Bagian pertama tulisan ini telah mengulas karakteristik fenomena penurunan gaya drag (Drag Reduction = DR). Pada kecepatan konstan, fenomena DR akan menurunkan kebutuhan energi yang diperlukan untuk mengalirkan fluida; sedangkan pada daya pemompaan konstan, fenomena DR akan meningkatkan kecepatan fluida. Pada bagian ke-2 ini akan dibahas mekanisme terjadinya fenomena DR dan aplikasi fenomena ini di berbagai bidang.
Mekanisme DR
Meski 50 tahun telah berlalu sejak observasi awal fenomena DR oleh Mysels (menggunakan larutan surfaktan) dan Toms (menggunakan larutan polimer) pada periode Perang Dunia ke-2, mekanisme penyebab DR masih belum dapat diungkap secara jelas hingga hari ini. Peneliti di masa-masa awal, seperti Lumley (1969) secara tentatif menyimpulkan bahwa elastisitas fluida merupakan hal mendasar untuk terjadinya fenomena DR. Namun Virk (1975) menekankan ketidakjelasan hubungan antara DR dan viskoelastisitas fluida. Dia menyarankan bahwa ekstensi macromolecular terlibat dalam mekanisme DR. Virk (1975) menekankan bahwa molekul polimer berinteraksi dengan proses ledakan (bursting) turbulen. Dia juga mengamati terjadinya decoupling medan aliran turbulen arah aksial dan radial pada daerah interaksi tersebut. Decoupling tersebut nampaknya mampu menahan transport momentum arah radial dan energi kinetik turbulen sama besar.
Fenomena DR kemungkinan merupakan konsekuensi dari proses penyesuaian (adjustment), terutama pada peningkatan energi kinetik maksimum yang harus dilakukan oleh inner flow untuk menjaga kesetimbangan energi turbulen di seluruh penampang aliran (Virk, 1975). Usui dan Sano (1981) menemukan harga rasio Trouton yang sangat tinggi, mencapai 27,000, pada larutan aqueous polyethileneoxide 100 ppm. Pada umumnya diyakini bahwa besarnya tegangan tarik yang terkait dengan rantai polimer yang meregang (extended) merupakan faktor yang penting dalam mengurangi disipasi energi dan mengubah karakteristik aliran; namun demikian, mekanisme DR yang spesifik masih belum jelas (Denn, 2004).
Untuk larutan surfaktan yang bersifat DR, Gyr dan Bewersdorff (1995) dan Bewersdorff (1996) menyatakan bahwa SIS (Shear Induced Structure) merupakan penyebab munculnya fenomena DR. SIS adalah kenaikan viskositas secara mendadak pada laju geseran kritik tertentu. Pada SIS, thread-like micelle akan bergabung menjadi struktur yang lebih besar – super-ordered thread-like micelle. Hal ini menyebabkan peningkatan viskositas. Mereka mengatakan bahwa DR terjadi manakala SIS muncul di lapisan buffer. Pada saat SIS muncul, larutan surfaktan bersifat viskoelastik. Dengan kata lain, ada hubungan antara fenomena DR dan sifat viskoelastisitas fluida. Namun, Lu dkk. (1997) dan Lin (2002) mengamati terjadinya fenomena DR pada fluida yang tidak memiliki sifat viskoelastik. Pengujian yang dilakukan oleh Myska dan Stern (1998) juga mengungkapkan bahwa SIS bukanlah karakteristik utama fenomena DR. Lu dkk. (1997) menyarankan bahwa viskositas ekstensional adalah sifat utama yang mengontrol DR. Lu dkk. (1998) menemukan relasi antara viskositas ekstensional yang tinggi dan struktur mikro jaringan thread-like micelle dengan DR. Namun, Li dkk. (2004) menemukan bahwa viskositas elongational dari larutan CTAC/NaSal (CTAC: 50, 75, 100, 200 ppm) yang digunakannya tidak memiliki perbedaan terhadap air, meskipun fenomena DR terjadi pada larutan CTAC/NaSal (CTAC 30 ppm).
Hingga saat ini belum diketahui sifat rheologi yang bertanggung jawab terhadap munculnya fenomena DR di dalam aliran turbulen larutan surfaktan (Bewersdorff, 1996). Akan tetapi, keberadaan thread-like micelles nampak penting dalam kemunculan fenomena DR. Struktur mikro thread-like micelle yang diamati menggunakan cryo-TEM di dalam larutan ethylene glycol/air dapat dihubungkan dengan fenomena DR (Zhang dkk., 2005). Myska dan Zakin (1996) menyebutkan beberapa perbedaan karakteristik DR antara larutan polimer dan surfaktan, yakni dalam hal (1) Viskositas sebagai fungsi laju geseran (shear-rate), (2) Degradasi akibat geseran, (3) Efek diameter pipa, (4) Asimptot DR Maksimum (Maximum Drag Reduction Asymptote = MDRA), dan (5) Profil kecepatan. Perbedaan-perbedaan tersebut menunjukkan bahwa mekanisme DR antara kedua larutan ini bisa jadi juga berbeda.
Meski mekanisme terjadinya DR masih belum jelas hingga saat ini, konsensus pemahaman tentang fenomena DR telah disepakati, yakni adanya (Li dkk., 2005): (a) Ekstensi sub-lapisan dalam (inner layer), (b) Pergeseran maju kecepatan rata-rata pada profil kecepatan bentuk logaritmik, (c) Peningkatan fluktuasi kecepatan searah dengan aliran (yang dinormalkan terhadap kecepatan friksi) di dekat dinding, (d) Penurunan intensitas fluktuasi kecepatan arah normal, (e) Penurunan tegangan Reynolds, (f) Penurunan produksi energi kinetik turbulen, (g) Penurunan frekuensi terjadinya ledakan (bursting) turbulen, (h) Peningkatan jarak terjadinya streak kecepatan rendah di dekat dinding, (i) Variasi spektrum daya fluktuasi kecepatan searah aliran, yakni menurun pada frekuensi tinggi dan meningkat pada frekuensi rendah; dibandingkan dengan aliran fluida Newtonian.
Aplikasi Fenomena DR
Keuntungan yang didapat dari penggunaan fenomena DR umumnya adalah: penurunan gesekan dinding (skin friction), perubahan struktur turbulen, viskoelastisitas dan tingginya viskositas ekstensional yang biasanya menyertai fenomena DR, bahkan dalam beberapa kasus adalah penurunan perpindahan panas yang menyertai DR. Gyr dan Bewersdorff (1995) menjelaskan berbagai aplikasi fenomena DR di dalam bukunya. Beberapa aplikasi fenomena DR yang berhasil, dijelaskan pada bagian di bawah ini:
(a) Transportasi minyak mentah dalam jaringan pemipaan
Dengan menginjeksikan polimer ke dalam aliran minyak mentah, gesekan dinding pada minyak dapat dikurangi. Pembangunan dua stasiun pemompaan di Trans Alaskan Pipeline System (TAPS) dibatalkan, dan aditif polimer dipergunakan untuk menggantikan fungsi kedua stasium pemompaan tersebut (Motier dkk., 1996). Selain itu, fenomena DR juga mengurangi perpindahan panas dari minyak mentah ke lingkungan. Hal ini menjaga minyak mentah tetap berada pada temperatur tinggi sehingga bisa mempertahankan harga viskositasnya yang rendah. Rendahnya viskositas semakin meningkatkan kecepatan alir minyak.
(b) Kontrol aliran saluran buangan
Apabila terjadi overloading pada saluran buangan, banjir yang ditimbulkannya bisa mengakibatkan kerugian besar. Polimer bisa digunakan dalam situasi semacam itu, karena penambahan polimer bisa meningkatkan kecepatan alir di saluran buangan. Dari hasil pengujian, Oles (1989) menemukan bahwa penggunaan polyacrylamides pada saluran buangan bisa meningkatkan kecepatan alir pada saluran buangan yang penuh hingga 30%.
(c) Sistem pendingin dan pemanas terpusat
Di dalam sistem pendingin dan pemanas skala besar, daya pemompaan bisa dihemat dengan penambahan aditif DR. Surfaktan sesuai untuk digunakan pada kasus ini karena aditif ini tidak mengalami degradasi permanen apabila dikenai tegangan geser yang tinggi. Namun di sisi lain, fenomena DR menyebabkan variasi fluks panas yang searah aliran menjadi naik sedangkan yang berarah normal menjadi turun (Gupta dkk, 2005): hal itulah yang menyebabkan penurunan perpindahan panas (Heat Transfer Reduction = HTR). HTR bisa lebih besar dari efek DR (Li dkk, 2001).
Di dalam sistem fan-coil, fenomena DR mungkin tidak menimbulkan permasalahan yang sangat signifikan karena hambatan perpindahan panas terbesar berada di permukaan dinding-udara (bagian luar fan-coil). Namun pada penukar kalor yang mempertukarkan panas antar cairan, HTR bisa menimbulkan permasalahan yang cukup signifikan. Untuk mengatasi permasalahan tersebut, laju aliran di dalam penukar kalor perlu dibuat setinggi mungkin sehingga terjadi degradasi micelle temporal yang berakibat pada ketiadaan HTR dan DR di dalam penukar kalor. Sementara itu tegangan geser pada pipa distribusi dijaga tetap berada di bawah tegangan geser kritik, sehingga fenomena DR tetap terjadi di dalam saluran distribusi (Gyr and Bewersdorff, 1995).
Terdapat beberapa metode lain untuk meningkatkan perpindahan panas pada penukar kalor yang menggunakan fluida berkemampuan DR. Sebagian besar metode tersebut bertumpu pada usaha merusak micelle secara temporal menggunakan alat-alat mekanik sebelum memasuki penukar kalor. Dengan demikian, diharapkan fluida DR memasuki penukar kalor dalam kondisi tidak membawa fenomena DR (yang otomatis juga tidak memiliki efek HTR). Metode-metode tersebut adalah: (1) Meletakkan pompa tepat sebelum penukar kalor, (2) Menggunakan pelat terpuntir di dalam tube penukar kalor, (3) Memasang tube berdiameter kecil atau orifis di saluran masuk penukar kalor, (4) Menggunakan energi ultrasonik, dan (5) Memasang peralatan semacam pencampur static (static mixer), sarang lebah, dan penyaring pada saluran masuk penukar kalor (Qi dkk, 2003).
Gasljevic dan Matthys (1996) melakukan pengujian terhadap larutan surfaktan pada sistem pendingin hidronik di sebuah gedung. Hasil pengujian mereka menunjukkan bahwa HTR di evaporator mesin chiller dan koil pendingin masing-masing sebesar 30 dan 20%, sedangkan DR di dalam penukar kalor tersebut masing-masing 60 dan 35%. Hal ini mungkin disebabkan karena sangat panjangnya thermal entrance region fluida DR dan keberadaan hambatan termal yang besar penukar kalor. Pollert dkk. (1996) juga mengungkapkan ketiadaan HTR yang signifikan akibat penambahan surfaktan.
(d) Kapal
Untuk mengurangi gaya drag pada kapal menggunakan fenomena DR, terdapat dua metode untuk memasukkan aditif ke dalam lapisan batas turbulen, yakni menggunakan cat yang mengandung aditif dan menginjeksikan polimer melalui celah dan nosel (Gyr dan Bewersdorff, 1995). Metode yang kedua cukup mahal untuk penggunaan komersial, namun metode tersebut digunakan oleh kalangan militer. Metode yang pertama terbukti dapat meningkatkan kecepatan kapal dan mengurangi konsumsi energi. Canham dkk. (Shenoy, 1984) melakukan pengujian skala penuh pada kapal dengan panjang 140 feet, bernama “HMS Highburton”, dan mendapatkan hasil yang menarik. Permasalahan utama yang muncul adalah kapal memerlukan pengecatan kembali setelah berlayar dalam waktu yang cukup singkat, yakni sekitar dua kali melintasi Samudra Atlantik (Gyr dan Bewersdorff, 1995).
(e) Hidrotransport
Pollert (Gyr dan Bewersdorff, 1995) melakukan pengujian menggunakan larutan polimer yang digunakan pada transportasi padatan di dalam pipa, yakni transportasi abu terbang (fly ash) dari stasiun pembangkit tenaga ke lokasi pembuangan dan sludge dari pusat pengolahan sampah di Prague ke lapangan sedimentasi. Ia menemukan bahwa larutan polimer mampu meningkatkan kecepatan sluri (campuran air dan padatan) di dalam pipa dan juga meningkatkan konsentrasi padatan di dalam sluri.
(f) Peredam kebisingan
Larutan DR menyebabkan penurunan ledakan (bursting) turbulen di dalam lapisan batas; dengan demikian larutan tersebut bisa digunakan untuk menurunkan tingkat kebisingan. Killen dan Brady (Shenoy, 1984) menemukan bahwa DR menyebabkan penurunan kebisingan aliran yang dihasilkan dari lapisan batas pada rentang frekuensi tinggi. Kavitasi juga merupakan sumber utama kebisingan. Karena fluida DR mampu menekan timbulnya kavitasi, fluida DR mampu menurunkan kebisingan yang ditimbulkan oleh kavitasi. Perlu dicatat bahwa penurunan kavitasi oleh fenomena DR bisa juga berakibat pada penurunan prestasi turbin (Gyr dan Bewersdorff, 1995). Namun, Latto dan Czaban (Shenoy, 1984) melaporkan bahwa keberadaan aditif DR justru meningkatkan efisiensi dan karakteristik mesin turbo.
(g) Sistem irigasi
Penggunaan larutan polimer pada sistem irigasi telah diselidiki oleh beberapa peneliti. Mereka menemukan bahwa penambahan aditif bisa meningkatkan laju aliran air dan berkonsekuensi pada lebih luasnya daerah yang bisa dijangkau (Gyr dan Bewersdorff, 1995). Mereka tidak menemukan efek buruk penggunaan aditif terhadap tanaman. Selain itu, Singh dkk. (1989) menemukan bahwa larutan DR terserap secara perlahan di tanah, hal ini mengurangi kehilangan air akibat serapan tanah. Fenomena ini mungkin terjadi akibat tingginya viskositas elongasi larutan DR yang menyebabkan tingginya hambatan alir di dalam media berpori semacam tanah. Dengan menggunakan efek ini, mereka mengembangkan slow-release urea dengan cara mencampurkan urea dengan guar gum.
(h) Korosi akibat aliran (Flow Induced Local Corrosion = FILC)
FILC adalah jenis degradasi material akibat aliran turbulen yang memiliki efek mekanik langsung ataupun sinergi dengan mekanisme elektrokimia. Sebuah konsep baru untuk mengurangi efek korosi akibat aliran adalah dengan cara menggunakan larutan kimia yang mampu mencegah turbulen sehingga mengurangi friksi turbulen yang menjadi penyebab utama FILC (Deslouis, 2003). Schmitt (Deslouis, 2003) menemukan kaitan langsung antara pengurangan weight-loss sampel yang disebabkan FILC berkat keberadaan surfaktan dalam aliran turbulen. Selain akibat fenomena DR, Deslouis (2003) menyebutkan bahwa surfaktan yang digunakan, atau dikombinasikan dengan inhibitor yang bekerja dengan cara penyerapan di permukaan logam, memiliki efek sinergi sebagai berikut: (a) Efek adsorpsi mengurangi daerah yang bisa dikenai proses anodik, dan (b) Interaksi bersama pertumbuhan scale film umumnya melindungi logam dari korosi.
Fenomena DR juga telah digunakan di berbagai bidang seperti separasi dan hidrofoil, pemadam kebakaran (meningkatkan jarak jangkau air), bantalan hidrodinamik, dan sistem-sistem biologis.
