Studi Pengaruh Sifat Fisis Fluida terhadap Karakteristik Aliran Stratified Udara-Air Searah Pada Pipa Horizontal

SETYA WIJAYANTA, Prof. Dr. Ir. Indarto, DEA, IPM, ASEAN Eng.; Prof. Dr. Ir. Deendarlianto, S.T., M.Eng.

2023 | Disertasi | DOKTOR TEKNIK MESIN

Pola aliran stratified gas-cair searah pada pipa horizontal banyak dijumpai pada sistem transportasi minyak dan gas. Penelitian ini bertujuan untuk melakukan investigasi mengenai pengaruh sifat fisis fluida cair (viskositas dan tegangan permukaan) terhadap karakteristik aliran dan mengembangkan korelasi untuk memprediksi parameter gelombang antarmuka pada aliran stratified gas-cair searah pada pipa horizontal. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan pipa akrilik berdiameter dalam 26 mm dan panjang 9500 mm, kecepatan superfisial cairan (JL) 0,02 m/s sampai dengan 0,1 m/s dan kecepatan superfisial gas/udara (JG) dari 4 m/s sampai dengan 16 m/s). Kamera video kecepatan tinggi digunakan untuk mengambil data visual guna menyelidiki fenomena fisis dari pola aliran yang terjadi dan kemudian diproses dengan teknik image processing untuk mendapatkan data time series tebal lapisan liquid. Gradien tekanan diukur dengan differential pressure transducer. Liquid holdup diukur dengan constant electric current method (CECM). Sensor parallel wire yang diputar digunakan untuk mengukur wetted angle dan wall wetted fraction. Untuk memvariasikan viskositas liquid, maka air dicampur dengan gliserin (30% dan 50%). Sementara itu, untuk memvariasikan tegangan permukaan liquid, maka air dicampur dengan butanol (2% dan 5%). Untuk menyederhanakan penjelasan di dalam naskah disertasi ini, digunakan singkatan untuk fluida uji berdasarkan viskositas dan tegangan permukaan cairannya, yaitu W: udara-air (dynamic viscosity, miu = 1,002 mPa.s), G30: udara-30% gliserin (miu = 2,773 mPa.s), G50: udara-50% gliserin (miu = 6,292 mPa.s), B2: udara-2% butanol (sigma = 58 mN/m) dan B5: udara-5% butanol (sigma = 42,5 mN/m). Selanjutnya, beberapa analisis statistik digunakan untuk menganalisa parameter aliran stratified, yang meliputi: probability distribution function (PDF), power spectral density (PSD), cross correlation, kolmogorov entropy, dan wavelet transforms. Selanjutnya, dilakukan pengembangan korelasi untuk memprediksi frekuensi gelombang, kecepatan gelombang dan liquid holdup dengan analisis dimensional serta wetted wall fraction dengan semi analitik. Sebagai hasil dari penelitian ini, pengaruh viskositas dan tegangan permukaan terhadap karakteristik gradien tekanan, liquid film thickness, frekuensi gelombang, kecepatan gelombang, liquid holdup serta wetted wall fraction dikaji secara detail. Metode untuk mengidentifikasi atau mengklasifikasikan masing-masing sub rezim aliran stratified berhasil dikembangkan berdasarkan batas terendah dan tertinggi dari nilai frekuensi dominan (PSD) dan koefisien LWE maksimum (Continuous Wavelet Transform). Selain itu, beberapa korelasi baru untuk memprediksi parameter pada aliran stratified telah berhasil dikembangkan. Korelasi tersebut meliputi: korelasi frekuensi gelombang, kecepatan gelombang, liquid holdup serta wetted wall fraction.

Gas-liquid stratified flow pattern in horizontal pipes is often found in oil and gas transportation systems. This study aims to investigate the effect of the physical properties of liquid fluids (viscosity and surface tension) on flow characteristics and develop correlations to predict interfacial wave parameters in co-current stratified gas-liquid flow in horizontal pipes. This research was conducted using an acrylic pipe with an inner diameter of 26 mm and a length of 9500 mm, a superficial liquid velocity (JL) of 0.02 m/s to 0.1 m/s and a gas/air superficial velocity (JG) of 4 m/s up to 16 m/s). A high-speed video camera was used to take visual data to investigate the physical phenomena of the flow pattern that occurs and then processed with image processing techniques to obtain time series data for the liquid film thickness. The pressure gradient was measured by a differential pressure transducer. The liquid holdup was measured by the constant electric current method (CECM). A rotated parallel wire sensor was used to measure the wetted angle and wall wetted fraction. To vary the viscosity of the liquid, water was mixed with glycerin (30% and 50%). Meanwhile, to vary the surface tension of the liquid, water was mixed with butanol (2% and 5%). To simplify the explanation, abbreviations were used for the test fluid based on the viscosity and surface tension of the liquid, namely W: air-water (dynamic viscosity, miu = 1.002 mPa.s), G30: air-30% glycerin (miu = 2,773 mPa.s), G50: air-50% glycerin (miu = 6,292 mPa.s), B2: air-2% butanol (sigma = 58 mN/m) and B5: air-5% butanol (sigma = 42,5 mN/m). Furthermore, several statistical analyzes were used to analyze the stratified flow parameters, which include: probability distribution function (PDF), power spectral density (PSD), cross-correlation, Kolmogorov entropy, discrete wavelet transforms (DWT), and continuous wavelet transforms (CWT). Furthermore, correlations were developed to predict wave frequency, wave velocity, and liquid holdup with dimensional analysis and wetted wall fraction with a semi-analytic method. As the result of this study, the effect of viscosity and surface tension on the characteristics of pressure gradient, liquid film thickness, wave frequency, wave velocity, liquid holdup, and wetted wall fraction were studied in detail. Methods for identifying or classifying each stratified flow sub-regime were successfully developed based on the lowest and highest limits of the dominant frequency (PSD) and maximum LWE coefficients (CWT). In addition, several new correlations to predict parameters in stratified flow have been developed. The correlations include: the correlation of wave frequency, wave velocity, liquid holdup, and wetted wall fraction

Kata Kunci : Aliran stratified, Kolmogorov entropy, Discrete wavelet transform, Parameter gelombang antarmuka, Analisis dimensional, Korelasi baru