Studi Eksperimental Pengaruh Surface Tension Terhadap Karakteristik Gelombang Antarmuka Aliran Stratified Gas-Cair Searah Horizontal Menggunakan Image Processing dan Parallel Wire

ARI PRASETYO, Prof. Dr. Ir. Indarto, DEA., IPM., ASEAN Eng; Prof. Dr. Eng. Deendarlianto, S.T., M.Eng

2021 | Tesis | MAGISTER TEKNIK MESIN

Sistem perpipaan yang efektif dan efisien merupakan tujuan yang diharapkan dalam merancang sistem perpipaan, pada aliran dua fase pola aliran stratified merupakan pola yang cukup mendekati tujuan yang diharapkan tersebut. Pemahaman mengenai pola aliran stratified sangat penting dalam penerapan pola aliran stratified pada sistem perpipaan. Investigasi lebih lanjut tentang aliran stratified perlu dilakukan untuk mendapatkan pemahaman yang komprehensif terhadap karakteristik gelombang antarmuka aliran stratified. Pengetahuan akan karakteristik gelombang antarmuka dapat membantu dalam perancangan sistem perpipaan, beberapa parameter gelombang antarmuka aliran yang dijadikan variabel penelitian pada penelitian ini antara lain ketebalan film cairan, kecepatan, frekuensi, amplitudo, dan panjang gelombang antarmuka (interfacial wave) yang dipengaruhi oleh sifat fisis cairan (tegangan permukaan). Penelitian ini menggunakan metode parallel wire dan image processing untuk mempelajari karakteristik gelombang dari aliran stratified. Variasi tegangan permukaan (surface tension) yaitu dari air murni (W), campuran air dan butanol 2% (WB2), serta air dan butanol 5% (WB5), dengan masing-masing nilai tegangan permukaannya adalah 72 mN/m, 58 mN/m, dan 42,5 mN/m. Fenomena aliran secara visual diamati dengan kamera kecepatan tinggi dan parallel wire digunakan untuk mengukur ketebalan film cairan. Penelitian ini menggunakan peta pola aliran Lin, P. Y., & Hanratty, T. J. (1987) sebagai referensi, dengan rentang nilai JL = 0,02 - 0,1 m/s dan JG = 4 - 16 m/s. Berdasarkan hasil investigasi, penurunan tegangan permukaan berpengaruh terhadap transisi sub-regime aliran stratified, semakin rendah tegangan permukaan stabilitas antarmuka semakin menurun, hal ini dibuktikan dengan sub-regime pada fluida W terdapat enam sub-regime sedangkan pada WB2 dan WB5 hanya terdapat lima sub-regime dengan kata lain gelombang antarmuka semakin cepat terbentuk. Selain itu penurunan tegangan permukaan juga berpengaruh terhadap karakteristik gelombang, frekuensi semakin meningkat saat tegangan permukaan semakin rendah, panjang gelombang pada JG rendah khususnya pada aliran pseudo slug fluida dengan tegangan permukaan paling rendah memiliki nilai panjang gelombang yang relatif lebih tinggi dari fluida dengan tegangan permukaan yang lebih tinggi, amlitudo gelombang pada saat JG semakin meningkat, keberadaan wave break semakin dominan dibanding wave coalescence. Sedangkan penurunan tegangan permukaan akan menurunkan nilai amplitudo gelombang khususnya pada saat adanya perubahan pola dari sub-regime roll wave menuju pola entrained droplet + disturbance wave, dan kecepatan gelombang tegangan permukaan mengakibatkan kecepatan gelombang memiliki kecenderungan menurun karena peluruhan gelombang semakin mudah terjadi pada fluida dengan tegangan permukaan yang lebih rendah.

An effective and efficient piping system is an expected goal in designing a piping system, a stratified pattern is a pattern that is quite close to the expected goal. An understanding of the stratified flow pattern is very important in the application of the stratified flow pattern in the piping system. Further investigation of stratified flow is necessary to gain a comprehensive understanding of the wave characteristics of the stratified flow interface. Knowledge of the characteristics of the interface waves can help in the design of the piping system, some parameters of the flow interface waves that are used as variables in this study include the thickness of the fluid, velocity, frequency, amplitude, and the wavelength of the interface which are influenced by the physical properties of the liquid (surface tension). This research uses parallel wire and image processing methods to study the wave characteristics of stratified flow. Variations in surface tension, namely from pure water (W), a mixture of water and butanol 2% (WB2), and water and butanol 5% (WB5), with each surface tension value of 72 mN/m, 58 mN/m , and 42.5 mN/m. The flow phenomenon was visually observed with a high speed camera and a parallel wire was used to measure the thickness of the liquid film. This study uses flow pattern maps Lin, P. Y., & Hanratty, T. J. (1987) as a reference, with a range of values JL = 0.02 - 0.1 m/s and JG = 4 - 16 m/s. Based on the results of the investigation, the decrease in surface tension affects the transition of the stratified flow sub-regime where the lower the surface tension the interface stability decreases, this is evidenced by the sub-regime in fluid W there are six. while in WB2 and WB5 there are only five sub-regimes. in other words, the faster the interfacial waves are formed. In addition, the decrease in surface tension also affects the wave characteristics, the frequency increases when the surface tension gets lower, the wavelength at JG is low, especially in pseudo slug flow, the fluid with the lowest surface tension has a relatively higher wavelength value than the fluid with the lowest surface tension. higher, the wave amplitude at the time of JG is increasing, the presence of wave breaks is more dominant than wave coalescence. While the decrease in surface tension will decrease the value of the wave amplitude, especially when there is a change in the pattern from the sub-regime roll wave to the entrained droplet + disturbance wave pattern, and the velocity of the surface tension wave causes the wave velocity to have a tendency to decrease because wave decay is easier to occur in fluids with lower surface tension.

Kata Kunci : stratified, surface tension, image processing, signal processing, parallel wire.