BAB II
TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Batang Kelapa Sawit
Saat ini luas lahan perkebunan sawit di Indonesia sedikitnya 11 juta hektar.
Selain menunjukkan prospek hasil minyak nabati yang berlimpah, luasankebun
sawit ini memicu kekhawatiran melimpahnya batang sawit saat regenerasi kebun
dilakukan. Jika 4 persen dari luasan itu direhabilitasi tiap tahun, ada hampir 100
juta kubik batang sawit akan teronggok menjadi sampah. Pengelola kebun sering
mebiarkan batang sawit membusuk. Selain menimbulkan bau tidak
enak,pelapukan alami membuat batang sawit menjadi sarang kumbang Oryctes
rhinoceros dan jamur Ganoderma. Hal ini akan mengganggu tanaman sawit muda
dan merugikan kebun. Cara lain membakar batang sawit,namun hal ini dilarang
undang-undang karena membahayakan dan bisa memulai kebakaran
hutan/gambut,dan melepas emisi karbon ke atmosfer.
Di indonesia yang umum ditanam di perkebunan sawit adalah varietas
sawit Dura,Pisivera,dan Tenera. Panjang batang sawit 7-17 meter,diameter 32-70
centimeter,dan volume 0.9-3 meter kubik. Rata-rata jumlah pohon mencapai 128
pohon per hektar dengan rata-rata volume 220 meter kubik per hektar.
Berdasarkan karakteristik fisik batang sawit tersebut dan daur produktif 25 tahun
(tingkat peremajaan 4 persen per tahun) serta asumsi luas tanaman sawit di
Indonesia 9,261 juta hektar (2011), potensi limbah batang sawit nasional sekitar
81,5 juta meter kubik per tahun.
2.1.1 Sifat Fisik Batang Kelapa Sawit
Sifat fisik merupakan sifat-sifat yang berhubungan dengan kadar air,
kerapatan, berat jenis, kembang susut, sifat panas, keawetan alami, warna,
kelistrikan kayu, penampilan kayu, ketahanan kayu pada suatu zat, ketahanan
kayu terhadap cuaca, ketahanan kayu terhadap organisme perusak kayu, sifat
pengerjaan kayu, dan sifat penyerapan kayu terhadap air, seperti yang tercantum
pada Tabel 2.1 mengenai sifat-sifat fisik bagian dalam batang sawit (Dumanauw,
Tabel 2.1 Sifat dari Batang Kelapa sawit
Sifat
Bagian dalam batang
Tepi Tengah Pusat
Berat Jenis 0,35 0,28 0,2
Kadar Air, % 156 257 365
MOE, kg/cm2 29996 11421 6980
MOR, kg/cm2 295 129 67
Kelas Awet V V V
Kelas Kuat III-V V V
Berat jenis kayu dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara kerapatan kayu
dengan kerapatan air pada suhu 4ºC, dimana pada suhu standar tersebut kerapatan
air sebesar 1 g/cm³. Makin tinggi berat jenis kayu tersebut, umumnya makin kuat
pula kayunya. Semakin kecil berat jenis kayu, maka akan berkurang pula
kekuatannya. Berat jenis ditentukan antara lain oleh tebal dinding sel dan kecilnya
rongga sel yang membentuk pori-pori. Perhitungan berat jenis banyak
disederhanakan dalam sistem metrik karena 1 cm³ air beratnya tetap 1 gram. Jadi
berat jenis dapat dihitung secara langsung dengan membagi beratdalam gram
dengan volume dalam cm³, maka nilai kerapatan dan berat jenis adalah sama jika
menggunakan massa oven.
Kerapatan merupakan perbandingan berat suatu benda dengan volume
benda itu sendiri. Kerapatan kayu umumnya dihitung dengan menggunakan berat
total sebenarnya, termasuk berat air. Dalam penentuan kerapatan dinding sel,
volume umumnya ditentukan oleh pemindahan suatu cairan. Cairan yang berbeda
bervariasi dalam kemampuannya untuk menembus rongga-rongga dalam dinding
dan persatuan fisiknya dengan komponen-komponen kimia kayu (Bowyer, 2003).
2.1.2 Pemanfaatan Batang Kelapa Sawit
Menurut Departemen Pertanian, Jakarta (2006), batang kelapa sawit yang
sudah membusuk merupakan sarang bagi kumbang Oryctes rhinoceros dan
Ganoderma yang potensial menyerang tanaman muda. Karena itu, pengelolaan kebun kelapa sawit menyingkirkan batang kelapa sawit dengan membakarnya.
kelapa sawit itu menjadi masalah yang sangat dilematis bagi pengelola. Namun
siapa sangka batang kelapa sawit yang selama ini menjadi persoalan ternyata bisa
dimanfaatkan sebagai bahan baku furnitur, keperluan konstruksi dan kayu
pertukangan lainnya.
Limbah yang tidak pernah diperhitungkan bisa dijadikan bahan baku
alternatif di tengah kondisi kelangkaan bahan baku kayu dari hutan alam. Bahkan
produk yang dihasilkan dari batang kelapa sawit kemudian menjadi komoditas
ekspor yang sangat potensial seperti daun pintu, fancy panel, mebel dan perabot
rumah tangga lainnya. Batang kelapa sawit dapat dipergunakan untuk perabot dan
papan partikel. Batang kelapa sawit yang tua sudah tidak produktif lagi, dapat
dimanfaatkan menjadi produk yang bernilai tinggi. Batang kelapa sawit dapat
dibuat sebagai bahan perabot rumah tangga seperti mebel, furniture atau sebagai
bahan partikel. Dari setiap batang kelapa sawit dapat diperoleh kayu sebanyak
0,34m3.
2.2 Komposit
Menurut Herman, komposit adalah bahan yang dicampurkan dua atau
lebih tahap yang berbeda. Oleh karena itu komposit bersifat heterogen. Komposit
adalah material yang satu tahap berlaku sebagai sebuah penguatan terhadap tahap
kedua. Tahap kedua disebut matriks.
Umumnya dalam komposit terdapat bahan yang disebut sebagai “matriks” dan bahan “penguat”. Bahan matriks umumnya dapat berupa logam, polimer, keramik, karbon. Matriks dalam komposit berfungsi untuk mendistribusikan beban kedalam seluruh material penguat komposit. Sifat matriks biasanya “ulet” (ductile). Bahan penguat dalam komposit berperan untuk menahan beban yang
diterima oleh material komposit. Sifat bahan penguat biasanya kaku dan tangguh.
Bahan penguat yang umum digunakan selama ini adalah serat karbon, serat gelas,
keramik. Serat alam sebagai jenis serat yang memiliki kelebihan-kelebihan mulai
diaplikasikan sebagai bahan penguat dalam polimer
1. Komposit Matrik Polimer (Polymer Matrix Composites – PMC). Bahan
inimerupakan bahan komposit yang sering digunakan disebut,
PolimerBerpenguatan Serat (FRP – Fibre Reinforced Polymers or Plastics) –bahanini menggunakan suatu polimer-berdasar resin sebagai matriknya, dan suatujenis serat seperti kaca, karbon dan aramid (Kevlar) sebagai
penguatannya.
2. Komposit Matrik Logam (Metal Matrix Composites – MMC). Ditemuka
3. berkembang pada industri otomotif, bahan ini menggunakan suatu logam
seperti aluminium sebagai matrik dan penguatnya dengan serat seperti
silikonkarbida.
4. Komposit Matrik Keramik (Ceramic Matrix Composites – CMC).
Digunakanpada lingkungan bertemperatur sangat tinggi, bahan ini
menggunakan keramiksebagai matrik dan diperkuat dengan serat pendek,
atau serabut-serabut(whiskers) dimana terbuat dari silikon karbida atau
boron nitride.
Secara garis besar komposit dapat diklasifikasikan menjadi empat macam,
antara lain :
1. Material serat komposit (Fibrous composites materials)
Terdiri dari dua komponen penyusun yaitu matriks dan serat. Skema
penyusunan serat dapat dibagi menjadi tiga.
a) Serat berturut,
b) Serat terputus,
c) Serat acak terputus
2. Material komposit berlapis (Laminated composites materials)
Terdiri dari dua atau lebih lapisan material yang berbeda dan digabung
secarabersama-sama. Laminated composite dibentuk dari dari berbagai
lapisan-lapisan dengan berbagai macam arah penyusunan serat yang
ditentukan yang disebut lamina. Yang termasuk Laminated composites
(komposit berlapis) yaitu :
a) Bimetals
b) Cladmetals
3. Material komposit partikel (Particulate composites materials)
Terdiri dari satu atau lebih partikel yang tersuspensi di dalam matriks
darimatriks lainnya. Partikel logam dan non-logam dapat digunakan
sebagai matriks. Empat kombinasi yang digunakan sebagai matriks
komposit partikel :
a) Material komposit partikel non-logam di dalam matriks non-logam
b) Material komposit partikel logam di dalam matriks non-logam
c) Material komposit partikel non-logam di dalam matriks logam
d) Material komposit partikel logam di dalam matriks logam
4. Kombinasi dari ketiga tipe di atas
Secara umum, sifat-sifat komposit ditentukan oleh :
a) Sifat-sifat serat
b) Sifat-sifat resin
c) Rasio serat terhadap resin dalam komposit (Fraksi Volume Serat –
FibreVolume Fraction)
d) Geometri dan orientasi serat pada komposit.
2.3 Motor Bakar Torak
Salah satu jenis penggerak mula yang banyak dipakai adalah mesin kalor,
yaitu mesin yang menggunakan energi thermal untuk melakukan kerja
mekanik,atau yang mengubah energi thermal menjadi energi mekanik. Energi itu
sendiri dapat diperoleh dengan proses pembakaran, proses fisi bahan bakar nuklir,
atau proses lain-lain. Ditinjau dari cara memperoleh energi thermal ini mesin
kalor dibagi menjadi dua golongan, yaitu mesin pembakaran luar dan mesin
pembakaran dalam. Pada mesin pembakaran luar energi termal dari gas hasil
pembakaran dipindahkan ke fluida kerja mesin melalui beberapa dinding pemisah.
Untuk mesin pembakaran dalam pada umumnya dikenal dengan Motor Bakar,
motor bakar dapat dikelompokkan menjadi beberapa bagian,salah satunya ialah
Motor Bakar Torak. Pada motor bakar tidak terdapat proses perpindahan klor dari
gas pembakaran ke fluida kerja, karena itu jumlah komponen motor bakar lebih
sedikit daripada komponen mesin uap. Motor bakar lebih sederhana,lebih
kompak, dan lebih ringan jika dibandingkan dengan mesin uap, karena itu pola
samping itu temperatur seluruh bagian mesinnya jauh lebih rendah daripada
temperatur gas pembakaran yang maksimum sehingga motor bakar torak bisa
lebih efisien daripada mesin uap.
2.3.1 Motor Bensin
Pada prinsipnya motor bakar dibagi menjadi dua berdasarkan tempat
terjadinya pembakaran bahan bakar pada motor tersebut. Pertama adalah motor
bakar luar disebut juga dengan External Combustion Engine (ECE) dan motor bakar dalam atau disebut juga dengan Internal Combustion Engine (ICE). Motor bensin sendiri termasuk ke dalam motor bakar dalam atau Internal Cumbustion Engine (ICE) karena pembakaran terjadi di dalam silinder. Dalam motor bensin bahan bakar yang bercampur dengan udara dimasukkan melalui sebuah saluran ke
dalam silinder kemudian dibakar dengan percikan bunga api yang dihasilkan oleh
busi atau Spark Plug saat terjadi pembakaran torak akan bergerak turun dan menggerakkan engkol dan memutarkan poros engkol. Selain disebut sebagai
Internal Combustion Engine (ICE) motor bensin juga disebut sebagai Spark Plug IgnitionEngine karena dalam motor bensin sistem penyalaanya menggunakan busi atau Spark Plug (Anggraeni dan Hariyadi,2003). Pada mulanya perkembangan motor bakar torak dengan motor bakar bensin ditemukkan oleh Nichollus Otto
pada tahun 1876,dan motor bensin karyanya ini dinamkan Otto Engine. Otto Engine memiliki keunggulan bentuk yang lumayan kecil namun memiliki tenaga yang besar, selain itu mudah dihidupkan dan praktis di eranya.
Ada beberapa hal yang yang mempengaruhi dalam cara kerja motor
bensin.
1. Sistem bahan bakar
Ada bebrapa komponen yang berkaitan dengan sistem bahan bakar
yaitu tanki bahan bakar (Fuel Tank),saluran bahan bakar,saringan bahan bakar (Fuel Filter) dan karburator atau injektor. Semua bahan bakar yang dibutuhkan untuk pembakaran di dalam silinder di suplai
oleh sistem bahan bakar.
2. Campuran udara dan bahan bakar
Selain komponen yang ada dalam sistem bahan bakar,hal lain yang
udara dan bahan bakar yang harus sesuai. Selain itu bahan bakar yang
masuk ke dalam silinder haruslah berbentuk kabut karena apabila
bahan bakar yang masuk ke dalam silinder masih dalam bentuk cair
maka akan sulit terbakar dan proses pembakaran tidak akan terjadi
secara merata di seluruh silinder. Pengkabutan bahan bakar sendiri
dilakukan oleh karburator atau oleh injektor yang kemudian di
teruskan masuk ke dalam silinder motor. Selain itu perbandingan
antara bahan bakar dengan udara juga harus seimbang agar motor tidak
terlalu boros. Untuk perbandingan yang standard antara bahan bakar
dan udara adalah 15 : 1, artinya untuk 15 udara yang masuk ke dalam
silinder dan hanya 1 bahan bakar yang dipergunakan.
3. Pengapian
Tanpa adanya pengapian proses pembakaran tidak akan
terjadi.Pengapian pada motor bensin akan terjadi akibat adanya
loncatan bunga api yang diletupkan uloeh busi atau spark plug. Busi memperoleh eneri untuk menghasilkan letupan bunga api dari aliran
listrik yang di alirkan ke busi. Letupan bunga api yang dihasilkan oleh
busi akan membakar campuran udara dan bahan yang telah
terkompresi oleh torak di dalam silinder. Kecepatan aliran api yang
terjadi saat pembakaran adalah 25-30 m/detik. Kecepatan pembakaran
yang sangat cepat membuat tekanan gas di dalam silinder naik dan
temperatur pembakaran akan naik pula bahkan melebihi temperatur
penyalaan itu. Ada satu masalah yang sering terjadi dalam proses
pembakaran yaitu detonasi. Engine Knocking atau detonasi merupakan peristiwa terbakarnya bagian-bagian yang belum di kenai oleh percikan
api busi dalam ruang pembakaran (Samsudin,2012). Jadi bahan bakar
yang seharusnya belum saatnya terbakar pada peristiwa detonasi
terbakar lebih dulu. Adapun efek dari detonasi ini bisa mengakibatkan
torak berlubang. Hal-hal yang menyebabkan detonasi diantaranya
adalah penggunaan bbm yang tidak sesuai dengan oktan yang
dianjurkan oleh pabrik (lebih rendah dari anjuran),penggunaan gigi
terlalu banyak pada ruang bakar. Upaya yang bisa dilakukan agar tidak
terjadi detonasi atau mengurangi detonasi adalah pertama dengan
menggunakan bbm yang memiliki nilai oktan yang sesuai dengan
anjuran pabrik pembuat kendaraan.
Kinerja mesin otto dapat digambarkan dalam siklus otto yang biasanya
dikenal dengan nama siklus volume konstan. Gambar 2.1 dibawah
memperlihatkan diagram P vs V dan T vs S untuk siklus otto :
(A) (B)
Gambar 2.1 A) Diagram T-s B)Diagram P-v
Dari diagram atas untuk kesetimbangan energi pada setiap proses nya bisa
digambarkan dalam basis unit massa :
( q
in- q
out)
+( w
in–
w
out)
=(kj/kg) ... ... ( 2.1 )
Dan juga untuk gambaran perpindahan panas yang masuk maupun keluar
dapat dituliskan dalam rumusan :
q
in=u
3- u
2 =c
v( T
3–
T
2) ..
... ( 2.2 )Keterangan :
U = Energi dalam (Kkal)
W = Kerja (mkg)
qin = Perpindahan panas masuk sistem (Kkal/kg) qout = Perpindahan panas keluar sistem (Kkal/kg) T = Temperatur absolut (K)
cv = Kalor Spesifik
A. Proses Pembakaran Dalam Pada Motor Bensin (Internal Combustion)
Secara umum pembakaran didefinisikan sebagai reaksi kimia atau
reaksipersenyawaan bahan bakar oksigen (O2) sebagai oksidan dengan
temperaturnya lebih besar dari titik nyala. Mekanisme pembakarannya sangat
dipengaruhi oleh keadaan dari keseluruhan proses pembakaran dimana atom-atom
dari komponen yang dapat bereaksi dengan oksigen yang dapat membentuk
produk yang berupa gas. (Sharma, S.P, 1978).
Untuk memperoleh daya maksimum dari suatu operasi hendaknya
komposisi gas pembakaran dari silinder (komposisi gas hasil pembakaran) dibuat
seideal mungkin, sehingga tekanan gas hasil pembakaran bisa maksimal menekan
torak dan mengurangi terjadinya detonasi. Komposisi bahan bakar dan udara
dalam silinder akan menentukan kualitas pembakaran dan akan berpengaruh
terhadap performance mesin dan emisi gas buang. Sebagaimana telah diketahui
bahwa bahan bakar bensin mengandung unsur-unsur karbon dan hidrogen.
Terdapat 3 (tiga) teori mengenai pembakaran hidrogen tersebut yaitu:
a. Hidrokarbon terbakar bersama-sama dengan oksigen sebelum karbon
bergabung dengan oksogen.
b. Karbon terbakar lebih dahulu daripada hidrogen.
c. Senyawa Hidrokarbon terlebih dahulu bergabung dengan oksigen dan
membentuk senyawa (hidrolisasi) yang kemudian dipecah secara terbakar
(Yaswaki,K, 1994).
Motor bakar bensin 4-langkah seperti pada gambar 2.2 dan diagram pada
gambar 2.3 adalah salah satu jenis mesin pembakaran dalam (internal combustion
engine) yang beroperasi menggunakan udara bercampur dengan bensin dan untuk
Gambar 2.2 Proses Pembakaran 4 Langkah
Gambar 2.3 Diagram P-V
Keterangan mengenai proses-proses pada siklus diatas adalah sebagai berikut:
1. Proses 0 → 1 adalah langkah hisap Pada langkah hisap campuran
udara-bahan bakar dari karburator terhisap masuk ke dalam silinder dengan bergeraknya
piston ke bawah, dari TMA menuju TMB. Katup hisap pada posisi terbuka,
sedang katup buang pada posisi tertutup. Di akhir langkah hisap, katup hisap
tertutup secara otomatis. Fluida kerja dianggap sebagai gas ideal dengan kalor
spesifik konstan. Proses dianggap berlangsung pada tekanan konstan.
2. Proses 1 → 2 adalah langkah kompresi Pada langkah kompresi katup hisap
dan katup buang dalam keadaan tertutup. Selanjutnya piston bergerak ke atas, dari
TMB menuju TMA. Akibatnya campuran udara-bahan bakar terkompresi. Proses
kompresi ini menyebabkan terjadinya kenaikan temperatur dan tekanan campuran
tersebut, karena volumenya semakin kecil. Campuran udara-bahan bakar
terkompresi ini menjadi campuran yang sangat mudah terbakar. Proses kompresi
3. Proses 2 → 3 adalah langkah kerja Pada saat piston hampir mencapai TMA,
loncatan nyala api listrik diantara kedua elektroda busi diberikan ke campuran
udara-bahan bakar terkompresi sehingga sesaat kemudian campuran udara-bahan
bakar ini terbakar. Akibatnya terjadi kenaikan temperatur dan tekanan yang
drastis. Kedua katup pada posisi tertutup. Proses ini dianggap sebagai proses
pemasukan panas (kalor) pada volume konstan.
4. Proses 3 → 4 adalah langkah buang volume konstan Kedua katup masih pada
posisi tertutup. Gas pembakaran yang terjadi selanjutnya mampu mendorong
piston untuk bergerak kembali dari TMA menuju TMB. Dengan bergeraknya
piston menuju TMB, maka volume gas pembakaran di dalam silinder semakin
bertambah, akibatnya temperatur dan tekanannya turun. Proses ekspansi ini
dianggap berlangsung secara isentropik.
5. Proses 1 → 0 adalah langkah buang tekanan konstan piston bergerak kembali
dari TMB menuju TMA. Gas pembakaran didesak keluar melalui katup buang
(saluran buang) dikarenakan bergeraknya piston menuju TMA. Langkah ini
dianggap sebagai langkah pembuangan gas pembakaran pada tekanan konstan.
2.4 Konduktivitas Thermal
Konduksi merupakan mode perpindahan energi sebagai panas disebabkan
perbedaan tenperatur dalam body atau antara body dalam kontak thermal tanpa
melibatkan aliran massa dan campurannya. Persamaan laju dalam mode ini
didasarkan pada hukum Fourier konduksi panas dimana aliran panas dengan
konduksi dalam berbagai arah sebanding dengan gradien temperatur dan luas yang
tegak lurus terhadapa arah aliran dan dalam arah gradien negatif. Konstanta
kesebandingan diperoleh dalam hubungan yang dikenal sebagai Konduktivitas
Thermal dari material.
Konduktivitas atau keterhantaran adalah suatu besaran intensif bahan yang menunjukkan kemampuannya untuk menghantarkan panas. Konduksi
termal adalah suatu fenomena transport di manaperbedaan temperatur
menyebabakan transfer energi termal dari satudaerah benda panas ke daerah yang
sama pada temperatur yang lebihrendah. Panas yang di transfer dari satu titik ke
Konduktivitas Thermal = Laju aliran panas x
K = x
... (2.4)
Besaran ini didefinisikan sebagai panas, Q, yang dihantarkan selama waktu t
melaui ketebalan L, dengan arah normal ke permukaan dengan luas A yang
disebabkan oleh perbedaan suhu ΔT dalam kondisi tunak dan jika perpindahan
panas hanya tergantung dengan perbedaan suhu tersebut
Hubungan antara kalor dan energi listrik ;
Q (Kalor/Panas) = W (energi)
Joule = Joule
W = P x t ... (2.5)
Keterangan :
W = Energi Listrik (J)
P = Daya (W)
t = Waktu (S)
2.5 Aliran Fluida
Fluida adalah zat yang terus menerus mengalami deformasi dibawah
penerapan tegangan geser (tangensial) tidak peduli seberapa kecil tegangan geser.
Fluida terdiri dari cairan dan gas (atau fase uap). Perbedaan antarakeadaan fluida
dan solid jelas jika anda membandingkan karakteristik fluidadan solid. Solid
berdeformasi ketika tegangan geser diterapkan, tetapi deformasiyang tidak terus
meningkat dengan waktu. Terdapat beberapa cara untukmengklasifikasikan jenis
aliran fluida dan di sini akan dijabarkan secara umumdibawah ini.
2.5.1 Aliran Internal dan Eksternal
Aliran yang dibatasi oleh suatu permukaan batas seperti pipa atau
pembuluh disebut aliran internal. Aliran mengalir pada benda yang terbenam di
dalam fluida yang tak berbatas diistilahkan aliran eksternal. Aliran internal dan
inkompresibel. Contoh-contoh aliran internal adalah aliran udara pada ruangan
driver mobil, rumah , dll. Sedangkan aliran eksternal adalah aliran udara yang
mengenai body mobil, permukaan sayap pesawat, dll.
2.5.2 Aliran Kompresibel dan Inkompresibel
Fluida diklasifikasikan kompresibel atau inkompresibel berdasarkan
variasi rapat massa fluida tersebut selama mengalir. Aliran di mana perbedaan
dalam massa jenis dapat diabaikan disebut inkompresibel. Ketika perbedaan
massa jenis aliran yang tidak dapat diabaikan, aliran ini disebut kompresibel. Pada
kenyataannya tidak ada fluida yang massa jenisnya konstan, tetapi ada beberapa
masalah aliran fluida yang dapat disederhanakan dengan menganggap
massajenisnya konstan. Hal ini tidak mengurangi keakuratan solusi yang
didapat.Parameter yang menjadi acuan utama untuk menentukan suatu aliran
kompresibel atau tidak, dilihat dari nilai Mach Number (M), yang didefinisikan
sebagai rasio antara kecepatan aliran lokal terhadap kecepatan suara local.
M = ... ( 2.6 )
Dimana
M = bilangan Mach
v = kecepatan aliran (m/s)
c = kecepatan suara (m/s)
Pada saat M<0,3 aliran tersebut dianggap aliran inkompresibel
2.5.3 Aliran Alami dan Paksa
Suatu aliran fluida dapat dikelompokkan menjadi aliran alami atau aliran
paksa, tergantung bagaimana aliran inisiasi fluida tersebut. Pada aliran paksa,
fluida dipaksa mengalir melalui suatu permukaan atau dalam pipa misalnya oleh
pompa atau kipas (fan). Pada aliran alami, gerakan fluida secara natural akibat efek apung (buoyancy) sehingga menyebabkan fluida itu sendiri bergerak naik karena suhu yang lebih panas dan bergerak turun akibat suhu yang lebih dingin
2.5.4 Aliran Laminar dan Aliran Turbulen
Sebagian aliran fluida teratur dan mengalir mulus sedangkan yang lainnya
mengalir tidak teratur.Berdasarkan struktur alirannya, aliran fluida dibedakan
menjadi aliran laminar dan aliran turbulen. Gambar 2.4 menunjukkan region jenis
aliran pada suatu plat. Untuk aliran laminar kecepatan pada suatu titik akan tetap
terhadap waktu. Sedangkan aliran turbulen kecepatannya akan mengindikasikan
suatu fluktuasi yang acak. Dalam aliran turbulen, profil kecepatan pada suatu titik
dihasilkan dari gerak acak partikel fluida berdasarkan waktu dalam jarak dan
arah.Jika kita mengambil kecepatan ratarata terhadap waktu, maka kecepatan
sesaat dapat dihitung dengan menambahkan kecepatan rata-rata dengan kecepatan
fluktuasi.
Gambar 2.4 Region aliran laminar dan turbulen pada plat datar
2.5.5 Bilangan Reynold
Dalam analisis aliran fluida terdapat suatu bilangan tanpa dimensi yang
disebut bilangan Reynod yang merupakan perbandingan antara gaya inersia
dangaya viskositas dirumuskan:
Re = . ... ( 2.7 )
Dimana,
V = Kecepatan Rata-Rata dari Fluida (m/s)
L = Panjang objek( m ) ρ = Massa Jenis ( kg/m³)
Menurut hasil percobaan oleh Reynold, apabila angka Reynold kurang
daripada 2000, aliran biasanya merupakan aliran laminar. Apabila angka Reynold
lebih besar daripada 4000, aliran biasanya adalah turbulen. Sedang antara 2000
dan 4000 aliran dapat laminer atau turbulen tergantung pada faktor-faktor lain
yang mempengaruhi.
2.6 Perhitungan Dinamika Fluida (Computational Fluid Dynamics)
Dinamika fluida adalah cabang dari ilmu mekanika fluida yang
mempelajari tentang pergerakan fluida. Dinamika fluida dipelajari melalui tiga
cara yaitu:
Dinamika fluida eksperimental
Dinamika fluida secara teori, dan
Dinamika fluida secara numerik (CFD)
Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah suatu cabang dari mekanika fluida yang menggunakan metode numeric untuk menyelesaikan dan menganalisa
elemen-elemen yang akan disimulasikan. Pada proses ini, computer diminta untuk
menyelesaikan perhitungan-perhitungan numeric dengan cepat dan akurat. Prinsip
kerja pada CFD adalah model yang akan kita simulasikan berisi fluida akan dibagi
menjadi beberapa bagian atau elemen. Elemen-elemen yang terbagi tersebut
merupakan sebuah kontrol perhitungan yang akan dilakukan oleh software
selanjutnya elemen diberi batasan domain dan boundary condition. Prinsip ini lah yang banyak digunakan pada proses perhitungan dengan menggunakan bantuan
komputasi. Pemodelan dengan metode komputasi pada dasarnya menggunakan
persamaan dasar dinamika fluida, konservasi energy, momentum, massa dan
spesies. Persamaan-persamaan ini merupakan pernyataan matematis untuk tiga
prinsip dasar Fisika :
1. Hukum Konservasi Massa
Misalkan sebuah elemen fluida dalam kasus tiga dimensi dengan
dimensidx, dy dan dz seperti ditunjukkan pada Gambar 2.5 Konsep dasar dari hukumkonservasi massa adalah bahwa jumlah pertambahan massa pada volume
Gambar 2.5 Konservasi massa pada elemen fluida
+
+
+
= 0 ... ... ( 2.8 )
Atau menggunakan operator divergen dapat dituliskan sebagai
+
. (
v ) ..
... ( 2.9 )Persamaan di atas merupakan bentuk umum dari persamaan konservasi
massa yang biasa disebut juga dengan persamaan kontinuitas. Persamaan (2.6)
adalah unsteady, kekekalan massa atau persamaan kontinuitas tiga dimensi pada sebuah titik dalam sebuah fluida kompresibel. Suku pertama pada sisi
sebelah kiri kelajuan perubahan dalam waktu dari densitas (massa per satuan
volume). Suku kedua menjelaskan neto aliran massa keluar dari elemen melintasi
boudarinya dan disebut suku konvektif. Pada persamaan inkompresibel, dimana
kerapatan spasial dan temporal diabaikan, persamaan ini dapat disederhanakan
dengan menghilangkan
dari persamaan.
2. Hukum konservasi momentum
Hukum ini dikenal juga dengan hukum Newton II tentang gerak. Tingkat
kenaikan momentum partikel fluida sama dengan jumlah gaya gaya pada
partikelatau resultan gaya yang bekerja pada suatu objek sama dengan
percepatandikalikan dengan massa objek tersebut. Suatu elemen kecil fluida
hanyagaya searah x yang ditampilkan. Sebagai catatan, untuk kasus ini, terdapat enamgaya normal dan geser yang bekerja pada permukaan.
a) Gaya-gaya permukaan
- Gaya tekan
- Gaya viskos
b) Gaya-gaya badan
- Gaya gravitasi
- Gaya centrifugal
- Gaya coriolis
- Gaya elektromagnetik
Dalam menyoroti kontribusi yang disebabkan gaya-gaya permukaan
sebagai bagian tersendiri dalam persamaan momentum dan memasukkan
gaya-gaya badan sebagai suku source.
Gambar 2.6 Konservasi momentum pada elemen fluida
Keadaan tegangan dari sebuah elemen fluida didefinisikan dalam suku –
suku tekanan dan sembilan komponen tegangan viskos ditunjukkan dalam
Gambar 2.6. Notasi akhiran yang biasa digunakan untuk menandakan arah
tegangan viskos akhiran i dan j.
Dengan mengacu kepada elemen fluida tersebut, maka persamaan
Atau dapat dituliskan dalam tensor sebagai
Jika beberapa asumsi dinyatakan, beberapa bagian dari persamaan energi
dapat dihilangkan. Sebagai contoh, jika kerapatan massa konstan atau fluida
inkompresibel, maka persamaan �)/ � menjadi nol. Selanjutnya, jika disipasi
kekentalan diabaikan, maka dapat dihilangkan dari persamaan. Dan juga jika
energi dalam yang timbul pada elemen sama dengan nol, dapat juga dihilangkan
dari persamaan. Meskipun persamaan pembentuk aliran di atas terlihat sangat
rumit, namun persamaan tersebut berasal dari hukum konservasi yang sangat
sedarhana yaitu konservasi massa, momentum dan energi. Pada kasus tiga
dimensi, hukum ini menjadi lima persamaan yang berbeda. Mereka merupakan
system yang disatukan dari persamaan diferensial parsial nonlinear. Sampai saat
ini belum ada solusi analitik dari persamaan-persamaan tersebut.Dalam hal ini,
persamaan ini bukan tidak memiliki solusi namun sampai saat ini belum
ditemukan. Metode yang lain yang digunakan untuk menyelesakan persamaan
tersebut adalah dengan metode numerik yang dikenal dengan Computational Fluid Dynamics (CFD). Dengan metode ini, persamaan ini akan diselesaikan dengan iterasi untuk menemukan solusi yang mungkin berdekatan dengan solusi
sebenarnya.
2.6.1 Penggunaan CFD
CFD dalam aplikasinya dipergunakan diberbagai bidang antara lain
sebagai berikut :
1. Pada Bidang Teknik
- Mendesain ruang atau lingkungan yang aman dan nyaman.
- Mendesain aerodinamis kendaraan agar menghemat konsumsi bahan
- Mendesain performa pembakaran pada piston kendaraan
- Memaksimalkan hasil reaksi kimia pada proses kimiawi
2. Pada bidang Olahraga
- Menganalisa aerodinamis pada sepatu bola
- Menghitung kekuatan dan kecepatan pada tiap cara tendangan pada
sepakbola
3. Pada bidang kedokteran
- Menganalisa peredaran udara pada pasien yang mengalami penyakit
sinusitis
2.6.2 Manfaat CFD
Terdapat tiga hal yang menjadi alasan kuat menggunakan CFD, yaitu:
1. Insight-Pemahaman mendalam
Ketika melakukan desain pada sebuah sistem atau alat yang sulit untuk dibuat
prototype-nya atau sulit untuk dilakukan pengujian, analisis CFD memungkinkan untuk merangkak, merayap, dan menyelinap masuk secara virtual ke dalam
alat/sistem yang akan dirancang tersebut.
2. Foresight-Prediksi menyeluruh
CFD adalah alat untuk memperidiksi apa yang akan terjadi pada alat/sistem, dan
CFD dapat mengubah-ubah kondisi batas (variasi kondisi batas).
3. Efficiency-Efisiensi waktu dan biaya Foresight yang diperoleh dari CFD sangat membantu untuk mendesain lebih cepat dan hemat uang. Analisis/simulasi CFD
akan memperpendek waktu riset dan desain sehingga juga akan mempercepat
produk untuk sampai pasaran.
2.6.3 Metode Diskritisasi CFD
Secara matematis CFD mengganti persamaan-persamaan diferensial
parsial dari kontinuitas, momentum dan energi dengan persamaan-persamaan
aljabar linear.CFD merupakan pendekatan dari persoalan yang asalnya kontinum
(memiliki jumlah sel tak terhingga) menjadi model yang diskrit (jumlah sel
terhingga). Perhitungan/komputasi aljabar untuk memecahkan
persamaan-persamaan diferensial parsial ini ada beberapa metode (metode diskritisasi),
1. Finite Volume Method (FVM)
Metode ini adalah pendekatan yang umum digunakan dalam CFD, persamaan
yang mengatur diselesaikan melalui volume kontrol diskrit. Metode volume
terbatas menyusun kembali persamaan diferensial parsial yang mengatur
(biasanya persamaan Navier-Stokes) dalam bentuk konservatif, dan kemudian
discretize persamaan baru.
2. Finite Element Method (FEM)
Digunakan dalam analisis struktural dari padatan, tetapi juga berlaku untuk cairan.
Namun, formulasi FEM membutuhkan perawatan khusus untuk memastikan
solusi konservatif. Perumusan FEM telah diadaptasi untuk digunakan dengan
dinamika fluida yang mengatur persamaan.Meskipun fem harus hati-hati
dirumuskan untuk menjadi konservatif, jauh lebih stabil dibandingkan dengan
pendekatan volume terbatas.
3. Finite Difference Method (FDM)
Memiliki sejarah penting dan sederhana untuk program. Hal ini hanya digunakan
dalam beberapa kode khusus. Modern Kode beda hingga menggunakan sebuah
batas tertanam untuk menangani geometri yang kompleks, membuat kodekode
yang sangat efisien dan akurat. Cara lain untuk menangani geometri termasuk
penggunaan tumpang tindih grid, dimana solusinya adalah interpolated di jaringan
masing-masing. Metode diskritisasi yang dipilih umumnya menentukan kestabilan
dari program numerik/CFD yang dibuat atau program software yang ada. Oleh karenanya, diperlukan kehati-hatian dalam cara mendiskritkan model khususnya
cara mengatasi bagian yang kosong atau diskontinu.
2.7 Metode CFD Menggunakan Perangkat Lunak FLUENT
CFD memungkinkan penyelesaian persamaan pembentuk aliran dengan
menggunakan suatu perhitungan numerik yang disebut dengan metode volume
hingga (finite volume methods).Untuk memudahkan perhitungan numerik, telah tersedia banyak perangkat lunak computer. Salah satu perangkat lunak yang
terkenal dalam perhitungan dan simulasi CFD adalah FLUENT. FLUENT [4]
adalah program komputer yang dikembangkan oleh ANSYS Inc. untuk
FLUENT merupakan salah satu jenis program CFD (Computational Fluid Dynamics) yang menggunakan metode diskritisasi volume hingga. FLUENT memiliki fleksibilitas mesh, sehingga kasus-kasus aliran fluida yang memiliki mesh tidak terstruktur akibat geometri benda yang rumit dapat diselesikan dengan
mudah. Selain itu, FLUENT memungkinkan untuk penggenerasian mesh lebih halus atau lebih besar dari mesh yang sudah ada berdasarkan pemilihan solusi aliran. Fluent menggunakan teknik control volume untukn mengubah persamaan
pembentuk aliran menjadi persamaan algebra sehingga dapat diselesaikan secara
numerik. Teknik controlvolume ini mengandung pengintegralan setiap persamaan pembentuk aliran pada tiap-tiap control volume, menghasilkan persamaan - persamaan diskrit yang mengkonservasikan tiap jumlah yang ada pada control volume. Secara lengkap langkah-langkah FLUENT dalam menyelesaikan suatu simulasi adalah sebagai berikut :
1. Membuat geometri dan mesh pada model.
2. Memilih solver yang tepat untuk model tersebut (2D atau 3D). 3. Mengimpor mesh model (grid).
4. Melakukan pemeriksaan pada mesh model. 5. Memilih formulasi solver.
6. Memilih persamaan dasar yang akan dipakai dalam analisa.
7. Menentukan sifat material yang akan dipakai.
8. Menentukan kondisi batas.
9. Mengatur parameter kontrol solusi.
10. Initialize the flow field.
11. Melakukan perhitungan/iterasi.
12. Menyimpan hasil iterasi.
