Modul 3 Free Vortex 2p6r3v

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Banyak fenomena yang terjadi pada fluida yang sering dijumpai di kehidupan manusia karena bagaimanapun fluida memiliki sifat-sifat tertentu dan akan mengalami perubahan sesuai dengan perlakuan yang dialaminya.Salah satunya adalah pusaran fluida atau vortex.Mengingat hal ini merupakan fenomena yang menarik sehingga diperlukan sebuahpenelitian mengenai penyebab, proses dan akibat dari vortex ini.Sehingga fenomena ini bisa dimanfaatkan untuk kepentingan pembaharuan energi atau jika fenomena ini merugikan maka bisa dikurangi efeknya terhadap lingkungan atau manusia dan peralatan (pada bidang industri). Dalam suatu perancangan sistem yang berhubungan dengan suatu aliran fluida atau di bidang konversi energi hal ini harus menjadi perhatian utama karena sangat berpengaruh nantinya terhadap rancangan tersebut.Untuk lebih memahami fenomena tersebut maka diadakanlah pratikum mengenai vortex ini. 1.2. Tujuan Adapun tujuan dari pelaksanaan pratikum ini adalah : 1. Mahasiswa dapat menemukan bentuk profil permukaan fluida yang mengalami vortex 2. Mahasiswa mampu mendapatkan distribusi kecepatan pada free vortex. 1.3. Manfaat Pratikum mengenai fenomena ini sangat bermanfaat sekali dalam memahami bahan yang telah dipelajari dari bangku perkuliahan. Kemudian kita akan dapat membandingkan antara pusaran atau vortex yang ada secara teoretis dengan yang secara praktikum. Kemudian yang tak kalah pentingnya adalah sebagai bahan pengetahuan kita dalam merancang sebuah mesin-mesin fluida.

Universitas Andalas

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Vortex Vortex merupakan pusaran yang diakibatkan karena adanya gaya rotasional dimana viskositas mempengaruhi didalamnya. Contoh vortex adalah pusaran air ini disebabkan oleh air yang mengalir keluar dari sebuah lubang kecil di bagian bawah cekungan atau reservoir, dapat dilihat pada gambar 4.1

Gambar 4.1 Pusaran air pada reservoir [²]

2.2. Jenis-jenis Vortex 2.2.1. Vortex Bebas (Free Vortex ) Vortex bebas atau free vortex merupakan suatu fenomena pusaran suatu fluida yang disebabkan akibat adanya energi dalam fluida yang berasal dari sejumlah reaksi internal. Free Vortex Kelompok 6 126

Universitas Andalas

Contohnya : a.Pusaran air, seperti yang terlihat pada gambar 4.2

Gambar 4.2 Pusaran air²

b.angin tornado, seperti yang terlihat pada gambar 4.3

Gambar 4.3 Angin tornado [²]

2.2.2. Vortex Paksa (force vortex) Vortex paksa atau force vortex merupakan suatu fenomena pusaran suatu fluida yang disebabkan akibat adanya gaya pengaruh dari luar fluida tersebut. Contohnya : Free Vortex Kelompok 6 127

Universitas Andalas

a. Pada sayap pesawat terbang, seperti yang terlihat pada gambar 4.4

Gambar 4.4 Vortex Aliran Udara Karena Pengaruh Laluan [²]

2.3. Penyebab Terjadinya Vortex Ada beberapa factor yang menyebabkan terjadinya sebuah vortex, adapun penyebabnya adalah sebagai berikut :       

Energi karena reaksi internal Momentum partikel aliran fluida Gaya luar Gravitasi Luas Penampang Perbedaan tekanan Perbedaan temperature Pada fluida yang mengalami vortex maka dapat diambil momentum seluruh partikelnya. Nilainya dapat dihitung sebagai berikut; M = m .v. r Dimana Keterangan : M = Momentum m = Massa v = Kecepatan aliran fluida Free Vortex Kelompok 6 128

v

K r sehingga M  m.K

Universitas Andalas

Pola aliran yang berupa aliran yang berputar melingkar dengan kecepatan singgung yang menurun menurut 1/r. Skema pola ini adalah dengan singularitas di titik asal, disini kecepatannya sangat besar dan  serta  keduanya tak terdefenisikan. Persaamaan Bernoulli sepanjang stream line pada permukaan fluida dapat dinyatakan sebagai berikut;

P v2  zc  2g Sehingga akhirnya akan di dapatkan ; K2 cz I .r 2 .2 g.c Perubahan tekanan yang dialami partikel pada perubahan harga  adalah;

 .P  .P 0    .  .z . P = .P.dA = .m –a

 .P    .a   .r. 2  . Persamaan berakhir dan tekanan pada fluida statis menjelaskan bahwa P =(r,z) dengan kata lain bahwa P atau tekanan adalah fungsi dari r dan z. Jika tekanan dari persamaan di diferensialkan akan dapat diketahui :

P 

 .P  .P dz  dR     2 r.dr  .z  .r

Kalau persamaan diatas di integralkan maka akan dapat didapatkan;



P2  P1  r2

2

 r1

2

 ..Pr    Z

2

 Z1 

Jika titik 1 diambil pada permukaan, kita akan mendapatkan P 1 = Patm dan pada saat Z1 = Z2, persamaan ini dapat dinyatakan sebagai berikut;

Free Vortex Kelompok 6 129

Universitas Andalas

P  Patm





1 2 2 r2 2   1 r1 2   2  1 1 1   .K 2  2  2  2 r1   r2

P  Patm 

P  Patm 1  .K 2   2 

 1 

 r2

2



1 2



r1 

P  Patm 1 2 1 1   K  2  2  2g r2   r2 P  Patm   .g .h h

Dengan Keterangan : P = Tekanan  = Massa jenis r1 = Jari-jari vortex 1 r2= jari-jari vortex 2 g = Gravitasi h = ketinggian air

:

1 2 1 1 K  2  2 2g r1   r2

(Pa) (Kg/m²) (m) (m) (m/s²) (m)

2.4. Aplikasi Vortex 1. Mesin cuci Pusaran air yang ada pada saat mesin hidup menyebabkan cucian menjadi bersih.Dapat dilihat pada gambar 4.5

Free Vortex Kelompok 6 130

Universitas Andalas

Gambar 4.5. Mesin cuci [²] 2. Mesin vortex Pada artikel ini saya akan mencoba untuk mengulas bagaimana prinsip kerja piring terbang repulsion Viktor Schauberger pada (1938-1957) dan analisanya ini berdasarkan penelitian vortex Schauberger (prinsip implosion) baik pada gambar,perangkat kerja nyata,makalah teknis dari Henri Coanda (1886-1972) dan juga prinsip Bernouilli yang hasilnya bahwa : piring terbang Viktor Schauberger pada Januari tahun 1940 yaitu terdiri dari 2 mesin vortex type A dan type B.Dapat dilihat pada gambar 4.6

Gambar 4.6 Mesin vortex [²] 3. Pembangkit listrik Dimana free vortex pada suatu wadah besar digunakan untuk memutar turbin yang akan memutar generator. Dapat dilihat pada gambar 4.7

Gambar 4.7 Pembangkit listrik [²] 4. Pengaduk

Free Vortex Kelompok 6 131

Universitas Andalas

Pusaran air yang ditimbulkan akan dapat mencampurkan antara zat satu dengan zat lainnya. Contohnya: Pengaduk gula dan air seperti dapat dilihat pada gambar 4.8

Gambar 4.8. Pengaduk [²]

2.5. Teori Dasar Alat Ukur Pada praktikum free vortex ini terdapat beberapa alat yang digunakan diantaranya 1. Tabung vortex Tabung vortex merupakan tabung yang digunakan untuk melihat fenomena vortex yang terjadi pada fluda cair.Tabung vortex dihubungkan dengan hydroulic bench.Pada tabung vortex terdapat saluran masuk, saluran aliran lebih, katup yang berfungsi sebagai pengatur debit fluida, tempat dudukan orifis dan tempat untuk meletakkan alat ukur permukaan.Dapat dilihat pada gambar 4.9

Free Vortex Kelompok 6 132

Universitas Andalas

Gambar 4. 9 Tabung Vortex [²]

2. Measuring gauge Measuring gauge merupakan alat ukur permukaan yang digunakan untuk mengukur diameter dari vortex.Untuk memperoleh hasil yang teliti, measuring gauge ini harus diletakkan pada posisi yang tepat, yakni pada pertengahan atau garis diameter dari tabung vortex dan harus tepat menyentuh bagian ujung dari diameter vortex.Dapat dilihat pada gambar 4.10

Gambar 4.10 Measuring Gauge [²]

3. Orifis Orifis adalah alat ukur fluida dimana konstruksi bagian dalamnya mengalami penyempitan penampang dan pada ujung keluaranorifis tersebut mengalami pengecilan.Konstruksi tersebut berguna pada pemberian perlakuan yang berbeda dari aliran fluida.Hal ini bertujuan untuk mendapatkan karakteristik aliran fluida sebelum dan sesudah mengalami perlakuan penampang.Pada orifis terdapat perbedaan luas penampang yaitu sebelum dan sesudah penyempitan.orifis dapat dilihat pada gambar 4.11 Free Vortex Kelompok 6 133

Universitas Andalas

Gambar 4.11 Orifis [²]

BAB III METODOLOGI PERCOBAAN 3.1 Gambar Peralatan Percobaan

Free Vortex Kelompok 6 134

Universitas Andalas

Gambar 4.12 alat uji free vortex

Keterangan : 1. Penyangga 2. Pipa outlet 3. Tabung Vortex 4. Pipa masuk sudut beloknya 150 5. Tempat kedudukan orifis 6. Alat ukur permukaan 7. Katup 8. Outlet valve 9. Saluran aliran lebih

3.2 Alat Ukur 1. Measuring gauges

Free Vortex Kelompok 6 135

Universitas Andalas

Gambar 4.13 Measuring gauges

2

Orifis

Gambar 4.14 Orifis

3.3 Asumsi-asumsi 1. Gesekan diabaikan 2. Aliran tunak 3.4 Prosedur Percobaan 1. Pastikan kondisi alat dalam keadaan baik 2. Tempatkan apparatus diatas hydraulic bench 3. Pasang saluran apparatus ke hydraulic bench 4. Pasang orifis pada saluran keluar yang berada di tengah tabung 5. Hidupkan pompa 6. Atur ketinggian air konstan pada ketinggian 160 mm (x1) 7. Ukur nilai jari-jari vortex yang terjadi pada ketinggian 160 mm (R1) dengan mengatur posisi alat ukurpermukaan tepat menyentuh permukaan air. 8. Ukur jari jari vortex dengan variasi ketinggian 9 Ulangi percobaan 4-8 untuk diameter orifis yang berbeda.

Free Vortex Kelompok 6 136

Universitas Andalas

BAB IV DATA 4.1 Data Pratikum Tabel 4.1 Hasil data perhitungan Diameter saluran keluar

Free Vortex Kelompok 6 137

X1 mm

R1 mm

X2 mm

R2 mm

Universitas Andalas

160 160 160 160 160 160 160 160 160 160 160 160

D = 25.5 mm

D = 16,5 mm

D = 8 mm

36 36 36 36 21 21 21 21 15 15 15 15

10 20 30 40 10 20 30 40 10 20 30 40

4.2 Contoh Perhitungan Diameter orifis (d) D1= 25.5 mm = 0.0255 m D2= 16.5 mm = 0.0165 m D3= 8 mm 0.008 m Menghitung jari-jari

R1 R2

r

2

R1  R 2

r 

r=

2

0.015 . 0.006 0.015  0.006 2

2

0.006546537 m

Menghitung nilai k

k 

2.g.h.r

2

k  .2.9,81m/s.0.010 m.  0.006546537 m   0.0029m /s 2

Menghitung nilai v

Free Vortex Kelompok 6 138

2

25 19 15 11 11 9 8 7 6 5

Universitas Andalas

v

k r

0.0029 m /s v  0.442945 m/s 0.006546537 m 2

4.3 .Tabel hasil perhitungan Tabel 4.2 Tabel hasil perhitungan Diameter sal. Keluar (mm)

X1

R1

X2

R2

ΔX/ Δh

(m)

(m)

(m)

(m)

(m)

r (m)

k (m2/s)

v

(m/s)

0.025

0.160

0.036

25.5

0.160

0.160

Free Vortex Kelompok 6 139

0 0.019

0.010

0.03474411

0.01539

0.442945

0.140

0 0.015

0.020

0.02236919

0.014012

0.626418

0.130 0.120 0.150

0 0.0110 0.0110 0.009

0.030 0.040 0.010

0.01650057 0.01155251 0.01291329

0.012659 0.010234 0.00572

0.767203 0.885889 0.442945

0.140

0 0.008

0.020

0.00996117

0.00624

0.626418

0.130

0 0.007

0.030

0.00865244

0.006638

0.767203

0.120

0 0.006

0.040

0.00742462

0.006577

0.885889

0.150

0 0.005

0.010

0.00654654

0.0029

0.442945

0.140

0

0.020

0.0053033

0.003322

0.626418

0.021

16.5

8

0.150

0.015

Universitas Andalas

Free Vortex Kelompok 6 140

Universitas Andalas

Grafik k vs r

0.02 0.02 v(m/s)

0.01

D = 8mm

D =16.5 mm

0.01

0 0.01

0.01

0.02

0.02 r(m)

4.5 Analisa dan Pembahasan

Free Vortex Kelompok 6 141

D = 25.5 mm

0.03

0.03

0.04

0.04

Universitas Andalas

Dari percobaan yang telah dilakukan kami mendapatkan grafik yang telah diperlihatkan pada halaman sebelumnya, yakni grafik yang menunjukkan hubungan antara kecepatan dengan jari-jari vortex dan grafik yang menunjukkan hubungan antara kekuatan vortex dengan jari-jari vortex.Dari perhitungan diketahui bahwa kecepatan vortex mencapai tingkatan tertinggi pada jari-jari vortex yang terkecil. Untuk percobaan dengan diameter orifis 8 mm, 16,5 mm dan 25,5 mm didapatkan bahwa kecepatan semakin rendah jika jari-jari vortex besar. Sedangkan nilai k semakin rendah seiring dengan kecilnya diameter vortex.Tetapi jika dibandingkan terhadap diameter orifis maka nilai k semakin besar sesuai dengan besarnya diameter orifis yang dipakai. Hal yang paling penting untuk diperhatikan adalah kecepatan untuk aliran dengan ketinggian yang sama pada diameter orifis yang berbeda adalah sama. Karena perbandingan untuk mencari kecepatan vortex adalah sama. Nilai X1, X2, R1 dan R2 unruk masing-masing diameter yang berbeda yaitu 8 mm, 12.5 mm, 16.5 mm, dan 25.5 mm memberikan hasil yang jauh berbeda. Untuk nilai K terlihat pada hasil perhitungan bahwa pada diameter 22.5 mm memberikan hasil yang terbesar jika dibandingkan dengan data yang lainnya. Hal ini disebabkan karen nilai kecepatan dan R ( rata-rata) yang besar. Fenomena lain yang dapat diamati dalam pratikum ini adalah terlihat bahwa vortex yang dihasilkan adalah berbentuk spiral.kemudian juga dapat disimpulkan bahwa semakin besar diameter saluaran luar maka diameter vortex yang terbentukpun semakin besar pula. Selain pada air vortex juga dapat diamati pada pusaran angin misalnya pada angin tornado, atau badai gurun.Vortex banyak dimanfaatkan dalam perancangan pesawat terbang atau mobil, karena berhubungan juga dengan keaerodinamisan kendaraan tersebut. Untuk grafik V vs R yang orifisnya berdiameter 0.008m, grafik yang diperoleh menurun seiring berubahnya harga X saat pengujian.Grafik ini mempunyai kesalahan, dimana terjadi penurunan harga yang cukup tajam dan titik 1 dan titik Free Vortex Kelompok 6 142

Universitas Andalas

2.Berdasarkan persamaan V =

k r

pada teori objek, hubungan antara v berbanding

terbalik dengan r. Tetapi pada dasarnya hasil yang didapat pada paercobaan yang dilakukan sudah mendekati nilai teoritisnya hanya saja terdapat perbedaan antara percobaan dengan teoritis perbedaan terjadi karena pada saat dilakukannya praktikum (percobaan) kesalahan yang terjadi yaitu kurang teliti dan kurang memahami pemasangan alat ukur. Terlihat nilai k yang naik hal ini hasil yang didapatkanb cukup memuaskan karena sesuai dengan nilai k teoritis.Tampak kenaikan k seiring kenaikan jari-jari (r). Untuk menghindari kesalahan yang fatal, praktikan harus teliti mengukur dan membaca skala measuaring gage agar hasil yang didapatkan sesuai yang kita harapkan.

Free Vortex Kelompok 6 143

Universitas Andalas

BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan Dari praktikum yang dilakukan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut 1. Free vortex dipengaruhi oleh kecepatan dan luas penampang. 2. Pada praktikum ini permukaan vortex yang dihasilkan berbentuk spiral. 3. Besarnya diameter vortex yang terbentuk dipengaruhi oleh diameter saluran keluar. 4. Pembesaran diameter keluar akan menyebabkan penurunan jari-jari vortex (r) dan kekuatan vortex (K) bertambah 5. Semakin besar luas penampang (diameter Vortex) maka kecepatannya semakin cepat. 5.2 Saran Dari praktikum yang dilakukan dapat diambil saran sebagai berikut 1. Pahami teori dan prosedur pelaksanaan praktikum 2. Lakukan percobaan dengan teliti dan cermat 3. Tanyakan kepada asisten setiap hal yang tidak dimengerti

Free Vortex Kelompok 6 144

Universitas Andalas

LAMPIRAN A.

TUGAS SEBELUM PRAKTIKUM 1. Apa yang dimaksud dengan Vortex ? Vortex adalah suatu fenomena dimana terjadinya pusaran pada fluida cair yang dapat terjadi karena reaksi internal dari fluida tersebut dan juga karena gangguan dari luar. 2. Apa perbedaan jenis free vortex dengan force vortex ? Free vortex disebabkan oleh energi yang berasal dari sejumlah reaksi internal pada fluida tersebut. Sedangkan force vortex disebabkan oleh adanya gaya dari luar fluida itu. 3. Jelaskan faktor-faktor yang mempengaruhi vortex ! 

Rotasi Fluida Fluida membentuk pusaran karena mengalami rotasi pada alirannya sehingga membentuk pusaran atau vortex



Perbedaan tekanan Perbedaan tekanan menyebabkan fluida cenderung bergerak ke tekanan yang lebih rendah sehingga fluida tersebut terus bergerak ke pusat pusarannya.

4.

Kenapa free vortex termasuk praktikum FDM ? Karena free vortex banyak kegunaannya dalam bidang ilmu teknik mesin, misalnya untuk membuat sebuah pembangkit daya listrik.

Free Vortex Kelompok 6 145