vi aliran plug, aliran slug dan aliran annular.
Penelitian ini dilakukan untuk menentukan pola aliran annular dengan menggunakan software Computational Fluid Dynamics (CFD) Ansys FLUENT 15.0. Model yang digunakan Volume Of Fluid (VOF) dengan jenis aliran turbulensi K-� realizable. Fluida kerja yang digunakan adalah air-udara dengan panjang pipa 1000 mm, diameter dalam 19 mm dan diameter luar 25,4 mm. Besar kecepatan superfisial air (JL) adalah 1 m/s, 1,5 m/s, 2 m/s dan 2,5 m/s, sedangkan besar kecepatan superfisial udara adalah 35 m/s, 45 m/s, 55 m/s dan 65 m/s.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa dalam simulasi CFD pola aliran annular dapat terlihat dengan jelas karena udara mengalir ditengah pipa dalam jumlah yang lebih besar dan membentuk cincin (annular), sedangkan air mengalir lebih sedikit disepanjang pipa. Pada dasar permukaan pipa, air mengalir lebih banyak dibandingkan diatas permukaan pipa. Pola aliran tidak konstan atau berubah-ubah bentuk tergantung dari kecepatan superfisial udara (JG) dan kecepatan superfisial air (JL) serta waktu pengambilan data. Semakin lama waktu yang diambil maka aliran annular yang dihasilkan semakin sempurna.Kenaikan nilai JG akan menyebabkan tingginya gelombang dan aliran air yang ada diatas permukaan pipa semakin sedikit.
PADA PIPA HORIZONTAL
TUGAS AKHIR
Diajukan Guna Memenuhi Persyaratan Untuk Mencapai Derajat Sarjana Strata-1 Pada Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Yogyakarta
Disusun Oleh : Achmad Virza Mubarraqah
20120130133
PROGRAM STUDI S1 TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA
iii
terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau dipublikasikan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis disebutkan sumbernya dalam naskah dan dalam daftar pustaka.
Yogyakarta, Februari 2017 Penulis
iv
“Barang siapa menempuh suatu jalan untuk mencari ilmu, maka Allah memudahkannya mendapat jalan ke syurga”
(H.R Muslim)
“Orang yang menuntut ilmu berarti menuntut rahmat : orang yang menuntut
ilmu berarti menjalakan rukun islam dan pahala yang diberikan kepadanya
sama dengan para nabi”
(H.R Dailani dari Anas r.a)
“Sesungguhnya Allah tidak mengubah suatu kaum, sehingga mereka mengubah keadaan yang ada pada diri sendiri”
(Q.S. Ar-Ra’d : 11)
“Kesuksesan akan dapat diraih apabila kuat dan terbiasa menghadapi masalah,
tantangan dan hambatan secara mandiri”
v
akhir ini dengan lancar. Tugas akhir ini penulis persembahkan kepada :
1. Kedua orang tua tercinta yang selalu mendo’akan dan memotivasi setiap hari. 2. Mbak Merly Wahyuni Rahayu, kakak Yalen Trikano, adek Azizah Zakiah Putri,
adek Achmad Najib Haitami yang selalu memberikan motivasi dan dorongan untuk menyelesaikan tugas akhir ini.
3. Untuk kakek dan nenek yang selalu mendo’akan cucunda supaya dapat selalu maju dan terus berjuang untuk mencapai cita-cita.
4. Teman satu kost Amran, Roy (icuk), Dedy (jendol 1), Priyo (jendol 2), Fajar (payeng) yang tidak bosan-bosan memberikan semangat..
5. Teman-teman Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Yogyakarta angkatan 2012.
vi Assalamu’alaikum warahmatullahi wabarakatuh
Alhamdulillah segala puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir tentang “Simulasi CFD Aliran Annular Air-Udara Searah Pada Pipa Horizontal”. Tugas Akhir ini disusun guna memenuhi syarat menyelesaikan program pendidikan S-1 untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Yogyakarta.
Lepas tanpa adanya bantuan, bimbingan, dan dorongan dari berbagai pihak baik yang bersifat materi maupun non materi, penulis tidak dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan sebaik-baiknya. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Bapak Novi Caroko, S.T., M.Eng. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Yogyakarta.
2. Bapak Dr. Sukamta, S.T., M.T selaku dosen pembimbing 1 yang telah membimbing selama penelitian.
3. Bapak Thoharudin, S.T., M.T selaku dosen pembimbing 2 yang telah membimbing dan memberi masukan selama penelitian.
4. Bapak Berli Paripurna Kamiel, S.T., M.Eng. Sc., Ph.D. selaku dosen penguji Tugas Akhir.
5. Staff pengajar, laboran dan tata usaha Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Yogyakarta.
vii disebut satu persatu.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini jauh dari kata sempurna disebabkan karena kelemahan serta keterbatasan kemampuan dari penulis, namun penulis berharap Tugas Akhir ini bermanfaat bagi pembaca.
Wassalamu’alaikum warahmatullahi wabarakatuh.
Yogyakarta, Februari 2017 Penulis
viii
LEMBAR PENGESAHAN ... ii
PERNYATAAN ...iii
MOTTO ... iv
PERSEMBAHAN ... v
INTI SARI ... vi
ABSTRACT ... vii
KATA PENGANTAR ...viii
DAFTAR ISI ... x
DAFTAR GAMBAR ... xiv
DAFTAR LAMPIRAN ...xviii
DAFTAR NOTASI DAN SINGKATAN ... xx
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1Latar Belakang ... 1
1.2Rumusan Masalah ... 2
1.3Batasan Masalah ... 2
1.4Tujuan Penelitian ... 3
1.5Manfaat Penelitian ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI ... 4
2.1 Tinjauan Pustaka ... 4
2.2 Dasar Teori ... 14
2.2.1 Pola Aliran ... 14
ix
2.4.1 Struktur Program ... 26
2.4.2 Gambaran Penggunaan FLUENT ... 27
2.4.3 Kondisi Batas dan Parameter Pada Kondis Batas ... 27
2.4.4 Velocity Inlet ... 28
2.4.5 Mass Flow Inlet ... 28
2.4.6 Pressure Inlet ... 28
2.4.7 Pressure Outlet ... 28
2.4.8 Outflow ... 29
2.4.9 Pressure Far-Field ... 29
2.4.10 Inlet Vent dan Outlet Vent ... 29
2.4.11 Intake Fan dan Exhaust Fan ... 29
2.4.12 Dinding (Wall) ... 29
2.4.13 Symmetry dan Axis ... 30
2.4.14 Periodic ... 30
2.4.15 Cell Zone : Fluid ... 30
2.4.16 Cell Zone : Solid ... 30
2.4.17 Porous Media ... 30
2.4.18 Kondisi Batas ... 31
x
2.6 General ... 36
2.6.1 Solver ... 36
2.7 Models ... 37
2.7.1 Multifasa ... 37
2.7.2 Viskositas ... 37
2.8 Solution Methods ... 40
2.8.1 Scheme ... 40
2.8.2 Gradient ... 41
2.8.3 Pressure ... 41
2.8.4 Momentum, Turbulent Kinetic Energy, Turbulent Dissipation Rate ... 41
2.8.5 Solution Initialization ... 42
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 43
3.1 Alat Penelitian ... 43
3.1.1 Prosedur Penggunaan software ansys FLUENT 15.0 ... 43
3.2 Diagram Alir Simulasi ... 44
3.3 Proses Simulasi CFD ... 45
3.3.1 Pre-Processing ... 45
3.3.2 Processing ... 48
3.3.3 Post-Processing ... 55
xi
Dengan JL = 1 m/s ... 59
4.4 Pengaruh Kecepatan Superfisial Udara (JG) Terhadap Kecepatan Superfisial Air ( JL) = 1,5 m/s ... 60
4.5 Pengaruh Waktu Terhadap Kecepatan Superfisial Udara (JG) Dengan JL = 1,5 m/s ... 61
4.6 Pengaruh Kecepatan Superfisial Udara (JG) Terhadap Kecepatan Superfisial Air ( JL) = 2 m/s ... 63
4.7 Pengaruh Waktu Terhadap Kecepatan Superfisial Udara (JG) Dengan JL = 2 m/s ... 64
4.8 Pengaruh Waktu Terhadap Kecepatan Superfisial Udara (JG) Dengan JL = 2,5 m/s ... 65
4.9 Pengaruh Waktu Terhadap Kecepatan Superfisial Udara (JG) Dengan JL = 2,5 m/s ... 67
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 69
5.1 Kesimpulan ... 69
5.2 Saran ... 69
xii
Gambar 2.1. Visualisasi Aliran Annular JL = 0,06 m/s
dan JG = 18,32 m/s ... 4 Gambar 2.2. Visualisasi Aliran Annular JL = 0,13 m/s
dan JG =39,26 m/s ... 4 Gambar 2.3. Struktur Antar Muka Gas-Cair Aliran Wavy-Annular
Pada JL = 0,05 m/s dan JG = 12 m/s ... 5 Gambar 2.4. Struktur Antar Muka Gas-Cair Aliran Annular
Pada JL = 0.05 m/s dan JG =18 m/s ... 5 Gambar 2.5. Aliran Yang Terbentuk Pada JL = 0,025 m/s
dan JG =10 m/s ... 5 Gambar 2.6. Aliran Yang Terbentuk Pada JL = 0,1 m/s
dan JG = 12 m/s ... 6 Gambar 2.7. Aliran Yang Terbentuk Pada JL = 0,4 m/s
dan JG =30 m/s ... 6 Gambar 2.8. Grafik Hubungan (Re-�) Dengan Penambahan Kecepatan
Aliran Udara Ug Dari (0,0199-0,1191) m/s dan Kecepatan Aliran Air UL Dari (0,397-1,191) m/s ... 6 Gambar 2.9. Fraksi Hampa Vs Kecepatan Superfisial Udara
Penambahan Kecepatan Air (UL) Pada Pipa Spiral ... 7 Gambar 2.10. Aliran Air-Udara, PLE-Udara, FC-Udara dan Aliran
xiii
dan Kecepatan Superfisial Gas 12 m/s Pada Pipa 26 mm ... 9 Gambar 2.13. Grafik Fluktuasi Gaya Pada Aliran Gelembung (Bubble) .... 9 Gambar 2.14. Grafik Fluktuasi Gaya Pada Aliran Kantung Gas (Plug) ... 10 Gambar 2.15. Grafik Fluktuasi Gaya Pada Aliran Strata Licin (Stratified)...10 Gambar 2.16. Grafik Distribusi Tekanan Pada Alirn Satu Fasa (Air)
dan Aliran Dua Fasa (Air-Udara) ... 11 Gambar 2.17. Grafik Hubungan Fraksi Volume Gas Terhadap
Faktor Pengali Aliran Dua Fasa (a) Q1 = 14 liter/menit, (b) Q1 = 16 liter/menit, (c) Q1 = 18 liter/menit,
(d) Q1 = 20 liter/menit ... 12 Gambar 2.18. Fenomena Gradien Tekanan Dengan Quap = 0,00211361 m3/s
Pada Detik Ke-34 (Stratified) ... 12 Gambar 2.19. Fenomena Gradien Tekanan Untuk Quap = 0,005456701 m3/s
Pada Detik Ke-2,75 (Pre-Slug) ... 12 Gambar 2.20. Fenomena Gradient Tekanan Untuk Quap = 0,005456701 m3/s
Pada Detik Ke-6 (Wavy) ... 13 Gambar 2.21. Fenomena Gradient Tekanan Untuk Quap = 0,005456701 m3/s
xiv
B) Aliran Slug, C), D), E), F) Aliran Annular-Wavy, G) Aliran Annular, H) Skala Warna VOF
Yang Mewakili Semua Diagram ... 13
Gambar 2.23. Pola Aliran Gas-Cair Pada Pipa Horizontal ... 14
Gambar 2.24. Peta Pola Aliran ... 15
Gambar 2.25. Visualisasi Pola Aliran Pada Kecepatan Usl = 0,4 m/s ... 16
Gambar 2.26. Visualisasi Pola Aliran Pada Kecepatan Usl = 0,55 m/s ... 17
Gambar 2.27. Visualisasi Pola Aliran Pada Kecepatan Usl = 0,85 m/s ... 17
Gambar 2.28. Visualisasi Pola Aliran Pada Kecepatan Usl = 1,0 m/s ... 18
Gambar 2.29. Visualisasi Bubble flow Pada TPI Dengan Variasi Usl ... 18
Gambar 2.30. Aliran Laminar ... 20
Gambar 2.31. Aliran Turbulen ... 20
Gambar 2.32. Aliran Turbulen ... 21
Gambar 2.33. Struktur Komponen Program FLUENT 15.0 ... 27
Gambar 2.34. Massa Mengalir Kedalam dan Keluar Elemen Fluida ... 32
Gambar 2.35. Tegangan Pada Tiga Bidang Elemen Fluida ... 34
Gambar 2.36. Tegangan Dalam Arah x ……….35
Gambar 3.1. Diagram Alir Simulasi CFD Menggunakan Ansys FLUENT 15.0 ... 44
Gambar 3.2. Pipa (Tampak Depan) ... 45
xv
Gambar 3.8. General ... 49
Gambar 3.9. Models ... 50
Gambar 3.10. Materials ... 51
Gambar 3.11. Cell Zone Conditions ... 51
Gambar 3.12. Boundary Conditions ………...52
Gambar 3.13. Solution Methods ... 53
Gambar 3.14. Residual Monitor ………53
Gambar 3.15. Solution Initialization ... 54
Gambar 3.16. Run Calculation ... 55
Gambar 3.17. Plane ... 56
Gambar 3.18. Contour ... 56
Gambar 4.1. Hasil simulasi pola aliran annular terhadap pengaruh kecepatan superfisial udara (JG) dengan JL = 1 m/s, pada saat t = 0,1 detik, serta skala warna dan koordinat ... 58
Gambar 4.2. Hasil simulasi pola aliran terhadap pengaruh waktu pada JG = 35 m/s dengan JL = 1 m/s, serta skala warna dan koordinat ... 60 Gambar 4.3. Hasil simulasi pola aliran annular terhadap pengaruh
xvi
waktu pada JG = 35 m/s dengan JL = 1,5 m/s,
serta skala warna dan koordinat ... 62 Gambar 4.5. Hasil simulasi pola aliran annular terhadap pengaruh
kecepatan superfisial udara (JG) dengan JL = 2 m/s,
pada saat t = 0,1 detik, serta skala warna dan koordinat ... 63 Gambar 4.6. Hasil simulasi pola aliran terhadap pengaruh
waktu pada JG = 35 m/s dengan JL = 2 m/s,
serta skala warna dan koordinat ... 65 Gambar 4.7. Hasil simulasi pola aliran annular terhadap pengaruh
kecepatan superfisial udara (JG) dengan JL = 2,5 m/s,
pada saat t = 0,1 detik, serta skala warna dan koordinat ... 66 Gambar 4.8. Hasil simulasi pola aliran terhadap pengaruh
waktu pada JG = 35 m/s dengan JL = 2,5 m/s,
xvii
Lampiran 3. Pengaruh Waktu Terhadap Kecepatan Superfisial
Udara (JG) = 55 m/s Dengan JL = 1 m/s, ... 74 Lampiran 4. Pengaruh Waktu Terhadap Kecepatan Superfisial
Udara (JG) = 65 m/s Dengan JL = 1 m/s, ... 75 Lampiran 5. Pengaruh Waktu Terhadap Kecepatan Superfisial
Udara (JG) = 45 m/s Dengan JL = 1,5 m/s ... 76 Lampiran 6. Pengaruh Waktu Terhadap Kecepatan Superfisial
Udara (JG) = 55 m/s Dengan JL = 1,5 m/s ... 77 Lampiran 7. Pengaruh Waktu Terhadap Kecepatan Superfisial
Udara (JG) = 65 m/s Dengan JL = 1,5 m/s ... 79 Lampiran 8. Pengaruh Waktu Terhadap Kecepatan Superfisial
Udara (JG) = 45 m/s Dengan JL = 2 m/s ... 80 Lampiran 9. Pengaruh Waktu Terhadap Kecepatan Superfisial
Udara (JG) = 55 m/s Dengan JL = 2 m/s ... 81 Lampiran 10. Pengaruh Waktu Terhadap Kecepatan Superfisial
Udara (JG) = 65 m/s Dengan JL = 2 m/s ... 82 Lampiran 11. Pengaruh Waktu Terhadap Kecepatan Superfisial
xviii
Udara (JG) = 65 m/s Dengan JL = 2,5 m/s ... 85
Lampiran 14. Geometri benda ... 86
Lampiran 15. Meshing ... 87
xix �
�= Gas flow rate Pada Pipa m /s
�= Liquid flow rate Pada Pipa � /s
A = Luas Pipa Pada Area Cross Sectional m �
= Densitas kg/� �
= Ketebalan Cairan Film m �
= Tegangan Geser N/m
p = Tekanan N/m
D = Diameter Pipa m
S = Parameter m
SIMULASI CFD ALIRAN ANNULAR AIR-UDARA SEARAH PADA PIPA HORIWNTAL
Disusnn OJeb : Acbmad Vlrza Mnbarraqab
20120130133
Telab diperiksa dan dlsetujui oleb:
; c
'. Sukamta. S.T., M.T. Tbollarl/dm: S.Ti M T. ｾＮ＠ 19700502199603123023 NIK. 1987041020104 123097PenguJi
c:--
2)...
ｾＧ＠Berli Paripurna Kamiel, S.T., M.Eng., Sc., Pb.D. NIK. 19740302200104123049
Tugas Akbir ini !elab dinyatakan sab sebll.llai salab satu persyaratan Un!uk memperoleb gelar Sarjana Teknlktanggal, 1(0 Februari 2017
Teknik Mesin
1
1.1 Latar Belakang
Aliran fluida dapat dibagi menjadi dua macam, yaitu aliran satu fasa dan aliran dua fasa. Sebuah aliran dikatakan satu fasa apabila media yang mengalir dalam suatu pipa berupa satu jenis fluida saja (cair atau gas). Sedangkan aliran dua fasa apabila media yang mengalir dalam suatu pipa berupa dua jenis fluida, yaitu cair-gas, padat-cair, padat-gas dan sebagainya. Aliran dua fasa banyak ditemui pada pada ketel uap, kondensor, reaktor nuklir, proses produksi minyak bumi.
Aliran dua fasa dapat juga dibedakan menurut arah alirannya, yaitu searah dan berlawanan arah. Dapat juga dibedakan menurut salurannya yaitu horizontal, vertikal dan miring. Pola aliran dua fasa cair-udara pada pipa horizontal paling banyak ditemukan pada pola aliran bubble, aliran stratified, aliran stratified wavy, aliran plug, aliran slug dan aliran annular.
Pola aliran annular merupakan suatu pola aliran yang dapat terjadi pada saluran vertikal maupun horizontal, dikarenakan kecepatan gas lebih besar dibandingkan kecepatan cairan (liquid). Aliran annular dicirikan dengan adanya lapisan film gas yang mengalir ditengah pipa dengan kecepatan yang tinggi, sedangkan lapisan film liquid mengalir diatas dan dibawah permukaan pipa dengan kecepatan liquid yang rendah. Pada pipa horizontal pola aliran annular sering dijumpai pada sistem geothermal, sistem penukar kalor juga pada proses penyaluran fluida dipipa alir pada industri perminyakan dan gas alam cair (LNG).
dianalisa. Hasil dari simulasi tersebut akan menampilkan pola yang akan terjadi dalam sistem aliran fluida yang direncanakan.
Computational Fluid Dynamics (CFD) sangat cocok digunakan untuk melakukan analisa terhadap sebuah sistem yang rumit dan sulit dipecahkan dengan perhitungan manual serta memberikan kekuatan untuk mensimulasikan aliran fluida, perpindahan massa, benda-benda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, sistem akustik dengan permodelan yang dilakukan menggunakan komputer. CFD akan memberikan data-data, gambar-gambar atau kurva yang menunjukan prediksi dari performasi keandalan sistem tersebut. CFD sering digunakan untuk melakukan analisa terhadap suatu pola didalam sebuah sistem. Adapun software CFD yang sering digunakan adalah FLUENT, Comsul, Solid dan lainnya.
Pada simulasi ini menggunakan FLUENT 15.0, karena dapat menganalisis berbagai kasus fluida dan memprediksi bentuk pola aliran yang terjadi.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan uraian dari latar belakang, penelitian ini memiliki beberapa rumusan masalah sebagai berikut :
1. Bagaimana mekanisme terjadinya aliran annular ?
2. Bagaimana bentuk pola aliran annular pada pipa horizontal dengan menggunakan CFD ?
1.3 Batasan Masalah
Adapun batasan masalah penelitian ini diantaranya: 1. Simulasi pola aliran annular.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah :
1. Mengetahui mekanisme terjadinya aliran annular.
2. Mengetahui bentuk pola aliran annular pada pipa horizontal dengan menggunakan CFD terhadap waktu.
1.5 Manfaat Penelitian
4
2.1 Tinjauan Pustaka
Penelitian mengenai pola aliran annular dua fasa air-udara pada pipa horizontal telah banyak dilakukan. Distribusi liquid hold up pada aliran cincin
(annular) air-udara dipipa horizontal menggunakan C.E.C.M. Nilai liqid hold up
sangat tergantung pada besar dan kecilnya kecepatan superfisial gas (Suryadi,
dkk, 2013).
Gambar 2.1. Visualisasi Aliran Annular JL = 0,06 m/s dan JG = 18,32 m/s
(Suryadi, dkk, 2013)
Gambar 2.2. Visualisasi Aliran Annular JL = 0,13 m/s dan JG =39,26 m/s
(Suryadi, dkk, 2013)
Suandi, dkk (2013) melakukan penelitian tentang pengaruh viskositas
terhadap liquid hold-up dan kecepatan gelombang aliran annular dua fasa gas-cair pada pipa horizontal. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa pengaruh
Gambar 2.3. Struktur Antar Muka Gas-Cair Aliran Wavy-Annular Pada JL = 0,05
m/s dan JG = 12 m/s (Suandi, dkk, 2013)
Gambar 2.4. Struktur Antar Muka Gas-Cair Aliran Annular Pada JL = 0,05 m/s
dan JG =18 m/s (Suandi, dkk, 2013)
Hermawan (2015) melakukan penelitian tentang deteksi mulai
terbentuknya aliran cincin pada pipa horizontal menggunakan sensor elektrode.
Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa meningkatnya kecepatan superfisial
udara terhadap kecepatan superfisial air yang konstan menghasilkan tebal film
rata-ratanya semakin menipis.
Gambar 2.5. Aliran Yang Terbentuk Pada JL = 0,025 m/s dan JG =10 m/s
Gambar 2.6. Aliran Yang Terbentuk Pada JL = 0,1 m/s dan JG = 12 m/s
(Hermawan, 2015)
Gambar 2.7. Aliran Yang Terbentuk Pada JL = 0,4 m/s dan JG =30 m/s
(Hermawan, 2015)
Biksono (2006) melakukan penelitian tentang karakteristik dan visualisasi
aliran dua fasa pada pipa spiral. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa
koefisien gesek dua fasa lebih besar dibandingkan data satu fasa. Aliran transisi
lebih cepat terjadi pada aliran dua fasa, yaitu pada bilangan Reynold ( � antara
(1,600-1,700). Efek penambahan variasi kecepatan udara ( �), menyebabkan
kenaikan nilai koefisien gesek.
Gambar 2.8. Grafik Hubungan (Re-�) Dengan Penambahan Kecepatan Aliran Udara Ug Dari (0,0199-0,1191) m/s dan Kecepatan Aliran Air UL Dari
Gambar 2.9. Fraksi Hampa Vs Kecepatan Superfisial Udara Penambahan Kecepatan Air (UL) Pada Pipa Spiral (Biksono, 2006)
Tzotzi, dkk (2010) melakukan penelitian tentang pengaruh properti pada
pola aliran gas-cair dua fasa pada pipa horizontal dan pipa bawah. Adapun hasil
penelitian menunjukkan bahwa penurunan tegangan permukaan dari 72 mN/m
(air) ke 35 mN/m (dengan menggunakan butanol) hasil penurunan gas dari tingkat
yang lebih besar diperlukan untuk terjadinya ganguan pertama untuk tingkat
cairan yang sama.
Roul, dkk (2012) melakukan penelitian tentang permodelan numerik dari
penurunan tekanan akibat aliran satu fasa dan aliran dua fasa dari udara-air
melalui lubang tebal. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa aliran melalui
lubang tipis (s/d = 0,025), kontak vena terbentuk diluar pembatasan, sedangkan
untuk lubang tebak (s/d = 0,59) kontak vena selalu terbentuk didalam pembatasan.
Penurunan tekanan ∆P dilubang meningkat dengan penurunan ketebalan orifice
dan penurunan tekanan berkurang dengan peningkatan rasio daerah.
Sadatomi, dkk (2010) melakukan pengujian tentang pengaruh tegangan
dua fasa gas-cair pada pipa horizontal berdiameter kecil. Adapun hasil penelitian
menunjukkan bahwa sifat cair dan diameter pipa berpengaruh kuat pada transisi
Gambar 2.10. Aliran Air-Udara, PLE-Udara, FC-Udara dan Aliran HFE-Udara Pada Pipa 5 mm di Empat Cairan dan Volumetric Gas Fluks Kombinasi (Sadatomi, dkk, 2010)
Purnama (2013) melakukan penelitian tentang kajian eksperimen
mengenai topologi dasar dari aliran annular air-udara pada pipa horizontal. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa terjadi perubahan mean liquid hold-up, wave velocity, dan wave number tergantung pada kecepatan superficial cairan dan gas. Mean liquid hold-up berkurang terhadap peningkatan kecepatan superficial gas dan meningkat terhadap kenaikan kecepatan superficial cairan.
Gambar 2.11. Aliran Annular Pada Kecepatan Superfisial Air 0,05 m/s dan Kecepatan Superfisial Gas 12 m/s Pada Pipa 16 mm (Purnama, 2013)
Gambar 2.12. Aliran Annular Pada Kecepatan Superfisial Air 0,05 m/s dan Kecepatan Superfisial Gas 12 m/s Pada Pipa 26 mm (Purnama, 2013)
Isyad (2012) melakukan penelitian tentang pengaruh aliran dua fasa
gas-cair terhadap fluktuasi gaya pada dinding pipa horizontal. Adapun hasil penelitian
menunjukkan bahwa gaya terbesar terjadi pada saat pola aliran gelembung
(bubble), sedangkan pada pola aliran sumbat liquid lebih menunjukkan gaya yang ditimbulkan lebih berfluktuasi dibandingkan dengan pola aliran yang lain.
Gambar 2.13. Grafik Fluktuasi Gaya Pada Aliran Gelembung (Bubble)
Gambar 2.14. Grafik Fluktuasi Gaya Pada Aliran Kantung Gas (Plug) (Isyad, 2012)
Gambar 2.15. Grafik Fluktuasi Gaya Pada Aliran Strata Licin (Stratified) (Isyad, 2012)
Fauzi, dkk (2014) melakukan penelitian tentang karakteristik aliran dua
fase (air-udara) pada horizontal circular channel melalui orifice. Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa distribusi tekanan pada aliran dua fase memiliki
Gambar 2.16. Grafik Distribusi Tekanan Pada Alirn Satu Fasa (Air) dan Aliran Dua Fasa (Air-Udara) (Fauzi, dkk, 2014)
(c) (d)
Gambar 2.17. Grafik Hubungan Fraksi Volume Gas Terhadap Faktor Pengali Aliran Dua Fasa (a) Q1 = 14 liter/menit, (b) Q1 = 16 liter/menit, (c) Q1 = 18
liter/menit, (d) Q1 = 20 liter/menit (Fauzi, dkk, 2014)
Sukamta, dkk (2010) melakukan penelitian tentang identifikasi pola aliran
dua fasa uap-kondensat berdasarkan pengukuran beda tekanan pada pipa
horizontal. adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa pola aliran yang
teridentifikasi pada aliran dua fasa air-uap air (kondensat) dari hasil kondensasi
uap pada pipa horizontal ini meliputi pola aliran stratified, wavy, plug, pre-slug
dan slug.
Gambar 2.18. Fenomena Gradien Tekanan Dengan Quap = 0,00211361 m3/s Pada
Detik Ke-34 (Stratified) (Sukamta, dkk, 2010)
Gambar 2.19. Fenomena Gradien Tekanan Untuk Quap = 0,005456701 m3/s Pada
Gambar 2.20. Fenomena Gradient Tekanan Untuk Quap = 0,005456701 m3/s Pada
Detik Ke-6 (Wavy) (Sukamta, dkk, 2010)
Gambar 2.21. Fenomena Gradient Tekanan Untuk Quap = 0,005456701 m3/s Pada
Detik Ke-102 (Plug) (Sukamta, dkk, 2010)
Yao, dkk (2016) melakukan penelitian tentang permodelan aliran annular
dua fasa udara dan air pada pipa horizontal berdiameter kecil. Adapun penelitian
menunjukkan bahwa pola aliran annular-wavy berhasil dimodelkan menggunakan simulasi CFD dan aliran annular menggunakan proses transient. CFD digunakan untuk memprediksi ketebalan film distribusi air.
Gambar 2.22. Kontur Volume Air-Udara Menggunakan VOF Permodelan Transient Dari Pola Aliran Plug Sampai Pola Aliran Annular, Menunjukkan Bahwa : A) Aliran Plug/Slug, B) Aliran Slug, C), D), E), F) Aliran Annular-Wavy,
G) Aliran Annular, H) Skala Warna VOF Yang Mewakili Semua Diagram (Yao,
analisa terjadinya pola aliran annular dengan menggunakan software CFD. Maka dari itu penelitian ini mengambil topik simulasi CFD aliran annular air-udara searah pipa horizontal, yang bertujuan untuk mempelajari secara detail bentuk
pola aliran annular dengan menggunakan aplikasi FLUENT dan untuk
membandingkan hasil eksperimen dan hasil simulasi.
2.2 Dasar Teori
2.2.1 Pola Aliran
Pola aliran mempunyai arti yang sangat penting dalam hal menetukan
perilaku aliran fluida dalam suatu pipa terutama aliran dua fasa. Campuran antara
cair-gas dalam suatu pipa dapat digunakan untuk menyelesaikan suatu model
analisis pada persamaan konversi aliran dua fasa.
Menurut Guo (2015) Aliran dua fasa mempunyai beberapa pola aliran
yang beragam, yaitu : aliran starified, aliran annular, aliran slug, aliran stratified wafy, aliran bubble.
Stratified flow Stratified wavy flow Slug flow
Annular flow
Dispersed bubbly flow
Gambar 2.23. Pola Aliran Gas-Cair Pada Pipa Horizontal (Guo, 2015)
a. Aliran strata licin (stratified flow), merupakan aliran yang dimana bidang permukaan liquid-gas sangat halus. Akan tetapi, pola aliran ini biasanya tidak
c. Aliran sumbat liquid (sluq flow), merupakan aliran yang amplitudo gelombangnya sangat besar sehingga menyentuh pipa bagian atas.
d. Aliran cincin (annular flow), merupakan aliran yang fluidanya lebih tebal di dibagian dasar pipa dibandingkan dibagian atas pipa.
e. Aliran gelembung yang tersebar (dispered bubbly flow), merupakan aliran yang gelembung gas mengalir pada bagian atas pipa.
Peta pola aliran yang sering dipakai adalah peta pola aliran yang dibuat
oleh Mandhane (1974). Pola aliran dinyatakan dengan kecepatan superfisial udara
(JG) dan kecepatan superfisial air (JL) dalam satuan (m/s). Peta pola aliran ini
digunakan untuk menentukan jenis aliran yang terjadi.
Gambar 2.24. Peta Pola Aliran (Mandhane, dkk, 1974)
Menurut Korawan (2015) Perbedaan antar fasa yang mengalir didalam
pipa akan membentuk banyak perubahan pola aliran, hal ini dikarenakan fasa
fluida yang berbeda, orientasi dan geometri pipa dimana fluida-fluida yang
serta variasi β, hal yang menarik untuk diketahui bahwa pada kasus kecepatan superficial liquid yang tinggi, bubbly flow cenderung berubah menjadi churn flow
sedangkan pada kecepatan superficial liquid yang rendah bubbly flow cenderung menjadi stratified flow.
Gambar 2.26. Visualisasi Pola Aliran Pada Kecepatan Usl = 0,55 m/s (Korawan, 2015)
Gambar 2.28. Visualisasi Pola Aliran Pada Kecepatan Usl = 1,0 m/s (Korawan, 2015)
Gambar 2.29. Visualisasi Bubble flow Pada TPI Dengan Variasi Usl (Korawan, 2015)
Beberapa jenis aliran sangat dipengaruhi oleh bilangan Reynold. Bilangan
Reynold adalah bilangan tidak berdimensi yang penting digunakan untuk
penelitian aliran fluida didalam pipa. Adapun persamaan bilangan Reynold adalah
V = Kecepatan Fluida (m/s)
D = Diameter Dalam Pipa (m)
ρ = Massa Jenis Fluida (kg/m³)
μ = Viskositas Dinamik Fluida (kg/m.s) atau (N.s/m²)
Kata superficial velocity dari tiap fasa bisa digambarkan sebagai
volumetric flux, yaitu flow rate dari tiap fasa dibagi area pipe cross sectional
dengan asumsi bahwa fasa mengalir sendiri didalam pipa. Sehingga untuk
superficial gas velocity dan superficial liquid velocity bisa diperoleh sebagai berikut:
�� =���
………...
(2.2)� =��
�
………...
(2.3)Dimana :
��= Kecepatan superficial gas (m/s)
� = Kecepatans uperficial liquid (m/s)
�= Gas flow rate pada pipa (� /s) = Liquid flow rate pada pipa (� /s)
dan berdasarkan waktu.
Aliran fluida berdasarkan bentuk alirannya :
a. Aliran Laminar
Aliran dengan fluida yang mengalir pada lapisan-lapisan atau lamina – lamina
dengan satu lapisan meluncur secara lancar. Aliran laminar ini mempunyai nilai
bilangan Reynolds-nya kurang dari 2100 (Re < 2100).
Gambar 2.30. Aliran Laminar (Munson, dkk, 2013)
b. Aliran Turbulen
Aliran bergerak dari partikel-partikel fluida yang tidak menentu karena telah
mengalami percampuran serta putaran partikel antar lapisan yang mengakibatkan
saling tukar momentum dari satu bagian fluida ke bagian fluida yang lain dalam
ukuran yang besar. Dimana nilai bilangan Reynolds-nya lebih besar dari 4000 (Re
> 4000).
Gambar 2.31. Aliran Turbulen (Munson, dkk, 2013)
c. Aliran Transisi
Aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran turblen, nilai bilangan
Gambar 2.32. Aliran Transisi (Munson, dkk, 2013)
Aliran fluida berdasarkan waktu, yaitu :
a. Aliran Steady
Aliran yang kecepatannya tidak dipengaruhi terhadap waktu sehingga
kecepatan tetap (konstan) pada setiap titik (tidak mempunyai percepatan).
b. Aliran Transient
Aliran yang kecepatannya terjadi karena dipengaruhi terhadap waktu.
2.2.2 Aliran Annular
Aliran annular merupakan bagian dari aliran dua fasa. Penurunan tekanan pada suatu aliran menjadi masalah yang sangat penting. Tebalnya suatu film atau banyaknya cairan yang masuk kedalam pipa pada aliran annular dapat dideteksi dengan menggunakan model aliran dua fasa.
Aliran annular terjadi karena fluida udara mengalir ditengah pipa dalam jumlah yang lebih besar dan membentuk cincin (annular) dan air mengalir lebih sedikit disepanjang permukaan pipa. Didasar permukaan pipa, air yang mengalir
lebih banyak dan cairan film lebih tebal daripada bagian permukaan atas pipa, adanya dua fasa fluida dengan viskositas yang berbeda akan membentuk
Computation Fluid Dynamics (CFD) adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, interaksi fluida
dengan terstruktur, sistem akustik dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan
persamaan-persamaan matematika (model matematika) dengan pemodelan
dikomputer. Pada dasarnya, persamaan-persamaan pada fluida dibangun dan
dianalisis berdasarkan persamaan-persamaan diferensial parsial (PDE = partial differential equation) yang mempresentasikan hukum konversi massa, momentum dan energi.
Dengan menggunakan software ini kita dapat membuat virtual prototype
dari sebuah sistem atau alat yang ingin dianalisis dengan menerapkan kondisi
nyata dilapangan. Software CFD akan memberikan kita data-data, gambar-gambar, atau kurva–kurva yang menunjukkan prediksi dari performasi keandalan
sistem yang didesain tersebut. Hasil analisa CFD sering berupa prediksi kualitatif
meski terkadang kuantitatif (tergantung dari persoalan dan data yang di-input).
Hal yang paling mendasar mengapa computational fluid dynamics (CFD) banyak sekali digunakan, karena dengan CFD dapat dilakukan analisis terhadap
suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen.
Keunggulan atau keuntungan dari software CFD, yaitu :
1. Kemampuan studi sistem yang tidak mampu dikontrol dengan eksperimen.
2. Kemampuan studi sistem dalam kondisi berbahaya diluar batas kinerja
normal.
3. Hasil yang didapatkan semakin detail dan akurat.
4. Waktu yang diperlukan sangat sedikit dibandingkan dengan eksperimen.
Kelemahan dari software CFD, yaitu :
1. Boundary condition (kondisi batas) yang dimasukkan salah maka hasil yang didapatkan tidak sesuai atau tidak maksimal.
a. Metode numerik (teknik solsui diskrititasi).
b. Tools perangkat lunak (solver, tools pre- dan postprocessing).
c. Metode metematika yang digunakan untuk menghitung persamaan
Navier-Stokes.
2.3.1 Penggunaan CFD
CFD dapat dipergunakan bagi:
a. Arsitek untuk mendesain ruang atau lingkungan yang aman dan nyaman.
b. Desain kendaraan untuk meningkatkan karakter aerodinamiknya.
c. Analisis kimia untuk memaksimalkan hasil dari reaksi kimia dalam peralatan
mereka.
d. Insinyur petrokimia untuk strategi optimal dari oil recovery.
e. Ahli biomekanik untuk mencari rahasia dari gerakan burung sampai dengan
lumba-lumba.
f. Pelatih atau analisis sport, misalnya untuk mencari rahasia tendangan pisang (tendangan melengkung pada sepak bola).
g. Dokter atau ahli bedah untuk mengobati penyakit arterial (computational hemodymanics).
h. Meteorologis (ahli cuaca) untuk meramalkan cuaca dan memperingatkan akan
terjadinya bencana alam.
i. Ahli safety untuk mengurangi risiko kesehatan akibat radiasi dan zat berbahaya
lainnya.
j. Analisis failure untuk mencari sumber-sumber kegagalan misalnya pada suatu sistem pembakaran atau aliran uap panas.
k. Organisasi militer untuk mengembangkan senjata dan mengestimasi seberapa
Didalam proses simulasi CFD terdapat tiga tahapan yang dilakukan untuk
melakukan simulasi, yaitu: pre-processing, proceesing dan post-processing.
1. Pre-processing
Pre-processing merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat model dalam paket
CAD (computer aided design), membuat mesh yang cocok atau sesuai, kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat-safat fluidanya.
2. processing
Solvers (program inti pencari solusi) CFD menghitung kondisi-kondisi yang diterapkan pada saat preprocessing.
3. Post-processing
Post-processing merupakan langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan pada langkah ini adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data hasil
simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva dan animasi.
2.4 FLUENT
FLUENT dapat menyelesaikan suatu kasus aliran fluida dengan
menggunakan mesh (grid) yang tidak terstruktur dengan cara yang mudah, karena menyediakan mesh yag tidak terstruktur. FLUENT dapat juga memperhalus atau memperbesar mesh yang sudah ada.
FLUENT didukung oleh jenis mesh tipe 2D triangular-quadrilateral, 3D
b. Model yang realistik (tersedia berbagai pilihan solver)
c. Diskritisasi atau meshing model yang efisien (dalam Gambit)
d. Cepat dalam penyajian hasil (bisa dengan paralel komputer)
e. Visualisasi yang mudah untuk dimengerti
Computational fluid Dynamics (CFD) sering digunakan untuk desain suatu sistem fluida dapat juga digunakan untuk mencari sumber atau analisis kegagalan
suatu sistem fluida. Penggunaan Computational Fluid Dynamics (CFD) didunia industri banyak terdapat dalam bidang : Otomotif, Biomedical, Equipment Manufacturing, Chemical Processing, Semikonduktor, Aerospace.
a. Otomotif
Program CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif. Sistem ini dipakai
guna mengetahui performa pada komponen-komponen seperti pompa, rem,
kompresor, manifold, ban, headlamp dll. b. Biomedical
Computational Fluid Dynamic (CFD) dipakai untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja, seperti aliran darah nadi, masuknya udara
pada hidung, pengembangan pompa jantung, dll.
c. Equipment Manufacturing
Didalam indusrri manufaktur CFD digunakan dalam pembuatan impeller, turbin, fan,propeller, vanes, ducting, valve, piping, seal bahkan dalam pembuatan sistem.
d. Chemical Processing
combuston, filtration dan drying.
e. Semikonduktor
Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean clean room ventilation, air handling, wafer processing, optimisasi furnace. Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma.
f. Aerospace
Program CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics, avionics cooling, fire suppression, the icing, engine performance, life support, etc. Di dunia industri program Computational Fluid Dynamics (CFD) dipakai oleh produsen pesawat militer, penumpang, dan pesawat luar angkasa.
2.4.1 Struktur Program
Dalam satu paket program FLUENTterdapat beberapa produk, yaitu :
FLUENT
PrePDF, merupakan preprocessor untuk memodelkan pembakaran non
premised pada FLUENT.
GAMBIT, merupakan preprocessor tambahan yang dapat membuat volume
mesh dari boundary mesh yang sudah ada.
FILTER untuk mengimpor mesh permukaan atau volume dari program
CAD/CAE, seperti ANSYS, CGNC, I-DEAS, NASTRAN, PATRAN, dll.
Mesh 2D/3D File PDF mesh atau mesh Boundary
mesh Boundary mesh dan/atau mesh volume
Gambar 2.33. Struktur Komponen Program FLUENT 15.0
2.4.2 Gambaran PenggunaanFLUENT
Ada beberapa hal yang harus diperhatikan ketika akan menyelesaikan
suatu kasus dengan menggunakan FLUENT, yaitu :
a. Menentukan tujuan pemodelan
b. Pemilihan model komputasional
c. Pemilihan model fisik
d. Penentuan prosedur
2.4.3 Kondisi Batas dan Parameter pada Kondisi Batas
Untuk mendefinisikan suatu kasus, harus dimasukkan informasi pada
variabel aliran pada domain kasus tersebut, antara lain fluks massa, momentum,
energi, dll. PrePDF Perhitungan dari look-up tables FLUENT
Impor dan adaptasi mesh
Pemodelan fisik Kondisi batas Sifat-sifat material Perhitungan
Post processing TGrid
model fisik yang dipakai (turbulensi, persamaan energi, multifasa, dll). Data yang
diperlukan pada kondisi batas merupakan data yang sudah diketahui atau data
yang dapat diasumsikan. Tetapi asumsi data yang dipakai harus diperkirakan
mendekati yang sebenarnya. Input data yang salah pada kondisi batas akan sangat berpengaruh terhadap hasil simulasi.
2.4.4 Velocity Inlet
Kondisi batas velocity inlet digunakan untuk mendefinisikan kecepatan aliran dan besaran skalar lainnya pada sisi masuk aliran. Kondisi batas ini hanya
digunakan untuk aliran inkompresibel.
2.4.5 Mass Flow Inlet
Nilai tekanan gauge digunakan sebagai tebakan awal oleh Fluent, selanjutnya akan dikoreksi sendiri sejalan dengan proses iterasi. Metode
spesifikasi arah aliran dan turbulensi sama dengan kondisi batas velocity inlet.
2.4.6 Pressure Inlet
Data tekanan total (absolute), tekanan gauge, temperatur, arah aliran dan besaran turbulen harus dimasukkan. Tekanan total disini merupakan penjumlahan
dari nilai tekanan operasi dan tekanan gauge. Metode spesifikasi arah aliran dan turbulensi sama dengan kondisi batas velocity inlet. Nilai temperatur masukan akan digunakan sebagai temperatur statik pada aliran inkompresibel.
2.4.7 Pressure Outlet
Pada kondisi batas ini harus dimasukkan nilai tekanan statik, temperatur
aliran balik (backflow) dan besaran turbulen aliran balik. Kondisi batas yang dipakai pada sisi keluar fluida dan data tekanan pada sisi keluar diketahui atau
diketahui sama sekali. Data pada sisi keluar diekstrapolasi dari data yang ada pada
aliran sebelum mencapai sisi keluar.
2.4.9 Pressure Far-Field
Kondisi batas ini digunakan untuk memodelkan aliran kompresibel free-stream yang mempunyai dimensi yang sangat panjang (jarak antara inlet dan
outlet jauh sekali). Besaran yang harus dimasukkan adalah tekanan gauge, bilangan Mach, temperatur aliran, arah aliran dan besaran turbulensi pada sisi keluar.
3.4.10 Inlet Vent dan Outlet Vent
Data yang harus dimasukkan pada kondisi batas ini sama dengan data pada
kondisi batas pressure inlet/pressure outlet, hanya terdapat tambahan data untuk kerugian tekanan.Kondisi batas ini digunakan untuk model saluran masuk/keluar
aliran dimana terdapat ventilasi di sisi luar saluran masuk/keluar yang dapat
menimbulkan kerugian tekanan pada aliran.
2.4.11 Intake Fan dan Exhaust Fan
Data yang harus dimasukkan pada kondisi batas ini sama dengan data pada
kondisi batas pressure inlet/pressure outlet, hanya terdapat tambahan data untuk kenaikan tekanan setelah melewati fan/blower (pressure-jump). Kondisi batas ini digunakan untuk model saluran masuk/keluar aliran dimana terdapat fan/blower di sisi luar saluran masuk/keluar untuk menghembus/menghisap fluida di dalam
saluran.
2.4.12 Dinding (wall)
Kondisi batas ini digunakan sebagai dinding untuk aliran fluida dalam
saluran atau dapat disebut juga sebagai dinding saluran. Kondisi batas ini
kondisi batas ini digunakan untuk mengurangi daya komputasi yang
dibutuhkan pada suatu kasus. Pada panel kondisi batas untuk kedua kondisi batas
ini tidak ada input data yang diperlukan. Kondisi batas simetri digunakan apabila model geometri kasus yang bersangkutan dan pola aliran pada model tersebut
simetri. Kondisi batas ini juga dapat digunakan untuk memodelkan dinding tanpa
gesekan pada aliran viskos. Sedangkan kondisi batas axis digunakan sebagai garis tengah (centerline) untuk kasus 2D axisymmetry.
2.4.14 Periodic
Kondisi batas ini hanya dapat digunakan pada kasus yang mempunyai
medan aliran dan geometri yang periodik, baik secara translasi atau rotasi.
2.4.15 Cell Zone : Fluid
Kondisi batas ini digunakan pada kontinum model yang didefinisikan
sebagai fluida. Data yang dimasukkan hanya material fluida, didefinisikan sebagai
media berpori.
2.4.16 Cell Zone : Solid
Data yang harus dimasukkan hanya material padatan,didefinisikanheat generation rate pada kontinum solid (opsional). Sedangkan Kondisi batas ini digunakan pada kontinum model yang didefinisikan sebagai padatan.
2.4.17 Porous Media
. Kondisi batas ini digunakan dengan cara mengaktifkan pilihan porous zone pada panel fluida. Porous zone merupakan pemodelan khusus dari zona fluida selain padatan dan fluida. Digunakan untuk memodelkan aliran yang
kelompok kondisi batas internal. Kondisi batas ini digunakan untuk bidang yang
berada di tengah medan aliran dan tidak mempunyai ketebalan.Yang termasuk
dalam kondisi batas internal adalah :fan, radiator, porous jump, interior.
Kondisi batas fan, radiator, dan porous jump digunakan untuk memodelkan fan, radiator, atau media berpori di tengah-tengah aliran, sehingga tidak perlu dibuat model fan atau radiator, cukup dengan menentukan kenaikan tekanan yang terjadi setelah melewati alat tersebut.
2.5 Persamaan UmumFLUENT
2.5.1 Persamaan Kekekalan Massa
Langkah pertama dalam penurunan persamaan kekekalan massa adalah
menuliskan kesetimbangan massa untuk elemen fluida.
Kelajuan peningkatan massa = Neto kelajuan aliran massa
dalam elemen fluida dalam elemen fluida
Laju massa dalam elemen fluida adalah
�
� (�� × � � = ��
� � � � ………...(2.4)
Selanjutnya kita perlu menerangkan kelajuan massa aliran melintasi
sebuah bidang elemen yang diberikan oleh hasil dari densitas, luas dan komponen
kecepatan normal terhadap bidang pada gambar 2.33 dapat dilihat bahwa neto
kelajuan aliran massa kedalam elemen melewati boundarinya diberikan oleh :
(
� −
� �� �)
� � -(
� +
� �+
(
� −
� �� �
)
� � -(
� +
� �� �
)
� �+
(
� −
� �� �
)
� � -(
� +
� �
� �
)
� � ……….(2.5)Aliran yang masuk kedalam elemen dengan sejajar menghasilkan suatu
peningkatan massa dalam elemen serta mempunyai tanda positif dan aliran-aliran
yang meninggalkan elemen diberikan tanda negatif.
Gambar 2.34. Massa Mengalir Kedalam dan Keluar Elemen Fluida
(Versteeg, dkk, 1995)
Hasil akhir dari kesetimbangan massa disusun pada sisi sebelah kiri
dengan tanda yang sama dan dibagi dengan � � � . Kelajuan peningkatan massa
kedalam elemen sama dengan nilai kelajuan massa didalam fluida yang melintasi
� � � �
Kekekalan massa boleh ditulis sebagai berikut:
��
� + diѵ (� ) = 0………(2.7)
Kekekalan massa atau persamaan kontinuitas tiga dimensi pada sebuah
titik dalam sebuah fluida kompresibel dapat dilihat pada persamaan (2.7) yang
merupakan aliran unsteady. Pada sisi sebelah kiri laju perubahan waktu dari densitas (massa persatuan volume). Selanjutnya, aliran massa keluar dari elemen
yang disebut dengan suku konvektif.
Pada persamaan (2.7) aliran fluida inkompresibel (misalnya liquid)
densitas adalah konstan, menjadi :
diѵ (� ) = 0………(2.8)
Atau dalam penjabarannya :
� �
�
+
� �
�
+
� �
� = 0………(2.9)
2.5.2 Persamaan Kekekalan Momentum
Tingkat kenaikan momentum partikel fluida = jumlah gaya pada partikel
Hukum newton kedua menyatakan bahwa laju perubahan momentum
partikel fluida sama dengan jumlah gaya pada partikel.
Laju tingkatan momentum x, y dan z persatuan volume partikel fluida:
� = � �
=
� �
� + diѵ (� �)
� = � �
=
� �
� =
�
=
� + diѵ (� �)………(2.10)Dua tipe gaya pada partikel fluida, yaitu :
a. Gaya badan :
Gaya sentrifugal
Gaya coriolis
Gaya gravitasi
b. Gaya pada permukaan:
Gaya viskos
Gaya tekanan
Tekanan normal ditandai dengan �, tegangan viskos ditandai dengan �.
Untuk menandai arah tegangan viskos ditandai dengan �� . Akhiran i dan j
digunakan untuk menandai suatu tegangan kearah j pada suatu permukaan normal arah i. pada gambar 2.7 keadaan tegangan sebuah fluida didefinisikan dalam suatu suku-suku tekanan dan sembilan komponen tegangan viskositas.
Gambar 2.35. Tegangan Pada Tiga Bidang Elemen Fluida (Versteeg, dkk, 1995)
Hasil akhir dari gaya sebuah tegangan permukaan merupakan hasil dari
Gambar 2.36. Tegangan Dalam Arah x (Versteeg, dkk, 1995) Pada sisi (timur, barat):
[(
p - ��� �x
)
-(
�
- ��� �x
)]
�y�z +[
-(
p + �� � �x)
+
(
�
+ ��� �x
)]
�y�z =(
-�� �+
��
�
)
�x �y�z………(2.11)Gaya total dalam arah x pada sisi (utara, selatan) :
-
(
�
- ��� �y
)
�x�z +(
�
+
��� �y
)
�x�z = ��� �x �y�z……...(2.12)
Gaya total dalam arah x pada sisi bawah dan atas :
-
(
�
-��� �y
)
�x�y+(
�
+
��� �y
)
�x�y= ��� �x�y�z………(2.13)
Gaya total persatuan volume pada fluida disebabkan tegangan-tegangan
permukaan sama dengan jumlah dari persamaan (2.11), (2.12), (2.13) dibagi oleh
volume �x�y�z :
� −�+�
�
+
��
�
+
��
momentum x dari suatu fluida dengan gaya total dalam arah x yag disebabkan oleh
tegangan permukaan ditambah kelajuan peningkatan momentum x yang
disebabkan oleh source.
Dengan tidak mempertimbangkan gaya badan lebih detail hasil secara
menyeluruh bisa dimasukkan dengan mendefinisikan sebuah source � dari x
persatuan volume, persatuan waktu.
�
��=
� −�+���
+
��
�
+
��
�
+
�………
(2.15)Untuk membuktikan bahwa komponen y persamaan momentum :
�
��=
�� � +� −�+��
� +
��
� + �
………..
(2.16)dan juga komponen z persamaan momentum:
�
�� =��� +
��
�
+
� −�+��
� + �
………
(2.17)2.6 General
2.6.1 Solver
1. Pressure-Based
Kecepatan yang diperolah dari persamaan momentum, konversi massa
(kontinuitas) didapatkan dengan menghitung tekanan, persamaan energi (jika
perlu) yang diselesaikan secara berurutan dan persamaan skalar tambahan juga
diselesaikan dalam mode terpisah.
2. Density-Based
Persamaan yang mengatur kontinuitas, energi diselesaikan bersama. Persamaan
1. Volume Of Fluid (VOF)
Digunakan untuk dua atau lebih fluida yang memiliki hubungan antar muka.
Persamaan momentum digunakan untuk setiap fasa fluida dan fraksi volume
digunakan untuk setiap fluida pada perhitungan yang diamati melalui seluruh
bidang asal.
2. Mixture
Digunakan untuk aliran yang berbentuk gelembung atau butiran, dimana kedua
fasa tercampur sempurna atau fraksi volume fasa diskrit melebihi 10%, untuk
aliran yang homogen.
3. Eulerian
Digunakan untuk aliran granular dan juga digunakan untuk aliran yang
hydrotransport.
2.7.2 Viskositas
1. Inviscid
Model ini digunakan pada aliran yang tidak mengalami perubahan viskositas.
Nilai viskositasnya tetap dan gesekan antar partikelnya relatif kecil. Apabla fluida
mengalir pada suatu pipa maka tangensial stress fluida sama dengan nol, sehingga tidak ada energi dan fluida mengalir bebas tanpa adanya hambatan.
2. Laminar
Model ini dapat digunakan pada aliran yang fluidanya bergerak dalam
lapisan-lapisan atau lamina–lamina dengan satu lapisan meluncur secara lancar.
3. Spalart-Allmaras
Model ini dapat digunakan untuk simulasi yang sedikit ‘kasar’ dengan ukuran
turbulensi isotropic yang homogeny dan model ini tidak mampu untuk perubahan
length scale secara cepat.
4.K-ε
a. Standart
Model ini dapat digunakan untuk dua persamaan, yaitu kecepatan turbulensi
dan skala panjang. Model ini merupakan model turbulensi semi empiris yang
sangat lengkap walupun masih sangat sederhana.
b. Renormalization-group (RNG)
Model ini merupakan perbaikan dari metode K-ε standart, persamaan yang digunakan sama. Adapun perbaikannya meliputi :
Efek putaran pada turbulensi telah disediakan, sehingga meningkatkan akurasi
untuk jenis aliran yang perputar.
Memiliki besaran tambahan pada persamaan laju disipasi, seingga mampu meningkatkan akurasi aliran yang terhalang secara tiba-tiba.
Menyediakan formulsi untuk bilangan Reynold rendah, sedangkan model K-ε
standart digunakan untuk bilangan Reynold tinggi.
Menyediakan analisa untuk bilangan prandtl turbulensi, sedangkan model
K-ε standart menggunakan bilangan prandtl yang ditentukan oleh pengguna. c. Realizable
Model pengembangan yang relatif baru dan berbeda dengan model K-ε
standart dalam dua hal, yaitu :
Persamaan untuk dissipasi, ε, telah diturunkan dari persamaan yang digunakan
dalam menghitung fluktuasi rata-rata.
Untuk memodelkan viskositas turbulen.
Model ini memberikan performa yang sangat bagus dalam aliran yang
melibatkan putaran, lapisan batas dan memiliki gradient tekanan yang sangat
besar dan sirkulasi. Kelebihan dari model ini adalah sangat akurat dalam
rendah, kompresibilitas dan penyebaran aliran geser (shear flow). Model ini juga dapat diaplikasikan pada aliran bebas gesekan maupun aliran dalam saluran.
b. Shear - Stress Trransport (SST)
Model SST digunakan untuk menghitung transport dari tegangan geser
turbulen yang melibatkan sebuah besaran dari penurunan damped cross diffusion
pada persamaan omega.
6. Reynold Stress
Merupakan model turbulensi yang paling teliti pada FLUENT. Model ini
mendekati persamaan Navier-Stokes (Reynolds-averaged) dengan menyelesaikan persamaan transport untuk tegangan Reynold bersama-sama dengan persamaan
laju disiasi. Model ini membutuhkan 4 persamaan transport tambahan pada aliran
2D dan 7 persamaan transport tambahan pada aliran 3D yang berarti proses
komputasi yang terjdi lebih panjang dan berat.
Model ini harus digunakan ketika pada aliran terdapat anisotropi dari tegangan
Reynold, seperti aliran dalam siklon, aliran yang berpusar dalam combustor, aliran yang melewati lintasan yang berputar, tegangan pada aliran yang disebabkan
aliran sekunder dalam saluran.
7. Detached Eddy Simulation (DES)
Model ini digunakan untuk memprediksi aliran dengan bilangan Reynold yang
besar, model ini merupakan modifikasi dari model Spalart-Allamars, model ini otomatis akan muncul paa pilihan viscous khusus solver 3D.
8. Large Eddy Simulation (LES)
Model ini membutuhkan resolusi mesh yang lebih besar , membutuhkan daya komputasi yang jauh lebih tinggi dan tidak praktis untuk aplikasi teknis secara
2.8.1 Scheme
1. Semi Implicit Method For Pressure Linked Equation (SIMPLE)
Dalam metode ini persamaan kecepatan dikoreksi untuk menghitung satu set
baru fluks konservatif. Persamaan momentum yang telah terdiskritisasi dan
koreksi kecepatan diselesaikan secara implisit dan koreksi kecepatan diselesaikan
secara eksplisit, hal ini adalah alasan disebutnya “Semi-Implisit . Metode”
Simple dipakai pada skema default, kasar (robust).
2. SIMPLE Consistent (SIMPLEC)
Dapat mempercepat konvergensi untuk kasus yang sederhana, misalnya aliran
laminar dengan bentuk geometri yang tidak terlalu kompleks.
3. Pressure Implicit with Splitting of Operators (PISO)
Berguna untuk aliran transien atau kasus dengan mesh yang mengandung
skewness yang tinggi. Metode ini didasarkan pada tingkatan yang lebih tinggi dari hubungan pendekatan antara faktor koreksi tekanan dan kecepatan. Untuk
meningkatkan efisiensi perhitungan, metode piso menggunakan dua faktor
koreksi tambahan, yaitu neighbor correcion dan skewness correction. Skewness correction adalah proses penghitungan ulang untuk gradien koreksi tekanan yang digunakan untuk memperbarui koreksi fluks massa. Neighbor correction adalah proses iterasi yang disebut sebagai koreksi momentum. Dengan tambahan
neighbor correction maka Control Processing Unit (CPU) pada komputer mengalami penambahan waktu untuk melakukan proses solver iterasi, akan tetapi akan menurunkan nomor iterasi yang dibutuhkan untuk mencapai
konvergensi.
4. Coupled
Berdasarkan hasil gabungan tekanan solver (konvergensi lebih cepat dari
1. Least Squares Cell Based
Digunakan untuk persamaan konversi massa, momentum, energi, serta besaran
skalar lainnya seperti turbulen dan reaksi kimia.
2 .Green-Gauss Cell Based
Digunakan untuk perhitungan berdasarkan jumlah sel sehingga simulasi tidak
memerlukan waktu yang terlalu lama, akan tetapi hasil simulasi menjadi kurang
akurat.
3. Green-Gauss Note Based
Digunakan untuk perhitungan berdasarkan jumlah note dengan menggunakan rata-rata dari dalam sel yang mendefinisikan simpul tersebut.
2.8.3 Pressure
1. PRESTO!
Digunakan untuk aliran dengan aliran yang tinggi, aliran yang melibatkan
media berpori, aliran dalam saluran tertutup.
2. Body Force Weighted
Digunakan ketika gaya badan (body force) tinggi, misalnya pada kasus konveksi bebas dengan bilangan Raleigh yang besar, aliran dengan pusaran yang
tinggi, dll.
2.8.4 Momentum, Turbulent Kinetic Energy, Turbulent Dissipation Rate
1. First-Order Upwind Scheme
Skema interpolasi yang paling ringan dan cepat mencapai konvergen, tetapi
2. Second-Order Upwind Scheme
Menggunakan persamaan yang lebih teliti sampai orde 2, sangat baik
digunakan pada mesh tri/tet dimana arah aliran tidak sejajar dengan mesh. Kerena metode interpolasi yang digunakan lebih rumit, maka lebih lambat mencapai
konvergen.
3. Power Law Scheme
Lebih akurat dari first-order ketika bilangan Reynolds pada aliran <5 (untuk aliran yang sangat lambat).
4. Monotone Upstream - Centered Schemes for Conservation Laws (MUSCLE)
Menggunakan konveksi diskritisasi sampai orde 3 untuk mesh yang tidak terstruktur, lebih akurat dalam memprediksi aliran sekunder, vortisitas dan
kekuatan.
5. Quadratic Upwind Interpolation (QUICK)
Diaplikasikan untuk mesh quad/hex dan hybrid, tetapi jangan digunakan untuk elemenmesh tri, dengan aliran fluida yang berputar/swirl. Ketelitiannya mencapai orde 3 pada ukuran mesh yang seragam.
2.8.5 Solution Initialization
1. Hybrid initialization
Metode inisialisasi bawaan, memberikan perhitungan yang cepat dari suatu
aliran dengan metode yang ada. menyelesaikan persamaan laplace untuk menentukan bidang kecepatan dan tekanan. Seluruh variabel lainnya, seperti suhu,
turbulensi, jenis fraksi, volume fraksi akan dihitung secara otomatis berdasarkan
nilai rata-rata domain atau menggunakan metode interpolasi tertentu.
2. Standard initialization
Umumnya pengguna memilih berdasarkan batas inlet dan batas outlet agar
secara otomatis mengisi nilai inisialisasi dengan nilai-nilai yang ditentukan pada
43
3.1 Alat Penelitian
Pada penelitian ini menggunakan software jenis program CFD Ansys
FLUENT 15.0 dengan diameter dalam pipa 19 mm, diameter luar pipa 25,4 dan
panjang pipa 1000 mm.
3.1.1 Prosedur Penggunaan Software Ansys FLUENT 15.0
Setelah merencanakan analisis CFD pada model, langkah-langkah umum
penyelesaian analisis CFD padaFLUENT sebagai berikut:
a. Membuat geometri dan mesh pada model
b. Model transient/steady
c. Memilih solver yang tepat untuk model tersebut (2D atau 3D)
d. Mengimpor mesh model
e. Melakukan pemeriksaan pada mesh model
f. Memilih formulasi solver
g. Memilih persamaan dasar yang akan dipakai dalam analisis
h. Menentukan sifat material yang akan dipakai
i. Menentukan kondisi batas
j. Mengatur parameter control solusi
k. Initialize the flow field
l. Melakukan perhitungan/iterasi
m. Memeriksa hasil iterasi
n. Menyimpan hasil iterasi
o. Jika perlu, memperhalus grid kemudian dilakukan iterasi ulang untuk
Simulasi dilakukan dengan prosedur sebagai mana ditunjukkan pada
gambar 3.1.
Tidak
Ya
Tidak
Gambar 3.1. Diagram Alir Simulasi CFD Menggunakan Ansys FLUENT 15.0 Pembuatan Geometri
Pendefisian Bidang Batas Pada Geometri
Pengecekan Meshing
Mesh Yang Baik
Proses Numerik
Proses Iterasi Data Sifat
Fisik Mulai
selesai Penentuan Kondisi Batas
Pembuatan meshing
Viskositas Nilai Reynold (Laminar, Turbulen, Transisi)
solver dan post-processing.
3.3.1 pre-processing
Pre-processing adalah tahap awal dalam simulasi CFD yang perlu
dilakukan, seperti: membuat geometri dan melakukan pengecekan mesh.
a. Membuat geometri
Dalam pembuatan geometri pada simulasi Ansys FLUENT, selain dengan
menggunakan aplikasi tersebut dapat dilakukan juga dengan aplikasi Solidwork,
GAMBIT, Autocad dan lain-lain, Selanjutnya diimpor keaplikasi Ansys FLUENT.
Geometri dalam penelitian ini menggunakan diameter dalam pipa 19 mm,
diameter luar pipa 25,4 mm dan panjang pipa 1000 mm.
Gambar 3.2. Pipa (Tampak Depan)
�� = 19 mm
Gambar 3.3. Pipa (Tampak Samping)
b. Mesh
Setelah membuat geometri, selanjutnya perlu dilakukan proses meshing
(membagi volume menjadi bagian-bagian kecil) supaya dapat dianalisis pada
program CFD. Ukuran mesh yang terdapat pada suatu obyek akan mempengaruhi
ketelitian dan daya komputasi analisis CFD. Semakin kecil/halus mesh yang
dibuat, maka hasil yang didapatkan akan semakin teliti, namun dibutuhkan daya
komputasi yang makin besar pula. Setelah proses pembuatan meshing selesai,
Gambar 3.4. Report Quality
Gambar 3.5. Proses Name Selection
Bidang yang diidentifikasi adalah inlet dan outlet pipa baik untuk fluida air dan
udara. Pada simulasi ini memakai 2 inlet, yaitu: 1 inlet air, 1 inlet udara dan 1
Gambar 3.6. Hasil Meshing (Outlet)
Gambar 3.7. Hasil Meshing (Tampak Samping)
3.3.2 Processing
Pada tahap ini yang harus dilakukan banyak kaitannya dengan penentuan
kondisi batas dalam sebuah simulasi CFD. Tahap ini ini merupakan bagian yang
paling penting karena hampir semua parameter penelitian diproses dalam tahapan
calculation.
a. General
Pada tahap ini menggunakan solver tipe pressure-based, untuk velocity
formulation menggunakan absolute dan waktu yang digunakan bersifat transient.
Gambar 3.8. General
b. Models
Pada tahap ini multiphase yang dipilih yaitu VOF , sedangkan energy disetting
realizable.
Gambar 3.9. Models
c. Materials
Material yang digunakan untuk simulasi ini terbagi kedalam dua jenis, yaitu
solid dan fluid. Material solid yang digunakan adalah acrylic flexyglass
Gambar 3.10. Materials
d. Cell Zone Conditions
Cell Zone Conditions berisi daftar zona sel yang dibutuhkan. Pada tahap ini
masing-masing zona disesuaikan dengan nama dan jenis materialnya. Untuk
Porous Formulation yang berisi opsi untuk mengatur kecepatan simulasi disetting
default dengan memilih Superficial Velocity.
Tahap ini digunakan untuk memberikan kondisi batas berupa data yang
dibutuhkan pada simulasi ini. Data yang dimasukkan adalah kecepatan superfisial
air-udara pada zona air-inlet dan water-inlet.
Gambar 3.12. Boundary Conditions
f. Solution Methods
Simulasi ini menggunakan skema Simple. Pada Spatial Discretization, untuk
Gradient-nya menggunakan Least Squares Cell based, Pressure menggunakan
PRESTO!, Momentum menggunakan Second Order Upwind, Volume Fraction
menggunakan Geo-Reconstruct, Turbulent Kinetic Energy menggunakan Second
Gambar 3.13. Solution Methods
g. Monitors
Pada tahap ini digunakan untuk memantau konvergensi secara dinamis. Pada
dasarnya konvergensi dapat ditentukan dengan merubah parameter pada residual,
statistik, nilai gaya, dll.
Initialization methods yang digunakan adalah hybrid intialization
