SIMULASI POLA ALIRAN OSILASI MENGGUNAKAN FLUENT 5.3R BAB 1. PENDAHULUAN ZUKRINA MASYITOH, ST Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Aliran osilasi di dalam kolom bersekat merupakan satu metoda yang mampu meningkatkan pencampuran pada aliran laminar di dalam sebatang kolom. Pencampuran aliran osilasi dapat dicapai sekiranya aliran berosilasi sepenuhnya melewati plat sesekat. Akan tetapi, aplikasi aliran osilasi melalui kolom bersekat menyebabkan pencampuran balik berlaku di antara peringkat. Pencampuran balik akan mengurangkan keberkesanan pencampuran di dalam kolom dan ia merupakan suatu kelemahan apabila aliran plug merupakan suatu system yang diinginkan. Dengan menggunakan perangkat lunak Fluent 5.3, suatu simulasi telah dilakukan pada menentukan pola aliran yang terbentuk di dalam kolom bersekat dengan aliran osilasi, dan untuk memastikan terjadinya pencampuran balik di dalam sistem kolom yang dibina. Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD) dilaksanakan di dalam kolom tegak dua peringkat setinggi 28.2 cm dan diameter dalam 9.4 cm. Plat sesekat dipasang di dalam kolom pada jarak 1.5 x diameter kolom. Simulasi aliran bertujuan untuk menggambarkan keadaan sebenarnya dari fenomena fisik yang terlibat di dalam aliran fluida. Simulasi dapat dikelompokkan pada dua padaan yaitu simulasi dinamik dan simulasi keadaan steady. Simulasi keadaan steady tidak bergantung dengan waktu sedangkan simulasi dinamik adalah bergantung dengan waktu dan banyak digunakan dalam menganalisis perubahan pola aliran dan masalah system kontrol. Fluent 5.3 merupakan perangkat lunak yang banyak dipilih untuk tujuan simulasi dinamik. Perangkat lunak ini adalah sesuai untuk menggambarkab aliran turbulen yang kompleks, reaksi kimia, pembakaran, dan aliran berbilang fasa. Kegunaannya dalam industri kimia adalah melibatkan simulasi di dalam kolom atau pipa, tangki reaktor, dan tangki pencampuran. 2002 digitized by USU digital library 1
BAB 2. KAEDAH SIMULASI Sebuah kolom bersekat telah dipilih sebagai peralatan yang akan disimulasikan. Kolom yang digunakan untuk simulasi ini ditunjukkan pada Gambar 1. Simulasi dilakukan terhadap parameter operasi dan parameter geometri untuk menentukan kesan parameter-parameter ini terhadap perubahan pola aliran dan kadar pencampuran balik. Batasan parameter yang digunakan diberikan pada Tabel 1 dan Tabel 2. TABEL 1. Parameter Geometri Variabel Dimensi Diameter kolom, D 9.4 cm Tinggi kolom, H=1.5 D 14.1 cm Diameter sesekat lubang tengah, Do 2, 3, 4 dan 5 cm Panjang pipa alir bebas,l 1, 2, 3, 4 cm pada Do 3 cm TABEL 2. Parameter Operasi Variabel Rentang Kadar alir ke depan, F f 0, 0.3, 0.5, 0.7, 1, 1.2 l/mnt Frekuensi osilasi, f 0.5, 0.667, 0.833, 1 Hz Amplitudo osilasi, x o 0.75, 1.0, 1.5 cm Aliran osilasi di dalam kolom bersekat disimulasikan menggunakan perangkat lunak computational fluid dynamics (CFD) FLUENT 5.3. CFD merupakan gabungan solver yang berasaskan pendiskretan finite volume. Simulasi dilakukan pada dimensi yang bersesuaian dengan dimensi kolom bersekat yang digunakan. Langkahlangkah yang diambil untuk membangunkan sebuah simulasi dinamika fluida kolom bersesekat dengan aliran osilasi adalah seperti berikut: 2.1. Membangun Grid Kualitas grid yang baik akan meningkatkan keakuratan dan kestabilan simulasi. Grid dibangun menggunakan GAMBIT yang merupakan suatu prapemproses di bawah kelompok FLUENT 5.3. Skema grid kolom bersesekat yang dihasilkan diberikan pada Gambar 2. Grid jenis empat-sisi berstruktur dua dimensi digunakan dengan menganggap bahwa geometri kolom yang akan diamati adalah cukup sederhana. Sistem koordinat yang digunakan ialah kartesian dengan pusat koordinat pada bahagian pusat geometri. Geometri yang digunakan dalam simulasi didasarkan atas peralatan yang dirancang. Dimensi maksimum dari permukaan grid ialah 290x94 mm. 2.2. Pemilihan Model dan Bahan Model solver yang digunakan ialah solver berasingan dimana ia digunakan untuk mengamati aliran yang tak boleh mampat dan boleh mampat pertengahan. 2002 digitized by USU digital library 2
Model fisik yang dipilih adalah jenis laminar dan keadaan aliran digambarkan dengan persamaan orde satu untuk aliran tidak steady. Aliran yang digunakan adalah aliran satu-fasa dengan air dipilih sebagai bahan yang digunakan. Viskositas air 0.001 kg/m.s dan densitas 1000 kg/m 3. Perubahan suhu di dalam aliran air adalah sangat kecil ( 2 0 C), sehingga dianggap bahwa aliran adalah satu suhu (suhu konstans) dan tak boleh mampat (densitas konstans). 2.3. Menentukan Keadaan Batas Keadaan batas diperlukan pada seluruh batas, iaitu batas dinding, batas masukan dan batas keluaran. Seluruh batas dinding adalah adiabatik dan merupakan batas yang tidak bergerak. Batas masukan dan keluaran menyatakan posisi fluida memasuki dan meninggalkan kolom bersekat. Kecepatan osilasi pada batas kecepatan masukan disimulasikan menggunakan fungsi sinus (Howes dan Mackley, 1991). Untuk kolom tegak dengan sistem koordinat kartesian, maka kecepatan ini pada arah sumbu-y diberikan seperti berikut: V y = V + 2x ωsin( ωt) (1) 0 o Persamaan di atas ditulis menggunakan bahasa pemrograman C dan dipanggil melalui padaan User Define Functions (UDF) untuk kemudian dibaca oleh batas masukan. Simulasi dilaksanakan pada rentang 2214<Re o <8858 dan 0.5<S t <0.99. Program C yang digunakan diberikan pada halaman 9. Batas keluaran dipilih untuk menyatakan model aliran yang keluar. Batas jenis keluaran dipilih karena kecepatan dan tekanan aliran pada bahagian keluaran tidak diketahui, sehingga FLUENT 5.3 akan mengekstrapolasi bacaan yang diperlukan oleh padaan dalam kolom. 2.4. Parameter Solver Nilai awal aliran masuk diberikan sebelum iterasi dimulai. Perhitungan dimulai dari daerah masuk. Iterasi dilakukan dengan selang waktu 0.0314 detik dengan iterasi maksimum tiap selang waktu adalah 20. 2002 digitized by USU digital library 3
BAB 3. HASIL SIMULASI Simulasi yang dilakukan bertujuan untuk mengamati pola aliran yang terbentuk di dalam kolom bersekat dengan aliran osilasi, kemudian untuk memastikan apakah pencampuran balik terjadi di dalam kolom bersekat dengan aliran osilasi, dan untuk mengamati bentuk pipa alir bebas yang terbaik yang boleh mengurangi pencampuran balik. Hasil yang diperoleh dari ketiga tujuan tersebut diberikat sebagai berikut. 3.1. Simulasi CFD untuk Pengamatan Pola Aliran Simulasi CFD dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak FLUENT 5.3 pada rentang kecepatan osilasi, x o* f, dari 0.75 cm/s hingga 1.5 cm/s dan pada frekuensi osilasi konstan 1 Hz (2214<Re o <8858 dan 0.5<S t <0.99). Pada simulasi ini aliran fluida masuk melalui kolom peringkat bawah, melalui bukaan antara peringkat dan keluar melalui peringkat atas. Dalam keadaan demikian, aliran kehadapan adalah perpindahan aliran dari arah bawah menuju atas dan aliran balik adalah perpindahan dari arah atas ke bawah. Gambar 3 hingga 5 menunjukkan distribusi vektor kecepatan aliran pada arah sumbu-y. Profil kecepatan untuk kedua-dua aliran kehadapan dan aliran balik yang ditunjukkan adalah serupa dengan pengamatan yang dilakukan oleh Howes et al. (1991), walaupun simulasi pada Gambar 3 hingga 5 dilakukan pada bilangan Reynolds osilasi yang lebih tinggi yang berarti bahwa pencampuran adalah lebih intensif. Dari pengamatan simulasi CFD kesan pencampuran ke atas penggunaan osilasi dan plat sesekat, Howes et al. (1991) menunjukkan bahwa adanya aliran kehadapan akan memisahkan fluida di hilir dari tiap-tiap sekat. Fluida yang terpisah membentuk vorteks-vorteks yang simetri di sekitar dinding dan plat sesekat. Pada arah osilasi berbalik ke bawah, vorteks yang terbentuk akan tertolak ke tengah ruang antara peringkat, bersamaan dengan itu vorteks baru juga terbentuk di belakang tiap-tiap sesekat. Peningkatan masa pencampuran dan Re o akan menjadikan pencampuran berlanjut hingga ke tengah kolom dan menjadikan pencampuran yang lebih efektif berlaku pada setiap ruang. Perilaku yang sama juga diamati di antaranya oleh Brunold et al. (1989) dan Hewgill et al. (1993), dimana mereka menyimpulkan bahwa interaksi antara plat sesekat dan aliran yang osilasi merupakan syarat utama pencampuran yang berkesan di dalam kolom aliran osilasi. 2002 digitized by USU digital library 4
Gambar 3 menunjukkan distribusi vektor kecepatan pada x o* f =0.75 cm/s. Pada posisi setengah osilasi (Gambar 3a) fluida akan bergerak ke atas hingga melintasi plat sesekat. Vorteks yang simetri akan terbentuk pada bahagian belakang tiap-tiap sekat. Vorteks-vorteks akan berpindah secara radial ke arah dinding kolom dan ketika berhampiran dengan dinding kolom, aliran vorteks akan terbagi menjadi dua komponen tegak yang kuat pada kedua-dua arah atas dan bawah. Pada satu osilasi penuh (Gambar 3b) di mana arah osilasi berbalik ke bawah, aliran akan mengalir kembali ke arah pusat bukaan. Kemudian sejumlah tertentu aliran diamati akan tertolak dan melintasi plat sesekat untuk berpindah ke peringkat sebelumnya. Dari keadaan ini dipastikan bahwa pencampuran balik berlaku di antara setiap peringkat di dalam kolom bersesekat. Gambar 4 dan Gambar 5 menunjukkan distribusi vektor kecepatan pada nilai kecepatan osilasi yang lebih besar iaitu 1 dan 1.5 cm/s pada frekuensi konstan 1 Hz. Pada frekuensi konstan, peningkatan kecepatan osilasi adalah sejalan dengan peningkatan amplitudo osilasi. Keadaan ini akan menghasilkan vorteks yang akan terdorong lebih jauh ke tengah ruang antara peringkat dengan volume yang lebih besar berbanding pengamatan sebelumnya. Pada arah aliran berbalik (Gambar 4b), pola aliran yang sama seperti pengamatan pada kecepatan 0.75 cm/s terhasil, akan tetapi dengan kecepatan sumbu-y dua kali lebih besar dengan peningkatan dua kali kecepatan osilasi. Kedua-dua hasil dari Gambar 4 dan 5 juga menunjukkan bahwa vorteks yang kuat akan terpisah setelah melintasi sesekat sehingga akan menghasilkan pencampuran radial yang besar. Pada saat aliran berbalik terlihat bahwa nilai kecepatan arah aksial (sumbu-y) mempunyai besar yang hampir setanding dengan arah radial (sumbu-x). 3.2. Simulasi CFD untuk Pengamatan Pencampuran Balik Gambar 6 menunjukkan profil kecepatan sumbu-y untuk mengamati kesan perubahan kecepatan osilasi (x o* f) ke atas kecepatan pencampuran balik. Profil kecepatan pencampuran balik diamati pada arah aliran berbalik dan pada posisi melintasi bukaan plat sesekat. Kecepatan pada arah sumbu-y menunjukkan tanda yang berlawanan pada arah aliran berbalik. Pada garis pusat bukaan 30 mm ini, kecepatan aliran balik adalah nol pada posisi 15 mm dan 15 mm iaitu pada pinggiran plat sesekat. Kecepatan aliran balik yang maksimum berlaku pada dua posisi di keratan lintang bukaan plat sesekat, iaitu pada posisi 7.5 mm dari pinggiran plat sesekat. Hal ini disebabkan pada arah osilasi berbalik terdapat sepasang vorteks yang bercampur balik ke peringkat sebelumnya. Daripada profil ini diperoleh bahwa pencampuran balik fluida sangat mungkin terjadi sewaktu aliran berosilasi kehadapan dan berbalik, khususnya untuk fluida yang berhampiran atau di sekitar bukaan plat sesekat. Pada kecepatan osilasi yang tinggi, terjadi kemasukan yang besar ke peringkat sebelumnya dan menghasilkan pencampuran balik yang besar jika arah aliran berbalik ke belakang. 3.3. Simulasi CFD untuk Pengamatan Pipa Alir Bebas (Draft Tube) Salah satu metoda yang direncanakan pada mengurangi kadar pencampuran balik adalah dengan menggunakan pipa alir bebas. Pipa alir bebas akan menyebabkan geseran bendalir di dalam sistem bertambah sehingga arah dan kecepatan aliran akan dapat dikontrol. 2002 digitized by USU digital library 5
Ingham (1972) melaksanakan ujikaji satu fasa di dalam kolom Oldshue- Rushton dengan diameter 15.24 cm. Beliau mendapati, selain kadar aliran kehadapan, maka penggunaan pipa alir bebas akan mengurangi kadar pencampuran balik dengan berkesan. Pada putaran motor pengaduk dan kadar alir kehadapan tertentu, pipa alir bebas dengan L/D o (rasio panjang pipa alir bebas dan diameter plat sesekat) lebih besar daripada 0.33, akan mengurangi kecepatan pencampuran balik menjadi nol. Ujikaji yang dijalankan oleh Vidaurri dan Sherk (1985) adalah di dalam tangki berpengaduk dengan diameter 20.3 cm. Seluruh kajian dilakukan menggunakan pipa alir bebas yang disambungkan kepada plat sesekat bukaan lubang tengah. Vidaurri dan Sherk (1985) menemukan bahwa pencampuran balik berkurang menjadi nol dengan meningkatnya rasio L/D o, kadar alir kehadapan dan viskositas fluida yang digunakan. Gambar 7 menggambarkan profil kecepatan sumbu-y untuk panjang pipa alir bebas yang berbeda-beda pada saat melintasi keratan lintang bukaan plat sesekat. Pada koordinat kartesian yang terletak di pusat geometri, kecepatan pada arah sumbu-y mempunyai tanda negatif pada arah aliran berbalik ke bawah. Gambar ini menunjukkan kecepatan pencampuran balik akan berkurang pada pipa alir bebas dengan ukuran yang lebih panjang. Sehingga diperoleh bahwa panjang keseluruhan pipa alir bebas mempunyai kesan yang nyata dalam mengurangkan kadar pencampuran balik. Gambar 8 menunjukkan hasil simulasi CFD pada menentukan kesan geometri pipa alir bebas terhadap kadar pencampuran balik. Pengamatan dilakukan pada arah aliran berbalik dengan menggunakan pipa alir bebas jenis A dan B dengan panjang pipa keseluruhan yang sama iaitu 2 cm. Berbeda dengan peralatan percobaan yang dibuat, dimana aliran kehadapan adalah perpindahan fluida dari atas ke bawah kolom; aliran kehadapan pada simulasi CFD adalah perpindahan fluida dari bawah ke atas. Sehingga pada simulasi ini aliran balik berarti perpindahan fluida dari atas ke bawah. Untuk itu pipa alir bebas jenis A yang digunakan diletakkan di atas plat sesekat agar bentuk geometri simulasi adalah bersesuaian dengan bentuk geometri ujikaji. Dari distribusi vektor kecepatan yang dihasilkan, pada pipa jenis A (Gambar 8a), vorteks tidak terbentuk pada pinggiran plat sesekat karena terhalang oleh pipa alir bebas. Vorteks bergeser ke arah tengah kolom sehingga pada pinggiran plat sesekat diperoleh daerah dengan pencampuran yang rendah (daerah mati). Pipa alir bebas dengan ukuran yang lebih panjang akan menjadikan vorteks bergeser lebih jauh ke arah tengah kolom sehingga daerah dengan pencampuran yang lebih rendah akan bertambah Pipa jenis B menunjukkan perilaku aliran yang lebih baik. Dengan panjang keseluruhan pipa alir bebas yang sama kolom jenis ini tidak mempunyai daerah dengan kadar pencampuran yang rendah. Pipa jenis B mempunyai dinding yang berada di atas dan di bawah plat sesekat, sehingga pipa alir bebas ini tidak menghalangi perilaku aliran. Interaksi antara osilasi fluida dan plat sesekat untuk memperoleh pencampuran yang berkesan akan dapat diperoleh, selain daripada itu kadar pencampuran balik yang lebih rendah juga akan diamati karena penggunaan pipa alir bebas jenis B. Sehingga disimpulkan bahwa selain daripada panjang keseluruhan pipa alir bebas, geometri daripada pipa alir bebas juga harus diperhitungkan dalam meminimumkan pencampuran balik. 2002 digitized by USU digital library 6
BAB 4. KESIMPULAN Hasil simulasi yang dilakukan menunjukkan bahwa pola aliran di dalam kolom bersekat adalah sebagaimana yang diharapkan, dan sistem aliran osilasi adalah memungkinkan untuk menghasilkan pencampuran yang efektif di dalam sistem yang digunakan yaitu sistem aliran osilasi di dalam kolom bersekat. Selanjutnya beberapa rumusan yang dapat dibuat berdasarkan kajian ini adalah: 1. Pola aliran yang terbentuk pada kedua-dua arah aliran yaitu aliran kehadapan dan aliran berbalik adalah bersesuaian dengan yang dihasilkan oleh peneliti sebelumnya, dimana adanya aliran kehadapan akan memisahkan fluida di hilir dari tiap-tiap sekat. Dan dengan adanya sesekat maka fluida yang terpisah akan membentuk vorteks-vorteks yang simetri di sekitar dinding dan plat sesekat. Peningkatan masa pencampuran dan Re o akan menghasilkan pencampuran yang lebih efektif dan berlaku pada setiap ruang. 2. Interaksi antara plat sesekat dan aliran osilasi merupakan syarat utama pencampuran yang berkesan di dalam kolom aliran osilasi. 3. Penyelakuan CFD menunjukkan bahwa pencampuran balik terjadi di dalam kolom aliran osilasi disebabkan oleh pola aliran di dalam kolom. 4. Penggunaan pipa alir bebas adalah berhasil mengurangkan pencampuran balik sejalan dengan rasio L/D o. Akan tetapi terdapat suatu batasan terhadap panjang pipa alir bebas yang digunakan karena peningkatan lebih lanjut panjang pipa alir bebas dapat mengurangkan keberkesanan pencampuran di dalam kolom. 5. Simulasi CFD juga memastikan bahwa penggunaan pipa alir bebas jenis B mempunyai daerah pencampuran rendah yang lebih kecil berbanding jenis A. Oleh karena itu, pipa alir bebas jenis B kelihatan lebih sesuai digunakan untuk mengelakkan perilaku aliran yang berubah-ubah pada aliran osilasi di dalam kolom bersesekat. 2002 digitized by USU digital library 7
DAFTAR PUSTAKA Brunold, C.R., Hunns, J.C.B. & Thompson, J.W. 1989. Experimental observation on flow patterns and energy losses for oscillatory flow in ducts containing sharp edges. Chem. Eng. Sci. 44: 1227-1244. Hewgill, M.R., Mackley, M.R., Pandit, A.B. & Pannu, S.S. 1993. Enhanchement of gas-liquid mass trasfer using oscillatory flow in baffle tubes. Chem. Eng. Sci. 48: 799-809. Howes, T. & Mackley, M.R. 1990. Experimental axial dispersion for oscillatory flow trough a baffled tube. Chem.Eng.Sci. 45: 1349-1358. Howes, T., Mackley, M.R. & Robert E.P.L. 1991. The simulation of chaotic mixing and dispersion for periodic flows in baffled channels. Chem.Eng.Sci. 46: 1669-1677. Ingham, J., Slater, M.J. & Retamales, J. 1995. Single phase axial mixing studies in pulsed sieve plate liquid-liquid extraction columns. Trans. IChemE. 72: 492-496. Vidaurri, F.C. & Sherk, F.T. 1985. Low backmixing in multistage agitated contactors used as reactors. AIChE Journal. 31(5): 705-710. Roberts, E.P.L. 1991. The simulation of chaotic advection for aplication to process engineering. Trans. IChemE. 69: 208-210. Roberts, E.P.L. & Mackley, M.R. 1995. The simulation of stretch rates for the quantitative prediction and mapping of mixing within a channel flow. Chem. Eng. Sci. 50: 3727-3746. 2002 digitized by USU digital library 8