universitas indonesia studi dinamika aliran multifase gelembung udara dan air menggunakan

183 Pages·2011·37.6 MB·Indonesian

UNIVERSITAS INDONESIA

STUDI DINAMIKA ALIRAN MULTIFASE GELEMBUNG UDARA
DAN AIR MENGGUNAKAN METODE KOMPUTASI DINAMIKA
FLUIDA DAN TEKNIK PENCITRAAN ELECTRICAL CAPACITANCE
VOLUME TOMOGRAPHY (ECVT)

TESIS
Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Magister

SUTARTO
0806421546

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
PROGRAM STUDI S2 FISIKA
KEKHUSUSAN FISIKA MURNI DAN TERAPAN
DEPOK
DESEMBER 2010

i

Studi dinamika..., Sutarto, FMIPA UI, 2010.
Karya ini saya dedikasikan untuk:

Prof. Dr. rer. nat. Rosari Saleh

… seorang Ibu dan Pendidik yang telah memberikan pengaruh besar
terhadap kehidupan saya …

ii

Studi dinamika..., Sutarto, FMIPA UI, 2010.
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS

Tesis ini adalah hasil karya saya sendiri dan semua sumber baik yang dikutip
maupun dirujuk telah saya nyatakan dengan benar.

Nama : Sutarto
NPM : 0806421546
Tanda Tangan :
Tanggal : 22 Desember 2010
iii

Studi dinamika..., Sutarto, FMIPA UI, 2010.
HALAMAN PENGESAHAN

Tesis ini diajukan oleh
Nama : Sutarto
NPM : 0806421546
Program Studi : S2 Fisika
Judul Tesis : Studi Dinamika Aliran Multifase Gelembung Udara
dan Air Menggunakan Metode Komputasi Dinamika
Fluida dan Teknik Pencitraan Electrical Capacitance
Volume Tomography (ECVT)

Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterima sebagai
bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Magister Sains pada
Program Studi S2 Fisika Murni dan Terapan, Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam, Universitas Indonesia.

DEWAN PENGUJI

Pembimbing : Dr. Warsito ( )

Pembimbing : Dr. Dedi Suyanto ( )

Penguji : Dr. Muhammad Hikam ( )

Penguji : Dr. Imam Fachruddin ( )

Penguji : Dr. Agus Salam ( )

Ditetapkan di : Depok
Tanggal : 22 Desember 2010

iv

Studi dinamika..., Sutarto, FMIPA UI, 2010.
KATA PENGANTAR

Puji syukur ke hadirat Allah SWT yang telah menganugerahkan pemahaman
dan ilmu pengetahuan sehingga penelitian ini dapat menemukan ujungnya setelah
melalui proses pembejalaran yang tidak sebentar. Atas peluang riset, penyediaan
sarana dan prasarana, sumber daya manusia yang kompeten, bimbingan, serta
kedalaman ilmu pengetahuannya, saya hendak menghaturkan terima kasih kepada
Dr. Warsito. Suatu kebanggaan tersendiri dapat melakukan riset bersama–sama
dengan peneliti kelas dunia seperti beliau. Saya juga mengucapkan terima kasih
yang sebesar–besarnya kepada Dr. Dedi Suyanto, yang telah membimbing dan
memberikan masukan–masukan penting dalam penelitian ini, sehingga
permasalahan–permasalahan yang dihadapi dapat terselesaikan dengan baik.
Aristoteles mengatakan, “Seseorang yang tidak membutuhkan kehadiran
orang lain (masyarakat) dalam hidupnya tentu ia adalah monster, atau Tuhan.”
Saya bukanlah salah satu dari keduanya. Setiap segmen aktivitas penelitian yang
saya lakukan nyaris (seluruhnya) melibatkan kehadiran orang–orang tertentu
dengan kompetensinya yang sungguh luar biasa. Oleh karena itu saya ingin
mengucapkan terima kasih kepada seluruh staf dan peneliti di PT Edwar
Technology, khususnya Dr. Ratno Nuryadi atas masukan, saran dan penanaman
berdisiplin dalam riset, Indrë Malakovskytë (Lithuania) yang menemani setiap
lembur malam dengan diskusi dan berbagi pengalaman yang sangat berharga, dan
seluruh keluarga besar Bapak Cipto – Ibu Rukinah atas dukungan moral dan
material yang tak terukur banyaknya.
Penelitian ini bertujuan untuk turut meramaikan perkembangan ilmu
pengetahuan dalam bidang fluida, walaupun hanya sebutir buih di lautan luas.
Dari yang sebutir itu, ternyata masih saja terdapat banyak hal yang perlu dibenahi
walaupun saya sudah memaksimalkan potensi yang dimiliki, yang ujung–
ujungnya penelitian ini menjadi tidak sempurna. Saya menghaturkan terima kasih
yang sebesar–besarnya atas masukan, koreksi, dan gagasan–gagasan baru dari
dewan penguji yang beranggotakan Dr. Muhammad Hikam, Dr. Imam
Fachruddin, dan Dr. Agus Salam, serta peran moderasi yang luar biasa, berikut
ide–ide segar dan inovatif, dari Dr. Muhammad Aziz Majidi.
v

Studi dinamika..., Sutarto, FMIPA UI, 2010.
Pepatah mengatakan, “tak ada gading yang tak retak” dan karya saya ini
adalah salah satunya. Oleh karena masih “retak”, belum sempurna, maka segala
masukan, koreksi, dan gagasan baru dari para pembaca menjadi bagian dari tugas
berikutnya bagi saya untuk memperbaiki penelitian ini agar dapat memenuhi
tujuannya dimasa mendatang.

Depok, 22 Desember 2010

Sutarto

vi

Studi dinamika..., Sutarto, FMIPA UI, 2010.
PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK
KEPENTINGAN AKADEMIS

Sebagai sivitas akademik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di
bawah ini:

Nama : Sutarto
NPM : 0806421546
Program Studi : S2 Fisika Murni dan Terapan
Departemen : Fisika
Fakultas : Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Jenis Karya : Tesis

demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada
Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non–exclusive
Royalty–Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul:

Studi Dinamika Aliran Multifase Gelembung Udara dan Air
Menggunakan Metode Komputasi Dinamika Fluida dan Teknik
Pencitraan Electrical Capacitance Volume Tomography (ECVT)

beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti
Noneksklusif ini, Universitas Indonesia berhak menyimpan,
mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database),
merawat, dan mempublikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan
nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat di : Depok
Pada Bulan : 22 Desember 2010

Yang menyatakan

Sutarto
vii

Studi dinamika..., Sutarto, FMIPA UI, 2010.
Nama : Sutarto
Program Studi : S2 Fisika
Judul Skripsi : Studi Dinamika Aliran Multifase Gelembung Udara dan Air
Menggunakan Metode Komputasi Dinamika Fluida dan
Teknik Pencitraan Electrical Capacitance Volume
Tomography (ECVT)

ABSTRAK

Simulasi dinamika aliran multifase telah dilakukan untuk sistem gelembung udara tunggal di
dalam air, butiran air jatuh di permukaan air, dan kolom gelembung. Untuk mengklarifikasi hasil
simulasi, eksperimen gelembung udara tunggal di dalam air dilakukan dengan menggunakan
sensor Electrical Capacitance Volume Tomography (ECVT) 4D. Simulasi gelembung tunggal dan
butiran air jatuh dilakukan dengan persamaan Navier–Stokes. Metode medan fase digunakan untuk
melakukan penjejakan lapisan antar muka gelembung udara–air dan butiran air–udara. Metode
medan fase kurang stabil dalam memodelkan lapisan antar muka gelembung udara di dalam air.
Selain hilangnya massa fase, persamaan medan fase juga tidak dapat mengendalikan deformasi
gelembung udara sehingga menghasilkan evolusi gelembung yang tidak alamiah. Dengan
menambahkan viskositas efektif udara, kehilangan massa dapat diminimalisir menjadi 0,15%
sedangkan deformasi gelembung udara sangat teratur dan sesuai dengan data eksperimen.

Dengan menggunakan besaran–besaran fisis standar, metode medan fase ternyata menunjukkan
performa yang baik ketika digunakan untuk memodelkan butiran air jatuh di permukaan air.
Ketidak–stabilan yang muncul pada pemodelan gelembung udara di dalam air dipengaruhi oleh
faktor lapisan antar muka dan gaya tegang permukaan yang bekerja padanya.

Model turbulen k– digunakan untuk mensimulasikan aliran gelembung pada kolom gelembung.
Hasil simulasi menunjukkan munculnya sirkulasi air dan aliran gelembung yang koheren. Hasil
simulasi menunjukkan kesesuaian dengan data eksperimen yang diambil menggunakan sensor
ECVT 4D.

Kata Kunci: Aliran multifase, gelembung, kolom gelembung, ECVT 4D, laminar, k– turbulen,
viskositas efektif, medan fase.

xviii + 158 hlm; gbr; tab.
Daftar Referensi: 68 (1966 – 2010)

viii

Studi dinamika..., Sutarto, FMIPA UI, 2010.
Name : Sutarto
Field of Study : Postgraduate Program: Theoretical and Applied Physics
Thesis Title : Studies of Dynamics Multiphase Flow of Bubble and Water
System using Computational Fluid Dynamics Method and
Electrical Capacitance Volume Tomography (ECVT)
Imaging Technique

ABSTRACT

A Series of transient simulations for multiphase flow system had been done for a single bubble
rising through stagnant water, a single water droplet falling down to a liquid, and in bubble column
reactor. Experimental studies also performed to clarify the simulation results using Electrical 4D
Capacitance Volume Tomography (ECVT) with 16 Electrodes. Navier–Stokes was employed to
simulate the single bubble rising and water droplet system. Phase field model is used to track the
interface of the two phases but the bubble shape’s deformation shows unnatural behavior
indicating that the phase field method could not hold the bubble–water interface. Moreover, the
phase field method could not prevent the mass loss of the gas phase in quite significant amount.
Different series of simulations had been done to clarify the problem by adding the so–called
effective bubble’s viscosity constant. 4D ECVT experimental result shows good agreement with
the simulations results. The unnatural behavior of the bubble rising maybe caused by an interface
controlling parameter and the surface tension which is directly connected to the surface tension
coefficient. In water droplet system, using standard physical properties of air and water, the phase
field method shows an excellent performance. It is also found that water droplet system has
laminar behavior rather than turbulence.

Transient simulation for the bubble column using k– turbulence model revealed water circulation
and coherent bubble plume flows. Qualitatively, the simulations of the bubble column had shown
well agreement with experimental data.

Keywords: multiphase flow, bubble, bubble column, 4D ECVT, laminar, k– turbulence, effective
viscocity, phase field method.

xviii + 158 pages; fig; tab.
References: 68 (1966 – 2010)
ix

Studi dinamika..., Sutarto, FMIPA UI, 2010.
DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ..................................................................................... i
HALAMAN PERSEMBAHAN ................................................................... ii
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS .......................................... iii
HALAMAN PENGESAHAN ....................................................................... iv
KATA PENGANTAR .................................................................................. v
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI .................... vi
ABSTRAK .................................................................................................... vii
ABSTRACT .................................................................................................. ix
DAFTAR ISI ................................................................................................. x
DAFTAR GAMBAR DAN TABEL ............................................................. xiii

BAB I PENDAHULUAN ....................................................................... 1
1.1 Aliran Dua Fase di dalam Kolom Gelembung .................... 2
1.2 Pemodelan Aliran Dua Fase ................................................. 4
1.3 Pemodelan Aliran Turbulen ................................................ 7
1.4 Validasi Pemodelan Aliran Multifase ................................. 11
1.5 Pencitraan Aliran Multifase dengan Teknik Tomografi ..... 15
1.6 Tujuan dan Skema Penelitian .............................................. 19

BAB II ALIRAN MULTIFASE DAN KOMPUTASI DINAMIKA
FLUIDA
2.1 Persamaan Navier – Stokes ................................................. 23
2.2 Turbulensi ........................................................................... 45
2.3 Persamaan Reynolds–Averaged Navier–Stokes (RANS) ... 47
2.4 Formulasi Persamaan Dinamika Aliran Multifase .............. 51
2.5 Interface Tracking: Metode Medan Fase ............................ 56
2.6 Komputasi Dinamika Fluida ............................................... 57
2.6.1 Diskritisasi ............................................................... 58
2.6.2 Finite Element Method (FEM) ................................ 58
2.6.3 Finite Volume Method (FVM) ................................ 61
x

Studi dinamika..., Sutarto, FMIPA UI, 2010.