## ANALISIS LOSSES PIPA LURUS BERDIAMETER 40 cm PADA TEROWONGAN ANGIN LAPAN
Ahmad Jamaludin Fitroh Peneliti Aerodinamika, Kedeputian Teknologi Dirgantara, LAPAN e-mail: ahmad_fitroh@yahoo.com

## ABSTRACT
One  of  LAPAN’s  programs  is  design  and  build  the  ramjet  open  tested  wind tunnel.  The  lenght  of  pipe  connecting  between  wind  tunnel  and  storage  tank  was designed long enough so it was estimated there is big losses along the pipe. The object of  this  research  is  to  calculation  that  losses,  specially  for  the  straight  part  only.  The magnitude  of  the  losses  was  gotten  from  simulation  using  software  based  on  CFD theory. This research used two methods, i.e. based on pressure method and based on mass flow rate method. The simulation’s result using based on mass flow rate method gave the higher losses for the straight pipe so that result was chosen as the final result. That result was processed become the losses as a function of mass flow rate. The higher mass flow rate will produce the bigger losses. At mass flow rate of 60 kg/s, the losses is 0.135  %/m  and  at  100  kg/s  the  losses  is  0.299  %/m.  The  relation  between  both parameter is close to linier curve.
Key word: Pipe, losses, CFD, wind tunnel

## ABSTRAK
Salah  satu  program  LAPAN  adalah  membuat  terowongan  angin  uji  ramjet terbuka.  Pipa  penghubung  antara  terowongan  angin  tersebut  dengan  tangki penyimpanan udara direncanakan cukup panjang sehingga diperkirakan terjadi losses yang  cukup  besar.  Tujuan  penelitian  ini  adalah  menghitung losses tersebut, khususnya  untuk  pipa  lurusnya  saja.  Besar losses diperoleh  dari  simulasi menggunakan salah satu piranti lunak berbasis CFD . Metode yang digunakan adalah based on pressure dan based on mass flow rate . Hasil simulasi menggunakan metode based on mass flow rate memberikan losses pada pipa lurus yang lebih besar sehingga dipilih sebagai hasil akhir. Hasil simulasi diolah menjadi hubungan antara laju aliran massa  dan losses .  Semakin  besar  laju  aliran  massa,  maka losses nya  juga  semakin besar. Pada laju aliran massa 60 kg/det, losses nya sebesar 0,135 %/m dan pada laju aliran  massa  100  kg/det losses nya  0,299  %/m.  Hubungan  antara  kedua  parameter tersebut cenderung linier.
Kata kunci: Pipa, Kerugian, CFD, Terowongan angin

## 1  PENDAHULUAN
Salah satu  program LAPAN adalah  membuat  terowongan  angin  uji ramjet  terbuka.  Jarak  antara  terowongan angin  tersebut  dengan  tangki  penyim- panan  udara  direncanakan  cukup  jauh sehingga  diperkirakan  terjadi losses yang cukup besar.
Tujuan kegiatan ini adalah menghitung losses pipa  penghubung antara  tangki  penyimpanan  udara dengan  terowongan  angin  uji  ramjet terbuka.  Data losses tersebut  nantinya dapat digunakan untuk kondisi operasional terowongan angin tersebut.
Pipa  penghubung  antara  tangki penyimpanan  udara  dan  terowongan angin  terdiri  dua  bagian,  yaitu  bagian pipa  lurus  dan  bagian  lekukan.  Dalam penelitian  ini  pipa  lurus  saja  yang dianalisis.  Pipa  tersebut  mempunyai diameter dalam 40 cm [Ahmad Jamaludin  Fitroh,  2008].  Permukaan bagian  dalam  pipa  diasumsikan  cukup halus.

## 2  METODE
Distribusi losses di  sepanjang pipa  diperoleh  dari  simulasi  meng- gunakan  salah  satu  piranti  lunak berbasis CFD .  Simulasi  dilakukan menggunakan  dua  metode,  yaitu based on  pressure dan based  on  mass  flow rate .  Di  antara  kedua  metode  tersebut nantinya  diambil  yang  memberikan losses paling besar.
Penampang  pipa  yang  akan digunakan berbentuk lingkaran sempurna sehingga  simulasi  cukup  dilakukan secara axisymmetri [Manual FLUENT ]. Semua parameter aliran dianggap bersifat  konstan.  Model  turbulensi  yang digunakan  adalah k-epsilon  standard . Temperatur stagnasi diasumsikan sebesar 300 K [Ahmad Jamaludin Fitroh, 2008].
Simulasi dilakukan terhadap panjang  pipa  yang berbeda,  yaitu 5, 10, 20, dan 50 m. Masing – masing panjang pipa  tersebut  selanjutnya  dihitung losses nya.  Kemudain losses tersebut dibagi  dengan  panjang  pipa  masing– masing  sehingga  diperoleh losses per satuan panjang.
2.1 Metode Based On Pressure
Pangkal pipa di set sebagai pressure inlet sedangkan ujungnya di set sebagai pressure  outlet .  Tekanan  pada pressure inlet dibuat konstan sedangkan pada pressure  outlet dibuat  bervariasi untuk  mendapatkan  variasi  kecepatan aliran  dan  laju  aliran  massa  [Manual FLUENT ;  Anderson,  J.D.  JR.,  1984  & 1991;  Saad,  Michel  A.,  1985;  Anderson, J. D., 2003].
Dalam perhitungan, yang dimaksud pressure  inlet adalah  tekanan  total masuk  pipa.  Hubungan  antara  tekanan total  ( p 0 ),  tekanan  statik  ( p ),  dan kecepatan  aliran  ( M )  pada  kondisi kompresibel disajikan dalam  persamaan (2-1).  Notasi γ menyatakan  spesifik panas aliran.
1 2 0 2 1 1              M p p (2-1)
P ressure  outlet adalah  tekanan statik  aliran  keluar  pipa.  Selama  proses iterasi, tekanan statik aliran keluar pipa dibuat konstan sedangkan tekanan total dan  kecepatan  alirannya  merupakan hasil perhitungan.
Dengan  demikian  dalam  metode ini yang dibuat konstan adalah tekanan total  aliran  masuk  dan  tekanan  statik aliran  keluar  pipa.  Parameter  lainnya merupakan hasil perhitungan.

## 2.2 Metode Based On Mass Flow Rate
Pangkal  pipa  di set sebagai mass flow  inlet sedangkan  ujungnya  tetap di set sebagai pressure outlet . Laju massa pada mass  flow  inlet divariasikan, sedangkan tekanan pada pressure outlet dibuat  konstan.  Tekanan  total  aliran nantinya  akan  menyesuaikan  [Mac Cormack, R.W., 1995].
M ass flow inlet adalah laju massa aliran  masuk  pipa.  Definisi  laju  aliran massa disajikan dalam persamaan (2-2). Notasi m  , ρ , A ,  dan v masing-masing menyatakan laju aliran massa, kerapatan  udara,  luas  penampang pipa, dan kecepatan aliran.
v A m    (2-2)
Dalam  metode  ini,  yang  dibuat konstan adalah laju massa aliran masuk pipa.  Berdasarkan  hukum  kekekalan massa, maka laju aliran keluar pipa juga konstan.  Parameter  lainnya  merupakan hasil perhitungan.

## 3  GEOMETRI DAN DATA
Pipa  penghubung  antara  tangki penyimpanan  udara  dan  terowongan angin  terdiri  dari  dua  bagian,  yaitu bagian  pipa  lurus  dan  bagian  lekukan. Pipa lurusnya berjumlah beberapa buah dengan panjang yang berbeda. Diameter dalam  pipa  lurus  tersebut  konstan sebesar 40 cm.

## 4  HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Based on Pressure
Tekanan udara di tangki penyimpanan atau di pangkal pipa di set sebesar 10 bar.  Hasil simulasi disajikan dalam  Tabel  4-1.  Notasi  p 2 ,  M 2 , m  ,  p 02 masing  –masing  menyatakan  tekanan statik,  bilangan  Mach,  laju  massa,  dan tekanan  total  aliran  di  ujung  pipa. Notasi L menyatakan panjang pipa.
Tabel 4-1a: L = 5 m
p 2 (bar) M 2 m  (kg/det) p 02 (bar) losses (%)  (%/m) 8,0 9,0 9,2 9,5 9,8 9,9 0,54 0,37 0,33 0,25 0,16 0,11 223 168 152 122 78 55 9,78 9,89 9,91 9,94 9,98 9,99 2,2 1,2 0,9 0,6 0,3 0,1 0,44 0,23 0,19 0,12 0,05 0,03 b: L = 10 m p 2 (bar) M 2 m  (kg/det) p 02 (bar) losses (%)  (%/m) 8,0 9,0 9,5 9,8 9,9 0,52 0,35 0,24 0,15 0,11 212 159 115 73 52 9,62 9,80 9,90 9,96 9,98 3,9 2,0 1,0 0,4 0,2 0,39 0,20 0,10 0,04 0,02 c: L = 20 m p 2 (bar) M 2 m  (kg/det) p 02 (bar) losses (%)  (%/m) 8,0 9,0 9,5 9,8 9,9 0,47 0,32 0,22 0,14 0,09 194 145 105 66 47 9,35 9,66 9,83 9,93 9,96 6,5 3,4 1,8 0,7 0,4 0,33 0,17 0,09 0,04 0,02
d: L = 50 m P 2 (bar) M 2 m  (kg/det) p 02 (bar) losses (%)  (%/m) 8,0 9,0 9,4 9,7 9,8 0,39 0,26 0,19 0,13 0,11 159 117 91 65 53 8,90 9,43 9,65 9,82 9,88 11,0 5,7 3,5 1,8 1,2 0,22 0,11 0,07 0,04 0,02 Hasil dalam tabel di  atas menunjukkan  bahwa  semakin  besar setting  tekanan  statik  di exit ,  maka semakin  kecil  kecepatan  alirannya karena  udara  dalam  pipa  menjadi semakin  sulit  mengalir.  Untuk  tekanan statik exit yang  sama,  semakin  panjang pipanya  maka  kecepatan  aliran  udara sedikit  semakin  kecil  karena losses akibat gesekan yang semakin banyak.
Untuk  panjang  pipa  tertentu, semakin  besar  p 2 ,  maka  harga  p 02 yang dihasilkan  juga  semakin  besar  karena tekanan  statik  merupakan  komponen dari tekanan total. Untuk setting p 2 yang sama,  semakin  panjang  pipa  maka  p 02 yang  dihasilkan  menjadi  semakin  kecil karena pipa yang lebih panjang menyebabkan losses yang lebih besar.
Untuk  panjang  pipa  tertentu, semakin  besar  p 2 maka m  nya  menjadi semakin  kecil  karena  udara  dalam  pipa menjadi  lebih  sulit  mengalir  meskipun kerapatan  udaranya  meningkat.  Untuk setting  p 2 yang  sama,  semakin  panjang pipa  maka m  yang  dihasilkan  menjadi lebih  kecil  karena  p 02 yang  dihasilkan juga  lebih  kecil  sehingga  kecepatan aliran udaranya menjadi lebih kecil.
Untuk  panjang  pipa  tertentu, semakin besar p 2 menyebabkan losses nya menjadi semakin kecil karena semakin besar p 2 menyebabkan kecepatan aliran semakin kecil sehingga losses akibat  gesekan  menjadi  lebih kecil.  Untuk  setting  p 2 yang  sama, semakin  panjang  pipa  menghasilkan losses per satuan panjang yang semakin kecil karena  distribusi losses di sepanjang  pipa  tidak  seragam.  Bagian pipa  yang  menyebabkan losses terbesar
dalam  simulasi CFD ini  adalah  bagian mendekati exit .
Hasil – hasil tersebut selanjutnya diinterpolasi untuk mendapatkan distribusi  laju  aliran  massa  tertentu. Dalam  hal  ini  dipilih  100,  90,  80,  70, dan 60 kg/det. Hasilnya disajikan dalam Tabel 4-2.
Tabel 4-2a:L = 5 m m 
(kg/det) losses (% / m) 100 90 80 70 60 0,086 0,070 0,054 0,045 0,034
b: L = 10 m m  (kg/det)
losses (% / m)
100 90 80 70 60 0,078 0,064 0,050 0,042
0,032 c: L = 20 m m  (kg/det) losses
(% / m) 100 90 80 70 60 0,079 0,066 0,053 0,040 0,031
d: L = 50 m
m  (kg/det)
losses (% / m) 100 90 80 70 60 0,082 0,065 0,057 0,044 0,034
Hasil dalam tabel di  atas menunjukkan  bahwa  semakin  kecil m  maka losses pada  pipa  lurus  juga semakin kecil. Hal tersebut dikarenakan semakin  kecil m  maka  semakin  kecil pula tekanan, kerapatan, dan kecepatan aliran  sehingga  secara  tidak  langsung menghasilkan koefisien gesek yang lebih kecil.  Semakin  kecil  koefisien  geseknya maka  semakin  kecil  pula  gaya  gesek aliran  terhadap  permukaan  sehingga losses nya juga menjadi lebih kecil.
Selanjutnya hasil di atas disusun ulang dan dihitung rata – ratanya. Hasil tersebut disajikan dalam Tabel 4-3.

## Tabel 4-3: NILAI RATA - RATA
m  (kg/det) L (m) losses (%/m) Rata– rata 100 5 10 20 50 0,086 0,078 0,079 0,082 0,081 90 5 10 20 50 0,070 0,064 0,066 0,065 0,066 80 5 10 20 50 0,054 0,050 0,053 0,057 0,053 70 5 10 20 50 0,045 0,042 0,040 0,044 0,043 60 5 10 20 50 0,034 0,032 0,031 0,034 0,033
Selanjutnya  hasil  rata  –  rata  di atas  disusun  ulang  untuk  memperoleh hubungan antara  laju aliran massa dan losses per  satuan  panjang.  Hubungan tersebut  disajikan  dalam  Tabel  4-4  dan Gambar 4-1.
Tabel 4-4: HASIL AKHIR METODE BASED ON PRESSURE
m  (kg/det) losses (%/m) 100 90 80 70 60 0,081 0,066 0,053 0,043
0,033
Gambar 4-1: Hasil  akhir  metode based on pressure
Gambar 4-1 menyajikan hubungan antara  laju  aliran  massa  dengan losses
persatuan
panjang
menggunakan metode based  on  pressure .  Dari  kurva tersebut  dapat  dilihat  bahwa  peng- operasian  menggunakan  laju  aliran massa  yang  lebih  besar  menyebabkan losses yang semakin besar pula.

## 4.2 Based on Mass Flow Rate
Hasil simulasi menggunakan metode based  on  mass  flow  rate disajikan  dalam  Tabel  4-5.  Dalam  tabel tersebut  hanya  parameter  laju  aliran massa  yang  dijadikan  masukan  atau referensi perhitungan. Parameter lainnya merupakan hasil simulasi [MacCormack, R.W., 1995; Hirsch, C., 1990].
Tabel 4-5a: L = 5 m
m  (kg/det) M 2 p 02 (bar) losses (% / m) 100 90 80 70 60 0,248 0,223 0,199 0,174 0,149 8,353 8,286 8,226 8,173 8,127 0.116 0.098 0.079 0.062 0.047 b: L = 10 m m  (kg/det) M 2 p 02 (bar) losses (% / m) 100 90 80 70 60 0,486 0,439 0,394 0,346 0,298 4,714 4,576 4,460 4,351 4,258 0,391 0,332 0,281 0,225 0,173 c: L = 20 m m  (kg/det) M 2 p 02 (bar) losses (% / m) 100 90 80 70 60 0,488 0,441 0,393 0,345 0,297 4,717 4,579 4,456 4,348 4,255 0,379 0,326 0,273 0,221 0,170 d: L = 50 m m 
(kg/det) M 2 p 02 (bar) losses (% / m) 100 90 80 70 60 0,489 0,441 0,394 0,346 0,297 4,720 4,580 4,458 4,350 4,256 0,323 0,284 0,243 0,202 0,160
Hasil  dalam  Tabel  4-5  menun- jukkan  bahwa  semakin  besar m  ,  maka semakin besar pula M 2 karena kecepatan  aliran  merupakan  komponen dari  laju  aliran  massa  seperti  pada persamaan  (2-2).  Dari  persamaan  ter- sebut juga dapat dilihat bahwa semakin besar m  maka  semakin  besar  pula  ρ. Kenaikan  kerapatan  udara  akan  diikuti dengan  kenaikan  tekanan  statiknya sesuai dengan persamaan (4-1). Notasi p ,
Based On Pressure 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 50 60 70 80 90 100 110 (kg/det) losses (% / m)
R ,  dan T masing–masing  menyatakan tekanan,  properti  udara,  dan  temperatur. Berdasarkan  persamaan  (2-1),  maka kenaikan p akan  diikuti  dengan kenaikan p 0 . Dengan demikian kenaikan m  secara  tidak  langsung  menyebabkan kenaikan  p 02 .  Dengan  tekanan  total inlet ,  p 01 yang  sama,  maka  semakin besar  p 02 memberikan  arti  bahwa semakin  kecil losses yang  dihasilkan.
Untuk m  yang  sama,  semakin  panjang pipa lurusnya maka semakin kecil losses per  satuan  panjangnya.  Hal  tersebut dikarenakan  distribusi losses tidak seragam  di  sepanjang  pipa.  Bagian  pipa yang  menyebabkan losses terbesar adalah bagian mendekati exit .
Selanjutnya hasil di atas disusun ulang dan dihitung rata – ratanya. Hasil tersebut disajikan dalam Tabel 4-6.
Tabel 4-6: NILAI RATA-RATA
m  (kg/det) L (m) losses (%/m) Rata– rata 100 5 10 20 50 0,116 0,391 0,379 0,323 0,302
90 5 10 20 50 0,098 0,332 0,326 0,284 0,260 80 5 10 20 50 0,079 0,281 0,273 0,243 0,219
70 5 10 20 50 0,062 0,225 0,221 0,202 0,178 60 5 10 20 50 0,047 0,173 0,170 0,160 0,137
Hasil  rata  –  rata  pada  Tabel  4-6 disusun  ulang  untuk  memperoleh hubungan antara  laju aliran massa dan losses per  satuan  panjang.  Hubungan tersebut  disajikan  dalam  Tabel  4-7  dan Gambar 4-2.
Tabel 4-7: HASIL AKHIR METODE BASED
ON MASS FLOW
m  (kg/det) losses (%/m) 100 90 80 70 60 0,299 0,258 0,217 0,176 0,135
Gambar 4-2 : Hasil akhir metode based on mass flow
Pola  hubungan  antara  laju  aliran massa  dan losses per  satuan  panjang dari  metode based  on  mass  flow  rate pada  Gambar  4-2  serupa  dengan  hasil yang  diperoleh  menggunakan  metode sebelumnya  pada  Gambar  4-1.  Per- bedaannya  terletak  pada  besar losses . Metode ini memberikan losses yang lebih besar daripada metode sebelumnya.

## 4.3 Analisis Hasil
Hasil losses dari  kedua  metode yang digunakan selanjutnya dibandingkan. Untuk  setiap  laju  aliran  massa  yang sama,  metode based  on  mass  flow  rate menghasilkan losses yang  lebih  besar seperti pada Tabel 4-8 dan Gambar 4-3.
Based On Mass Flow Rate 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 50 60 70 80 90 100 110 laju massa (kg/det) losses (%/m)

## Tabel 4-8: PERBANDINGAN HASIL
m  (kg/det) losses (%/m) based on pressure based on mass flow 100 90 80 70 60 0,081 0,066 0,053 0,043 0,033 0,299 0,258 0,217 0,176 0,135
Gambar 4-3 : Perbandingan hasil
Tabel  4-8  dan  Gambar  4-3 menunjukkan  bahwa  metode based  on mass  flow  rate memberikan losses per satuan panjang yang lebih besar. Untuk mengantisipasi  penyebab losses yang tidak terdeteksi, maka dalam pengerjaan ini  dipilih  hasil  dari  metode  yang memberikan losses yang  lebih  besar, yaitu  hasil  simulasi  menggunakan metode based on mass flow rate . Dengan kata  lain hasil  akhir  dari  pengerjaan  ini terdapat dalam Tabel 4-7 dan Gambar 4-2.

## 5  KESIMPULAN
Telah diperoleh  hubungan  antara laju  aliran  massa  dan losses pada  pipa lurus berdiameter 40 cm. Semakin besar laju aliran massa, maka losses nya juga semakin  besar.  Pada  laju  aliran  massa 60 kg/det, losses nya sebesar 0,135 %/m dan  pada  laju  aliran  massa  100  kg/det losses nya  0,299  %/m.  Hubungan antara kedua parameter tersebut cenderung linier.

## DAFTAR RUJUKAN
Ahmad  Jamaludin  Fitroh,  2008. Desain Geometri dan Aerodinamika Terowongan  Angin  Ramjet  Uji
Terbuka ,  Laporan  Kerja  Akhir, LAPAN.
Anderson,  J.D.  JR.,  1984  &  1991. Fundamentals  of  Aerodynamics, Second Edition , Mc. GrawHill, Inc. Anderson,  J.D.,  1995. Computational
Fluid  Dynamics  ;  The  Basic  with Application , McGraw-Hill. Anderson, J.D., 2003. Modern Compressible  Flow  with  Historical
Prospective ,  Second  Edition,  New York, McGraw-Hill. Hirsch, C., 1990. Numerical Computation of Internal and External Flows , Vol.
2, John Wiley & Sons.
Hoffmann, K.A., and Chiang, S.T., 1993.
Computational  Fluid  Dynamics  for
Engineers ,  Vol.  II,  Engineering Education Systems, Wichita,
Kansas, USA.
Hoffmann, K.A., and Chiang, S.T., 1993. Computational  Fluid  Dynamics  for Engineers ,  Vol.  I,  Engineering
Education Systems, Wichita, Kansas, USA. MacCormack,  R.W.,  1995. Numerical Computation of
Compressible
Viscous  Flow ,  AA214  Course Notes,  Department  of  Aeronautics and Astronautics, Stanford University, Stanford, CA. Manual FLUENT Saad,  Michel  A.,  1985. Compressible Fluid  Flow ,  Prentice-Hall,  Inc.,
Englewood Cliffs, New Jersey, USA.
Thompson,  J.F.,  Warsi,  Z.U.A.,  and Mastine,  W.C.,  1985. Numerical Grid  Generation  ;  Foundations  and Applications , Elsevier Science Publishing Co., Inc.
White,  F.M.,  1991. Viscous  Fluid  Flow ,
Second  Edition,  McGraw-Hill,  New York.
Losses Per Satuan Panjang 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 50 60 70 80 90 100 110 ( kg/det) (%/m ) based on pressure based on mass flow

## LAMPIRAN
Bentuk Mesh
L = 5 m
Distribusi Kecepatan (Mach)
L = 5 m, m  = 60 kg/det
L = 5 m, m  = 100 kg/det
Distribusi Tekanan Total (Pa)
L = 5 m, m  = 60 kg/det
L = 5 m, m  = 60 kg/det
Plot Kecepatan di Sumbu (Mach)
L = 5 m, m  = 60 kg/det
L = 5 m, m  = 100 kg/det