BAB IV KAJIAN CFD PADA PROSES ALIRAN FLUIDA

Transkripsi

1 BAB IV KAJIAN CFD PADA PROSES ALIRAN FLUIDA

2 IV. KAJIAN CFD PADA PROSES ALIRAN FLUIDA 4.1. Penelitian Sebelumna Computational Fluid Dnamics (CFD) merupakan program computer perangkat lunak untuk memprediksi dan menganalisa secara kuantitatif aliran fluida, perpindahan panas, transpor penomena dan reaksi kimia. Analisis aliran fluida dalam suatu sistem dengan CFD merupakan analisis numerik dengan kontrol olume sebagai elemen dari integrasi persamaan-persamaan, ang terdiri dari persamaan keseimbangan massa, momentum dan energi (Versteeg dan Malalasekera, 1995). Penelesaian persaman untuk sistem dua atau tiga dimensi dapat dilakukan secara simultan dan lebih cepat. Tata letak serta dimensi dari unit peralatan dalam suatu sistem (kipas, inlet dan lainna) dapat diubah-ubah di dalam program simulasi guna mendapatkan kondisi operasi ang optimal. Wulandani (005) telah menggunakan model simulasi CFD dalam menganalisis aliran udara pada ruang pengering tipe kabinet dengan 8 buah rak untuk mendapatkan dimensi dan letak komponen alat pengering serta kondisi operasi ang optimal. Hasil ang dilaporkan Wulandani (005) diperoleh disain alat pengering dengan ukuran m 3, dimana terdapat dua buah inlet dengan ukuran m pada ketinggian 1.4 m serta dua buah outlet berukuran masing-masing m pada ketinggian 0.8 m pada dinding ang berseberangan dengan inlet. Kipas ang digunakan sebagai pendistribusi aliran udara digunakan 3 unit dengan masing-masing ukuran diameter 0. m dan daa kipas 100 W sebanak unit dan 40 W 1 unit. Kondisi operasi ang diperoleh untuk suhu rata-rata seluruh rak adalah 45.4 o C dan nilai rata-rata kecepatan 0.5 m/dtk serta rata-rata RH 45.6 %. 54

3 Untuk dapat menggunakan CFD pada proses simultan momentum, energi dan massa, pemahaman sifat-sifat dasar aliran fluida sangat diperlukan. Persamaan diferensial ang menusun profil aliran fluida harus ditransformasikan menjadi persamaan matematis ang sederhana dan disebut dengan metoda diskritisasi (Versteeg dan Malalasekera, 1995). Dalam proses simultan persamaan momentum, energi dan massa, profil aliran udara digambarkan secara kuantitatif dalam besaran suhu dan kecepatan dalam persamaan diferensial dengan koordinat kartesian. Pemecahan analisis numerik dengan menggunakan softare CFD Fluent dengan cara finite olume dan pembuatan gambar serta bentuk geometrik alat dilakukan dalam softare Gambit. Softare CFD terdiri dari tiga elemen utama, aitu ; (1) Pre-processor, () Soler dan (3) Post-processor. 4.. Cara Kerja Fluent dalam Pemecahan Masalah Aliran Fluida Didalam pemecahan masalah aliran fluida, terlebih dahulu dibuat bentuk geometri alat, pembentukan grid (mesh) dan penentuan sifat termofisik serta kondisi batas ang dilakukan dalam softare GAMBIT..30 Pemecahan masalah aliran fluida (kecepatan, tekanan, suhu dan lain-lain) didefinisikan pada node (titik) di dalam tiga sel. Ketepatan dan ketelitian hasil tergantung dari jumlah sel di dalam grid (mesh), secara umum bila jumlah sel makin banak maka pemecahan masalah semakin baik Simulasi Dinamika Aliran Fluida dengan CFD Simulasi aliran fluida dengan CFD digunakan untuk melihat penebaran panas berdasarkan distribusi suhu serta aliran udara pemanas dalam ruang pengering berdasarkan perhitungan simulasi CFD. 55

4 Kajian terhadap karakteristik aliran fluida pada sistem pengering dengan simulasi CFD adalah mempelajari proses pemanasan produk. Perubahan ang terjadi ditinjau dari pindah panas konduksi dan koneksi alamiah. Kontrol pindah panas konduksi dilakukan pada geometri alat pengering, sedangkan pada pindah panas koneksi alamiah berdasarkan pergerakan panas dari inlet ke ruang pengering. Proses simulasi CFD digunakan untuk melihat efek pindah panas konduksi dan koneksi alamiah selama proses pemanasan udara pengering dengan pemodelan Model Persamaan Atur Simulasi CFD Hukum Kekekalan Massa 3 Dimensi Stead State Keseimbangan massa untuk elemen fluida dinatakan sebagai berikut ; Laju kenaikkan massa dalam elemen fluida = laju netto aliran massa ke dalam elemen terbatas. Adapun bentuk matematis dapat ditulis seperti (Bird et al.,1966): ( ρu) ( ρ) ( ρ) = (4-1) Persamaan (4-1) disebut sebagai persamaan kontinuitas untuk fluida. Ruas kiri menatakan laju netto massa dari elemen meleati batas dan dinatakan sebagai faktor koneksi Persamaan Momentum 3 Dimensi Stead State Persamaan momentum merupakan persamaan Naier-Stokes dalam bentuk ang sesuai dengan metoda finite olume (Bird et al.,1966) : Momentum arah : u u u p u u u ρ u = S M μ...(4-) 56

5 57 Momentum arah : S M p u = μ ρ (4-3) Momentum arah : S M p u = μ ρ.(4-4) Persamaan Energi 3 Dimensi Stead State Persamaan energi diturunkan dari hukum pertama termodinamika ang menatakan baha; Laju perubahan energi partikel fluida = laju penambahan panas ke dalam partikel fluida ditambah dengan laju kerja ang diberikan pada partikel Bentuk persamaan matematis ditulis seperti berikut (Bird et al.,1966): S i u k u p T T T u = ρ..(4-5) Persamaan State Kecepatan fluida selalu mencari keseimbangan secara termodinamik, kecuali adana gangguan. Bila digunakan ariable ρ dan p, maka persamaan state untuk P dan I (Versteeg dan Malalasekera, 1995) : P = p(ρ, T)...(4-6) I = i (ρ, T)...(4-7) Untuk gas ideal, dimana : p = ρrt dan I = CT

6 4.5. Tahapan Simulasi CFD pada Alat Pengering Asumsi 1. Model aliran dalam alat dianggap laminar. Udara tidak termampatkan (incompressible), ρ konstan 3. Aliran udara dalam kondisi stead 4. Bilangan Prandtl udara konstan (Cp, μ dan k udara adalah konstan) 5. Udara lingkungan dianggap konstan (30 o C) 6. Kecepatan aliran udara masuk dianggap seragam Kondisi Aal 1. Kecepatan aliran udara pada arah X, Y dan Z = 0 m/dtk. Permukaan suhu dinding luar = suhu lingkungan (30 o C) 3. Tekanan udara = tekanan barometrik (10135 pascal) Kondisi Batas 1. Pada sisi masuk sekaligus kipas adalah elocit inlet dengan kecepatan seragam aitu : X = 0 cm 0 Y 60 cm 0 Z 60 cm u = 0.4 m/dtk = 0 m/dtk = 0 m/dtk. Pada sisi keluar diterapkan kondisi batas outflo, pada kondisi batas ini, gradient ang searah dengan aliran dari semua ariable aliran (kecuali tekanan) adalah nol. Rasio bukaan saluran outlet adalah = 1 aitu : X = 10 cm 0 Y 60 cm 0 Z 60 cm 3. Pada dinding alat pengering, diberlakukan kondisi batas all. Pada kondisi batas ini komponen kecepatan dalam arah normal dinding adalah nol dan berlaku kondisi tidak slip. aitu : 0 Y 60 cm 0 Z 60 cm = 0 m/dtk = 0 m/dtk Bagian sisi inlet dan outlet, dinding terbuat dari seng plat dan bagian ruang pengering terbuat dari plastik tranparan (kecuali lantai dari seng plat) 58