Studi Eksperimental Mengenai Pembentukan Slug Gas Pada T-Junction Minichannel Horizonta Aliran Dua Fase

Untung Surya Dharma, Prof. Dr. Ir. Indarto, DEA

2026 | Disertasi | S3 Teknik Mesin

Penggunaan T-junction pada minichannel dapat menyebabkan terjadinya pola aliran slug gas. Osilasi yang terjadi, kecepatan pengukuran panjang dan frekuensi kemunculan pada pola aliran slug gas dapat mengakibatkan penurunan tekanan yang memengaruhi kinerja sistem transportasi fluida. Tujuan dari penelitian ini adalah menginvestigasi pengaruh radius belokan pada T-junction terhadap pembentukan awal terjadinya aliran slug gas dan karakteristiknya serta penurunan tekanan yang terjadi.

Seksi uji yang digunakan adalah T-junction minichannel horizontal yang terbuat dari akrilik dengan penampang persegi panjang berukuran panjang 2,25 mm dan lebar 1,25 mm dengan diameter hidraulik sebesar 1,6 mm. Variasi radius terhadap diameter hidraulik yaitu r/D_h = 0,5; 0,7; dan 1. Fluida kerja adalah air dan udara dengan variasi kecepatan superfisial air J_l adalah 0,626–3,186 m.s^-1 dan udara J_g adalah 0,593–2,37 m.s^-1. Untuk menganalisis karakteristik aliran, metode yang digunakan adalah analisis citra digital, yaitu merekam gambar dengan kamera berkecepatan tinggi yang hasilnya diolah menggunakan software MATLAB 2020a. Parameter penelitian yang dihasilkan adalah pola aliran dan peta pola aliran, kecepatan pembentukan slug gas, panjang slug gas, frekuensi pembentukan slug gas dan durasi pembentukan slug gas. Penurunan tekanan diukur menggunakan DPT yang diletakkan di antara daerah persimpangan T-junction dan 20,8 mm ke arah downstream. Analisis statistik berupa nilai rata-rata tekanan, Probability Density Function (PDF), Power Spectral Density (PSD), Discrete Wavelet Energy (DWT), dan Artificial Neural Network (ANN) digunakan untuk menganalisis penurunan tekanan dalam mengidentifikasi pola aliran yang terbentuk

Dari hasil penelitian ini, didapat tiga mekanisme pembentukan awal pola aliran slug gas, yaitu mekanisme shearing regime SR, squeezing regime SQR, dan shearing-dripping regime SDR. Semakin besar radius belokan, maka akan semakin tinggi kecepatan pembentukan slug gas dan frekuensi pembentukan slug gas, namun panjang slug gas akan semakin pendek, dan durasi pembentukan slug gas semakin menurun. Penurunan tekanan akan meningkat seiring meningkatnya radius belokan dan kecepatan pertumbuhan slug gas, namun cenderung menurun dengan meningkatnya panjang slug gas. Karakteristik pola pembentukan awal slug gas dilakukan menggunakan parameter statistik dari fluktuasi penurunan tekanannya. Identifikasi pola pembentukan awal slug gas secara eksperimen dengan hasil prediksi menggunakan ANN berupa dua jenis input data, yaitu wavelet energy dan kelompok bilangan nondimensional, menunjukkan kesesuaian yang baik. Perbandingan semua data karakteristik aliran slug gas, baik untuk kecepatan slug gas maupun frekuensi slug gas, dengan perhitungan teoritis menggunakan korelasi baru yang dihasilkan menunjukkan nilai kesesuaian yang lebih baik. Begitu juga dengan bilangan Chisholm untuk gradien penurunan tekanan ?P/?L, total waktu pembentukan slug gas (t_c), dan panjang slug gas (L_s) secara eksperimen dengan perhitungan teoritis menggunakan parameter fitting baru.

 

The use of T-junctions in minichannel systems can lead to the formation of gas slug flow patterns. The oscillations that occur, along with the measurement of length velocity and the frequency of appearance in gas slug flow patterns, can cause pressure drops that affect the performance of the fluid transport system. The aim of this research is to investigate the influence of bend radius at the T-junction on the initial formation of gas slug flow and its characteristics, as well as the resulting pressure drop. The test section used is a horizontal minichannel T-junction made of acrylic with a rectangular cross-section measuring 2.25 mm in length and 1.25 mm in width, with a hydraulic diameter of 1.6 mm. Variations in radius relative to hydraulic diameter are r/D_h = 0.5, 0.7, and 1. The working fluids are water and air, with superficial velocities of water (J_l) ranging from 0.626 to 3.186 m/s and air (J_g) from 0.593 to 2.37 m/s. To analyse flow characteristics, the method used is digital image analysis, which involves capturing images with a high-speed camera and processing the results using MATLAB 2020a software. The parameters obtained include flow patterns and flow pattern maps, gas slug formation velocity, gas slug length, gas slug formation frequency, and slug formation duration. Pressure drops are measured using a differential pressure transmitter (DPT) placed between the T-junction intersection area and 20.8 mm downstream. Statistical analysis methods such as average pressure values, Probability Density Function (PDF), Power Spectral Density (PSD), Discrete Wavelet Energy (DWT), and Artificial Neural Network (ANN) are used to analyse pressure drops and identify the formed flow patterns. From this study, three initial formation mechanisms of gas slug flow patterns are identified: shearing regime (SR), squeezing regime (SQR), and shearing-dripping regime (SDR). Larger bend radii result in higher gas slug formation velocities and frequencies, but shorter slug lengths and decreased formation durations. Pressure drops increase with larger bend radii and faster slug growth, but tend to decrease as slug length increases. The characteristics of initial slug formation patterns are analysed using statistical parameters from the fluctuation in pressure drop. Experimental identification of initial slug formation patterns, with predictions using an ANN based on two input data types—wavelet energy and nondimensional number groups—shows good agreement. A comparison of all gas slug flow characteristic data, including slug velocity and frequency, with theoretical calculations using a new correlation shows better agreement. Similarly, the Chisholm number for pressure gradient ?P/?L, total slug formation time (tc), and slug length (Ls) from experimental data compared to theoretical calculations using new fitting parameters also show improved consistency.

 

 

Kata Kunci : T-junction minichannel, pembentukan awal slug gas, penurunan tekanan, ANN/T-junction minichannel, initial gas slug formation, pressure drop,