STUDI NUMERIK PENGARUH VARIASI REYNOLDS NUMBER DAN RICHARDSON NUMBER PADA KARAKTERISTIK ALIRAN FLUIDA MELEWATI SILINDER TUNGGAL YANG DIPANASKAN (HEATED CYLINDER) oleh : Ahmad Nurdian Syah NRP. 2112105028 Dosen Pembimbing : Vivien Suphandani Djanali, S.T., ME., Ph.D JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2014
LATAR BELAKANG PERKEMBANGAN ZAMAN Literatur unheated cylinder banyak diteliti Eksperimen heated cylinder oleh H. Hu and M. M. Koochesfahani, 2011 akurat
RUMUSAN MASALAH RUMUSAN MASALAH Penelitian silinder tanpa dipanaskan Karakteristik Aliran Silinder dipanaskan variasi Re dan Ri TUJUAN PENELITIAN pengaruh variasi Reynold number dan Richardson number pada karakteristik aliran yang melewati heated cylinder
BATASAN MASALAH aliran incompressible Benda kerja yang disimulasikan adalah silinder isothermal yang dipasang horisontal pada water chanel. Reynolds number yang digunakan adalah 100,135 dan 200. Richardson number yang digunakan adalah 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1
PENELITIAN TERDAHULU 1. Oleh H. Hu and M. M. Koochesfahani (2011) Esperimen tentang pengaruh thermal terhadap wake pada heated cylinder dengan konveksi campuran Re= 135 ; T =24 0 C ; Ri= 0 sampai 1.04 Dipakai sebagai acuan penelitian ini Profil kecepatan streamewise sepanjang wake pada centreline Wake clousure length(lc) vs Bilangan Richarson
PENELITIAN TERDAHULU 1. Oleh H. Hu and M. M. Koochesfahani (2011) Ri Cd Wake Cd koefisien drag vs Bilangan Richarson (Ri)
PENELITIAN TERDAHULU Ri Nu Rata-rata bilangan Nuselt vs Bilangan Richarson(Ri)
PENELITIAN TERDAHULU 2. Oleh Aswathy Nair et al (2013) Studi niumerik tentang pengaruh Prandtl Number dalam perpindahan panas pada aliran melintasi silinder Re= 25 ; Ri = 0.5 dan 2.00 ; Pr= 0.5, 5, 50 Peningkatan Pr menyebabkan boundary layer thickness mengecil kontur isotherm untuk Re=25 dengan variasi nilai Ri dan Pr
METODE PENELITIAN 1. Tahapan Penelitian Menentukan parameter-parameter yang mempengaruhi dengan cara analisa dimensi. Membuat geometri set-up dari silinder yang dipanaskan yang diletakkan horizontal pada water channel dengan metode Computational Fluid Dynamic ( CFD ). Analisis hasil pemodelan dan visualisasi aliran serta komparasi dengan hasil eksperimen yang telah dilakukan sebelumnya.
METODE PENELITIAN 2. Geometri 3D Boundary condition 2D Boundary condition Dinding atas dan bawah Wall Dinding atas dan bawah Wall Dinding samping Periodic silinder Wall silinder Wall inlet Velocity inlet inlet Velocity inlet outlet outflow outlet outflow
METODE PENELITIAN 3. Parameter Pemodelan Variasi kasus T w ( o C) T ( o C) Re Gr Ri U (m/s) 1 24 24 100 0 0 0.0193 2 30.97 24 100 2500 0.25 0.0193 3 37.9 24 100 5000 0.50 0.0193 4 44.9 24 100 7500 0.75 0.0193 5 51 24 100 10000 1.00 0.0193 6 24 24 135 0 0 0.026 7 38 24 135 4556.25 0.25 0.026 8 53 24 135 9112.5 0.50 0.026 9 67.8 24 135 13668.42 0.75 0.026 10 84.5 24 135 18225 1.00 0.026 11 24 24 200 0 0 0.0359 12 51,89 24 200 10000 0.25 0.0359 13 79.78 24 200 20000 0.50 0.0359 14 107.67 24 200 30000 0.75 0.0359 15 135.56 24 200 40000 1.00 0.0359 Gr = Re = ρvd μ Ri = Gr Re 2 gβ T Ts D3 v 2
METODE PENELITIAN 4. Langkah-Langkah Penggunaan Metode Komputasi Fluida (CFD) PRE PROCESSING a. Membuat model b. Membuat mesh elemen hingga c. Menentukan daerah analis 3D 2D
METODE PENELITIAN SOLVING MODELS MATERIALS OPERATING CONDITIONS Water Liquid K-ω SST unsteady Percepatan gravitasi ke arah x SOLUTION BOUNDARY CONDITIONS inlet = velocity inlet Pressure = second order momentum, turbulent kinetic energy & turbulent dissipation rate = second order upwind Outlet = outflow silinder & dinding water chanel = wall INITIALIZE RESIDUAL Inlet Kriteria konvergensi 10 6 ITERASI
METODE PENELITIAN POSTPROCESSING DATA KUANTITATIF Kecepatan pada wake centerline Koefisien drag Strouhal number Average Nusselt number DATA KUALITATIF Grid display Plot kontur kecepatan Plot kontur temperatur
5. Diagram Alir metodologi penelitian(flow Chart)
6. Diagram Alir Simulasi
. Analisa dan Pembahasan Grid Independence Turbulensi model k-ω SST Data acuan pada exp Cd = 1.5 Model Mesh Cells Y + Cd Error Cd (%) Mesh A 13249 1.576 1,2603 15,98 Mesh B 22365 1.351 1,375 8,33333333 Mesh C 27500 1.178 1,439 4,06666667 Cd 1 2 FD U 2 k-ω SST Y plus 5 A Mesh D 32564 1.154 1,4420 3,86666667 1,5 1,45 Drag Coefficient 1,4 1,35 1,3 1,25 1,2 1,15 Mesh A Mesh B Mesh C Mesh D Model meshing Digunakan meshing C untuk melakukan simulasi numerik
Analisa dan Pembahasan Menentukan time step size St = Exp 0.171 f D U 0.005 m 0.0193 m/s 0.026 m/s 0.0359 m/s Re f Time step size 100 0.66006 0.0628 135 0.8892 0.04498 200 0.03257 0.03257 t = 1 f t Time step size = max iteration per time step
Pemilihan domain Analisa dan Pembahasan 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0-0,2-0,4 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 2D exp Hu etal,2011 3D mean square error 2D = 0.143 3D = 0.152 Digunakan Model 2D
Analisa dan Pembahasan Reynolds Number 135 Kecepatan Pada Wake Centerline U/U 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0-0,2-0,4-0,6 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 X/D Ri 0 Ri 0.25 Ri 0.5 Ri 0.75 Ri 1 exp Ri 0 exp Ri 0.5 exp Ri 1.04 Ri X/D X/D(exp) 0 3,4 3.4 0,25 3,4 0,5 6,1 7.5 0,75 7,9 1 8,6 9.5 dibandingkan dengan hasil eksperimen Hu etal 2011.
Analisa dan Pembahasan 10 Ri X/D Lc/D Ri(exp) Lc/D (exp) Error(%) wake closure length (Lc/D) 8 6 4 2 Numerik Hu etal 2011(exp) 0 3,4 2,9 0 3,03951 4,589885 0,25 3,4 2,9 0,19 2,5 0,5 6,1 5,6 0,5 7,26444 22,91216 0,75 7,9 7,4 0,72 8,41945 1 8,6 8,1 1,04 9,14894 11,46515 0 Coefficient drag(cd) 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0 0,25 0,5 0,75 1 Richardson Number (Ri) Re 135 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 Richardson number (Ri) gaya buoyancy akan semakin besar bertindak sabagai penghambat aliran dan mendorong daerah resirkulasi semakin ke belakang. Exp (Hu et al, 2011) Numerik Ri Cd Ri(exp) Cd(exp) Error (%) 0 1,43955 0 1,5 4,03 0,25 1,4944 0,5 1,94121 0,5 2,11198 0,75 2,66168 1 3,33333 1,04 3,5 10,6024 6,020815 Wake yang besar menyebabkan pressure drop tinggi sehingga Cd tinggi
Strouhal number 0,18 0,17 0,16 0,15 0,14 0,13 0,12 0,11 0,1 0,09 0,08 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 Richardson number Hu et al,2011 (exp) Numerik Ri St Ri(exp) St(exp) Error (%) 0 0.17116 0 0.171 0.14 0,25 0.164 0,19 0.161 0,5 0.121 0,5 0.118 12.6 0,75 0.119 0,72 0.105 1 0.110 1,04 0.103 6.6 gaya buoyance besar, menyebabkan frekuensi terbentuknya vortex shedding akan semakin kecil dan waktu terbentuknya vortex shedding akan semakin lama. Average Nu 12 10 8 6 4 2 0 Re 135 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 Richardson number (Ri) Exp (Hu et al, 2011) Numerik Ri Nu Ri(exp) Nu (exp) Error (%) 0.25 10,1356 0.5 6,9136 0.5 6,43575 7,424931 0.75 5,3 1 3,55932 1.04 2,81564 26,41247
Analisa dan Pembahasan Pengaruh Reynolds number pada Wake closure length (Lc), Drag Coefficient (Cd) dan Average Nusselt number 10 9 Wake closure length Wake Closure length(lc/d) 8 7 6 5 4 3 2 Re 100 Re 135 Re 200 1 0 0,25 0,5 0,75 1 Richardson Number (Ri) Re tinggi maka momentum yang dimiliki aliran kuat untuk mengatasi adverse pressure gradient dan gaya buoyancy, sehingga wake closure length (Lc) akan semakin kecil.
Analisa dan Pembahasan Coefficient Drag (Cd) 4 Drag Coefficient (Cd) 3,5 3 2,5 2 1,5 Re 100 Re 135 Re 200 1 0 0,25 0,5 0,75 1 Richardson Number (Ri) Seiring meningkatnya Re pada masing-masing nilai Ri maka daerah wake akan semakin kecil sehingga Cd kecil.
Analisa dan Pembahasan Average Nu 14 12 Average Nu 10 8 6 Re 100 Re135 Re 200 4 2 0,25 0,5 0,75 1 Richardson Number (Ri) Semakin cepat kecepatan pendinginan maka koefisien konveksi akan tinggi dan mengakibatkan nilai Nu akan tinggi.
Analisa dan Pembahasan Kontur kecepatan pada Re 100 pada saat t = 32 s a. Ri 0 b. Ri 0.5 c. Ri 1 Kontur temperatur pada Re 100 pada saat t = 32 s a. Ri 0.25 b. Ri 0.5 c. Ri 1
Analisa dan Pembahasan Kontur kecepatan pada Re 135 pada saat t = 32 s a. Ri 0 b. Ri 0.5 c. Ri 1 Kontur temperatur pada Re 135 pada saat t = 32 s a. Ri 0.25 b. Ri 0.5 c. Ri 1
Analisa dan Pembahasan Kontur kecepatan pada Re 200 pada saat t = 32 s a. Ri 0 b. Ri 0.5 c. Ri 1 Kontur temperatur pada Re 200 pada saat t = 32 s a. Ri 0.25 b. Ri 0.5 c. Ri 1
Kesimpulan Wake closure length (Lc) akan semakin panjang dengan ditingkatkannya Richardson number Koefisien drag akan semakin besar seiring ditingkatkannya nilai Ri Terbentuknya vortex shedding akan semakin kecil dan waktu terbentuknya semakin lama dengan ditingkatkannya nilai Ri. Nusselt number rata-rata akan menurun seiring bertambahnya nilai Ri. Dengan semakin tingginya nilai Re maka wake closure length akan kecil dan nilai koefisien drag semakin kecil Semakin tinggi Re maka Nusselt number rata-rata akan meningkat
TERIMA KASIH Mohon masukan dan saran