Muhammad Naufal Afiansyah
Universitas Indonesia, Fakultas Teknik, Jurusan Mesin, NPM 2206031914
Abstrak
Pembelajaran mekanika fluida di perguruan tinggi masih banyak didominasi pendekatan teoritis sehingga mahasiswa kerap kesulitan memahami fenomena aliran secara nyata, seperti boundary layer, pembentukan vorteks, separasi aliran, dan distribusi kecepatan. Untuk menjembatani kebutuhan visualisasi dan observasi aliran secara langsung dalam kondisi terkontrol, proyek ini merancang dan menganalisis *low-speed water tunnel* yang terjangkau serta mudah dioperasikan untuk keperluan praktikum dan riset skala laboratorium. Desain sistem disusun berdasarkan kajian literatur dan kebutuhan fungsional utama, dengan komponen pengkondisi aliran meliputi diffuser, honeycomb, dan contractor, serta komponen pendukung seperti work/test section, valve, flowmeter, tangki, dan pompa untuk membentuk sirkulasi aliran yang stabil dan dapat dikontrol. Kelayakan konfigurasi kemudian divalidasi melalui simulasi CFD menggunakan ANSYS Fluent (steady, pressure-based, water-liquid, dengan kondisi batas inlet kecepatan 0,5 m/s dan parameter turbulensi awal sesuai kebutuhan). Hasil analisis menunjukkan aliran dapat dipetakan menjadi zona fully developed, zona transisi (not developed), dan zona honeycomb; pola streamline yang tidak teratur di area transisi dan honeycomb berkorelasi dengan kehilangan tekanan total (total pressure loss) yang berkontribusi pada pressure drop sistem. Di sisi lain, area work-section mencapai intensitas turbulensi rendah (< 1%), menandakan kualitas aliran yang stabil dan sesuai untuk pengaplikasian water tunnel sebagai media visualisasi pembelajaran.
Deklarasi Penulis
Kesedaran Penulis
Kesadaran mendalam (deep awareness) pada proyek ini bermula dari pemahaman bahwa perancangan low-speed water tunnel bukan semata aktivitas teknis, melainkan upaya menghadirkan media pembelajaran yang mampu menjembatani kesenjangan antara teori mekanika fluida dan pengalaman empiris mahasiswa. Dokumen menegaskan bahwa kebutuhan media visualisasi aliran sangat tinggi karena mahasiswa kerap kesulitan memahami fenomena aliran jika hanya diajarkan secara teoritis; water tunnel diposisikan sebagai solusi untuk meningkatkan kualitas pembelajaran praktis dan sekaligus mendukung tujuan pendidikan.
Dalam kerangka ini, peran sadar desainer tercermin pada kemampuan menyelaraskan keputusan teknis (misalnya pemilihan konfigurasi komponen, pengendalian turbulensi, hingga rancangan yang mudah dioperasikan) dengan komitmen etis untuk menghasilkan manfaat yang nyata. Dokumen juga mengaitkan proyek dengan SDGs 4 (Quality Education) dan SDGs 12 (Responsible Consumption and Production), yang menuntut desain tidak hanya efektif sebagai alat eksperimen, tetapi juga efisien dalam penggunaan material serta ramah biaya. Kesadaran ini kemudian menuntun desainer untuk mengambil keputusan yang bertanggung jawab: memprioritaskan kualitas aliran yang memadai tanpa mengabaikan keterjangkauan, dan memastikan perangkat dapat digunakan secara luas pada institusi dengan keterbatasan sumber daya.
Lebih lanjut, deep awareness juga berarti mengakui adanya keterbatasan nyata (anggaran, ruang, getaran mekanis, dan ketersediaan komponen) yang harus dikelola dengan pertimbangan moral dan profesional, bukan sekadar diakali secara teknis. Dokumen menekankan bahwa desain water tunnel perlu mengintegrasikan aspek hidrodinamika, mekanis, struktural, dan ekonomis, serta mempertimbangkan trade-off biaya dan kualitas aliranโyang pada dasarnya menuntut tanggung jawab etik dalam memilih solusi paling bermanfaat dan paling minim mudarat.ย Dalam konteks โingatan kepada Tuhan Yang Maha Esaโ, kesadaran ini dapat dimaknai sebagai dorongan untuk menjaga integritas (jujur pada batas kemampuan desain), menghindari pemborosan, dan meniatkan hasil rancangan sebagai karya yang membawa kemaslahatan bagi proses belajar dan riset.
Niat Kegiatan Proyek
Niat kegiatan proyek ini adalah mengembangkan dan menganalisis sistem sirkulasi fluida berkecepatan rendah yang efisien dan andalโdalam konteks dokumen, berupa low-speed water tunnelโsebagai sarana visualisasi fenomena aliran bagi mahasiswa. Water tunnel dipaparkan sebagai instrumen eksperimental yang memungkinkan pengamatan fenomena seperti vorteks dan pembentukan boundary layer pada kecepatan rendah, sehingga efektif untuk laboratorium pendidikan. Dengan keberadaan perangkat ini, mahasiswa diharapkan memahami konsep fluida secara lebih komprehensif melalui observasi langsung, sekaligus membuka ruang untuk validasi komputasi numerik dan evaluasi karakteristik aliran dalam skala laboratorium.
Untuk mewujudkan tujuan tersebut, niat proyek tidak berhenti pada โmembuat alatโ, tetapi memastikan alat menghasilkan aliran yang terkendali dan layak uji. Dokumen menekankan bahwa desain low-speed water tunnel berfokus pada penciptaan aliran yang stabil, seragam, dan minim turbulensi sebelum memasuki test section, dengan komponen utama seperti reservoir/settling chamber, honeycomb, screens, contraction section, test section, dan diffuser yang masing-masing berperan dalam kualitas aliran. Secara fungsional, diffuser dan honeycomb diposisikan sebagai sistem flow conditioning untuk menurunkan intensitas turbulensi dan mereduksi komponen kecepatan lateral agar aliran lebih homogen dan searah. Contraction (contractor) kemudian mempercepat aliran secara halus untuk meningkatkan keseragaman distribusi kecepatan sebelum memasuki test section, sekaligus menghindari separasi boundary layer.
Niat keberlanjutan dan desain etis pada proyek ini tercermin dari orientasi โpendidikan yang bisa diaksesโ dan โrancangan yang bertanggung jawab atas sumber dayaโ. Dokumen menyatakan bahwa keputusan desain dipengaruhi oleh keterjangkauan biaya, dimensi ruang, ketersediaan material, serta kemudahan perawatanโartinya perangkat harus efektif, tetapi juga realistis untuk dibangun dan dirawat di lingkungan pendidikan dengan anggaran terbatas.ย Dengan demikian, niat kegiatan proyek dapat dirumuskan sebagai upaya menghadirkan water tunnel yang (i) memenuhi persyaratan fungsional kualitas aliran untuk visualisasi/pengujian, (ii) andal dan aman digunakan berulang, serta (iii) selaras dengan prinsip efisiensi sumber daya dan tanggung jawab etis dalam rekayasa.
PENDAHULUAN
Pembelajaran mekanika fluida pada jenjang perguruan tinggi cenderung didominasi oleh pendekatan teoritis sehingga mahasiswa kesulitan memahami fenomena aliran secara nyata. Konsep-konsep seperti boundary layer, vortex formation, flow separation, dan distribusi kecepatan sering kali hanya divisualisasikan melalui persamaan matematis atau simulasi komputer. Kondisi ini menciptakan kesenjangan antara teori dan pengalaman empiris di laboratorium. Untuk menjembatani kebutuhan tersebut, diperlukan suatu sarana eksperimen yang memungkinkan mahasiswa dan peneliti melakukan observasi aliran secara langsung dalam kondisi terkontrol. Salah satu media yang paling efektif untuk tujuan ini adalah low-speed water tunnel, yakni terowongan air berkecepatan rendah yang dirancang untuk memvisualisasikan pola aliran fluida secara real-time.
Perancangan water tunnel harus mempertimbangkan sejumlah faktor, seperti keterbatasan anggaran, ukuran ruang, ketersediaan komponen, serta kebutuhan kestabilan aliran. Getaran, turbulensi awal (inlet turbulence), dan ketidakseragaman aliran dapat merusak validitas hasil eksperimen sehingga desain harus mengutamakan flow conditioning yang baik. Selain itu, sistem harus cukup sederhana, terjangkau, dan mudah dirakit agar dapat digunakan sebagai alat praktikum pada institusi pendidikan dengan sumber daya terbatas. Inisiatif ini juga mendukung SDGs 4 (Quality Education) melalui peningkatan kualitas pembelajaran berbasis eksperimen, sekaligus mendukung SDGs 12 (Responsible Consumption and Production) dengan mendorong efisiensi penggunaan material dan rancangan yang ramah biaya.
Dengan adanya perangkat water tunnel yang dirancang khusus untuk kebutuhan visualisasi aliran, mahasiswa diharapkan mampu memahami fenomena fluida secara lebih komprehensif melalui observasi langsung. Selain itu, alat ini dapat menjadi sarana penelitian untuk mengevaluasi karakteristik aliran, validasi komputasi numerik, dan pengembangan desain aerodinamika dalam skala laboratorium. Oleh karena itu, proyek ini memiliki relevansi akademik sekaligus praktis dalam meningkatkan kualitas pendidikan teknik dan riset fluida.
REVIEW LITERASI
Water Tunnel sebagai Media Studi Eksperimen Fluida
Water tunnel merupakan instrumen eksperimental yang digunakan untuk mempelajari dinamika fluida dalam lingkungan terkontrol. Berbeda dengan wind tunnel yang menggunakan udara sebagai fluida kerja, water tunnel memanfaatkan air sehingga memungkinkan pengamatan fenomena aliran pada kecepatan yang jauh lebih rendah tanpa kehilangan karakteristik dinamis penting seperti pola vorteks dan pembentukan boundary layer. Karena densitas air lebih tinggi dibandingkan udara, Reynolds Number yang relevan untuk studi aerodinamika dapat dicapai hanya dengan kecepatan aliran rendah, sehingga water tunnel sangat efisien untuk laboratorium pendidikan.
Dalam konteks pembelajaran mekanika fluida, water tunnel memberikan kesempatan bagi mahasiswa untuk melihat secara langsung prinsip-prinsip yang sebelumnya hanya dipahami melalui persamaan matematis atau simulasi komputer. Fenomena seperti aliran laminar dan turbulen, pembentukan wake, vortex shedding, hingga interaksi fluida dengan bentuk benda dapat diamati secara real-time. Media visualisasi berbasis dye atau partikel membuat struktur aliran terlihat jelas, sehingga mempermudah analisis pola aliran yang tidak kasat mata pada studi teoritis.
Water tunnel juga sering digunakan dalam penelitian skala kecil untuk validasi model numerik, optimasi bentuk aerodinamis, serta evaluasi dinamika fluida di sekitar objek. Penggunaan water tunnel sangat ideal untuk pendidikan karena biaya operasionalnya relatif rendah, tidak memerlukan kompresor udara berkekuatan besar, dan tidak menimbulkan risiko kebisingan seperti wind tunnel. Dalam dokumen yang diunggah, penulis menegaskan bahwa kebutuhan akan media visualisasi aliran sangat tinggi karena mahasiswa menghadapi kesulitan dalam memahami fenomena aliran jika hanya diajarkan secara teoritis. Kehadiran water tunnel menjadi solusi untuk meningkatkan kualitas pembelajaran praktis dan mendukung pencapaian SDGs 4 dan SDGs 12.
Dengan demikian, water tunnel tidak hanya berperan sebagai alat demonstrasi, tetapi juga sebagai platform penelitian dasar dalam mekanika fluida. Keunggulannya terletak pada kemampuan visualisasi langsung, efisiensi energi, serta kesesuaian untuk eksperimen berulang, sehingga menjadi instrumen penting dalam kurikulum rekayasa teknik.
Prinsip Desain Low-Speed Water Tunnel
Desain low-speed water tunnel berfokus pada penciptaan aliran yang stabil, seragam, dan bebas turbulensi sebelum memasuki test section. Komponen desain utama meliputi reservoir, settling chamber, honeycomb, screens, contraction section, test section, dan diffuser. Masing-masing berperan penting dalam memastikan kualitas aliran. Settling chamber biasanya dibuat cukup panjang untuk mereduksi turbulensi besar yang berasal dari pompa. Honeycomb berfungsi menghilangkan komponen kecepatan transversal, sedangkan screens menurunkan intensitas turbulensi melalui hambatan kecil yang menyebar merata.
Rasio kontraksi antara bagian inlet dan test section merupakan parameter kritis. Kontraksi yang besar dapat menurunkan turbulensi dan meningkatkan keseragaman aliran, namun akan meningkatkan kebutuhan tekanan dan risiko kavitasi jika tidak dirancang dengan benar. Pada water tunnel pendidikan, rasio kontraksi dipilih untuk menyeimbangkan kualitas aliran dan keterjangkauan biaya. Keputusan desain juga dipengaruhi oleh dimensi ruang laboratorium, ketersediaan material, serta kemudahan perawatan.
Dokumen water tunnel yang diunggah menyebutkan sejumlah kendala desain yang penting, antara lain: keterbatasan anggaran, keterbatasan ruang, getaran mekanis yang dapat mengganggu kestabilan aliran, dan ketersediaan komponen di pasaran. Hal ini menunjukkan bahwa desain tidak hanya mempertimbangkan prinsip mekanika fluida, tetapi juga rekayasa sistem dan manajemen sumber daya. Pengurangan getaran diperlukan agar aliran tidak mengalami unintended oscillations yang dapat mengganggu eksperimen. Material yang digunakan harus cukup kuat namun tetap ekonomis, sehingga water tunnel dapat dibangun di lingkungan pendidikan dengan anggaran terbatas.
Secara keseluruhan, desain water tunnel harus mengintegrasikan aspek hidrodinamika, mekanis, struktural, dan ekonomis agar dapat menghasilkan aliran stabil dan perangkat yang mudah digunakan. Literatur menekankan bahwa desain optimal harus mempertimbangkan trade-off antara biaya dan kualitas aliran.
Visualisasi Aliran dalam Water Tunnel
Visualisasi aliran merupakan aspek terpenting dalam penggunaan water tunnel, terutama untuk pendidikan. Teknik visualisasi memungkinkan mahasiswa mengamati fenomena fluida yang kompleks secara langsung, tanpa memerlukan perangkat diagnostik mahal seperti Particle Image Velocimetry (PIV). Metode yang paling umum adalah injeksi pewarna (dye injection), di mana pewarna dengan densitas sesuai dicampurkan pada titik-titik tertentu untuk mengikuti aliran. Teknik ini dapat mengungkap fenomena seperti pergolakan aliran, pemisahan aliran pada objek bersudut tajam, dan pola vorteks yang terbentuk di belakang benda.
Selain dye, visualisasi dapat dilakukan menggunakan partikel mikro yang mengapung stabil dalam air (neutrally buoyant particles). Metode ini berguna untuk menilai struktur aliran pada berbagai kecepatan. Bentuk test section dari material transparan (misalnya akrilik) menjadi syarat utama, karena kejernihan dan distorsi optiknya mempengaruhi kualitas pengamatan. Water tunnel juga memungkinkan lampu LED atau laser digunakan untuk menghasilkan bidang cahaya (light sheet) sehingga pola aliran dapat diamati dalam dua dimensi.
Pada dokumen yang diunggah, tujuan utama pembangunan low-speed water tunnel adalah untuk menyediakan media visualisasi fenomena aliran bagi mahasiswa. Dengan visualisasi yang tepat, mahasiswa dapat memahami konsep seperti interaksi fluida-benda, pembentukan wake, dan transisi aliran dari laminar ke turbulen. Alat ini dapat meningkatkan kualitas pembelajaran dengan menunjukkan bahwa fenomena fluida bukan hanya konsep abstrak, tetapi proses nyata yang dapat diamati dan dianalisis.
Visualisasi bukan hanya alat pembelajaran tetapi juga sarana riset, khususnya untuk eksperimen yang bertujuan memvalidasi model numerik atau mengukur parameter aliran secara kualitatif. Keunggulan water tunnel adalah fleksibilitasnya dalam menghasilkan visualisasi yang stabil dan mudah diatur.
Validasi Komputasional dan Perbandingan Eksperimen
Validasi komputasional merupakan bagian penting dari analisis water tunnel karena memberikan jembatan antara teori, eksperimen, dan simulasi. CFD (Computational Fluid Dynamics) digunakan untuk memodelkan aliran dalam geometri water tunnel, memprediksi distribusi tekanan dan kecepatan, serta memetakan fenomena aliran lain seperti turbulensi dan separation. Hasil simulasi ini kemudian dibandingkan dengan pengamatan langsung dalam water tunnel untuk memastikan akurasi desain.
Validasi komputasional mengurangi risiko kesalahan sebelum prototipe dibuat. Dengan memprediksi potensi flow disturbance, desainer dapat menyesuaikan dimensi kontraksi, panjang settling chamber, atau posisi pompa untuk mengurangi turbulensi yang tidak diinginkan. CFD juga digunakan untuk memverifikasi apakah aliran dalam test section cukup seragam untuk keperluan eksperimen.
Dalam dokumen yang diunggah, terdapat sub-bab Computational Validation of the Setup yang menegaskan bahwa pendekatan komputasional digunakan sebagai bagian dari evaluasi desain. Hal ini mengindikasikan bahwa rancangan water tunnel tidak hanya diuji secara fisik, tetapi juga melalui model numerik sehingga efektivitas desain dapat diperkirakan sebelum konstruksi dilakukan. Validasi eksperimental kemudian digunakan untuk mengonfirmasi hasil komputasi dengan visualisasi nyata dalam water tunnel.
Pendekatan kombinasi ini konsisten dengan literatur teknik fluida modern, di mana eksperimen dan simulasi digunakan secara komplementer untuk meningkatkan pemahaman dan mengurangi biaya pengembangan.
Studi Relevan Terkait Desain dan Aplikasi Water Tunnel
Penelitian mengenai water tunnel telah dilakukan dalam berbagai konteks, mulai dari pendidikan, penelitian aerodinamika, hingga validasi numerik. Studi yang dicantumkan dalam referensi dokumen yang diunggahโseperti file rancangan water tunnel dari ICAMEI, laporan milestone desain, dan dokumen teknis lainnyaโmenggambarkan bahwa perancangan water tunnel merupakan proses iteratif yang melibatkan analisis struktural, komputasional, dan eksperimental.
Penelitian terdahulu menunjukkan bahwa desain water tunnel harus mempertimbangkan stabilitas aliran, pencegahan kavitasi, pemilihan pompa yang sesuai, serta optimasi flow conditioning system. Selain itu, studi aplikasi water tunnel mencakup analisis gaya aerodinamis pada profil sayap, karakteristik aliran di sekitar objek dengan bentuk kompleks, serta pengaruh variasi geometri terhadap pola aliran.
Dalam konteks pendidikan, berbagai universitas telah mengembangkan low-cost water tunnel untuk laboratorium mekanika fluida. Penelitian-penelitian ini menunjukkan bahwa meskipun sederhana, water tunnel tetap mampu memberikan pemahaman visual yang kuat mengenai fenomena fluida. Studi relevan juga menunjukkan bahwa pengembangan water tunnel menjadi semakin penting karena kebutuhan akan metode pembelajaran berbasis eksperimen terus meningkat.
Hasil studi tersebut memperkuat tujuan proyek dalam dokumen yang diunggah, yaitu desain water tunnel yang terjangkau, efektif, dan mampu mendukung pembelajaran mahasiswa sekaligus riset dasar dalam dinamika fluida. Integrasi hasil eksperimen, simulasi, dan desain modern memungkinkan water tunnel berperan sebagai sarana ilmiah yang fleksibel dan adaptif.
WATER TUNNEL DESIGN
Honeycomb dan diffuser
Dalam sistem water tunnel, diffuser dan honeycomb berperan penting dalam pengkondisian aliran agar mendekati karakteristik aliran ideal untuk pengujian hidrodinamika. Diffuser berfungsi memperbesar luas penampang aliran secara bertahap sehingga kecepatan fluida menurun dan tekanan statis meningkat, yang pada akhirnya mengurangi kehilangan energi serta menekan intensitas turbulensi sebelum aliran memasuki bagian uji (test section). Sementara itu, honeycomb digunakan sebagai flow straightener yang terdiri dari saluran-saluran kecil sejajar untuk mereduksi komponen kecepatan lateral dan pusaran besar (large-scale eddies), sehingga aliran menjadi lebih seragam dan dominan satu arah. Kombinasi diffuser dan honeycomb memungkinkan tercapainya aliran yang lebih homogen, stabil, dan mendekati kondisi laminar atau low-turbulence flow, sehingga meningkatkan akurasi dan reprodusibilitas data eksperimen dalam water tunnel.
Contractor
Dalam sistem water tunnel, contraction (contractor) berfungsi memperkecil luas penampang aliran secara bertahap sehingga kecepatan fluida meningkat dan distribusi kecepatan menjadi lebih seragam sebelum memasuki test section. Bagian contraction dirancang dengan profil halus untuk mempercepat aliran tanpa memicu separasi lapisan batas (boundary layer separation), sekaligus meredam ketidakseragaman aliran dan sisa turbulensi yang masih terbawa dari bagian hulu seperti diffuser dan honeycomb. Dengan demikian, contraction berperan penting dalam menghasilkan aliran berkecepatan tinggi yang stabil, homogen, dan memiliki tingkat turbulensi rendah, sehingga kondisi aliran di test section lebih terkendali dan sesuai untuk pengukuran hidrodinamika yang akurat.
Worksection
Dalam sistem water tunnel, work section atau test section merupakan bagian utama tempat dilakukan pengujian model dan pengamatan fenomena aliran. Pada bagian ini, aliran fluida dirancang memiliki distribusi kecepatan yang seragam, tingkat turbulensi yang rendah, serta kondisi aliran yang stabil agar interaksi antara fluida dan model uji dapat diamati secara akurat. Work section biasanya dilengkapi dengan dinding transparan untuk memungkinkan visualisasi aliran, pengukuran gaya hidrodinamika, tekanan, maupun karakteristik aliran lainnya. Keandalan data eksperimen sangat bergantung pada kualitas aliran di work section, sehingga bagian ini menjadi fokus utama dalam perancangan water tunnel untuk memastikan hasil pengujian bersifat representatif dan dapat direproduksi.
Valve
Dalam sistem water tunnel, valve berfungsi sebagai elemen pengendali aliran yang digunakan untuk mengatur laju aliran dan tekanan fluida sesuai dengan kebutuhan pengujian. Dengan membuka atau menutup valve secara terkontrol, debit aliran dalam sistem dapat dinaikkan atau diturunkan sehingga kondisi aliran di work section dapat disesuaikan dengan parameter eksperimen yang diinginkan. Selain itu, valve berperan dalam menjaga kestabilan operasi sistem, mencegah lonjakan tekanan, serta memudahkan proses start-up, penghentian aliran, dan perawatan peralatan. Keberadaan valve yang dioperasikan dengan tepat memungkinkan pengaturan kondisi aliran yang konsisten dan aman selama pelaksanaan pengujian dalam water tunnel.
Flowmeter
Dalam sistem water tunnel, flowmeter berfungsi untuk mengukur laju aliran fluida yang mengalir di dalam sistem secara kuantitatif. Alat ini memberikan informasi mengenai debit aliran yang digunakan selama pengujian, sehingga kondisi aliran dapat ditentukan dan dikontrol dengan tingkat ketelitian yang memadai. Data dari flowmeter digunakan sebagai dasar untuk menetapkan parameter eksperimen, melakukan kalibrasi kondisi aliran, serta memastikan keterulangan hasil pengujian. Dengan adanya flowmeter, hubungan antara laju aliran, kecepatan fluida, dan respons hidrodinamika pada work section dapat dianalisis secara akurat dan sistematis.
Tanki
Dalam sistem water tunnel, tangki berfungsi sebagai wadah penyimpanan fluida sekaligus penyangga utama sirkulasi aliran dalam sistem tertutup. Tangki berperan menjaga ketersediaan volume air yang stabil, meredam fluktuasi aliran dan tekanan, serta memungkinkan pelepasan gelembung udara sebelum fluida kembali dialirkan ke bagian pengkondisian aliran. Selain itu, tangki memfasilitasi proses pengisian, pengurasan, dan pemeliharaan sistem secara keseluruhan. Keberadaan tangki yang dirancang dengan baik mendukung kestabilan operasi water tunnel dan berkontribusi pada konsistensi kondisi aliran selama pelaksanaan pengujian.
Pompa
Dalam sistem water tunnel, pompa berfungsi sebagai sumber energi utama yang menggerakkan fluida agar dapat bersirkulasi secara kontinu di dalam sistem. Pompa menghasilkan perbedaan tekanan yang diperlukan untuk mendorong aliran air melalui seluruh komponen water tunnel, mulai dari bagian pengkondisian aliran hingga work section. Selain itu, kapasitas dan kinerja pompa menentukan rentang kecepatan aliran yang dapat dicapai, sehingga berpengaruh langsung terhadap variasi kondisi aliran yang dapat diuji. Dengan pengoperasian pompa yang stabil dan terkontrol, aliran fluida dapat dipertahankan pada kondisi yang konsisten, yang sangat penting untuk menjamin keandalan dan akurasi hasil pengujian
ASSEMBLY
Pada bagian tanki, fluida berada dalam kondisi relatif tenang dengan kecepatan rendah, sehingga berfungsi sebagai reservoir yang menstabilkan aliran, meredam fluktuasi tekanan, serta memungkinkan pelepasan gelembung udara sebelum fluida disirkulasikan kembali. Selanjutnya, ketika fluida memasuki pompa, terjadi penambahan energi mekanik yang ditandai dengan kenaikan tekanan dan debit aliran, sehingga air terdorong untuk mengalir secara kontinu ke seluruh sistem water tunnel. Setelah itu, aliran melewati valve, di mana terjadi proses pengaturan debit dan tekanan; perubahan bukaan valve menyebabkan variasi kehilangan tekanan lokal dan mengontrol kondisi aliran yang akan digunakan dalam pengujian. Pada flowmeter, fenomena yang terjadi adalah konversi karakteristik aliran menjadi besaran terukur, seperti debit atau kecepatan, sehingga kondisi aliran dapat dipantau dan dikalibrasi secara kuantitatif. Aliran kemudian masuk diffuser, di mana luas penampang yang membesar menyebabkan penurunan kecepatan dan peningkatan tekanan statis, sekaligus mereduksi intensitas turbulensi dan kehilangan energi sebelum aliran dikondisikan lebih lanjut. Setelah itu, fluida melewati honeycomb, yang berfungsi meluruskan aliran dengan meredam komponen kecepatan lateral dan pusaran berskala besar, sehingga aliran menjadi lebih seragam dan searah. Aliran yang telah terkondisi kemudian memasuki test section, tempat terjadinya interaksi langsung antara fluida dan model uji, di mana fenomena hidrodinamika seperti distribusi tekanan, gaya, dan pola aliran dapat diamati dan diukur secara akurat. Selanjutnya, aliran memasuki contraction (contractor), yang menyebabkan penyempitan penampang sehingga kecepatan meningkat secara terkendali tanpa separasi aliran, sekaligus membantu mempertahankan keseragaman aliran sebelum kembali ke sirkuit utama. Akhirnya, fluida kembali ke tanki, di mana energi kinetik berkurang, aliran kembali melambat, dan sistem siap untuk memulai siklus sirkulasi berikutnya dengan kondisi yang lebih stabil.
COMPUTATIONAL VALIDATION OF THE SETUP
Tahap prapemrosesan (pre-processing) pada simulasi CFD ini diawali dengan pembuatan dan pemeriksaan mesh pada menu General. Proses meshing dilakukan menggunakan fitur auto mesh, sehingga pembentukan elemen dilakukan secara otomatis oleh perangkat lunak berdasarkan geometri domain. Meskipun bersifat otomatis, penyusunan mesh tetap diarahkan dengan fokus kerapatan elemen pada area-area kritis, khususnya di bagian diffuser dan honeycomb (karena area ini berpotensi menghasilkan perubahan gradien kecepatan/tekanan yang signifikan serta mempengaruhi kualitas aliran), serta pada bagian contractor (contraction) yang berada di kedua ujung objek (inlet dan outlet) karena terjadi perubahan penampang yang dapat memicu percepatan/perlambatan aliran, potensi separasi, dan pembentukan profil kecepatan yang menentukan kondisi aliran di sepanjang terowongan. Setelah mesh terbentuk, dilakukan Scale untuk memastikan satuan panjang sudah benar, kemudian Check untuk mendeteksi error topologi seperti sel bervolume negatif atau konektivitas elemen yang tidak valid, dan Report Quality untuk menilai kualitas mesh (misalnya skewness dan orthogonal quality) yang berpengaruh langsung terhadap stabilitas konvergensi dan akurasi hasil. Dengan mesh yang valid dan berkualitas memadai, simulasi dapat dilanjutkan ke pengaturan solver tanpa risiko error numerik akibat discretization yang buruk.
Selanjutnya, konfigurasi solver ditetapkan sesuai karakteristik aliran yang dimodelkan. Pada kasus ini dipilih Pressure-Based Solver karena fluida yang digunakan adalah water-liquid dengan kecepatan relatif rendah sehingga aliran diasumsikan inkompresibel. Formulasi kecepatan ditetapkan pada Absolute untuk memastikan perhitungan kecepatan berada pada kerangka referensi diam (non-rotating), dan mode waktu dipilih Steady untuk merepresentasikan kondisi tunak. Selain itu, gravitasi diaktifkan dengan nilai percepatan Y = โ9,81 m/sยฒ (dengan X dan Z bernilai 0) guna memasukkan efek gaya badan (body force) ke persamaan momentum. Pengaturan gravitasi ini penting apabila terdapat perbedaan elevasi atau kebutuhan mempertimbangkan tekanan hidrostatik dalam domain aliran.
Pada tahap pendefinisian domain, zona volume fluida diatur melalui Cell Zone Conditions dengan material water-liquid. Penetapan material ini memastikan properti fisik yang digunakan (misalnya densitas dan viskositas) sesuai dengan karakteristik air pada temperatur referensi yang dipakai. Pada pengaturan ini, opsi seperti Frame Motion, Mesh Motion, maupun Porous Zone tidak diaktifkan sehingga zona fluida diperlakukan sebagai domain statis tanpa rotasi, tanpa deformasi mesh, dan bukan media berpori. Meskipun Fluent menyediakan parameter sumbu rotasi (rotation-axis origin dan direction), pada konfigurasi non-rotating nilai tersebut bersifat default dan tidak mempengaruhi solusi selama tidak ada zona bergerak.
Kondisi batas masuk (boundary condition) ditentukan melalui Velocity Inlet dengan metode Magnitude, Normal to Boundary, sehingga solver menerima input berupa besar kecepatan dan arah aliran otomatis tegak lurus permukaan inlet. Kecepatan masuk ditetapkan sebesar 0,5 m/s dengan reference frame Absolute, sehingga konsisten dengan kerangka referensi solver. Untuk mendefinisikan kondisi turbulensi di inlet, digunakan metode Intensity and Hydraulic Diameter dengan intensitas turbulensi 5% dan diameter hidrolik 0,015 m. Pemilihan parameter ini bertujuan memberikan estimasi kondisi turbulensi awal yang realistis pada aliran internal, terutama ketika data eksperimen rinci tidak tersedia. Nilai diameter hidrolik juga berfungsi sebagai skala panjang turbulensi yang dipakai Fluent untuk menurunkan parameter turbulensi seperti turbulent kinetic energy dan specific dissipation rate.
Setelah kondisi batas ditentukan, Reference Values dihitung dengan opsi Compute from: inlet agar parameter referensi (seperti luas inlet, densitas, viskositas, temperatur, dan kecepatan) konsisten dengan kondisi aliran yang sebenarnya. Pengaturan ini penting terutama untuk pelaporan besaran tak berdimensi seperti koefisien gaya (misalnya drag coefficient dan lift coefficient) atau pressure coefficient. Dengan mengambil nilai referensi dari inlet, hasil koefisien yang dihitung Fluent menjadi lebih representatif terhadap kondisi operasi yang disimulasikan, meskipun pada tahap pelaporan tetap perlu memastikan reference length dan reference area sesuai definisi yang digunakan dalam studi.
Tahap terakhir sebelum iterasi adalah Solution Initialization, yaitu proses pembentukan medan awal (initial guess) di seluruh domain agar solver memiliki kondisi awal yang masuk akal dan konvergensi lebih cepat. Pada kasus ini digunakan Standard Initialization dengan sumber perhitungan dari inlet. Nilai awal tekanan gauge ditetapkan 0 Pa, sedangkan komponen kecepatan diisi mengikuti arah aliran utama (misalnya X velocity bernilai โ0,5 m/s apabila aliran bergerak menuju sumbu โX sesuai orientasi geometri). Selain itu, Fluent secara otomatis menghitung nilai awal turbulensi, seperti turbulent kinetic energy (k) dan specific dissipation rate (ฯ), berdasarkan intensitas turbulensi dan diameter hidrolik yang sudah ditetapkan pada inlet. Setelah semua parameter terisi, domain di-initialize sehingga simulasi siap dijalankan pada tahap iterasi/solusi numerik.
ย COMPUTATION VERIFICATION ANALYSIS
Hasil simulasi CFD pada ANSYS Fluent menunjukkan bahwa jalur aliran berbasis kecepatan (streamline/particle path) dapat dipetakan menjadi tiga zona fungsional utama di sepanjang water tunnel. Pertama, terdapat zona fully developed yang ditandai garis hijau lime, yaitu segmen lurus yang cukup panjang sehingga profil kecepatan sudah mapan dan tidak berubah signifikan sepanjang arah aliran. Kondisi ini menandakan aliran sudah stabil dan seragam, sehingga zona tersebut layak dijadikan acuan untuk evaluasi kualitas aliran pada bagian utama saluran. Kedua, zona not developed yang ditandai garis merah menggambarkan area transisi di sekitar perubahan geometri/komponen pengondisi aliran, di mana aliran masih beradaptasi akibat gradien tekanan, perubahan penampang, maupun efek masuk-keluar komponen sehingga profil kecepatannya belum sepenuhnya terbentuk. Ketiga, zona honeycomb yang ditandai garis pink merupakan bagian saat aliran melewati struktur honeycomb yang berfungsi sebagai flow straightener untuk menurunkan swirl/komponen kecepatan lateral, dengan konsekuensi adanya tambahan hambatan aliran (pressure drop) akibat gesekan di kanal-kanal kecil.
Keterkaitan antara jalur partikel yang tampak โbertabrakanโ/kusut dengan perilaku tekanan sistem dapat dijelaskan melalui mekanisme perubahan energi aliran. Pola streamline yang saling berimpit, berputar, atau tampak โbertemuโ biasanya mengindikasikan adanya perubahan arah mendadak, shear layer kuat, separasi, dan recirculation, terutama di dekat transisi geometri dan pada daerah sebelum/di dalam honeycomb. Fenomena ini menyebabkan sebagian energi kinetik aliran tidak lagi termanfaatkan sebagai aliran terarah, melainkan berubah menjadi turbulensi dan akhirnya terdisipasi sebagai rugi viskos. Secara fisik, pada lokasi-lokasi yang mengalami perlambatan kuat atau impingement dapat muncul kenaikan tekanan statik lokal (efek stagnasi/penumpukan tekanan), tetapi secara keseluruhan sistem mengalami kehilangan tekanan total (total pressure loss) karena energi mekanik berkurang akibat mixing dan gesekan.
Hubungan tersebut terlihat selaras dengan kontur tekanan yang ditampilkan. Kontur total pressure merepresentasikan akumulasi energi mekanik aliran; area dengan pola streamline paling tidak teratur umumnya berkorelasi dengan penurunan total pressure yang lebih besar karena dominan rugi-rugi. Kontur static pressure menunjukkan bagaimana tekanan statik dapat berubah sebagai respons terhadap perlambatan, percepatan, atau separasi aliran (termasuk potensi kenaikan lokal di area stagnasi). Sementara itu, kontur dynamic pressure berkaitan langsung dengan distribusi kecepatan (( \tfrac12 \rho V^2 )), sehingga akan menonjol pada bagian-bagian yang mempercepat aliran dan menurun pada area yang melambat atau mengalami recirculation. Dengan membaca tiga kontur ini secara bersamaan, dapat disimpulkan bahwa โtabrakanโ jalur aliran memperkuat rugi-rugi energi dan menjadi salah satu penyebab utama pressure drop sistemโterutama pada zona transisi dan honeycomb.
Terakhir, dari kontur Turbulent Intensity (%), area work-section (test section) menunjukkan dominasi nilai turbulensi yang sangat rendah (< 1%). Intensitas turbulensi yang rendah ini menandakan bahwa fluktuasi kecepatan relatif kecil dibanding kecepatan rata-rata, sehingga aliran pada work-section menjadi lebih stabil, seragam, dan โtenangโ. Kondisi tersebut sangat sesuai untuk pengaplikasian water tunnel, karena tujuan utama water tunnel adalah menyediakan kualitas aliran yang terkondisi untuk pengujian/observasi (misalnya pengukuran gaya hidrodinamika atau visualisasi aliran) dengan gangguan free-stream turbulence yang minimal. Secara keseluruhan, kombinasi zona fully developed yang panjang, keberadaan honeycomb sebagai flow straightener, serta rendahnya TI pada work-section menunjukkan bahwa sistem pengondisi aliran bekerja efektif dalam menghasilkan aliran uji yang layak.
CONCLUSION
Berdasarkan proses perancangan dan analisis yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa desain low-speed water tunnel yang dikembangkan mampu memenuhi tujuan utama sebagai media visualisasi fenomena aliran untuk kebutuhan pembelajaran dan pengujian skala laboratorium. Konfigurasi komponen utama seperti diffuser, honeycomb, dan contraction berperan penting dalam membentuk aliran yang lebih terarah dan terkondisi sebelum memasuki work-section, sehingga kualitas aliran pada bagian uji menjadi lebih stabil dan representatif untuk pengamatan.
Hasil simulasi CFD menggunakan ANSYS Fluent menunjukkan bahwa pola aliran dapat dipetakan ke dalam beberapa zona, yaitu zona fully developed pada bagian saluran lurus, zona transisi (not developed) pada area perubahan geometri, serta zona honeycomb sebagai flow straightener. Streamline yang cenderung tidak teratur dan mengalami recirculation pada zona transisi dan sekitar honeycomb berkorelasi dengan peningkatan rugi-rugi energi aliran yang tercermin dari penurunan tekanan total, sehingga area tersebut menjadi kontributor utama terhadap pressure drop sistem. Namun demikian, efek pengkondisian aliran yang dihasilkan tetap memberikan keuntungan signifikan terhadap kestabilan aliran downstream.
Pada area work-section, intensitas turbulensi yang diperoleh berada pada kisaran rendah (kurang dari 1%), yang menandakan fluktuasi kecepatan minimal dan profil aliran yang relatif seragam. Kondisi ini menunjukkan bahwa rancangan telah berhasil menciptakan lingkungan uji yang sesuai untuk aplikasi water tunnel, baik untuk visualisasi aliran maupun pengambilan data eksperimen yang membutuhkan gangguan turbulensi rendah. Secara keseluruhan, sistem yang dirancang dinilai layak digunakan sebagai perangkat pembelajaran yang efektif, dengan catatan bahwa optimasi lebih lanjut pada bagian transisi dan elemen pengkondisi dapat dilakukan untuk menekan rugi tekanan dan meningkatkan efisiensi operasi.
REFERENCES
- Surahmanto, F. (2023). Laboratory-scale low-speed water tunnel: Comparison of experimental flow visualization and computer-aided simulation. Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences. https://doi.org/10.37934/arfmts.107.1.142164
- Saeed, M., Uddin, E., & Mubashar, A. (2018). Design and development of low-speed water tunnel. In Proceedings of the 2018 International Conference on Aerospace Science & Technology (ICAST). https://doi.org/10.1109/ICAST.2018.8312288
- Kalyankar, H., et al. (2015). Design and analysis of low speed water tunnel for flow visualization of bluff body. In Proceedings of the 2015 โฆ (sertakan nama konferensi lengkap jika tersedia). https://doi.org/10.1109/LISBON.2015.7258928
