STUDI KARAKTERISTIK ALIRAN PADA TUJUH SILINDER VERTIKAL DENGAN SUSUNAN HEKSAGONAL DALAM REAKTOR NUKLIR MENGGUNAKAN PAKET PROGRAM FLUENT

Transkripsi

1 Studi Karakteristik Aliran pada Tujuh Silinder Vertika dengan Susunan Heksagonal (A. Septilarso, et al) STUDI KARAKTERISTIK ALIRAN PADA TUJUH SILINDER VERTIKAL DENGAN SUSUNAN HEKSAGONAL DALAM REAKTOR NUKLIR MENGGUNAKAN PAKET PROGRAM FLUENT ABSTRAK A. Septilarso *, N. P. Tandian **, E. Umar *** STUDI KARAKTERISTIK ALIRAN PADA TUJUH SILINDER VERTIKAL DENGAN SUSUNAN HEKSAGONAL DALAM REAKTOR NUKLIR ATAU PENUKAR PANAS MENGGUNAKAN PAKET PROGRAM FLUENT. Perpindahan panas konveksi pada sub buluh susunan silinder vertikal sangat berguna pada beberapa aplikasi keteknikan, termasuk dalam perancangan heat exchanger, steam generator maupun perancangan sistem keselamatan reaktor nuklir. Sebelum mempelajari perpindahan panas konveksi yang terjadi pada sub buluh secara eksperimental, sangat perlu untuk mempelajari karakteristik aliran yang terjadi pada sub buluh tersebut secara teoritis. Dalam penelitian ini telah dilakukan kajian teoritis menggunakan paket program FLUENT untuk geometri sub buluh berupa susunan heksagonal yang terdiri dari tujuh batang silinder dengan diameter 3,75 cm dengan perbandingan pitch/diameter (P/D) adalah 1,16. Untuk kecepatan masuk model simulasi yang bervariasi, yaitu 0,2 m/s, 0,3 m/s, 0,4 m/s, 0,5 m/s dan 0,6 m/s, hasil penelitian ini menyimpulkan bahwa kondisi aliran masih berada dalam developing region dan kecepatan aliran di tengah sub buluh lebih tinggi dibandingkan di bagian pinggir sub buluh. Kata kunci: karakteristik aliran, sub buluh, FLUENT, developing region ABSTRACT STUDY OF FLOW CHARACTERISTICS AT SEVEN VERTICAL CYLINDER ARRANGED IN NUCLEAR REACTOR OR HEAT EXCHANGER USING FLUENT CODE. Convective heat transfer at sub channel in a vertical cylinder bundle is very useful in many engineering application, include the design and operation of heat exchanger, steam generator and nuclear reactor safety. It is important to learn characteristic of fluid flow in sub channel before learn convective heat transfer in sub channel. In this research, theoretical study of flow characteristic in sub channel has been carried out by using FLUENT code. The sub channel is hexagonal arrangement and consist of seven cylinder heater with 3.75 cm diameter and P/D ratio of For the inlet velocity are 0.2 m/s, 0.3 m/s, 0.4 m/s, 0.5 m/s dan 0.6 m/s, the result of FLUENT analysis indicated that the fluid flows in the developing region. The velocity of coolant in the center of sub channel is higher than in the edge of sub channel. Keywords : flow characteristics, sub channel, FLUENT, developing region * ** *** Magister Ilmu dan Rekayasa Nuklir ITB Lab. Thermodinamika Pusat Pengembangan Ilmu Rekayasa - ITB Pusat Teknologi Nuklir Bahan dan Radiometri (PTNBR) BATAN 213

2 Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir 2010 ( ) PENDAHULUAN Dalam analisis aliran dalam teras reaktor nuklir, salah satu aspek yang penting untuk diperhatikan adalah aspek termohidrolik. Hal ini tidak saja karena aspek termohidrolik berkaitan erat dengan efektivitas perpindahan panas, tetapi yang lebih penting lagi adalah keamanan suatu reaktor sangat bergantung pada aspek termohidrolik ini. Salah satu metode untuk menganalisis aspek termohidrolik pada reaktor adalah teori sub-buluh. Dengan menggunakan program perhitungan yang dibuat berdasarkan teori sub- buluh ini, perhitungan aspek termohidrolik pada reaktor yang meliputi distribusi temperatur, tekanan, kecepatan arah aksial, kecepatan aliran silang antar sub-buluh, serta temperatur bahan bakar akan mudah untuk didapat. Ada dua pendekatan yang digunakan dalam mendefinisikan volume atur subbuluh, yaitu: sub-buluh dengan pusat fluida pendingin (the coolant centered subchannel) dan sub-buluh pusat batang bahan bakar (the rod centered subchanel) seperti ditunjukkan pada Gambar 1. mi = ρvzda A fi Gambar 1. Pendefinisian volume atur sub buluh [Todreas, 1990] Ada dua macam laju aliran massa yang berhubungan dengan volume atur subbuluh, yaitu: laju aliran massa aksial dan laju aliran massa transversal. Laju aliran massa ke arah aksial dalam suatu massa/waktu dari volume atur sub-buluh i dinyatakan sebagai berikut [Winarto, 2001]: Sedangkan untuk aliran massa transversal, ada dua mekanisme yang menyebabkan terjadinya laju aliran massa transversal per satuan panjang melalui gap (1) 214

3 Studi Karakteristik Aliran pada Tujuh Silinder Vertika dengan Susunan Heksagonal (A. Septilarso, et al) diantara sub-buluh yang bersebelahan yaitu: adanya gradient tekanan dalam arah transversal yang menyebabkan aliran silang diversi dan fluktuasi turbulensi aliran fluida dalam arah aksial yang menyebabkan pertukaran massa turbulen. Untuk mengetahui arah aliran aksial maupun transversal dalam sub-buluh, dapat digunakan bantuan program CFD. Menggunakan CFD ini akan terlihat dengan jelas karakteristik aliran, baik dalam arah aksial maupun transversal. COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC (CFD) CFD adalah suatu ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan matematika. CFD memprediksi aliran berdasarkan [Tuakia, 2008]: o Model matematika (persamaan diferensial parsial), khususnya memecahkan persamaan Navier-Stokes o Metode numerik (teknik solusi dan diskritisasi). o Tools perangkat lunak. (solver, tool pre- dan post processing) Pada umunya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika melakukan simulasi CFD, yaitu: preprocessing, solving, dan post processing [Tuakia, 2008]. Prosedur berikut terdapat pada semua pendekatan program CFD, yaitu [Tuakia, 2008]: 1. pembuatan geometri dari model/ problem. 2. bidang atau volume yang diisi oleh fluida dibagai menjadi sel-sel kecil (meshing). 3. pendefinisian model fisiknya. 4. pendefinisian kondisi-kondisi batas. 5. persamaan-persamaan matematika yang membangun CFD diselesaikan secara iterative, bisa dalam kondisi tunak (steady state) atau transient. 6. analisis dan visualisasi dari solusi CFD. Pembuatan Model Sub Buluh Untuk mengetahui karakteristik aliran dalam sub-buluh, pertama kali harus membangun model geometri dari sub-buluh yang nanti akan diteliti. Pembuatan model geometri ini menggunakan program GAMBIT. Ukuran geometri sub-buluh yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : o P/D :1,16. o Diameter silinder dummy : 3,75 cm. o Panjang silinder dummy : 60 cm o Dinding luar berbentuk heksagonal sama sisi dengan panjang sisi 7,2 cm dan tinggi 120 cm. o Sub buluh pinggir diberi modifikasi untuk menyeimbangkan aliran. 215

4 Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir 2010 ( ) Pada Gambar 2 ditunjukkan model sub-buluh dengan menggunakan program Gambit. Gambar 2a. Model dasar Gambar 2b. Penampang sub buluh Gambar 2c. Model simulasi 216

5 Studi Karakteristik Aliran pada Tujuh Silinder Vertika dengan Susunan Heksagonal (A. Septilarso, et al) Gambar 2d. Penampang distributor Perancangan Simulasi dengan CFD Geometri keluaran dari Gambit perlu didiskritisasi dulu untuk dieksport ke CFD. Untuk mengetahui karakteristik aliran dalam sub-buluh, simulasi dilakukan dalam keadaan dingin, dimana tidak ada pembangkitan panas di dalam sub-buluh. Boundary condition yang dipakai dalam simulasi dengan menggunakan CFD ini adalah masukan berupa velocity inlet, keluaran berupa outflow. Sementara itu, dinding yang lain sebagai wall. Fluida yang digunakan adalah air. Dalam simulasi ini, kecepatan masuk ke model simulasi divariasikan yaitu 0,2 m/s, 0,3 m/s, 0,4 m/s, 0,5 m/s dan 0,6 m/s. HASIL DAN PEMBAHASAN Perlu diambil beberapa titik pengujian untuk menggambarkan karakteristik aliran dalam sub-buluh. Gambar 3 menunjukkan letak titik-titik pengujian untuk menggambarkan karakteristik aliran dalam sub-buluh. Gambar 3a. Garis Uji 1 217

6 Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir 2010 ( ) Gambar 3b. Garis Uji a, b, c, d. Garis uji pada Gambar 3a digunakan untuk melihat distribusi aliran pada sub buluh yang ada, sedangkan garis uji pada Gambar 3b digunakan untuk melihat karakter aliran pada sub buluh yang diamati. Hasil running model simulasi dapat dilihat pada Gambar 4. Gambar 4a. Grafik Distribusi Kecepatan Fluida pada Garis Uji 1 Gambar 4b. Grafik Distribusi Kecepatan Fluida pada Garis Uji d. 218

7 Studi Karakteristik Aliran pada Tujuh Silinder Vertika dengan Susunan Heksagonal (A. Septilarso, et al) Gambar 4c. Grafik Distribusi Kecepatan Fluida pada Sub Buluh sebagai Fungsi Ketinggian. Pada Gambar 4a dapat dilihat bahwa kecepatan aliran pada sub buluh tengah dan pinggir sudah seragam. Pada Gambar 4b dapat dilihat bahwa profil kecepatan aliran di pinggir sub-buluh lebih rendah dibandingkan dengan kecepatan aliran di tengah sub-buluh. Keadaan ini disebabkan fluida di pinggir sub-buluh mengalamai gesekan dengan dinding silinder dummy sehingga seolah-olah teredam oleh keberadaan dinding silinder dummy ini. Sedangkan untuk profil kecepatan sebagai fungsi ketinggian dapat dilihat pada Gambar 4c. Profil aliran pada sub-buluh ini sangat mempengaruhi perpindahan panas konveksi di dalam sub-buluh. Pada Gambar 5a sampai 5d ditunjukan profil aliran sub-buluh untuk berbagai variasi ketinggian. Gambar 5a. Profil Kecepatan Aliran di dalam Sub-Buluh (h = 0,7 m) 219

8 Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir 2010 ( ) Gambar 5b. Profil Kecepatan Aliran di dalam Sub-Buluh (h = 0,8 m) Gambar 5c. Profil kecepatan aliran di dalam sub-buluh (h = 0,9 m) Gambar 5d. Profil Kecepatan Aliran di dalam Sub-Buluh (h = 1 m) 220

9 Studi Karakteristik Aliran pada Tujuh Silinder Vertika dengan Susunan Heksagonal (A. Septilarso, et al) Gambar 5a sampai 5d diatas menunjukkan profil aliran pada tiap ketinggian. Dari gambar tersebut teerlihat bahwa profil aliran masih terus berubah pada tiap ketinggian. Hal ini menunjukkan bahwa aliran masih berada dalam developing region. KESIMPULAN 1. Kecepatan aliran pada tengah sub-buluh lebih tinggi dibandingkan dengan pinggir sub-buluh. Hal ini sesuai dengan teori yang ada, sehingga model ini bisa digunakan untuk pemodelan perpindahan panas konveksi pada sub buluh heksagonal. 2. Aliran masih dalam developing region untuk semua variasi kecepatan masuk. Sehingga nantinya korelasi perpindahan panas konveksi yang akan dibuat berdasarkan model ini harus menyertakan fungsi ketinggian. DAFTAR PUSTAKA 1. TODREAS, NEIL E., KAZIMI, MUJID S., Nuclear system II Element of Thermal hydraulic Design, Hemisphere Publishing Corp., New York, WINARTO, Analisis Sub Buluh Pada Model Reaktor Susunan Bahan Bakar Bujur sangkar atau Heksagonal, Program Pasca Sarjana ITB, FIRMAN TUAKIA, Dasar-Dasar CFD Menggunakan Fluent, Informatika, Bandung, DISKUSI SUKMANTO DIBYO Apakah CFD mampu melakukan simulasi transien (misal aliran pendingin fluen berubah? A. SEPTILARSO Bisa, fluent (CFD) memiliki fasilitas untuk melakukan simulasi transient. 221

10 Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir 2010 ( ) DAFTAR RIWAYAT HIDUP Nama : Anggoro Septilarso Tempat & Tanggal Lahir : Purbalingga, 23 September 1980 Pendidikan Riwayat Pekerjaan Kelompok Makalah : S2- Magister Rekayasa Energi Nuklir : 2006 s.d. sekarang, Staf Direktorat Perijinan Instalasi dan Bahan Nuklir (DPIBN) - BAPETEN : B6 : Studi Karakteristik Aliran pada Tujuh Silinder Vertikal dengan Susunan Heksagonal dalam Reaktor Nuklir menggunakan Paket Program Fluent 222