• Tidak ada hasil yang ditemukan

SILINDER SIRKULAR TUNGGAL PADA REGIME SUB-CRITICAL Arif Kurmiawan 1)

Dalam dokumen Prosiding SNTM 7 UK Petra (Halaman 124-129)

Jurusan Teknik Mesin Institut Teknologi Sepuluh Nipember 1)

FTI-Teknik Mesin, Surabaya 60111. Indonesia 1)

Phone: 081-8520706 1)

E-mail :arif10@mhs.me.its.ac.id1) ABSTRAK

Aliran yang terjadinya pada silinder sirkular ditandai dengan adanya titik stagnasi, separasi shear layer dan terbentuknyawake. Karakteristik flow regimes alirannya bisa berupa unsteady laminar (regime terbentuknya vortex shedding), transitional ( regime dengan pola aliran transisi menuju turbulen pada daerah wake) dan sub-critical ( regime terbentuknya turbulen pada shear layer). Besarnya nilai Reynolds number sangat berpengaruh pada karakteristik flow regimes aliran ini, sedangkan proses perpindahan panasnya banyak dipengaruhi oleh nilai Prandtl number. Besarnya nilai heat transfer ditunjukkan dengan parameter Nusselt number.Penelitian ini menggunakan studi numerik dengan memodifikasi kuantitas turbulen, yaitu pada turbulent viscosity dengan melakukan interpret udf (user define function). Hasil studi numerik yang berupa Nusselt number akan dibandingkan dengan nilai Nusselt number hasil eksperimen.Metode yang digunakan adalah 2-D, steady dan unsteady, RANS (Reynolds-Averaged Navier Stokes) dengan 3 pemodelan,yaitu standard k-є, standard k-ω, dan SST k-ω turbulence model. Studi numerik menunjukkan hasil yang signifikan pada proses perpindahan panas di titik stagnasi.

Kata kunci: Nusselt number, turbulent viscosity, titik stagnasi. 1. PENDAHULUAN

Aliran yang melintasi (cross flow) silinder sirkular pada

range Reynolds number tertentu yaitu ReD≥ 40 kemungkinan

besar akan terjadi fenomena aliran yang dikenal dengan istilah vortices,periodik vortex, vortex shedding dan karman vortex street akibat adanya separasi aliran.[1][2][3] Pada downs- tream di belakang silinder sirkular di wake region adalah area yang merupakan tempat yang signifikan terjadinya pening- katan heat transfer.[1][4][5] Pada daerah itu, mixing layer fluida pada permukaan silinder sirkular lebih sering terjadi karena adanya rotasi dan sirkulasi (swirling atau stirring) dari aliran fluida.

Regime sub-critical berada pada range Reynolds number

sekitar 300 < ReD < 2x105. Pada regime ini akan terjadi turbulent wake, separasi shear layer, periodic vortex dan

untuk Reynolds number yang cukup tinggi akan terbentuk

laminar boundary layer yang terseparasi di upstream silinder

sirkular dengan kondisi karakteristik aliran yang cenderung turbulence. Nilai Strouhal numbernya konstan pada St = ± 0.2.

Dari hasil studi dan penelitian tentang periodic

vortex[1][2][3][4][5], proses terjadinya diawali dengan adanya

separasi kemudian terbentuk vorticity yang banyak di-

pengaruhi oleh adanya adverse pressure gradient dan shear

stress (gaya viskos) serta gaya-gaya aerodinamik seperti drag force dan lift force. Diketahui bahwa fenomena aliran yang

mengarah pada terbentuknya periodic vortex flow dapat me-

ningkatkan heat transfer, dalam hal ini adalah dapat mening-

katkan nilai dari Nusselt number, dimana Nusselt number

merupakan parameter yang mengindikasikan terjadinya pro- ses heat transfer yang nilainya sangat dipengaruhi oleh

Reynolds number dan Prandtl number.

Modifikasi turbulent viscosity[6][7] dimaksudkan untuk

mereduksi perhitungan level turbulen dengan cara menaik- kan produksi disipasi energi atau menurunkan produksi

turbulent kinetic energy. Penelitian yang telah dilakukan

dengan memodifikasi turbulent viscosity digunakan untuk

mengananalisis perpindahan panas pada titik stagnasi.[8]

Studi ini menggunakan parameter data hasil eksperimen[9]

yang akan dibandingkan dengan data hasil simulasi numerik.

Reynolds number eksperimen sebesar ReD = 35950, diameter

silinder sirkular (D) 25 mm, turbulence intensity Tu = 0.34%, kecepatan v = 25 m/s, Strouhal number St = 0.16, frekuensi 216 Hz. Property fluida menggunakan udara Pr = 0.7, dengan kondisi temperatur dinding silinder sirkular dijaga konstan pada temperatur Tw 310 ºC, temperatur freestream T~ = 28 ºC.

Pengukuran eksperimen pada Nusselt number front stag-

nation point diperoleh hasil sebesar Nufsp = 184.

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui

pengaruh modifikasi turbulent viscosity pada hasil simulasi

numerik dengan membandingkan data hasil simulasi dengan data hasil eksperimen.

2. METODOLOGI

2.1. Konsep dan Persamaan Dasar

Pada studi ini, aliran diasumsikan sebagai 2-D (dua dimensi), fully developed, external flow, setting simulasi

steady dan unsteady, incompressible of Newtonian fluid dan viscous fluid. Persamaan dasar aliran dan perpindahan panas:

Mass Conservation

∂ρ

∂t + ∇ ρu = 0 (1)  Continuity

∇. u = 0 (2)

∂u ∂t+ u.∇ u =− 1 ρ∇p−g +ν∇²u (3)  Energy ρCp ∂T ∂t +ρCp u.∇ T = k∇²T (4)  Nusselt Number 𝑁𝑢=hconv D kfluid

2.2 Model dan Metode Numerik

Simulasi menggunakan metode RANS (Reynolds-

averaged Navier-Stokes) model, software FLUENT 6.3

dengan 3 model turbulen yaitu standard k-є, standard k-ω,

dan SST k-ω turbulence models.

Computation domain dibuat sesuai dengan geometri kasus dari aliran fluida dan perpindahan panas yang akan diteliti, yaitu aliran melintasi (cross flow) silinder sirkular

dalam sebuah wind tunnel dengan kondisi aliran konveksi

paksa (force convection) 2-D. Model meshing menggunakan

quadrilateral map, seperti pada Gambar 1.

Gambar 1. Computation domain and model meshing

(quadrilateral map)

FLUENT mengunakan metode finite volume dan teknik implisit dalam menyelesaikan persamaan-persamaan aliran

fluida dan perpindahan panas pada kasus yang terjadi. Setting

FLUENT dalam kasus yang terjadi pada penelitian ini adalah

sbb: pressure discretization menggunakan STANDARD

method, velocity-pressure coupling discretization meng-

gunakan SIMPLEC method, dan QUICK discretization

scheme digunakan untuk menyelesaikan persamaan momen-

tum, turbulent kinetic energy dan persamaan energi.

Turbulence model yang dipakai pada studi ini adalah

standard k-є, standard k-ω, dan SST k-ω turbulence models.

Pada standard k-є dan standard k-ω dilakukan modifikasi

turbulent viscosity, sedangkan pada SST k-ω menggunakan persamaan dasarnya dan tanpa melakukan modifikasi.

Modifikasi turbulent viscosity pada standard k-є:[6][7]Turbulent Kinetic Energy

𝜕𝑡 𝜌𝑘 +∇. 𝜌𝑈𝑘 = 𝜌𝑃𝑘− 𝜌𝜀+∇. ((𝜇+𝜇𝑡)∇𝑘 , dimana 𝜌𝑃𝑘 =𝑅:∇𝑈=−32 𝜌𝑘 ∇.𝑈 + 2𝜇𝑡 𝑆 22 3𝜇𝑡 ∇.𝑈 2 dengan Sij = ½(𝜕jUi + 𝜕iUj) (5)

Spesific Dissipation Rate (є)

𝜕𝑡 𝜌𝜀 +∇. 𝜌𝑈𝜀 =𝐶𝜀1𝜌𝑃𝑘−𝑇𝐶𝜀2𝜌𝜀+∇. ((𝜇+𝜇𝜎𝑡𝜀)∇𝜀 (6)

Turbulent viscosity(Eddy viscosity)

𝜇𝑡=𝐶𝜇𝜌𝑘𝑇𝑡 (7)  TurbulentTime Scale (Tt)

𝑇𝑡=𝑚𝑖𝑛 𝑘𝜀,32𝐶𝜇 8 𝑆 32 (8)

Model Konstan

Cε1 = 1.44; Cε2 = 1.92; σε = 1.3; Cμ = 0.09

Modifikasi turbulent viscosity pada standard k-ω:[6][7]Turbulent Kinetic Energy

𝜕𝑡 𝜌𝑘 +∇. 𝜌𝑈𝑘 =𝜌𝑃𝑘− 𝐶𝜇𝜌𝜔𝑘+∇. ( 𝜇+𝜎𝑘𝜇𝑡 ∇𝑘), dimana 𝜌𝑃𝑘=𝑅:∇𝑈=−23 𝜌𝑘 ∇.𝑈 + 2𝜇𝑡 𝑆 2−2 3𝜇𝑡 ∇.𝑈 2 dengan Sij = ½(𝜕jUi + 𝜕iUj) (9)  Spesific Dissipation Rate (ω)

𝜕𝑡 𝜌𝜔 +∇. 𝜌𝑈𝜔 =𝑇1 𝛾1 𝐶𝜇𝑘𝜌𝑃𝑘− 𝛽1 𝐶𝜇𝜌𝜔 + ∇. (𝜇+𝜎𝜔𝜇𝑡)∇𝜔) (10)

Turbulent viscosity(Eddy viscosity)

𝜇𝑡=𝐶𝜇𝜌𝑘𝑇𝑡 (11)  TurbulentTime Scale (Tt)

𝑇𝑡=𝑚𝑖𝑛 𝐶𝜇1𝜔, 6 𝐶𝛼𝜇 𝑆 (12)  Model Konstan

σk= 0.5; σω= 0.5; γ1= 5/9; β1 = 0.075; Cμ = 0.09 Sebelum melakukan simulasi pada FLUENT, maka harus dilakukan setting sesuai kasus dan parameter data yang akan disimulasikan. Dalam studi ini menngunakan parameter data eksperimen seperti yang sudah dijelaskan pada bagian pendahuluan. Simulation setting yang digunakan pada FLUENT bisa dilihat pada tabel 2.

Tabel 1.Simulation Setting

Settings Pemilihan

Simulation type 2-D, Steady dan Unsteady

Solver Double precision,

Pressure based and implicit

Temporal discretization 2nd order

Turbulence model k-є, k-ω and SST; modifikasi

turbulen viscosity

Pressure STANDARD

Pressure-velocity coupling SIMPLEC

Momentum QUICK Turbulent kinetic energy QUICK (for k-ω model)

Turbulent dissipation rate QUICK (for SST)

Specific dissipation rate QUICK

Energi 10-7

Inlet Parameter:

A. Fluida: Udara:ReD = 35950; Pr = 0.7, T~ = 28 ºC,v=25m/s

Seminar Nasional Teknik Mesin 7 21 Juni 2012, Surabaya, Indonesia

3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Karakteristik Aliran

Karakteristik aliran ditandai dengan adanya titik stagnasi, separasi, shear layer dan periodic vortex. Karakteristik aliran

pada regime sub-critical ReD = 35950 yaitu shear layer pada

bagian atas dan bawah permukaan silinder mengulung

membentuk small-scale vortices(eddy) disertai terbentuknya

laminar boundary layer yang terseparasi melalui upstream

bagian depan silinder.

Gambar 2. Kontur aliran pada unsteady k-ω SSTturbulent model (tanpa modifikasi turbulent viscosity)

Pada downstream di belakang silinder sirkular terjadi

turbulent wake dan periodic vortec seperti pada Gambar 2 dan Gambar 3.

Gambar 3. Kontur aliran pada unsteady standard k-є turbulent model (tanpa modifikasi turbulent viscosity) 3.2 Hasil Simulasi Numerik Perpindahan Panas

Gambar 4. Surface Nusselt number (NuФ) pada ReD =

35950 hasil simulasi unsteady dengan dan tanpa modifikasi, serta data eksperimen[9].

Gambar 5. Surface Nusselt number (NuФ) pada ReD =

35950 hasil simulasi steady dengan dan tanpa modifikasi, serta data eksperimen[9].

Istilah yang dipakai pada studi numerik ini adalah T-Lim (T-Limited) yang menunjukkan bahwa model turbulen yang dipakai dalam bentuk modifikasi. Sedangkan T-Ave menun- jukkan bahwa simulasi dilakukan pada kondisi unsteady.

Pada Gambar 4 dan Gambar 5 terlihat jelas bahwa heat transfer yang terjadi sebelum dilakukan modifikasi pada

turbulent viscosity hasil simulasi menunjukkan nilai yang berada di atas hasil data eksperimen baik pada aliran steady dan unsteady. Sedangkan hasil simulasi yang menggunakan

modifikasi pada turbulent viscosity menunjukkan hasil yang

sangat signifikan dimana nilainya hampir mendekati hasil pada eksperimen terutama nilai heat transfer pada titik stagnasi Nusselt number front stagnation point (Nufsp).

Pengaruh dari metode modifikasi turbulent viscosity ada-

lah bahwa modifikasi turbulent viscosity dapat menurunkan

besarnya nilai turbulent kinetic energy, atau dalam hal ini

adalah dapat meningkatkan terjadi disipasi.

Kondisi ini dapat diperjelas dengan melihat kontur level

turbulent kinetic energy seperti terlihat pada Gambar 6,7,8 dan 9.

Gambar 6. Kontur Level turbulent kinetic energy pada steady standard k-є turbulent model (tanpa modifikasi

turbulent viscosity)

Dari Gambar 6,7,8 dan 9 tampak jelas bahwa simulasi

numerik yang menggunakan metode modifikasi turbulent

terutama di titik stagnasi, sedangkan pada wake region juga berpengaruh tapi tidak terlalu signifikan jika dibandingkan pengaruhnya di titik stagnasi.

Gambar 7. Kontur Level turbulent kinetic energy pada

steady standard k-є turbulentmodel (dengan modifikasi

turbulent viscosity)

Gambar 8. Kontur Level turbulent kinetic energy pada steady standard k-ω turbulentmodel (tanpa modifikasi

turbulent viscosity)

Gambar 9. Kontur Level turbulent kinetic energy pada

steady standard k-ω turbulentmodel (dengan modifikasi

turbulent viscosity)

Besarnya nilai heat transfer yang terjadi pada aliran yang melintasi silinder sirkular tunggal pada titik stagnasi ada hubungannya dengan besarnya heat flux, yang dirumuskan dengan persamaan sbb:

𝑞𝑡=𝜇𝑃𝑟𝑡𝐶𝑡𝑝∇𝑇 (13)

dimana T=temperatur

Dari persamaan ini dapat dipahami bahwa dengan

memodifikasi μt (turbulent viscosity) yaitu pada parameter

T-Limited atau pada parameter TurbulentTime Scale (Tt)

dapat berpengaruh untuk mereduksi besarnya heat transfer yang terjadi.

Besarnya perbandingan nilai Nusselt number front

stagnation point (Nufsp) hasil simulasi dan eksperimen bisa

dilihat pada Tabel 2.

Dari Tabel 2 dapat diketahui bahwa modifikasi turbulent

viscosity memberikan pengaruh yang cukup signifikan pada proses terjadinya heat transfer di titik stagnasi. Yang menarik

adalah pemodelan menggunakan k-ω SST dapat mempre-

diksi perpindahan panas di titik stagnasi dengan hasil yang cukup akurat meskipun tanpa menggunakan modifikasi

turbulent viscosity.

Tabel 2.Nusselt number front stagnation point (Nufsp)

Nufsp eksperimen =184 Perbedaan

Steady Standard k-є ( Nufsp =233.48) 26.89 %

Unsteady Standard k-є (Nufsp =233.48) 26.89% Standard k-є T-Lim (Nufsp =178.28) -3.1%

Unsteady Standard k-є T-Lim (Nufsp =180.28) -0.02%

Steady Standard k-ω( Nufsp =378.32) 105.6% Unsteady Standard k-ω (Nufsp = 494.37) 168.7% Standard k-ω T-Lim (Nufsp =182.32) -0.91%

Unsteady Standard k-ω T-Lim (Nufsp =181.29 ) -1.47%

Steady k-ω SST ( Nufsp =187.28) 1.78% Unsteady k-w SST ( Nufsp =188.35) 2.36%

3. KESIMPULAN

 Pengaruh penggunaan metode modifikasi dapat menu-

runkan besarnya level turbulent kinetic energy, sehingga

juga mereduksi besarnya nilai heat transfer. Jika diapli- kasikan pada simulasi numerik hasilnya adalah dapat memberkan prediksi yang lebih akurat pada proses perpindahan panas di titik stagnasi.

 Model turbulen k-ω SST bisa digunakan untuk mem-

prediksi proses perpindahan panas pada aliran yang melintasi silinder sirkular dengan hasil yang cukup akurat

meskipun tanpa menggunakan modifikasi turbulent

viscosity pada ReD yang cukup tinggi di sub-critical regime. Model k-ω SST juga cukup akurat memprediksi

perpindahan panas pada Reynolds number yang lebih

rendah seperti yang pernah diteliti oleh penulis.[10]

 Untuk memprediksi proses perpindahan panas yang

menggunakan model turbulen standard k-є dan standard

k-ω baik aliran steady dan unsteady hasilnya akan lebih

akurat jika menggunakan metode modifikasi turbulent

viscosity.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Sanijai, S., and Goldstein, R. J., Forced convection heat

transfer from a circular cylinder in crossflow to air and liquids, International Journal of Heat and Mass

Transfer 47 (2004) 4795–4805.

[2] Sarkar, S., et. al. , Unsteady wake dynamics and heat

transfer in forced and mixed convection past a circular cylinder in cross flow for high Prandtl numbers, International Journal of Heat and Mass Transfer 54 (2011)3536-3551.

[3] Roshko A., On the Development of Turbulent Wakes

From Vortex Streets, (1953) Supersedes NACA TN 2913.

[4] Beaudan, P. and Moin, P. (1994), Numerical Experi-

ments on The Flow past a Circular Cylinder at Sub-Critical Reynolds Number, Research in Stanford University California.

[5] Kieft, R., et. al., Near-wake eects eects of a heat input on the vortex-shedding mechanism, International Journal of Heat and Fluid Flow 28 (2007) 938-947. [6] Durbin, P. A., On the k-є stagnation point anomaly,

International Journal Heat and Fluid Flow, Vol. 17, no.1, February 1996

Seminar Nasional Teknik Mesin 7 21 Juni 2012, Surabaya, Indonesia

[7] Medic, G. and Durbin, P. A., Toward Improved

Prediction of Heat Transfer on Turbine Blades, Journal of Turbomachinery, 2002, Vol. 124, 187-192.

[8] Szczepanic, K., et. al., A Numerical Study of Heat

Transfer from a Cylinder in Crossflow, 15th Australasian

Fluid Mechanics Conference, 13-17 December 2004

[9] Scholten, J. W. and Murray, D. B., Unsteady Heat

Transfer and Velocity of a Cylinder in Cross Flow – I.

Low Freestream Turbulence, International Journal of Heat and Mass Transfer, 1998, 41, (10), 1139-1148.

[10] Kurniawan, A., Studi Numerik Pengaruh Prandtl Num-

ber dan Reynolds Number pada Aliran Unsteady Melintasi (Cross Flow) Silinder Sirkular Tunggal Ter- hadap Karakteristik Aliran dan Perpindahan Panas, 2012, Seminar Nasional SCIETEC, Universitas Brawijaya Malang.

K-74

PERANCANGAN FUEL GAS TREATMENT UNTUK PLTG

Dalam dokumen Prosiding SNTM 7 UK Petra (Halaman 124-129)

Garis besar

Dokumen terkait