Penentuan Sub-sub Daerah Aliran Stratified Udara-Air pada Pipa Horisontal Menggunakan Constant Electric Current Method (CECM)

## Akhmad Zidni Hudaya
Dosen Fakultas Teknik, Program Studi Teknik Mesin Universitas Muria Kudus. Email : zidni01@yahoo.com
Indarto Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Universitas Gadjah Mada. Jl. Grafika No. 2 Kompleks UGM, Yogyakarta 55281, Indonesia.
Deendarlianto Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Universitas Gadjah Mada. Jl. Grafika No. 2 Kompleks UGM, Yogyakarta 55281, Indonesia.

## ABSTRAK
Visualisasi  dan liquid  hold-up aliran stratified udara-air  pada  pipa  horizontal  sebagai  fungsi waktu (dia. dalam pipa 26,0  mm dan total panjang seksi uji 9,5  m) telah diteliti  secara eksperimental. Pada  penelitian  ini,  studi  visualisasi  dilakukan  dari  analisa  data  visual  yang  dihasilkan  kamera  video kecepatan  tinggi  dan  perilaku  tebal  film  aliran  diteliti  dengan  mengukur liquid  hold-up menggunakan Constant  Electric  Current  Method  (CECM). Prinsip  dari  metode  ini  didasarkan  atas  perbedaan konduktivitas  pada  cairan  dan  gas.  Pada  penelitian  ini  digunakan  sensor  CECM  sebanyak  3  buah dengan  jarak  aksial  antar  sensor  215  mm.  Hasil  penelitian  ini  menunjukkan  bahwa  karakteristik gelombang  antarmuka  yang  dihasilkan  dari  pemprosesan  sinyal  CECM  dan  studi  visual  dapat digunakan  untuk  menentukan  sub-sub  daerah  aliran stratified .  Peta  pola  aliran stratified Udara-Air pada Pipa Horisontal yang dihasilkan dari penelitian ini dipresentasikan dan dibandingkan dengan peta- peta yang ada dari penelitian-penelitian terdahulu.
Kata Kunci : Sub-sub daerah aliran, aliran stratified, CECM, gelombang antarmuka

## ABSTRACT
The visualitation and the time variation of liquid hold-up in a horizontal air-water stratified flow (26.0  mm  ID  and  9.5  m  in  total  length)  has  been  investigated  experimentally.  In  the  present experimental  study,  the  visualisation  study  was  carried-out  from  the  analizing  of  the  visual  data obatined  from  the  video  camera  and  the  liquid  film  behavior  was  investigated  by  measure  the instantaneous local liquid hold-up by using a Constant Electric Current Method (CECM). The principle of this method is on the basis of the conductivity ratio of the two-phase components. Here we used three pairs of liquid hold-up sensors arranged with an axial spacing of 215 mm. As a result it was found that : Both  the visual  and the signal characterization  of the interfacial  wave can be used to  determine  the flow sub-regime in air-water stratified flow. A flow pattern map for horzontal air-water stratified flow is was presented and compared with the maps available from the literature.
Keywords: flow sub-regimes, stratified flow, CECM, interfacial wave

## 1. PENDAHULUAN
Pola aliran stratified merupakan pola aliran dua fasa yang mempunyai tingkat keamanan operasional yang  tinggi.  Pembahasan  mengenai  antarmuka  aliran stratified gas-cairan  telah  menjadi  topik  yang menarik  sejak  puluhan  tahun.  Pada  aliran stratified fasa  cairan  dan  fasa  gas  terpisah  secara  jelas  oleh
adanya perbedaan berat jenis antara kedua fasa. Beberapa peta pola aliran untuk sistem air-udara dalam literatur seperti peta Baker (1954), Mandhane (1974), Taitel dan Dukler (1976) Lin dan Hanratty (1987) memperlihatkan adanya daerah pola aliran stratified dan transisi pola aliran strtified ke pola aliran yang lain. Meskipun terdapat banyak struktur antarmuka yang komplek pada aliran stratified, peta-peta pola aliran biasanya pola aliran stratified dibagi menjadi dua sub daerah yaitu stratified smooth dan stratified wavy. Hal  ini  sangat  menarik  untuk  dibahas  karena  bentuk  struktur  antarmuka  pada  aliran menggambarkan  pola  aliran  yang  terjadi  dan  perubahan  pola  aliran  yang  lebih  detail  dari  aliran stratified dapat diprediksi dengan pengamatan pada struktur antar mukanya.
Taitel  dan  Dukler  (1976),  menggunakan  beberapa  pendekatan  untuk  menjelaskan  mekanisme transisi dari stratified smooth ke stratified wavy .  Taitel dan Dukler (1976) mengusulkan suatu korelasi untuk  kecepatan  kritis  pada  saat  terjadinya  permulaan  ketidakstabilan  antarmuka  yang  menyebabkan pembangkitan  gelombang.    Lin  dan  Hanratty  (1986),  menjelaskan  transisi  pada  aliran stratified menggunakan  teori  stabilitas  linier  dengan  memasukkan  faktor viscous dan  inersia.  Spedding  dan Nguyen (1979) secara detail mengamati aliran stratified dan gelombang-gelombang lain yang terbentuk pada  permukaan  akibat  perubahan  kecepatan  gas  pada  pipa  horizontal  secara  visual.  Kelemahan  dari metode  pengamatan  visual  ini  adalah  pengamatan  visual  dapat  dilakukan  pada  kondisi  kecepatan  gas rendah, akan tetapi pada kecepatan gas yang tinggi morfologi aliran menjadi sulit diamati. Spedding dan Spence  (1993)  menggunakan  kombinasi  pengamatan  visual  dan  karakteristik  fluktuasi  tekanan  dan liquid  hold-up rata-rata  untuk  menentukan  transisi  gelombang.  Model-model  teori  dan  empiris  yang dihasilkan  oleh  Spedding  dan  Spence  (1993)  tidak  memuaskan  dalam  memprediksi  batas  transisi  fasa jika  parameter  geometri  dan  propertis  fisik  dari  fluida  divariasi.  Sehingga  dibutuhkan  pengembangan metode lain yang bagus untuk memprediksi transisi pola aliran.
Selain metode pengamatan visual, analisa sinyal liquid hold-up merupakan salah satu metode untuk menentukan pola dan karakteristik aliran dua fasa. Sedangkan pengukuran liquid hold-up sebagai fungsi waktu  masih  menjadi  permasalahan  yang  belum  tuntas  dalam  permasalahan-permasalahan  aliran  dua fasa  di  Indonesia.  Pengukuran liquid  hold-up sebagai  fungsi  waktu  umumnya  menggunakan  metode konduktansi. Salah satu metode konduktansi  yang dikembangkan oleh Fukano (1989) adalah Constant Electric  Current  Method (CECM).  Karakteritik  dari  CECM  adalah  sumber  tenaga  arus  konstan digunakan  untuk  memberi  tenaga  listrik  pada  dua  buah  elektroda.  Satu  digunakan  untuk  memberi tenaga  listrik  dan  yang  lain  untuk  mendeteksi  informasi  ketebalan  film.  Keutamaan  CECM  adalah keluaran elektroda sensor tidak tergantung pada  lokasi  fase gas, sensivitas  mendeteksi perubahan hold up lebih tinggi, dan interaksi diantara kedua elektroda diabaikan.
Dari    uraian  di  atas  dan  melihat  pentingnya  pengetahuan  mendetail  tentang  aliran stratified , serta belum banyak dijumpainya data base , maka perlu dilakukan penelitian yang komprehensif untuk mengetahui  sub-sub  daerah  pada  pola  aliran stratified udara-air  pada  pipa  horizontal  berdasarkan analisa sinyal liquid hold-up dengan Constant Electric Current Method (CECM).

## 2. METODA PENELITIAN
Pada penelitian ini pipa acrylic transparan ID  26 mm digunakan agar perilaku aliran dapat diamati. Panjang  pipa  sebelum  seksi  uji  didesain  5  m  agar  menjamin  aliran  berkembang  penuh.  Panjang  pipa seksi  uji  untuk  visualisasi  1  m  dan  untuk liquid  hold-up 1,72  m.  Untuk  mengukur liquid  hold-up digunakan  sensor  CECM  sebanyak  3  buah  dengan  jarak  radial  antar  sensor  215  mm  guna  menjamin sensor  dapat  membaca  panjang  gelombang.  Sensor  CECM  terdiri  dari  sepasang  elektroda  kuningan dengan tebal 1 mm dan jarak antar elektroda 5 mm. Pada ujung-ujung seksi uji dipasang elektroda yang berfungsi untuk mengalirkan arus listrik konstan yang berasal dari power suplai. Sinyal liquid hold-up dari sensor dikuatkan dengan amplifier, kemudian diubah oleh Analog to Digital Converter (ADC) agar dapat dibaca oleh komputer.
Prinsip kerja dari CECM didasarkan atas perbedaan tahanan pada cairan dan gas. Tahanan listrik aliran dua fasa, R TP , dalam unit panjang dari saluran diekspresikan pada persamaan 1.
(1)
Dimana R G dan R L adalah tahanan listrik fase gas dan liquid yang masing-masing menempati bidang potongan  pipa .  Liquid  hold-up (η)  diekspresikan  dalam  unit  panjang  (V TP )  pada  saat  arus  konstan  I 0 dicatukan. Hold - up diekspresikan  oleh  persamaan  2,  dan  untuk  kasus  aliran  dua  fasa  udara-air,  nilai R G >> R L . (2)
Dimana V L adalah drop tegangan saat liquid yang mengalir menempati sejumlah area dari pipa. Jika tahanan listrik  dan drop tegangan berturut-turut sebagai R TP0 dan V TP0 saat hold-up diketahui nilainya, η 0 dan arus listrik I 0 pada nilai yang sama dengan persamaan  2, maka η 0 pada persamaan 3 didapatkan dari persamaan 2.
(3)
Dengan mengeliminasi V L pada dua persamaan 3, maka diperoleh nilai hold-up seperti pada persamaan 4.
(4)
Jika  V TP diukur  dibawah  kondisi  dari  nilai  yang  diketahui  (η 0 ,V L atau  V TP0 )  maka  kita  dapat menentukan hold-up (η).
Pada analisa sinyal, sinyal rangkaian waktu yang dikumpulkan  dianalisa  secara statistik / stochastic untuk mendapatkan
informasi
yang
diinginkan. Pump Flow Meter Valve Liquid Tank By-Pass Mixer Flow Meter Valve Air regulator Separator Air Liquid Kompressor Pipe Length (L) x Lampu Layar High Speed Camera ADC Amplifier With high Impedance + - Constant Current power Source PC Ground 215 215 215 215
Gambar 1. Skema Diagram Peralatan

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1 Karakterisasi Pola Aliran
Bentuk struktur antar muka aliran stratified pada penelitian ini diamati dengan dua cara yaitu secara visual  dan  analisa  sinyal.  Metode  ini  lebih  obyektif  dalam  menentukan  sub-sub  daerah  pada  aliran stratified dibanding dengan pengamatan  secara  visual saja. Berdasarkan pada pengamatan  visual, data hasil rekaman video dan data liquid hold-up sebagai fungsi waktu dari penelitian yang telah dilakukan,
Pola  aliran stratified dari  hasil  variasi  kecepatan  superfisial  air  dan  udara  yang  digunakan  dapat dikelompokkan  menjadi stratified  smooth  (SS),  stratified  wavy  +  ripple  (SR),  Stratified  wavy  +  Roll (SRW), dan Pseudo-slug (PS) . Karakteristik dari pola-pola aliran ini dapat dijelaskan sebagai berikut :
a. Stratified Smooth (SS)
Pola  aliran stratified mempunyai  ciri  bahwa  fluida  cair  dan  gas  terpisah  secara  jelas  karena adanya  perbedaan  berat  jenis.  Sedangkan  pola  aliran stratified smooth terjadi  pada  kecepatan superfisial cairan dan gas yang rendah sehingga interface dari cairan dan gas halus ( smooth ) seperti yang terlihat pada gambar 2.
Gambar 2. Contoh Visualisasi Aliran Stratified Smooth (J L = 0,016 m/s dan J G = 1,02 m/s)
Pola aliran stratified smooth dapat juga dilihat dari karakteristik transien liquid hold-up seperti terlihat  pada  gambar  3.  Pada  Gambar  3.  terlihat  bahwa  data  sinyal liquid  hold-up tampak  seperti garis lurus dan tidak terlihat adanya fluktuasi yang signifikan.
Gambar 3. Contoh Liquid hold- up Aliran Stratified Smooth (J L = 0,016 m/s dan J G = 1,02 m/s) Gambar  4.  merupakan  karakteristik probability  distribution  function (PDF)  aliran stratified smooth (J L =  0,016  m/s  dan  J G =  1,02  m/s).  Pada  gambar  4.  terlihat  bahwa  karakteristik  PDF menunjukkan kelas data yang mengumpul membentuk dua kelas data.
Gambar 4. Contoh PDF Aliran Stratified Smooth (J L = 0,016 m/s dan J G = 1,02 m/s) gas liquid Smooth interface
Liquid value dominant

## b. Stratified Wavy + Ripple (SR)
Pola  aliran  ini  terbentuk  sejalan  dengan  penambahan  kecepatan  superfisial  udara  dan  atau kecepatan superfisial  air. Pada kondisi  ini riak-riak gelombang  mulai terbentuk sehingga topologi pola  alirannya  akan  berubah  dari stratified  smooth menjadi stratifed  wavy + ripple seperti  yang terlihat pada gambar 5.
Pada  penambahan  kecepatan  superfisial  air  yang  lebih  tinggi  lagi  dimana  pada  kondisi  ini selain  terdapat  riak-riak  gelombang  ( ripple ),  akan  tampak  juga  gelombang  panjang  sehingga topologi pola aliran akan sedikit berubah akan tetapi masih dalam daerah stratifed wavy + ripple.
Gambar 5.  Visualisasi Aliran Stratified Wavy + Ripple (J L = 0,092 m/s dan J G = 1,02 m/s)
Pola  aliran stratified  +  ripple dapat  juga  dilihat  dari  karakteristik  transien liquid  hold-up seperti terlihat pada gambar 6.
Gambar  7.  merupakan  karakteristik probability  distribution  function (PDF)  aliran stratified wavy + ripple (J L = 0,092 m/s dan J G = 1,02 m/s). Pada gambar 7 terlihat bahwa karakteristik PDF mempunyai  kelas  data  yang  lebih  menyebar  dibandingkan  dengan  karakteristik  PDF stratified smooth.
Gambar 6. Liquid Hold-Up Aliran Stratified Wavy + Ripple (J L = 0,092 m/s dan J G = 1,02 m/s)
Gambar 7. Contoh PDF Aliran Stratified Wavy + Ripple (J L = 0,092 m/s dan J G = 1,02 m/s) ripple Long wave Liquid value dominant
c. Stratified Wavy + Roll (SRW)
Pola aliran ini terbentuk sejalan dengan penambahan kecepatan superfisial udara dan air yang cukup  signifikan  dimana  pada  kondisi  ini  akan  terbentuk  gulungan-gulungan (roll) sehingga topologi pola aliran akan berubah menjadi stratifed wavy + roll seperti terlihat pada gambar 8. Pada gambar  8.  terlihat  bahwa  gulungan-gulungan  yang  terjadi  pada  kondisi  ini  akan  menyebabkan fluktuasi liquid hold-up menjadi lebih besar.
Gambar 8. Contoh Visualisasi Aliran Stratified Wavy + Roll (J L = 0,047 m/s dan J G = 3.77 m/s)
Pola aliran stratified + roll dapat juga dilihat dari karakteristik transien liquid hold-up seperti terlihat  pada  gambar  9.  Sedangkan  gambar  10.  merupakan  karakteristik probability  distribution function (PDF) aliran stratified wavy + roll (J L = 0,047 m/s dan J G = 3.77 m/s)
Gambar 9. Contoh Liquid Hold- Up Aliran Stratified Wavy + Roll (J L = 0,047 m/s dan J G = 3.77 m/s)
Gambar 10. Contoh PDF Aliran Stratified Wavy + Roll (J L = 0,047 m/s dan J G = 3.77 m/s)

## d. Pseudo Slug (PS)
Pola aliran ini hampir mirip dengan pola aliran stratified wavy + roll, penambahan kecepatan superfisial air pada pola aliran stratified wavy + roll akan menyebabkan terjadinya hidraulic jump
Roll wave Roll wave
yang  oleh  Lin  dan  Hanratty  (1987)  dikategorikan pseudo-slug ,  dimana  gelombang  cairan menyentuh bagian atas kemudian cairan pecah menjadi droplet sehingga secara visual menyerupai slug akan tetapi belum terjadi blockage seperti terlihat pada gambar 11.
Gambar 11. Contoh Visualisasi Pola Aliran Pseudo-Slug (J L = 0,092 m/s dan J G = 3.77 m/s)
Pola  aliran pseudo-slug dapat  juga  dilihat  dari  karakteristik  transien liquid  hold-up seperti terlihat  pada  gambar  12.  Sedangkan  gambar  13.  merupakan  karakteristik probability  distribution function (PDF) aliran pseudo-slug (J L = 0,092 m/s dan J G = 3.77 m/s).
Gambar 12. Contoh Liquid Hold-Up Pola Aliran Pseudo-Slug (J L = 0,092 m/s dan J G = 3.77 m/s)
Gambar 13. Contoh PDF Pola Aliran Pseudo-Slug (J L = 0,092 m/s dan J G = 3.77 m/s)
Pada kondisi  ini  jika pengaruh penambahan kecepatan superfisial  air  lebih dominan terhadap penambahan  kecepatan  superfisial  udara  maka  pola  aliran  akan  berubah  menjadi  aliran  slug. Sedangkan  jika  pengaruh  penambahan  kecepatan  superfisial  udara  lebih  dominan  terhadap penambahan kecepatan superfisial air maka pola aliran akan berubah menjadi aliran annular.

## 3.2 Perbandingan dengan Peta Pola Aliran Lain
Pada  penelitian  ini  pola  aliran  yang  diamati  dibandingkan  dengan  peta  pola  aliran  yang  sudah ada sebagai bahan referensi. Peta pola aliran yang digunakan adalah peta pola aliran Mandhane (1974),
Hydraulic Jump Super-critical Sub- critical
Taitel dan Dukler (1976), serta Spedding dan Nguyen (1979). Peta pola aliran jenis ini dipilih sebagai bahan  referensi  karena  sering  digunakan  sebagai  acuan  untuk  penelitian  tentang  aliran  dua  fase  pipa horisontal.
Pola  aliran  yang  diamati  dalam  penelitian  ini  jika  dibandingkan  dengan  peta  pola  aliran Mandhane  (1974),  serta  Taitel  dan  Dukler  (1976)  pada  gambar  14.  menunjukkan  ada  penyimpangan pola, dimana transisi dari stratified smooth ke stratified wavy pada penelitian ini terlihat lebih bergeser ke  kiri  dibandingkan  dengan  prediksi  peta  Mandhane  (1974),  serta  Taitel  dan  Dukler  (1976).  Hal  ini disebabkan  karena  peta  pola  aliran  Mandhane  (1974),  serta  Taitel  dan  Dukler  (1976)  lebih  bersifat umum.
Gambar 14. Perbandingan Data Penelitian Dengan Peta Pola Aliran Mandhane (1974)
Serta Taitel Dan Dukler (1976)
Sedangkan  Pola  aliran  yang  diamati  dalam  penelitian  ini  jika  dibandingkan  dengan  peta  pola aliran Spedding dan Nguyen (1979) dapat dilihat pada gambar 15. Pada gambar 15. terlihat bahwa ada ketidakcocokan pola yang terjadi, dimana pola pseudo-slug terletak pada daerah STR + Roll wave pada peta  Spedding  dan  Nguyen  (1979).  Hal  ini  disebabkan  karena  diameter  pipa  yang  dipakai  dalam penelitian  ini  (  in=2,6  cm)  lebih  kecil  dibanding  pipa  yang  dipakai  dalam  penelitian    Spedding  dan Nguyen (  in=4.55 cm), akan tetapi sebagian besar pola aliran yang diamati dalam penelitian ini sesuai dengan peta pola aliran Spedding dan Nguyen (1979).
s s s s r r r r r r r r r r r P P PP P R R R R s : smooth r : ripple R : Roll P : Pseudo-slug
Gambar 15. Perbandingan Data Penelitian Dengan Peta Pola Aliran Spedding dan Nguyen (1979)

## 4. KESIMPULAN
Pola aliran stratified secara detail pada penelitian ini telah berhasil diidentifikasikan dengan jelas baik secara visual maupun melalui sinyal liquid hold-up dari hasil keluaran sensor CECM. Pola ini meliputi stratified smooth (SS), stratified wavy + ripple (SR), Stratified wavy + Roll (SRW), dan Pseudo-slug (PS).
Pola  aliran  yang  diamati  dalam  penelitian  ini  jika  dibandingkan  dengan  peta  pola  aliran Mandhane  (1974),  serta  Taitel  dan  Dukler  (1976)  pada  gambar  14.  menunjukkan  ada  penyimpangan batas transisi antara stratified smooth dan stratified wavy. Pada penelitian ini terlihat batas transisi lebih bergeser ke kiri dibandingkan dengan prediksi peta Mandhane (1974), serta Taitel dan Dukler (1976). Sedangkan jika dibandingkan dengan peta pola aliran Spedding dan Nguyen (1979) terlihat bahwa ada ketidakcocokan pola yang terjadi, dimana pola pseudo-slug terletak pada daerah STR + Roll wave pada peta Spedding dan Nguyen (1979), namun sebagian  besar pola aliran  yang diamati pada penelitian  ini sesuai dengan peta pola aliran Spedding dan Nguyen (1979).

## 5. DAFTAR PUSTAKA
[1] Baker, O. 1954. Design of Pipelines for Simultaneous Flow of Oil and Gas , Oil and Gas J. , July, pp.26
[2] Fukano, T., Measurement of time varying thickness of liquid ﬁlm ﬂowing with high speed gas ﬂow by a constant electric current method (CECM) , Nuclear Engineering and Design, pp. 363- 377(1998).
[3] Lin, P.Y. and Hanratty, T.J., 1986, Prediction of the initiation of slugs with linear stability theory, Int. J. Multiphase Flow, Vol. 12, pp. 19-98.
[4] 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.
[5] 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.
[6] Spedding, P. L. and Nguyen, V.T., 1979, Regime Map for Air Water Two-Phase Flow , Chemical Engineering Science Vol 35, pp. 779-793
[7] 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
[8[   Taitel, Y. and Dukler, A.E., 1976, A model for predicting flow regime transitions in horizontal and near horizontal gas-liquid flow , AIChE J., Vol. 22, pp. 47-55