Manometer-DAQ
3.4 Validasi simulasi aliran pada blunt rectangular berdasarkan eksperimen Djilali. eksperimen Djilali
Pada proses numerik diperlukan tahap validasi hasil numerik dengan hasil eksperimen yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya yaitu Djilali [26]. Metode numerik dilakukan dengan menggunakan analisa 2D dan persamaan viscous Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) dan kondisi keadaan tunak (steady state). Pengamatan yang dilakukan dengan menggunakan beberapa ketebalan Bluff Rectangular yang dinyatakan dengan bilangan tak berdimensi.
89
Blockage rasio , dinyatakan sebagai Br = 5.8% dan aliran yang melintasi menggunakan Red=5.104. Intensitas turbulensi (Tu) aliran saat masuk dalam test section adalah 0.25% dan length scale turbulent 0.001 meter. Kemudian evaluasi difokus pada posisi x = 1.08Xr. Kondisi batas ini disesuaikan seperti yang dilakukan oleh Djilali et al [22,23]. Domain simulasi dipaparkan pada gambar 3-21.
Beberapa pernyataan dari pedoman terhadap ketidak pastian CFD yang telah disepakati AIAA G-077-1998 dikemukan oleh Feritas [51]. Proses awal dievaluasi terhadap grid independency. Setelah itu dilanjutkan dengan variasi model viscous, dicreatization persamaan dan hubungan metode perhitungan antara tekanan dan momentum. Bagan alur validasi dipaparkan pada gambar 2-22.
Pada proses numerik pengaruh variasi mesh tidak mempengaruhi hasil simulasi, penyataan tersebut disebut sebagai grid independency. Pada gambar 3-23 dipaparkan variasi meshing yang dikaji dalam proses validasi. Mesh A merupakan model dengan jumlah mesh yang terkecil, kemudian selanjutnya Mesh B sampai dengan F jumlah mesh semakin meningkat dua kali lipat. Oleh karena itu dicari batasan ukuran mesh yang tidak mempengaruhi hasil simulasi numerik.
90 Grid Independency 1.Mesh A (size =3) 2.Mesh B(size =2) 3.Mesh C(size=1.5) 4.Mesh D(size=1) 5.Mesh E(size= 0.75) 6.Mesh D(size =0.5) Pedoman CFD (AIAA G-077-1998) Discreatization
Equation Viscous Model
Hubungan Pressure and Momentum 1.Discreatizaion A. 2.Discreatization B. 3.Discreatization C. 4.Discreatization D. 1.SIMPLE. 2.SIMPLEC. 3.PISO. 4.COUPLE. Two Equation 1.Standard k- Epsilon. (SKɛ ) 2.RNG k-Epsilon.(RNG-Kɛ ) 3.Realizable k-Epsilon. (RZ-Kɛ ) 4.Standard k-Omeg. (SKω ).
5.Shear Stress Transport k-Omega (SSTKω). Five Equation
6.Reynolds Stress Model (RSM)
Kualitatif
Tabel Nilai Kecepatan Pada x = 1.080 Xr, y=0.1Xr.
Profil Kecepatan pada x=1.080 Xr dan x=1.296Xr.
Evaluasi dengan Ekperimen
Kuantitatif
Kontur kecepatan dan streamline aliran
disekitar bluff retangular
Anggapan tentang mesh yang semakin rapat dihasilkan kualitas hasil simulasi yang lebih baik, namun hal tersebut tidak terbukti. Pada makalah ini hasil terhadap kajian mesh dipaparkan pada tabel 3-4. Keakuratan pada proses simulasi numerik dinyatakan dalam bentuk penyimpangan prediksi atau error terhadap nilai eksperimen. Hasil untuk mesh A, B dan C didapatkan bahwa penyataan tentang semakin rapat mesh dihasilkan kesalahan yang lebih kecil, namun untuk mesh D, E dan F menunjukkan yang berkebalikan bahwa semakin rapat menghasilkan kesalahan prediksi semakin besar. Hal ini dinyatakan bahwa mesh memiliki sesuatu konfigurasi optimal sesuai dengan bentuk dan model yang dibentuk. Sehingga kajian mesh diharuskan dilakukan pada awal proses simulasi.
91 Sebab tidak ada kepastian tentang ukuran dan bentuk yang optimal, hal ini sangat tergantung dari kecepatan aliran, fluida, kekasaran permukaan dan geometri benda. Kajian ini menentukan batas mesh yang memiliki grid independency
Tabel 3-4 Variasi Meshing terhadap grid independency
Mesh A Mesh B
Mesh C Mesh D
Mesh E Mesh F
Model Cells Nodes y+(Max) y+(Min)
U
x1.08xr,y0.1xr Error Iterasi
Mesh A 13,640 13,890 124.52 161.35 0.626 7.5% 436 Mesh B 30,720 31,095 82.75 95.68 0.687 1.5% 690 Mesh C 54,880 55,380 61.26 63.61 0.680 0.4% 1030 Mesh D 123,240 123,989 39.80 42.08 0.638 5.7% 2013 Mesh E 192,450 193,386 30.98 33.17 0.607 10.3% 3193 Mesh F 41,800 343,047 22.04 24.04 0.577 14.7% 5502 Eksperimen 0.677 0.1%
92 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 0.5 1 1.5 y /X r u/Uo Ekperiment, Djilali[26] Mesh A Mesh B Mesh C Mesh D Mesh E Mesh F
Evaluasi pada suatu posisi tertentu memungkinkan terjadi kesalahan secara konseptual, sehingga perlu dipaparkan profil kecepatan di titik pengamatan seperti dipaparkan pada gambar 3-24. Semua model grid independent dibawah y <0,1xr dihasilkan under prediction sedangkan y>0,1xr diatasnya dihasilkan nilai yang over prediction dibandingkan dengan nilai eksperimen. Profil kecepatan yang terjadi pada posisi pengamatan memiliki kecenderungan yang sama seperti yang dipaparkan pada tabel 3-5.
Parameter yang lain didalam simulasi numerik dinyatakan dengan y+ dan y* yaitu parameter non dimensional perbandingan posisi y dengan fungsi tegangan geser permukaan. Untuk nilai yang dianjurkan diantara 30-300, sehingga sangat tergantung jarak mesh pertama terhadap dinding. Hasil menunjukkan nilai y+ dan y* yang memiliki antara nilai 60 dihasilkan prediksi yang sangat baik.
Evaluasi dilanjutkan pada variasi permodelan turbulence yang dipaparkan tabel 3-6, untuk perbedaan prediksi aliran dengan berbagai model viscous. Semua model viscous selain RNG-Kɛ dan SST-Kω didapatkan kesalahan prediksi 10% -15% dibandingkan dengan eksperimen, sehingga sangat tidak dianjurkan digunakan untuk memprediksi aliran pada kondisi didekat dinding dan memprediksi separasi aliran. Sedangkan untuk model terbaik adalah model viscous SST-Kω dengan kesalahan prediksi disuatu posisi sebesar 0.37% dan S
93 Kɛ sebesar RMS 1.48%. Sedangkan pada keluarga K-Epsilon menunjukkan hasil yang terbaik model S-Kɛ dihasilkan prediksi terbaik sebesar 5.76%.
Tabel 3-5 Variasi Model Turbulence Viscous.
Proses discreatization persamaan tekanan, momentum dan model viscous diharuskan menggunakan lebih dari second order didalam pedoman simulasi numerik, hal ini perlu dibuktikan secara kualitatif yang dipaparkan pada tabel 3-6. Untuk nilai pada posisi tertentu didapatkan bahwa fist order dan dihasilkan kesalahan prediksi yang kecil paling kecil, kemudian second order dibandingkan dengan orde yang lebih tinggi, namun nilai kesalahan penyimpangannya tidak terlalu besar. Sedangkan untuk model dicretization yang lebih tinggi seperti model discreatization D dan C menunjukkan kesalahan yang lebih besar. Kemudian untuk discreatization D menunjukkan nilai yang lebih kecil dibandingkan dengan discreatization C, walaupun tidak konvergen. Proses iterasi selalu diharapkan waktu proses iterasi lebih cepat dan selalu konvergen, sehingga disimpulkan bahwa discreatization untuk proses CFD dianjurkan hanya digunakan cukup second order.
Tabel 3-6 Evaluasi Discretization
Model Pressure Momentum k ω x1.08xr,y0.1xrU Error Iterasi
Discret A Standard Fist Order Upwind
Fist Order Upwind
Fist Order
Upwind 0.67711 0.02% 921
Discret B Second Order Sec. Order Upwind
Sec. Order Upwind
Sec. Order
Upwind 0.67952 0.37% 1030
Discret C PRESTO QUICK QUICK QUICK 0.65609 3.09% 1136
Discret D PRESTO Third Or. MUSCL
Third Or. MUSCL
Third Or.
MUSCL 0.68990 1.91% non conv
Eksperimen 0.677 0.0%
Model Viscous Ux1.08xr,y0.1xr Error Iterasi
SKɛ Standard K-Epsilon 0.638 5.76% 2013 RNG-Kɛ RNG K-Epsilom 0.607 10.34% 3193
RKɛ Realizable K-Epsilon 0.577 14.77% 5502
SKω Standard K-Omega 0.572 15.51% Non Conv
SST-Kω SST-K-Omega 0.680 0.37% 1030
RSM Reynolds Stress Model 0.687 1.48% 690
94
Hubungan perhitungan antara nilai tekanan dan momentum dengan beberapa metode dinyatakan pada tabel 3-7. Hasil pada tabel tersebut menunjukkan metode SIMPLEC lebih baik baik dibandingkan dengan metode yang lain namun waktu iterasi yang dibutuhkan lebih lama. Khusus kasus bluff rectangular yang terjadi perbedaan kecepatan yang tinggi, maka kecepatan digunakan sebagai tebakan awal dalam proses iterasi lebih baik menggunakan penebakan nilai awal simulasi berdasarkan kecepatan. Hal ini serupa metode SIMPLEC yang melakukan tebakan awal dengan kecepatan kemudian dikoreksi dengan tekanan, sehingga metode ini paling baik digunakan untuk variasi kecepatan yang tinggi. Sebab karakteristik aliran yang terjadi di bluff rectangular
terjadi bubble separation dengan memiliki nilai variasi kecepatan yang sangat besar pada daerah tersebut.
Tabel 3-7 Hubungan tekanan dan kecepatan pada proses simulasi.
Model Pressure-Velocity Ux1.08xr,y0.1xr Error Iterasi
SIMPLE SIMPLE 0.67952 0.37% 1030
SIMPLEC SIMPLEC 0.67602 0.14% 1212
PISO PISO 0.68200 0.74% 1084
COUPLE COUPLE 0.67951 0.37% non conv
Eksperimen 0.67700 0.00%
`
Parameter kesalah prediksi hasil simulasi yang dapat diterima dalam penelitian dinyatakan lebih dari 10% dari data eksperimen. Pada tabel 3-8 parameter yang masih memungkin digunakan dalam simulasi bubble separation. Khusus parameter grid independency sangat tergantung dari bentuk geometri dan tempat analisa, yang dinyatakan dengan parameter y+.
Tabel 3-8 Parameter FLUENT 3D yang direkomendasikan.
Grid independency y+= sesuai wall function, terbaik 60.
Model Viscous SST-K-Omega, RSM, SK-Epsilon
Discetization Equation Semua model, Fist-order terbaik Hubungan Tekanan dan Kecepatan Semua model, SIMPLEC terbaik
95 Sesuai dengan rekomendasi yang telah ditetapkan, sebelum kajian numerik dilakukan pengujian grid Independence terlebih dahulu. Model yang digunakan merupakan aliran pada pelat datar pada kecepatan udara free stream 15m/s dengan intensitas turbulensi 5%. Pada tabel 3-9 dipaparkan variasi mesh dari A sampai dengan mesh D untuk setiap tingkatan mesh dilakukan pengurangan jumlah mesh dengan interval setengah dari mesh sebelumnya. Dasar jumlah Mesh A disesuaikan dengan kebutuhan analisa aliran separasi 3D yang terjadi di dinding, sehingga y+ diharuskan berada di dalam boundary layer.
Lapisan boundary layer paling dekat dinding adalah laminar sublayer di mana nilai y+ kurang dari 10. Mesh yang masih menjangkau daerah laminar sublayer adalah Mesh A dan Mesh, sedangkan untuk nilai kecepatan dan shape faktor Mesh A,B dan C memiliki nilai yang mendekati sama. Oleh karena itu Mesh B merupakan pilihan terbaik untuk proses simulasi lebih lanjut, dimana nilai kecepatan dan shape faktor mendekati sama dengan dua mesh yang lain sehingga telah memiliki grid Independence. Hasil evaluasi ini tidak dapat divalidasi dengan hasil eksperimen, sebab posisi laminar sublayer sangat tipis dari dinding dan sulit diukur. Namun profil kecepatan pelat datar tersebut dibandingkan dengan persamaan power law yang terjadi pada aliran internal saat sudah fully development.
Tabel 3-9 Evaluasi grid indepedency pelat datar.
Validasi profil kecepatan dengan power law yang dipaparkan pada gambar 3-25, Penyelesaian persamaan Blasius merupakan persamaan aliran laminar sedangkan untuk aliran turbulen ditunjukkan pada power law. Persamaan power law dengan n=5 yang paling mendekati hasil simulasi numerik aliran free stream
Model Node Cells y+ y* Iterasi
Velocity (m/s) Shape Factor (x=164mm, y=0.5mm) H=δ*/θ Mesh A 177,711 176,000 4.761 4.739 2102 9.53 2.02 Mesh B 116,497 115,200 7.772 8.904 2033 9.52 2.00 Mesh C 68,886 68,000 11.928 13.175 1047 8.97 2.09 Mesh D 34,386 33,800 19.952 21.731 710 8.48 2.66 Power Law =1/n,n=5 Blasius 10.36 1.70 5.95 2.60
96
Gambar 3-25 Profil kecepatan pada X =1.08 Xr
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 y/ δ u/U Mesh A Mesh B Mesh C Mesh D Blasius Power law 1/5
dengan kecepatan 15m/s dan intesitas turbulensi 5%. Hasil menunjukkan bahwa kesalahan hasil prediksi numerik menunjukkan sebesar 9% dalam hasil profil kecepatan. Penyimpangan terbesar terjadi didaerah dekat dengan dinding dimana prediksi numerik power law dengan order 5 lebih fuller dibandingkan dengan hasil numerik, hal ini disebabkan posisi pengamatan mempengaruhi nilai Reynolds number aliran sesuai dengan teori boundary layer internal flow. Dampak perubahan Reynolds number aliran menyebabkan perubahan profil kecepatan aliran. Hal ini diperlihatkan pada gambar 3-23. Model Viscous yang digunakan RSM.
Simulasi numerik pada model 2D dilakukan perbaikan meshing khususnya didekat dinding. Hal ini disebabkan terhadap analisa boundary layer yang terjadi di dekat dinding. Meshing disesuaikan agar model memiliki nilai y+ mendekati 1, sehingga dapat mengeksplorasi daerah laminar sublayer. Model viscous yang digunakan RSM dan fungsi dinding enhanced wall treatment, agar dapat menganalisa fluktuasi kecepatan secara tiga dimensi.
Dampak fenomena bubble separation yang merupakan time dependent
sehingga dilakukan pembuktian simulasi dengan kondisi Unsteady. Kondisi tersebut perlu untuk dibuktikan dengan simulasi URANS dan LES. Parameter simulasi numeric di tunjukkan pada tabel 3-10.
97 Tabel 3-10 Parameter FLUENT 2D yang direkomendasikan.
Grid independency y+=1.
Wall function Enhanced Wall Treatment
Model Viscous RSM, URANS dan LES
Discetization Equation Semua model, Second-order terbaik Hubungan Tekanan dan Kecepatan Semua model, SIMPLEC terbaik
98
99