik  dengan  fluktuasi tekanan  sangat cocok diaplikasikan pada industri  karena tidak ada  persyaratan  untuk  bahan  pipa,  khususnya  dimana  sensor  tekanan  akan  dipasang.  Hal  ini  juga  akan menghapus  segala  keterbatasan  pengkajian  pola  aliran stratified dengan  menggunakan  metode konduktansi . Tujuan  dari  studi  ini  adalah  mengklasifikasi  sub-sub  pola  aliran stratified air-udara  pada pipa horizontal berdasarkan hasil pengukuran sinyal keluaran sensor tekanan. Metodologi yang digunakan adalah  kaji  eksperimental  visualisasi  dan  pengukuran  fluktuasi  beda  tekanan.  Pipa acrylic transparan dengan  diameter  dalam  26  mm  dan  panjang  10  m  digunakan  agar  sub-sub  pola  aliran stratified dapat diamati  secara  visual  menggunakan  kamera  video  kecepatan  tinggi.  Untuk  mengukur  fluktuasi  beda tekanan dilakukan dengan pengukuran tekanan diferensial pada seksi uji dengan posisi tap 180 D dan 210 D.  Hasil penelitian menunjukan visualisasi sub-sub pola aliran stratified yang diamati masih cukup sulit dideteksi jika hanya dengan kehadiran fluktuasi beda tekanan saja.
Kata kunci : aliran stratified, pengukuran tekanan, sub-sub pola aliran, visualisasi.

## ABSTRACT
The  accuracy  of  engineering  calculations  for  two-phase  flow  is  highly  dependent  on  the  specific characteristics of the model and map the flow pattern, so that the determination of flow patterns and sub- flow  patterns  are  very  important.  At  the  application  level,  assessment  stratified  flow  patterns  using statistical analysis methods with suitable pressure fluctuations applied to the industry because there is no requirement  for  the  pipe  material,  especially  where  the  pressure  sensor  will  be  installed.  It  also  will remove all the limitations of the study stratified flow pattern using conductance method. The aim of this study  was  to  classify  the  sub-stratified  flow  pattern  of  water-air  on  a  horizontal  pipe  based  on  the measurement  of  the  pressure  sensor  output  signal.  The  methodology  used  is  studied  experimental visualization  and  measurement  of  fluctuations  in  pressure  difference.  Transparent  acrylic  pipe  with  an inner  diameter  of  26  mm  and  a  length  of  10  m  is  used  so  that  the  sub-stratified  flow  pattern  can  be observed  visually  using  a  high  speed  video  camera.  To  measure  the  pressure  difference  fluctuation  is done by measuring the differential pressure in the test section with tap positions 180 D and 210 D. The results showed the visualization sub-stratified flow pattern observed is still quite difficult to detect if only the presence of fluctuations in the pressure difference alone.
Keywords: stratified flow, pressure measurement, sub-flow patterns, visualization.

## 1. PENDAHULUAN
Salah satu permasalahan yang sangat penting  pada  transportasi fluida aliran dua fasa di dalam pipa adalah  kerugian  tekanan  akibat  gesekan.  Akan  tetapi  sebelum  mengkaitkan  dengan  kerugian  tekanan, pada perencanaan fasilitas aliran dua fasa perlu mempertimbangkan pola aliran karena pola aliran tertentu dapat  menghasilkan  efisiensi  produksi  yang  lebih  tinggi  atau  pula  dapat  membahayakan  bagi  instalasi yang ada jika dibanding dengan pola aliran lain.
Pola  aliran  dapat  diketahui  melalui  pengamatan  visual  langsung  menggunakan  pipa  transparan, fotografi  menggunakan  sinar  X  dan  atau  analisa  sinyal  menggunakan  metode  konduktansi  [1,2]  dan metode  pegukuran  tekanan  [3,4].  Pada  kenyataannya,  tidak  ada  satupun  metode  identifikasi  yang memadai dalam semua situasi untuk menentukan pola aliran dua fasa akan tetapi kombinasi dari metode- metode tersebut harus digunakan dalam kondisi yang tepat.  Pada tataran aplikasi, pengkajian pola aliran stratified menggunakan  metode  analisis  statistik  dengan  fluktuasi  tekanan  sangat  cocok  diaplikasikan pada  industri  karena  tidak  ada  persyaratan  untuk  bahan  pipa,  khususnya  dimana  sensor  tekanan  akan dipasang.  Hal  ini  juga  akan  menghapus  segala  keterbatasan  pengkajian  pola  aliran stratified dengan menggunakan metode konduktansi .
Tujuan  dari  studi  ini  adalah  mengklasifikasi  sub-sub  pola  aliran stratified air-udara  pada  pipa horizontal berdasarkan hasil pengukuran sinyal  keluaran sensor tekanan dikombinasikan  dengan  metode pengamatan visual langsung menggunakan pipa transparan.

## 2. METODE PENELITIAN
Metode  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah  kaji  eksperimental  visualisasi  dan  pengukuran fluktuasi  beda  tekanan  seperti  yang  terlihat  pada  gambar  1.  Pipa acrylic transparan  dengan  diameter dalam 26 mm dan panjang 10 m digunakan agar sub-sub pola aliran stratified dapat diamati secara visual menggunakan kamera video kecepatan tinggi. Untuk mengukur fluktuasi beda tekanan dilakukan dengan pengukuran tekanan diferensial dengan posisi tap 180 D dan 210D. Sinyal dari sensor tekanan dikuatkan dengan amplifier , kemudian diubah oleh Analog to Digital Converter agar dapat dibaca komputer menjadi data  sinyal  tekanan  dalam  rangkaian  waktu.    Selanjutnya  sub-sub  pola  aliran stratified diklasifikasian berdasarkan pengamatan visual dan data sinyal tekanan dalam rangkaian waktu.
Separator Udara Air Panjang Pipa (L) x ADC Personal Computer x/D =180 Katup Katup Flow Meter Flow Meter Aliran air-udara Katup by pass Tangki Air Mixer Regulator Udara PT PT Lighting High Speed Video Camera x/D =210 Gambar 1.  Skema Alat Penelitian

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pola  aliran stratified secara  detail  dibagi  menjadi  subdaerah-subdaerah  berdasarkan  struktur antarmuka.  Namun,  Sebagian  besar  peneliti  membagi  aliran stratified menjadi  dua  subdaerah  yaitu stratified smooth dan stratified wavy . Sedangkan stratified wavy dapat dibagi lagi menjadi sub-sub daerah yaitu two dimensional wave, roll wave dan atomization . Sub  daerah stratified  smooth terjadi  pada  kecepatan superfisial air  dan  udara  yang  rendah  dimana antarmuka antara fasa cair dan gas tampak datar dan tidak ada gangguan. Pada gambar 1. memperlihatkan contoh  visualisasi  dan  sinyal  beda  tekanan  aliran stratified  smooth pada  kecepatan  superfisial  air,  J L = 0,025 m/s dan kecepatan superfisial udara, J G = 1,88 m/s.

## (a)

## (b)
Gambar 1. Contoh Visualisasi Dan Sinyal Beda Tekanan Aliran Stratified Smooth
Jika kecepatan gas pada aliran stratified smooth dinaikkan, maka pada antarmuka cair dan gas akan terjadi  gelombang  yang  mempunyai  amplitudo  kecil  dan  panjang  gelombang  pendek  serta  bentuk gelombang yang teratur. Sub-daerah aliran stratified ini disebut two dimensional wave (2D wave ).
(a)

## (b)
Gambar 2. Visualisasi Dan Sinyal Beda Tekanan Aliran Stratified Gelombang 2D (J L = 0,025 m/s Dan J G = 3,77 m/s)
Pada  gambar  2,  memperlihatkan  contoh  visualisasi  dan  sinyal  beda  tekanan aliran stratified gelombang 2D pada kecepatan superfisial air,  J L = 0,025 m/s dan kecepatan superfisial udara, J G = 3,77 m/s.  Pada  sub-daerah  ini,  sinyal  beda  tekanan  tidak  tampak mengalami  fluktuasi  meskipun  pada visualisasi  tampak  antarmuka  yang  bergelombang  teratur.  Hal  ini  menjelaskan  bahwa  pada  sub-daerah ini, gas tidak mengalami proses kompresi dan fluktuasi tinggi gelombang yang kecil kurang terukur oleh sensor tekanan.
air udara Smooth interface Base pipe 2D interface , t = 0 s 2D interface, t = 0,017 s
(a)

## (b)
Gambar 3. Contoh Visualisasi Dan Sinyal Beda Tekanan Aliran Roll Wave (J L = 0,05 m/s dan J G = 3,77 m/s)
Pada  kecepatan  gas  yang  cukup  tinggi,  pada  antarmuka  cairan  dan  gas  akan  terlihat  panjang gelombang dan amplitudo yang besar serta bentuk gelombang yang tidak teratur. Pada kondisi ini mulai tampak  adanya  fluktuasi  tekanan  yanng  cukup  besar.  Sub-daerah  ini  disebut roll  wave dan  merupakan inisisasi terbentuknya aliran slug.
Ketika  fasa  gas  mengalami  percepatan  maka    tekanan  gas  di  atas  puncak  gelombang  akan mengalami  penurunan  akibat  efek  Bernoulli  sehingga  antarmuka  akan  semakin  terangkat  ke  atas  dan amplitudo  akan  semakin  besar.  Akan  tetapi,  kenaikan  gelombang  ini  akan  dihalangi  oleh  gravitasi.  Jika pengaruh  dari  percepatan  lebih  besar  dari  efek  gravitasi  maka  amplitudo  semakin  besar  maka  akan membentuk pola aliran slug. Gambar 3. memperlihatkan contoh visualisasi dan sinyal beda tekanan aliran stratified roll wave pada kecepatan superfisial air, J L = 0,05 m/s dan kecepatan superfisial udara, J G = 3,77 m/s.  Pada  visualisasi  terlihat  juga bahwa  beberapa  gelombang  yang  lebih  cepat  menabrak  gelombang yang  lebih  lambat  dan menyebabkan  gelombang-gelombang  tersebut bergabung.  Fenomena  ini  disebut wave  coalescence .  Sebaliknya  gelombang  besar  yag  pecah  menjadi  gelombang  yang  lebih  kecil  disebut wave break-up .
t = 0 s t = 0,017 s t = 0,05 s wave coalescence wave breakup
Gambar 4.  Contoh Visualisasi Dan Sinyal Beda Tekanan Sub Daerah Atomization (J L = 0,075 m/s dan J G = 3,77 m/s)
Gambar 4. memperlihatkan contoh visualisasi dan sinyal beda tekanan sub-daerah atomization pada kecepatan superfisial air, J L = 0,075 m/s dan kecepatan superfisial udara, J G = 3,77 m/s. Pada kecepatan gas yang sangat tinggi, atomisasi terjadi melalui pelepasan wavelet dari puncak gelombang karena adanya gaya geser aliran gas. Sub-daerah ini disebut atomization.
Gambar 5 menunjukkan perbandingan  pola aliran yang diamati dengan peta pola aliran yang sudah ada  sebagai  bahan  referensi  [1,2].  Peta  pola  aliran  yang  dipilih sebagai  perbandingan  adalah  peta  pola aliran yang umum digunakan.
Droplet entrainmment Wave development entrainmment t = 0 s t = 0,017 s t = 0,035 s t = 0,05 s t = 0,065 s t = 0,08 s
Smooth
2D wave Roll wave Atomization
Gambar 5. Perbandingan Pola Aliran Yang Diamati Dengan Peta Mandhane[1] Dan Peta Lin &
Hanratty(2]

## 4. KESIMPULAN
1) Pola  aliran  stratified  yang  berhasil  diamati  secara  visual  dibagi  menjadi  sub-sub  daerah  yang meliputi stratified smooth, two dimensional wave, Roll wave dan atomization.
2) Visualisasi  sub-sub  pola  aliran stratified yang  diamati  masih  cukup  sulit  dideteksi  jika  hanya menggunakan fluktuasi beda tekanan saja. Hal ni disebabkan karena sinyal beda tekanan tidak langsung menggambarkan morfologi pola aliran.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penelitian  ini  didanai  Hibah  Pekerti,  Kementrian  Riset  Teknologi  dan  Pendidikan  Tinggi berdasarkan Keputusan Direktur Penelitian dan Pengabdian Kepada Masyarakat No. 0100/E5.1/2015.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Lin, P.Y. and Hanratty, T.J., 1987, Effect of Pipe Diameter on flow patterns for air-water flow in horizontal . Int. J. Multiphase Flow , Vol. 13, No. 4 ,pp. 549-563.
[2] Mandhane,  J.M.,  Gregory,  G.A.,    Aziz,  K.,  1974, A  flow  pattern  map  for  gas-liquid  flow  in horizontal and inclined pipes , International Journal of Multiphase Flow 1 pp. 537-553.
[3] Spedding,  P.  L.  and  Nguyen,  V.T.,  1979, Regime  Map  for  Air  Water  Two-Phase  Flow ,  Chemical Engineering Science Vol 35, pp. 779-793
[4] Spedding,  P.  L.  and  D.R.  Spence,  1993, Flow  Regimes  in  Two-Phase  Gas-liquid  Flow ,  Int . J.  of Multiphase Flow, Vol. 19, No. 2, pp. 217-225