STUDI EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK INTERFASIAL LAPISAN FILM PADA ALIRAN DUA FASE ANNULAR AIR – UDARA SEARAH KE BAWAH PIPA VERTIKAL

Barlian, Ir. Samsul Kamal, M.Sc., Ph.D.

2013 | Tesis | S2 Teknik Mesin

Aliran annular gas-cairan adalah pola aliran yang cukup sering ditemukan pada aliran dua fase. Cairan mengalir sebagai film tipis membentuk cincin annular menempel di dinding saluran. Konfigurasi aliran dapat ditemukan dalam berbagai proses industri seperti teras reaktor pembangkit listrik tenaga nuklir, tabung U dalam generator uap dan transportasi gas-minyak melalui pipa-pipa panjang. Aliran dua fase searah ke bawah pada pipa vertikal belum banyak diteliti secara ekstensif dalam banyak literatur jika dibandingkan dengan aliran dua fase pada pipa horizontal dan vertikal searah ke atas. Untuk itulah perlu adanya penelitian lebih dalam untuk mengetahui lebih detail mengenai fenomena-fenomena interfasial yang terjadi pada aliran dua fase annular searah ke bawah pada pipa vertikal. Teknik digital image processing diterapkan untuk memberikan pengukuran visualisasi langsung secara non-intrusif dari interfasial lapisan film gas-cairan pada kondisi aliran ke bawah vertikal annular dengan diameter pipa 19,1 mm dan panjang total pipa 8 meter. Data berupa gambar diolah untuk menghasilkan distribusi ketebalan lapisan film. Ketebalan film cairan rata-rata dan standar deviasi dihitung untuk bilangan Reynolds aliran gas dan cairan masing-masing dalam rentang 2000 – 14.000 dan 2000 – 13.000. Aspek penting lain dari penelitian ini adalah informasi frekuensi gelombang yang diperoleh dengan menganalisis ketebalan film tergantung waktu dari dua posisi aksial terekam pada data gambar. Kecepatan gelombang dihitung dari korelasi silang untuk amplitudo gelombang di dua posisi aksial. Selain itu, gradien tekanan juga diukur untuk melengkapi data dalam menghitung koefisien friksi dan tegangan geser interfasial. Terakhir dilakukan validasi CFD untuk ketebalan lapisan film ratarata. Hasilnya adalah nilai variasi bilangan Reynolds gas-cairan memberikan nilai minimum ketebalan film rata-rata adalah 0,675 mm dan nilai maksimum ketebalan film rata-rata adalah 1,727 mm. Hasil validasi CFD terhadap data ekperimen untuk ketebalan film cairan memiliki hasil error ± 15 %.

Gas–liquid annular flow is a very commonly encountered two phase flow pattern. The liquid flows as a thin film forming an annular ‘‘ring’’ attached onto the channel wall. This flow configuration can be found in many industrial processes such as reactor core of nuclear power plant, U-tubes in steam generators and gas–oil transportation through long pipes. Presently, downward two-phase flow in vertical pipe has not been studied extensively in many literatures when compared to the horizontal and vertical upward flows. For that, there needs to be more research to find out more details about the interfacial phenomena that occur in annular downward two-phase flow on vertical pipe. The present work used digital image processing to provide non-intrusive direct visualization measurements of the liquid film in downward vertical air–water annular flow conditions in 19,1 mm ID tube and total pipe length of 8 meters. The images were processed to produce the distribution of film heights. The standard deviation and average film thickness have been determined experimentally with liquid and gas flow Reynolds numbers in ranges 2000 – 14.000 and 2000 – 13.000, respectively. Another important aspect of this investigation was wave frequency information that obtained by analysing the time-dependent image of film thickness for each of the two axial positions recorded. Wave velocities were calculated from the cross-correlating of the amplitude wave from the two axial positions. In addition, the pressure gradient was also measured to complement the data in calculating the friction coefficient and the interfacial shear stress. Finally, CFD validation was conducted for the average liquid film thickness. The results that shown variations of the gas-liquid Reynolds number for the minimum value on the average film thickness was 0,675 mm and the maximum value on the average film thickness was 1,727 mm. The results of CFD validation against experimental data were error results for liquid film thickness ± 15%.

Kata Kunci : Annular, image processing, ketebalan film, aliran searah ke bawah, pipa vertikal