BAB III PENDEKATAN TEORI

Transkripsi

1 9 BAB III PENDEKAAN EORI 3.1. eknik Simlasi CFD Comptational Flid Dnamics (CFD) adalah ilm ang mempelajari cara memprediksi aliran flida, perpindahan panas, rekasi kimia, dan fenomena lainna dengan menelesaikan persamaan-persamaan matematika ata model matematika (akia, 008). Menrt Versteeg dan Malalasekera (1995) CFD adalah sistem analisis ang melipti aliran flida, perpindahan panas dan fenomena seperti reaksi kimia ang berdasarkan simlasi kompter. Pada saat sekarang aplikasi CFD sdah banak diterapkan pada disain mesin, rang pembakaran, gas trbin dan tngk pembakaran. Ditinja dari istilah CFD bisa berarti sat teknologi komptasi ang memngkinkan ntk mempelajari dinamika dari benda-benda ata at-at ang mengalir. Pada dasarna, persamaan-persamaan pada flida dibangn dan dianalisis berdasarkan persamaan-persamaan diferensial parsial (PDEPartial Differential Eqation) ang menatakan hkm-hkm konersi massa, momentm dan energi. Perangkat lnak (softare) CFD mamp ntk melakkan simlasikan aliran flida, perpindahan panas, perpindahan massa, benda-benda bergerak, aliran mltifasa, reaksi kimia, interaksi flida dengan strktr dan sistem akstik hana dengan pemodelan di kompter. Softare CFD ini dapat membat irtal prototipe dari sebah sistem ata alat ang ingin dianalisis dengan menerapkan kondisi nata di lapang. Softare CFD akan memberikan data-data, gambargambar, ata kra-kra ang mennjkkan prediksi dari performansi keandalan sistem disain. Hasil analisis CFD dapat berpa prediksi kalitatif mapn prediksi kantitatif tergantng dari persoalan dan data inpt. Kentngan penggnaan CFD adalah : 1. Pemahaman Mendalam (Insight) Analisis CFD mamp mendesain sistem ata alat ang slit dibat prototipena ata slit ntk dilakkan pengjian. Analisis ini mamp mask secara irtal ke dalam alat ata sistem ang dirancang.

2 10. Prediksi Menelrh (Foresight) CFD adalah alat ntk memprediksi ang akan terjadi pada alat ata sistem ang didisain dengan sat ata lebih kondisi batas dan dapat segera menentkan disain optimal. 3. Efisiensi akt dan biaa (Efficienc). Foresight ang diperoleh CFD mamp membant ntk mendisain lebih cepat dan hemat ang. Analisis CFD akan lebih efisien akt riset dan disain sehingga akan mencapai ke sasaranna. 3.. Proses Simlasi CFD Seorang enjiner dalam merancang mesin memiliki berbagai alasan ntk mendapatkan pengembangan persamaan-persamaan, namn masalah tamana dalam mendisain sistem termal adalah : (1) menediakan proses simlasi termal dan () mengembangkan pernataan secara matematis ntk optimasi. Simlasi secara nata dan problem-problem optimasi hars dilaksanakan dengan menggnakan kompter dan mengoperasikanna dengan persamaan-persamaan dari pada tabel data (Stoecker, 1989). Dalam membangn simlasi CFD dalam perancangan diperlkan tiga tahapan ang melipti: 1. Preprocessing Preprocessing adalah membat model dalam paket CAD (Compter Aided Design), membat mesh ang sesai, dan menerapkan kondisi batas dan sifatsifat flidana.. Soling Solers merpakan program inti pencari solsi dalam CFD ntk menghitng kondisi-kondisi ang diterapkan pada saat preprocessing. 3. Postprocessing Postprocessing adalah adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data hasil simlasi CFD ang berpa gambar, kra dan animasina. Post Processor ang melipti : tampilan geometri domain dan grid, plot ektor, pergerakan partikel, maniplasi pandangan, dan otpt berarna.

3 11 Sema program pendekatan CFD dilakkan melali prosedr sebagai berikt : 1. Softare Gambit melakkan : a. Pembatan geometri model b. Bidang ata olme ang diisi oleh flida dibagi menjadi sel-sel kecil (meshing). Softare Flent melakkan : a. Pendefinisian model fisik, misalna : persamaan-persamaan gerak, entalpi, konersi spesies ntk at-at ang didefinisikan. b. Pendefinisian kondisi-kondisi batas, termask di dalamna sifat-sifat dan perilak dari batas-batas model. Untk kass transient, kondisi aal jga didefinisikan. c. Persamaan-persamaan matematika ang membangn CFD diselesaikan secara iterasi, bisa dalam kondisi tnak (stead state) ata transien. d. Analisis dan isalisasi dari solsi CFD 3.3. Metode Diskritisasi CFD CFD sebenarna mengganti persamaan-persamaan differential parsial dari kontinitas, momentm, dan energi dengan persamaan-persamaan aljabar. CFD merpakan pendekatan dari persoalan ang asalna kontinm ata memiliki jmlah sel tak terhingga menjadi model ang diskrit ata jmlah sel terhingga (akia, 008). Persamaan pengatr aliran flida adalah persamaan diferensial parsial. Kompter digital tidak dapat dignakan ntk menelesaikan persamaan tersebt secara langsng. Oleh karena it persamaan diferensial ini hars ditransformasikan ke dalam persamaan aljabar ang sederhana dan disebt dengan metode diskritisasi (Versteeg dan Malalasekera, 1995). Ada beberapa teknik diskritisasi ang dignakan dan masing-masing berdasarkan prinsip ang berbeda. Beberapa teknik tersebt adalah : a. Metode beda hingga (Finite Difference methode) b. Metode elemen hingga (Finite element methode) c. Metode olme hingga (Finite olme methode)

4 1 Dalam simlasi pola aliran dara, dara digambarkan secara kantitatif dalam besaran sh dan kecepatan dalam persamaan diferensial, dalam koordinat Cartesian dan dipecahkan dengan menggnakan teknik CFD tiga dimensi ang didasarkan pada analisis nmerik dengan metode olme hingga. Pemecahan simlasi dengan menggnakan softare CFD : FUEN 6.1 dan pembentkan geometri alat menggnakan softare Gambit. Kondisi batas dinatakan sebagai berikt : a. Kecepatan dara pada sema dinding dan atap pengering pada arah, dan adalah 0. b. Kecepatan dara pada dinding rak pengering pada arah, dan adalah 0. c. Kecepatan dara pada kipas besarna ditentkan berdasarkan kebthan dara ntk mengapkan air dari sejmlah massa bahan. Pemecahan masalah aliran (kecepatan, tekanan, sh dan lain-lain) didefinisikan pada titik (nodal) di dalam tiga sel. Ketepatan CFD dibentk oleh sejmlah sel di dalam grid. Secara mm semakin besar jmlah sel, ketelitian hasil pemecahan semakin baik. Mesh optimal tidak selal seragam, semakin hals pada bagian ang memiliki ariasi ckp besar dan semakin kasar ntk bagian ang relatif tidak banak perbahan. Persamaan aliran flida menatakan hkm kekekalan fisika dalam bentk matematis, ait terdiri dari persamaan-persamaan : 1 Massa flida kekal Laj perbahan momentm sama dengan resltansi gaa pada partikel flida (Hkm II Neton) 3 Laj perbahan energi sama dengan resltansi laj panas ang ditambahkan dan laj kerja ang diberikan pada partikel flida ( Hkm I ermodinamika). Kekekalan Massa 3 Dimensi Stead-State Laj kenaikan massa dalam elemen flida Laj net masssa ke dalam elemen terbatas Ata ditliskan alam bentk matematis : ( ) ( ) ( ) 0...( )

5 13 Persamaan () disebt sebagai persamaan kontinitas ntk flida. Ras kiri menggambarkan laj net massa kelar dari elemen meleati batas dan dinatakan sebagai faktor koneksi. Persamaan Momentm dalam 3 Dimensi Staed State Persamaan momentmmerpakan persamaan Naier-Stokes dalam bentk ang sesai dengan olme hingga, sebagai berikt : Momentm : S M...(3) Momentm : S M...(4) Momentm : S M...(5) Persamaan energi dalam 3 Dimensi Stead State Persamaan energi ditrnkan dari hkm pertama termodinamika ang menatakan baha : laj perbahan energi partikel flida laj npenambahan panas ke dalam partikel flida ditambahkan dengan laj kerja ang diberikan pada partikel. Ata dalam persamaan matematis : S i k p...(6) Persamaan State Kecepatan flida selal mencari keseimbangan secara termodinamika, kecali adana ganggan. Jika dignakan ariabel dan p, maka persamaan state ntk p dan i : P p (,)...(7) I i (,)...(8)

6 14 Untk gas ideal : P R...(9) I C...(10) 3.4. RH Udara Pengering Pemanasan dara dalam proses pengeringan dapat digambarkan dalam kra pschrometric. Perbahan sh selama pemanasan, berlangsng berbentk garis horisontal pada kra pschrometric, pada kondisi tekanan ap tetap dan kondisi kelembaban mtlak tetap. Selama pemanasan dianggap tidak terjadi penambahan ap air, artina jmlah dara kering ang mask sama dengan jmlah dara kering kelar. Pada kondisi tekanan atmosfir, bila sh meningkat maka akan terjadi penrnan kelembaban dara. RH merpakan perbandingan antara tekanan ap terhadap tekanan jenh air pada sh rangan. P RH...(11) Ps Kelembaban mtlak (H) konstan selama pemanasan, karena : 0.619P H, dimana o K dan P < Patm...(1) P P atm Maka tekanan ap (P) jga konstan selama proses pemanasan. Jika kelembaban dara lingkngan (RHa) dan kelembaban dara pengering (RHr), maka : RH r sa...(13) RH a P s P P sr A B C D ln R F G 3 E 4...(14) o K (Keenan dan Kees, 1936) dalam ASAE Standard dimana : R D A E B F C G