BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI 2.1 Tinjauan Pustaka Penelitian mengenai pola aliran annular dua fasa air-udara pada pipa horizontal telah banyak dilakukan. Distribusi liquid hold up pada aliran cincin (annular) air-udara dipipa horizontal menggunakan C.E.C.M. Nilai liqid hold up sangat tergantung pada besar dan kecilnya kecepatan superfisial gas (Suryadi, dkk, 2013). Gambar 2.1. Visualisasi Aliran Annular JL = 0,06 m/s dan JG = 18,32 m/s (Suryadi, dkk, 2013) Gambar 2.2. Visualisasi Aliran Annular JL = 0,13 m/s dan JG =39,26 m/s (Suryadi, dkk, 2013) Suandi, dkk (2013) melakukan penelitian tentang pengaruh viskositas terhadap liquid hold-up dan kecepatan gelombang aliran annular dua fasa gas-cair pada pipa horizontal. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa pengaruh viskositas terhadap liquid hold-up ditandai dengan nilai liquid hold-up rata-rata larutan gliserin 30% yang lebih tinggi dibandingkan dengan liquid hold-up air 100%. 4

2 5 Gambar 2.3. Struktur Antar Muka Gas-Cair Aliran Wavy-Annular Pada JL = 0,05 m/s dan JG = 12 m/s (Suandi, dkk, 2013) Gambar 2.4. Struktur Antar Muka Gas-Cair Aliran Annular Pada JL = 0,05 m/s dan JG =18 m/s (Suandi, dkk, 2013) Hermawan (2015) melakukan penelitian tentang deteksi mulai terbentuknya aliran cincin pada pipa horizontal menggunakan sensor elektrode. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa meningkatnya kecepatan superfisial udara terhadap kecepatan superfisial air yang konstan menghasilkan tebal film rata-ratanya semakin menipis. Gambar 2.5. Aliran Yang Terbentuk Pada JL = 0,025 m/s dan JG =10 m/s (Hermawan, 2015)

3 6 Gambar 2.6. Aliran Yang Terbentuk Pada JL = 0,1 m/s dan JG = 12 m/s (Hermawan, 2015) Gambar 2.7. Aliran Yang Terbentuk Pada JL = 0,4 m/s dan JG =30 m/s (Hermawan, 2015) Biksono (2006) melakukan penelitian tentang karakteristik dan visualisasi aliran dua fasa pada pipa spiral. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa koefisien gesek dua fasa lebih besar dibandingkan data satu fasa. Aliran transisi lebih cepat terjadi pada aliran dua fasa, yaitu pada bilangan Reynold (R e ) antara (1,600-1,700). Efek penambahan variasi kecepatan udara (u g ), menyebabkan kenaikan nilai koefisien gesek. Gambar 2.8. Grafik Hubungan (Re-λ) Dengan Penambahan Kecepatan Aliran Udara Ug Dari (0,0199-0,1191) m/s dan Kecepatan Aliran Air UL Dari (0,397-1,191) m/s (Biksono, 2006)

4 7 Gambar 2.9. Fraksi Hampa Vs Kecepatan Superfisial Udara Penambahan Kecepatan Air (UL) Pada Pipa Spiral (Biksono, 2006) Tzotzi, dkk (2010) melakukan penelitian tentang pengaruh properti pada pola aliran gas-cair dua fasa pada pipa horizontal dan pipa bawah. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa penurunan tegangan permukaan dari 72 mn/m (air) ke 35 mn/m (dengan menggunakan butanol) hasil penurunan gas dari tingkat yang lebih besar diperlukan untuk terjadinya ganguan pertama untuk tingkat cairan yang sama. Roul, dkk (2012) melakukan penelitian tentang permodelan numerik dari penurunan tekanan akibat aliran satu fasa dan aliran dua fasa dari udara-air melalui lubang tebal. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa aliran melalui lubang tipis (s/d = 0,025), kontak vena terbentuk diluar pembatasan, sedangkan untuk lubang tebak (s/d = 0,59) kontak vena selalu terbentuk didalam pembatasan. Penurunan tekanan P dilubang meningkat dengan penurunan ketebalan orifice dan penurunan tekanan berkurang dengan peningkatan rasio daerah. Sadatomi, dkk (2010) melakukan pengujian tentang pengaruh tegangan dua fasa gas-cair pada pipa horizontal berdiameter kecil. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa sifat cair dan diameter pipa berpengaruh kuat pada transisi pola aliran, terutama dalam masa transisi aliran slug dan bubble.

5 8 Gambar Aliran Air-Udara, PLE-Udara, FC-Udara dan Aliran HFE-Udara Pada Pipa 5 mm di Empat Cairan dan Volumetric Gas Fluks Kombinasi (Sadatomi, dkk, 2010) Purnama (2013) melakukan penelitian tentang kajian eksperimen mengenai topologi dasar dari aliran annular air-udara pada pipa horizontal. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa terjadi perubahan mean liquid holdup, wave velocity, dan wave number tergantung pada kecepatan superficial cairan dan gas. Mean liquid hold-up berkurang terhadap peningkatan kecepatan superficial gas dan meningkat terhadap kenaikan kecepatan superficial cairan. Selanjutnya wave velocity dan wave number meningkat terhadap peningkatan kecepatan superficial cairan dan gas.

6 9 Gambar Aliran Annular Pada Kecepatan Superfisial Air 0,05 m/s dan Kecepatan Superfisial Gas 12 m/s Pada Pipa 16 mm (Purnama, 2013) Gambar Aliran Annular Pada Kecepatan Superfisial Air 0,05 m/s dan Kecepatan Superfisial Gas 12 m/s Pada Pipa 26 mm (Purnama, 2013) Isyad (2012) melakukan penelitian tentang pengaruh aliran dua fasa gascair terhadap fluktuasi gaya pada dinding pipa horizontal. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa gaya terbesar terjadi pada saat pola aliran gelembung (bubble), sedangkan pada pola aliran sumbat liquid lebih menunjukkan gaya yang ditimbulkan lebih berfluktuasi dibandingkan dengan pola aliran yang lain. Gambar Grafik Fluktuasi Gaya Pada Aliran Gelembung (Bubble) (Isyad, 2012)

7 10 Gambar Grafik Fluktuasi Gaya Pada Aliran Kantung Gas (Plug) (Isyad, 2012) Gambar Grafik Fluktuasi Gaya Pada Aliran Strata Licin (Stratified) (Isyad, 2012) Fauzi, dkk (2014) melakukan penelitian tentang karakteristik aliran dua fase (air-udara) pada horizontal circular channel melalui orifice. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa distribusi tekanan pada aliran dua fase memiliki kecenderungan yang sama dengan aliran satu fasa.

8 11 Gambar Grafik Distribusi Tekanan Pada Alirn Satu Fasa (Air) dan Aliran Dua Fasa (Air-Udara) (Fauzi, dkk, 2014) (a) (b)

9 12 (c) (d) Gambar Grafik Hubungan Fraksi Volume Gas Terhadap Faktor Pengali Aliran Dua Fasa (a) Q1 = 14 liter/menit, (b) Q1 = 16 liter/menit, (c) Q1 = 18 liter/menit, (d) Q1 = 20 liter/menit (Fauzi, dkk, 2014) Sukamta, dkk (2010) melakukan penelitian tentang identifikasi pola aliran dua fasa uap-kondensat berdasarkan pengukuran beda tekanan pada pipa horizontal. adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa pola aliran yang teridentifikasi pada aliran dua fasa air-uap air (kondensat) dari hasil kondensasi uap pada pipa horizontal ini meliputi pola aliran stratified, wavy, plug, pre-slug dan slug. Gambar Fenomena Gradien Tekanan Dengan Quap = 0, m 3 /s Pada Detik Ke-34 (Stratified) (Sukamta, dkk, 2010) Gambar Fenomena Gradien Tekanan Untuk Quap = 0, m 3 /s Pada Detik Ke-2,75 (Pre-Slug) (Sukamta, dkk, 2010)

10 13 Gambar Fenomena Gradient Tekanan Untuk Quap = 0, m 3 /s Pada Detik Ke-6 (Wavy) (Sukamta, dkk, 2010) Gambar Fenomena Gradient Tekanan Untuk Quap = 0, m 3 /s Pada Detik Ke-102 (Plug) (Sukamta, dkk, 2010) Yao, dkk (2016) melakukan penelitian tentang permodelan aliran annular dua fasa udara dan air pada pipa horizontal berdiameter kecil. Adapun penelitian menunjukkan bahwa pola aliran annular-wavy berhasil dimodelkan menggunakan simulasi CFD dan aliran annular menggunakan proses transient. CFD digunakan untuk memprediksi ketebalan film distribusi air. Gambar Kontur Volume Air-Udara Menggunakan VOF Permodelan Transient Dari Pola Aliran Plug Sampai Pola Aliran Annular, Menunjukkan Bahwa : A) Aliran Plug/Slug, B) Aliran Slug, C), D), E), F) Aliran Annular-Wavy, G) Aliran Annular, H) Skala Warna VOF Yang Mewakili Semua Diagram (Yao, dkk, 2016)

11 14 Dari uraian tinjauan pustaka diatas belum banyak penelitian mengenai analisa terjadinya pola aliran annular dengan menggunakan software CFD. Maka dari itu penelitian ini mengambil topik simulasi CFD aliran annular air-udara searah pipa horizontal, yang bertujuan untuk mempelajari secara detail bentuk pola aliran annular dengan menggunakan aplikasi FLUENT dan untuk membandingkan hasil eksperimen dan hasil simulasi. 2.2 Dasar Teori Pola Aliran Pola aliran mempunyai arti yang sangat penting dalam hal menetukan perilaku aliran fluida dalam suatu pipa terutama aliran dua fasa. Campuran antara cair-gas dalam suatu pipa dapat digunakan untuk menyelesaikan suatu model analisis pada persamaan konversi aliran dua fasa. Menurut Guo (2015) Aliran dua fasa mempunyai beberapa pola aliran yang beragam, yaitu : aliran starified, aliran annular, aliran slug, aliran stratified wafy, aliran bubble. Stratified flow Stratified wavy flow Slug flow Annular flow Dispersed bubbly flow Gambar Pola Aliran Gas-Cair Pada Pipa Horizontal (Guo, 2015) a. Aliran strata licin (stratified flow), merupakan aliran yang dimana bidang permukaan liquid-gas sangat halus. Akan tetapi, pola aliran ini biasanya tidak terjadi, batas fase hampir selalu bergelombang.

12 15 b. Aliran strata gelombang (stratified wavy flow), merupakan aliran yang amplituda gelombangnya meningkat karena terjadinya kenaikan kecepatan fluida gas. c. Aliran sumbat liquid (sluq flow), merupakan aliran yang amplitudo gelombangnya sangat besar sehingga menyentuh pipa bagian atas. d. Aliran cincin (annular flow), merupakan aliran yang fluidanya lebih tebal di dibagian dasar pipa dibandingkan dibagian atas pipa. e. Aliran gelembung yang tersebar (dispered bubbly flow), merupakan aliran yang gelembung gas mengalir pada bagian atas pipa. Peta pola aliran yang sering dipakai adalah peta pola aliran yang dibuat oleh Mandhane (1974). Pola aliran dinyatakan dengan kecepatan superfisial udara (J G ) dan kecepatan superfisial air (J L ) dalam satuan (m/s). Peta pola aliran ini digunakan untuk menentukan jenis aliran yang terjadi. Gambar Peta Pola Aliran (Mandhane, dkk, 1974) Menurut Korawan (2015) Perbedaan antar fasa yang mengalir didalam pipa akan membentuk banyak perubahan pola aliran, hal ini dikarenakan fasa fluida yang berbeda, orientasi dan geometri pipa dimana fluida-fluida yang mengalir, dan flow rates dari tiap fasa. Pengaruh elbow terhadap pola aliran pada

13 16 pipa horizontal terlihat nyata untuk berbagai variasi Superficial Liquid Velocity serta variasi β, hal yang menarik untuk diketahui bahwa pada kasus kecepatan superficial liquid yang tinggi, bubbly flow cenderung berubah menjadi churn flow sedangkan pada kecepatan superficial liquid yang rendah bubbly flow cenderung menjadi stratified flow. Gambar Visualisasi Pola Aliran Pada Kecepatan Usl = 0,4 m/s (Korawan, 2015)

14 17 Gambar Visualisasi Pola Aliran Pada Kecepatan Usl = 0,55 m/s (Korawan, 2015) Gambar Visualisasi Pola Aliran Pada Kecepatan Usl = 0,85 m/s (Korawan, 2015)

15 18 Gambar Visualisasi Pola Aliran Pada Kecepatan Usl = 1,0 m/s (Korawan, 2015) Gambar Visualisasi Bubble flow Pada TPI Dengan Variasi Usl (Korawan, 2015) Beberapa jenis aliran sangat dipengaruhi oleh bilangan Reynold. Bilangan Reynold adalah bilangan tidak berdimensi yang penting digunakan untuk penelitian aliran fluida didalam pipa. Adapun persamaan bilangan Reynold adalah sebagai berikut:

16 19 Re = VDρ μ Dengan: (2.1) V = Kecepatan Fluida (m/s) D = Diameter Dalam Pipa (m) ρ = Massa Jenis Fluida (kg/m³) μ = Viskositas Dinamik Fluida (kg/m.s) atau (N.s/m²) Kata superficial velocity dari tiap fasa bisa digambarkan sebagai volumetric flux, yaitu flow rate dari tiap fasa dibagi area pipe cross sectional dengan asumsi bahwa fasa mengalir sendiri didalam pipa. Sehingga untuk superficial gas velocity dan superficial liquid velocity bisa diperoleh sebagai berikut: j G = Q G A...(2.2) j L = Q L A...(2.3) Dimana : j G = Kecepatan superficial gas (m/s) j L = Kecepatans uperficial liquid (m/s) Q G = Gas flow rate pada pipa (m 3 /s) Q L = Liquid flow rate pada pipa (m 3 /s) A = Luas pipa pada area cross sectional (m 2 )

17 20 Menurut Munson (2013) aliran fluida dibedakan berdasarkan bentuk aliran dan berdasarkan waktu. Aliran fluida berdasarkan bentuk alirannya : a. Aliran Laminar Aliran dengan fluida yang mengalir pada lapisan-lapisan atau lamina lamina dengan satu lapisan meluncur secara lancar. Aliran laminar ini mempunyai nilai bilangan Reynolds-nya kurang dari 2100 (Re < 2100). Gambar Aliran Laminar (Munson, dkk, 2013) b. Aliran Turbulen Aliran bergerak dari partikel-partikel fluida yang tidak menentu karena telah mengalami percampuran serta putaran partikel antar lapisan yang mengakibatkan saling tukar momentum dari satu bagian fluida ke bagian fluida yang lain dalam ukuran yang besar. Dimana nilai bilangan Reynolds-nya lebih besar dari 4000 (Re > 4000). Gambar Aliran Turbulen (Munson, dkk, 2013) c. Aliran Transisi Aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran turblen, nilai bilangan Reynoldsnya antara 2100 sampai dengan 4000 (2100<Re<4000).

18 21 Gambar Aliran Transisi (Munson, dkk, 2013) Aliran fluida berdasarkan waktu, yaitu : a. Aliran Steady Aliran yang kecepatannya tidak dipengaruhi terhadap waktu sehingga kecepatan tetap (konstan) pada setiap titik (tidak mempunyai percepatan). b. Aliran Transient Aliran yang kecepatannya terjadi karena dipengaruhi terhadap waktu Aliran Annular Aliran annular merupakan bagian dari aliran dua fasa. Penurunan tekanan pada suatu aliran menjadi masalah yang sangat penting. Tebalnya suatu film atau banyaknya cairan yang masuk kedalam pipa pada aliran annular dapat dideteksi dengan menggunakan model aliran dua fasa. Aliran annular terjadi karena fluida udara mengalir ditengah pipa dalam jumlah yang lebih besar dan membentuk cincin (annular) dan air mengalir lebih sedikit disepanjang permukaan pipa. Didasar permukaan pipa, air yang mengalir lebih banyak dan cairan film lebih tebal daripada bagian permukaan atas pipa, adanya dua fasa fluida dengan viskositas yang berbeda akan membentuk gelombang yang berpengaruh besar terhadap perilaku aliran.

19 Computation Fluid Dynamics (CFD) Computation Fluid Dynamics (CFD) adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, interaksi fluida dengan terstruktur, sistem akustik dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika) dengan pemodelan dikomputer. Pada dasarnya, persamaan-persamaan pada fluida dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan-persamaan diferensial parsial (PDE = partial differential equation) yang mempresentasikan hukum konversi massa, momentum dan energi. Dengan menggunakan software ini kita dapat membuat virtual prototype dari sebuah sistem atau alat yang ingin dianalisis dengan menerapkan kondisi nyata dilapangan. Software CFD akan memberikan kita data-data, gambargambar, atau kurva kurva yang menunjukkan prediksi dari performasi keandalan sistem yang didesain tersebut. Hasil analisa CFD sering berupa prediksi kualitatif meski terkadang kuantitatif (tergantung dari persoalan dan data yang di-input). Hal yang paling mendasar mengapa computational fluid dynamics (CFD) banyak sekali digunakan, karena dengan CFD dapat dilakukan analisis terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen. Keunggulan atau keuntungan dari software CFD, yaitu : 1. Kemampuan studi sistem yang tidak mampu dikontrol dengan eksperimen. 2. Kemampuan studi sistem dalam kondisi berbahaya diluar batas kinerja normal. 3. Hasil yang didapatkan semakin detail dan akurat. 4. Waktu yang diperlukan sangat sedikit dibandingkan dengan eksperimen. Kelemahan dari software CFD, yaitu : 1. Boundary condition (kondisi batas) yang dimasukkan salah maka hasil yang didapatkan tidak sesuai atau tidak maksimal. 2. Membutuhkan perangkat komputer yang baik dan sesuai.

20 23 3. Membutuhkan formulasi matematika diskrit yang cukup kompleks. Computation Fluid Dynamics (CFD) memprediksi aliran berdasarkan : a. Metode numerik (teknik solsui diskrititasi). b. Tools perangkat lunak (solver, tools pre- dan postprocessing). c. Metode metematika yang digunakan untuk menghitung persamaan Navier- Stokes Penggunaan CFD CFD dapat dipergunakan bagi: a. Arsitek untuk mendesain ruang atau lingkungan yang aman dan nyaman. b. Desain kendaraan untuk meningkatkan karakter aerodinamiknya. c. Analisis kimia untuk memaksimalkan hasil dari reaksi kimia dalam peralatan mereka. d. Insinyur petrokimia untuk strategi optimal dari oil recovery. e. Ahli biomekanik untuk mencari rahasia dari gerakan burung sampai dengan lumba-lumba. f. Pelatih atau analisis sport, misalnya untuk mencari rahasia tendangan pisang (tendangan melengkung pada sepak bola). g. Dokter atau ahli bedah untuk mengobati penyakit arterial (computational hemodymanics). h. Meteorologis (ahli cuaca) untuk meramalkan cuaca dan memperingatkan akan terjadinya bencana alam. i. Ahli safety untuk mengurangi risiko kesehatan akibat radiasi dan zat berbahaya lainnya. j. Analisis failure untuk mencari sumber-sumber kegagalan misalnya pada suatu sistem pembakaran atau aliran uap panas. k. Organisasi militer untuk mengembangkan senjata dan mengestimasi seberapa besar kerusakan yang diakibatkannya.

21 Proses Simulasi CFD Didalam proses simulasi CFD terdapat tiga tahapan yang dilakukan untuk melakukan simulasi, yaitu: pre-processing, proceesing dan post-processing. 1. Pre-processing Pre-processing merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat model dalam paket CAD (computer aided design), membuat mesh yang cocok atau sesuai, kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat-safat fluidanya. 2. processing Solvers (program inti pencari solusi) CFD menghitung kondisi-kondisi yang diterapkan pada saat preprocessing. 3. Post-processing Post-processing merupakan langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan pada langkah ini adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva dan animasi. 2.4 FLUENT FLUENT dapat menyelesaikan suatu kasus aliran fluida dengan menggunakan mesh (grid) yang tidak terstruktur dengan cara yang mudah, karena menyediakan mesh yag tidak terstruktur. FLUENT dapat juga memperhalus atau memperbesar mesh yang sudah ada. FLUENT didukung oleh jenis mesh tipe 2D triangular-quadrilateral, 3D tetrahedral-hexahedral-pyramid-wedge, dan mesh campuran (hybrid). FLUENT juga dapat dijalankan sebagai proses terpisah secara simultan ada klien desktop workstation dan computer server. FLUENT memiliki struktur data yang efisien dan lebih fleksibel, karena FLUENT ditulis dalam bahasa C.

22 25 FLUENT sering digunakan karena memiliki kelebihan : a. FLUENT mudah untuk digunakan b. Model yang realistik (tersedia berbagai pilihan solver) c. Diskritisasi atau meshing model yang efisien (dalam Gambit) d. Cepat dalam penyajian hasil (bisa dengan paralel komputer) e. Visualisasi yang mudah untuk dimengerti Computational fluid Dynamics (CFD) sering digunakan untuk desain suatu sistem fluida dapat juga digunakan untuk mencari sumber atau analisis kegagalan suatu sistem fluida. Penggunaan Computational Fluid Dynamics (CFD) didunia industri banyak terdapat dalam bidang : Otomotif, Biomedical, Equipment Manufacturing, Chemical Processing, Semikonduktor, Aerospace. a. Otomotif Program CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif. Sistem ini dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen seperti pompa, rem, kompresor, manifold, ban, headlamp dll. b. Biomedical Computational Fluid Dynamic (CFD) dipakai untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja, seperti aliran darah nadi, masuknya udara pada hidung, pengembangan pompa jantung, dll. c. Equipment Manufacturing Didalam indusrri manufaktur CFD digunakan dalam pembuatan impeller, turbin, fan,propeller, vanes, ducting, valve, piping, seal bahkan dalam pembuatan sistem. d. Chemical Processing Computational Fluid Dynamic (CFD) dipakai dalam proses kimia untuk membuat pemodelan yang melibatkan beberapa fasa berbeda, seperti cair, gas dan

23 26 padat. Proses kimia yang sering dimodelkan adalah mixing, separation, reaction, combuston, filtration dan drying. e. Semikonduktor Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean clean room ventilation, air handling, wafer processing, optimisasi furnace. Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma. f. Aerospace Program CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics, avionics cooling, fire suppression, the icing, engine performance, life support, etc. Di dunia industri program Computational Fluid Dynamics (CFD) dipakai oleh produsen pesawat militer, penumpang, dan pesawat luar angkasa Struktur Program Dalam satu paket program FLUENT terdapat beberapa produk, yaitu : FLUENT PrePDF, merupakan preprocessor untuk memodelkan pembakaran non premised pada FLUENT. GAMBIT, merupakan preprocessor tambahan yang dapat membuat volume mesh dari boundary mesh yang sudah ada. FILTER untuk mengimpor mesh permukaan atau volume dari program CAD/CAE, seperti ANSYS, CGNC, I-DEAS, NASTRAN, PATRAN, dll.

24 27 GAMBIT Setup geometri Pembuatanmes h 2D/3D Geometri atau mesh Program CAD/CAE lainnya PrePDF Perhitungan dari look-up tables File PDF Mesh 2D/3D FLUENT Impor dan adaptasi mesh Pemodelan fisik Kondisi batas Sifat-sifat material Perhitungan Post processing mesh Boundary mesh TGrid Boundary mesh dan/atau mesh volume Mesh triangular 2D Mesh tetrahedral 3D Mesh hybrid 2D/3D Gambar Struktur Komponen Program FLUENT Gambaran Penggunaan FLUENT Ada beberapa hal yang harus diperhatikan ketika akan menyelesaikan suatu kasus dengan menggunakan FLUENT, yaitu : a. Menentukan tujuan pemodelan b. Pemilihan model komputasional c. Pemilihan model fisik d. Penentuan prosedur Kondisi Batas dan Parameter pada Kondisi Batas Untuk mendefinisikan suatu kasus, harus dimasukkan informasi pada variabel aliran pada domain kasus tersebut, antara lain fluks massa, momentum, energi, dll.

25 28 Data yang diperlukan pada batas tergantung dari tipe kondisi batas dan model fisik yang dipakai (turbulensi, persamaan energi, multifasa, dll). Data yang diperlukan pada kondisi batas merupakan data yang sudah diketahui atau data yang dapat diasumsikan. Tetapi asumsi data yang dipakai harus diperkirakan mendekati yang sebenarnya. Input data yang salah pada kondisi batas akan sangat berpengaruh terhadap hasil simulasi Velocity Inlet Kondisi batas velocity inlet digunakan untuk mendefinisikan kecepatan aliran dan besaran skalar lainnya pada sisi masuk aliran. Kondisi batas ini hanya digunakan untuk aliran inkompresibel Mass Flow Inlet Nilai tekanan gauge digunakan sebagai tebakan awal oleh Fluent, selanjutnya akan dikoreksi sendiri sejalan dengan proses iterasi. Metode spesifikasi arah aliran dan turbulensi sama dengan kondisi batas velocity inlet Pressure Inlet Data tekanan total (absolute), tekanan gauge, temperatur, arah aliran dan besaran turbulen harus dimasukkan. Tekanan total disini merupakan penjumlahan dari nilai tekanan operasi dan tekanan gauge. Metode spesifikasi arah aliran dan turbulensi sama dengan kondisi batas velocity inlet. Nilai temperatur masukan akan digunakan sebagai temperatur statik pada aliran inkompresibel Pressure Outlet Pada kondisi batas ini harus dimasukkan nilai tekanan statik, temperatur aliran balik (backflow) dan besaran turbulen aliran balik. Kondisi batas yang dipakai pada sisi keluar fluida dan data tekanan pada sisi keluar diketahui atau minimal dapat diperkirakan mendekati sebenarnya.

26 Outflow Kondisi batas ini digunakan apabila data aliran pada sisi keluar tidak diketahui sama sekali. Data pada sisi keluar diekstrapolasi dari data yang ada pada aliran sebelum mencapai sisi keluar Pressure Far-Field Kondisi batas ini digunakan untuk memodelkan aliran kompresibel freestream yang mempunyai dimensi yang sangat panjang (jarak antara inlet dan outlet jauh sekali). Besaran yang harus dimasukkan adalah tekanan gauge, bilangan Mach, temperatur aliran, arah aliran dan besaran turbulensi pada sisi keluar Inlet Vent dan Outlet Vent Data yang harus dimasukkan pada kondisi batas ini sama dengan data pada kondisi batas pressure inlet/pressure outlet, hanya terdapat tambahan data untuk kerugian tekanan.kondisi batas ini digunakan untuk model saluran masuk/keluar aliran dimana terdapat ventilasi di sisi luar saluran masuk/keluar yang dapat menimbulkan kerugian tekanan pada aliran Intake Fan dan Exhaust Fan Data yang harus dimasukkan pada kondisi batas ini sama dengan data pada kondisi batas pressure inlet/pressure outlet, hanya terdapat tambahan data untuk kenaikan tekanan setelah melewati fan/blower (pressure-jump). Kondisi batas ini digunakan untuk model saluran masuk/keluar aliran dimana terdapat fan/blower di sisi luar saluran masuk/keluar untuk menghembus/menghisap fluida di dalam saluran Dinding (wall) Kondisi batas ini digunakan sebagai dinding untuk aliran fluida dalam saluran atau dapat disebut juga sebagai dinding saluran. Kondisi batas ini digunakan juga sebagai pembatas antara daerah fluida (cair dan gas) dan padatan.

27 Symmetry dan Axis kondisi batas ini digunakan untuk mengurangi daya komputasi yang dibutuhkan pada suatu kasus. Pada panel kondisi batas untuk kedua kondisi batas ini tidak ada input data yang diperlukan. Kondisi batas simetri digunakan apabila model geometri kasus yang bersangkutan dan pola aliran pada model tersebut simetri. Kondisi batas ini juga dapat digunakan untuk memodelkan dinding tanpa gesekan pada aliran viskos. Sedangkan kondisi batas axis digunakan sebagai garis tengah (centerline) untuk kasus 2D axisymmetry Periodic Kondisi batas ini hanya dapat digunakan pada kasus yang mempunyai medan aliran dan geometri yang periodik, baik secara translasi atau rotasi Cell Zone : Fluid Kondisi batas ini digunakan pada kontinum model yang didefinisikan sebagai fluida. Data yang dimasukkan hanya material fluida, didefinisikan sebagai media berpori Cell Zone : Solid Data yang harus dimasukkan hanya material padatan,didefinisikanheat generation rate pada kontinum solid (opsional). Sedangkan Kondisi batas ini digunakan pada kontinum model yang didefinisikan sebagai padatan Porous Media. Kondisi batas ini digunakan dengan cara mengaktifkan pilihan porous zone pada panel fluida. Porous zone merupakan pemodelan khusus dari zona fluida selain padatan dan fluida. Digunakan untuk memodelkan aliran yang melewati media berpori dan tahanan yang terdistribusi, misalnya :packed beds, filter papers, perforated plates, flow distributors, tube banks.

28 Kondisi Batas Terdapat beberapa kondisi batas lagi yang dapat dikelompokkan menjadi kelompok kondisi batas internal. Kondisi batas ini digunakan untuk bidang yang berada di tengah medan aliran dan tidak mempunyai ketebalan.yang termasuk dalam kondisi batas internal adalah :fan, radiator, porous jump, interior. Kondisi batas fan, radiator, dan porous jump digunakan untuk memodelkan fan, radiator, atau media berpori di tengah-tengah aliran, sehingga tidak perlu dibuat model fan atau radiator, cukup dengan menentukan kenaikan tekanan yang terjadi setelah melewati alat tersebut. 2.5 Persamaan Umum FLUENT Persamaan Kekekalan Massa Langkah pertama dalam penurunan persamaan kekekalan massa adalah menuliskan kesetimbangan massa untuk elemen fluida. Kelajuan peningkatan massa = Neto kelajuan aliran massa dalam elemen fluida dalam elemen fluida Laju massa dalam elemen fluida adalah t δρ (ρδ δyδz) = δxδyδz...(2.4) t Selanjutnya kita perlu menerangkan kelajuan massa aliran melintasi sebuah bidang elemen yang diberikan oleh hasil dari densitas, luas dan komponen kecepatan normal terhadap bidang pada gambar 2.33 dapat dilihat bahwa neto kelajuan aliran massa kedalam elemen melewati boundarinya diberikan oleh : (ρu (ρu) x 1 2 (ρu) 1 δx)δyδz-(ρu + x 2 δx)δyδz

29 32 + (ρv (ρv) y 1 2 δy) δxδz - (ρv + (ρv) y 1 δy) δxδz 2 + (ρw (ρw) z 1 2 δz) δxδy - (ρw + (ρw) z 1 δz) δxδy.(2.5) 2 Aliran yang masuk kedalam elemen dengan sejajar menghasilkan suatu peningkatan massa dalam elemen serta mempunyai tanda positif dan aliran-aliran yang meninggalkan elemen diberikan tanda negatif. Gambar Massa Mengalir Kedalam dan Keluar Elemen Fluida (Versteeg, dkk, 1995) Hasil akhir dari kesetimbangan massa disusun pada sisi sebelah kiri dengan tanda yang sama dan dibagi dengan δxδyδz. Kelajuan peningkatan massa kedalam elemen sama dengan nilai kelajuan massa didalam fluida yang melintasi bidangnya.

30 33 Menghasilkan : ρ + (ρu) + (ρv) + (ρw) = 0 (2.6) t x y z Kekekalan massa boleh ditulis sebagai berikut: ρ + diѵ (ρu) = 0 (2.7) t Kekekalan massa atau persamaan kontinuitas tiga dimensi pada sebuah titik dalam sebuah fluida kompresibel dapat dilihat pada persamaan (2.7) yang merupakan aliran unsteady. Pada sisi sebelah kiri laju perubahan waktu dari densitas (massa persatuan volume). Selanjutnya, aliran massa keluar dari elemen yang disebut dengan suku konvektif. Pada persamaan (2.7) aliran fluida inkompresibel (misalnya liquid) densitas adalah konstan, menjadi : diѵ (ρu) = 0 (2.8) Atau dalam penjabarannya : (ρu) + (ρv) x y + (ρw) z = 0 (2.9) Persamaan Kekekalan Momentum Tingkat kenaikan momentum partikel fluida = jumlah gaya pada partikel Hukum newton kedua menyatakan bahwa laju perubahan momentum partikel fluida sama dengan jumlah gaya pada partikel. Laju tingkatan momentum x, y dan z persatuan volume partikel fluida: ρ = Du = (ρu) + diѵ (ρuu) Dt t ρ = Dv = (ρv) + diѵ (ρvu) Dt t

31 34 ρ = Dw = (ρw) + diѵ (ρwu) (2.10) Dt t Dua tipe gaya pada partikel fluida, yaitu : a. Gaya badan : Gaya sentrifugal Gaya coriolis Gaya gravitasi b. Gaya pada permukaan: Gaya viskos Gaya tekanan Tekanan normal ditandai dengan ρ, tegangan viskos ditandai dengan τ. Untuk menandai arah tegangan viskos ditandai dengan τ ij. Akhiran i dan j digunakan untuk menandai suatu tegangan kearah j pada suatu permukaan normal arah i. pada gambar 2.7 keadaan tegangan sebuah fluida didefinisikan dalam suatu suku-suku tekanan dan sembilan komponen tegangan viskositas. Gambar Tegangan Pada Tiga Bidang Elemen Fluida (Versteeg, dkk, 1995) Hasil akhir dari gaya sebuah tegangan permukaan merupakan hasil dari tegangan dan luas. Neto gaya pada arah x merupakan jumlah komponenkomponen gaya yang bekerja pada elemen fluida. Gaya yang sejajar dengan arah

32 35 sebuah axis koordinat menjadi tanda positif dan arah yang berlawanan menjadi tanda negatif. Gambar Tegangan Dalam Arah x (Versteeg, dkk, 1995) Pada sisi (timur, barat): [(p - p 1 δx)-(τ x 2 xx- τ xx x + (τ xx + τ xx x -(τ yx - τ yx y p 1 δx)]δyδz +[- (p + δx) x 2 δx)]δyδz = (- p + τ xx) δx δyδz (2.11) x x Gaya total dalam arah x pada sisi (utara, selatan) : 1 2 δy)δxδz + (τ yx + τ yx y 1 δy) 2 δxδz = τ yx y δx δyδz...(2.12) Gaya total dalam arah x pada sisi bawah dan atas : -(τ zx - τ zx z 1 δy)δxδy+(τ 2 zx+ τ zx z 1 2 δy)δxδy= τ zx z δxδyδz (2.13) Gaya total persatuan volume pada fluida disebabkan tegangan-tegangan permukaan sama dengan jumlah dari persamaan (2.11), (2.12), (2.13) dibagi oleh volume δxδyδz : ( p+τ zx ) + τ yx x y + τ zx z (2.14)

33 36 Persamaan momentum pada x ditentukan dengan menetapkan perubahan momentum x dari suatu fluida dengan gaya total dalam arah x yag disebabkan oleh tegangan permukaan ditambah kelajuan peningkatan momentum x yang disebabkan oleh source. Dengan tidak mempertimbangkan gaya badan lebih detail hasil secara menyeluruh bisa dimasukkan dengan mendefinisikan sebuah sources MX dari x persatuan volume, persatuan waktu. ρ Du Dt = ( p+ τ xx) + τ yx x y + τ zx z +S MX (2.15) Untuk membuktikan bahwa komponen y persamaan momentum : ρ Dv Dt = τ xy ( p+ τ yy) x + + τ zy +S y z MX..(2.16) dan juga komponen z persamaan momentum: ρ Du Dt = τ xz x + τ zy z + ( p+ τ zz) +S z MX (2.17) 2.6 General Solver 1. Pressure-Based Kecepatan yang diperolah dari persamaan momentum, konversi massa (kontinuitas) didapatkan dengan menghitung tekanan, persamaan energi (jika perlu) yang diselesaikan secara berurutan dan persamaan skalar tambahan juga diselesaikan dalam mode terpisah. 2. Density-Based Persamaan yang mengatur kontinuitas, energi diselesaikan bersama. Persamaan skalar tambahan diselesaikan secara terpisah.

34 Models Multifasa 1. Volume Of Fluid (VOF) Digunakan untuk dua atau lebih fluida yang memiliki hubungan antar muka. Persamaan momentum digunakan untuk setiap fasa fluida dan fraksi volume digunakan untuk setiap fluida pada perhitungan yang diamati melalui seluruh bidang asal. 2. Mixture Digunakan untuk aliran yang berbentuk gelembung atau butiran, dimana kedua fasa tercampur sempurna atau fraksi volume fasa diskrit melebihi 10%, untuk aliran yang homogen. 3. Eulerian Digunakan untuk aliran granular dan juga digunakan untuk aliran yang hydrotransport Viskositas 1. Inviscid Model ini digunakan pada aliran yang tidak mengalami perubahan viskositas. Nilai viskositasnya tetap dan gesekan antar partikelnya relatif kecil. Apabla fluida mengalir pada suatu pipa maka tangensial stress fluida sama dengan nol, sehingga tidak ada energi dan fluida mengalir bebas tanpa adanya hambatan. 2. Laminar Model ini dapat digunakan pada aliran yang fluidanya bergerak dalam lapisanlapisan atau lamina lamina dengan satu lapisan meluncur secara lancar. 3. Spalart-Allmaras Model ini dapat digunakan untuk simulasi yang sedikit kasar dengan ukuran mesh yang besar sehingga perhitungan aliran turbulen yang akurat bukan hal yang

35 38 bersifat kritis. Model ini juga dapat digunakan untuk memprediksi perubahan turbulensi isotropic yang homogeny dan model ini tidak mampu untuk perubahan length scale secara cepat. 4. K- ε a. Standart Model ini dapat digunakan untuk dua persamaan, yaitu kecepatan turbulensi dan skala panjang. Model ini merupakan model turbulensi semi empiris yang sangat lengkap walupun masih sangat sederhana. b. Renormalization-group (RNG) Model ini merupakan perbaikan dari metode K-ε standart, persamaan yang digunakan sama. Adapun perbaikannya meliputi : Efek putaran pada turbulensi telah disediakan, sehingga meningkatkan akurasi untuk jenis aliran yang perputar. Memiliki besaran tambahan pada persamaan laju disipasi, seingga mampu meningkatkan akurasi aliran yang terhalang secara tiba-tiba. Menyediakan formulsi untuk bilangan Reynold rendah, sedangkan model K-ε standart digunakan untuk bilangan Reynold tinggi. Menyediakan analisa untuk bilangan prandtl turbulensi, sedangkan model K-ε standart menggunakan bilangan prandtl yang ditentukan oleh pengguna. c. Realizable Model pengembangan yang relatif baru dan berbeda dengan model K-ε standart dalam dua hal, yaitu : Persamaan untuk dissipasi, ε, telah diturunkan dari persamaan yang digunakan dalam menghitung fluktuasi rata-rata. Untuk memodelkan viskositas turbulen. Model ini memberikan performa yang sangat bagus dalam aliran yang melibatkan putaran, lapisan batas dan memiliki gradient tekanan yang sangat besar dan sirkulasi. Kelebihan dari model ini adalah sangat akurat dalam menghitung laju penyebaran fluida dari pancaran jet/nosel.

36 39 5. K-ω a. Standart Model ini digunakan untuk menghitung efek aliran pada bilangan Reynold rendah, kompresibilitas dan penyebaran aliran geser (shear flow). Model ini juga dapat diaplikasikan pada aliran bebas gesekan maupun aliran dalam saluran. b. Shear - Stress Trransport (SST) Model SST digunakan untuk menghitung transport dari tegangan geser turbulen yang melibatkan sebuah besaran dari penurunan damped cross diffusion pada persamaan omega. 6. Reynold Stress Merupakan model turbulensi yang paling teliti pada FLUENT. Model ini mendekati persamaan Navier-Stokes (Reynolds-averaged) dengan menyelesaikan persamaan transport untuk tegangan Reynold bersama-sama dengan persamaan laju disiasi. Model ini membutuhkan 4 persamaan transport tambahan pada aliran 2D dan 7 persamaan transport tambahan pada aliran 3D yang berarti proses komputasi yang terjdi lebih panjang dan berat. Model ini harus digunakan ketika pada aliran terdapat anisotropi dari tegangan Reynold, seperti aliran dalam siklon, aliran yang berpusar dalam combustor, aliran yang melewati lintasan yang berputar, tegangan pada aliran yang disebabkan aliran sekunder dalam saluran. 7. Detached Eddy Simulation (DES) Model ini digunakan untuk memprediksi aliran dengan bilangan Reynold yang besar, model ini merupakan modifikasi dari model Spalart-Allamars, model ini otomatis akan muncul paa pilihan viscous khusus solver 3D. 8. Large Eddy Simulation (LES) Model ini membutuhkan resolusi mesh yang lebih besar, membutuhkan daya komputasi yang jauh lebih tinggi dan tidak praktis untuk aplikasi teknis secara umum.

37 Solution Methods Scheme 1. Semi Implicit Method For Pressure Linked Equation (SIMPLE) Dalam metode ini persamaan kecepatan dikoreksi untuk menghitung satu set baru fluks konservatif. Persamaan momentum yang telah terdiskritisasi dan koreksi kecepatan diselesaikan secara implisit dan koreksi kecepatan diselesaikan secara eksplisit, hal ini adalah alasan disebutnya Semi-Implisit. Metode Simple dipakai pada skema default, kasar (robust). 2. SIMPLE Consistent (SIMPLEC) Dapat mempercepat konvergensi untuk kasus yang sederhana, misalnya aliran laminar dengan bentuk geometri yang tidak terlalu kompleks. 3. Pressure Implicit with Splitting of Operators (PISO) Berguna untuk aliran transien atau kasus dengan mesh yang mengandung skewness yang tinggi. Metode ini didasarkan pada tingkatan yang lebih tinggi dari hubungan pendekatan antara faktor koreksi tekanan dan kecepatan. Untuk meningkatkan efisiensi perhitungan, metode piso menggunakan dua faktor koreksi tambahan, yaitu neighbor correcion dan skewness correction. Skewness correction adalah proses penghitungan ulang untuk gradien koreksi tekanan yang digunakan untuk memperbarui koreksi fluks massa. Neighbor correction adalah proses iterasi yang disebut sebagai koreksi momentum. Dengan tambahan neighbor correction maka Control Processing Unit (CPU) pada komputer mengalami penambahan waktu untuk melakukan proses solver iterasi, akan tetapi akan menurunkan nomor iterasi yang dibutuhkan untuk mencapai konvergensi. 4. Coupled Berdasarkan hasil gabungan tekanan solver (konvergensi lebih cepat dari segregated).

38 Gradient 1. Least Squares Cell Based Digunakan untuk persamaan konversi massa, momentum, energi, serta besaran skalar lainnya seperti turbulen dan reaksi kimia. 2.Green-Gauss Cell Based Digunakan untuk perhitungan berdasarkan jumlah sel sehingga simulasi tidak memerlukan waktu yang terlalu lama, akan tetapi hasil simulasi menjadi kurang akurat. 3. Green-Gauss Note Based Digunakan untuk perhitungan berdasarkan jumlah note dengan menggunakan rata-rata dari dalam sel yang mendefinisikan simpul tersebut Pressure 1. PRESTO! Digunakan untuk aliran dengan aliran yang tinggi, aliran yang melibatkan media berpori, aliran dalam saluran tertutup. 2. Body Force Weighted Digunakan ketika gaya badan (body force) tinggi, misalnya pada kasus konveksi bebas dengan bilangan Raleigh yang besar, aliran dengan pusaran yang tinggi, dll Momentum, Turbulent Kinetic Energy, Turbulent Dissipation Rate 1. First-Order Upwind Scheme Skema interpolasi yang paling ringan dan cepat mencapai konvergen, tetapi ketelitiannya orde satu.

39 42 2. Second-Order Upwind Scheme Menggunakan persamaan yang lebih teliti sampai orde 2, sangat baik digunakan pada mesh tri/tet dimana arah aliran tidak sejajar dengan mesh. Kerena metode interpolasi yang digunakan lebih rumit, maka lebih lambat mencapai konvergen. 3. Power Law Scheme Lebih akurat dari first-order ketika bilangan Reynolds pada aliran <5 (untuk aliran yang sangat lambat). 4. Monotone Upstream - Centered Schemes for Conservation Laws (MUSCLE) Menggunakan konveksi diskritisasi sampai orde 3 untuk mesh yang tidak terstruktur, lebih akurat dalam memprediksi aliran sekunder, vortisitas dan kekuatan. 5. Quadratic Upwind Interpolation (QUICK) Diaplikasikan untuk mesh quad/hex dan hybrid, tetapi jangan digunakan untuk elemenmesh tri, dengan aliran fluida yang berputar/swirl. Ketelitiannya mencapai orde 3 pada ukuran mesh yang seragam Solution Initialization 1. Hybrid initialization Metode inisialisasi bawaan, memberikan perhitungan yang cepat dari suatu aliran dengan metode yang ada. menyelesaikan persamaan laplace untuk menentukan bidang kecepatan dan tekanan. Seluruh variabel lainnya, seperti suhu, turbulensi, jenis fraksi, volume fraksi akan dihitung secara otomatis berdasarkan nilai rata-rata domain atau menggunakan metode interpolasi tertentu. 2. Standard initialization Umumnya pengguna memilih berdasarkan batas inlet dan batas outlet agar secara otomatis mengisi nilai inisialisasi dengan nilai-nilai yang ditentukan pada batas inlet.