ANALISIS PROSES PERPINDAHAN PANAS DUA DIMENSI
PADA DUA DAERAH ALIRAN FLUIDA YANG TERPISAH
OLEH SEBUAH PELAT DENGAN PERANGKAT LUNAK
FLUENT V5
V.I.S. Wardhani, Henky P.R, Efrizon Umar Pusat Penelitian Dan Pengembangan Teknik Nuklir
ABSTRAK
ANALISIS PROSES PERPINDAHAN PANAS DUA DIMENSI PADA DAERAH ALIRAN FLUIDA YANG TERPISAH OLEH SEBUAH PELAT DENGAN PERANGKAT LUNAK FLUENT V5. Untuk menggambarkan dan menganalisis proses perpindahan panas yang sesungguhnya terjadi pada suatu mesin penukar kalor merupakan persoalan yang cukup rumit. Karena itu perlu dilakukan tahap-tahap penyederhanaan dalam mensimulasikannya. Tahap yang paling sederhana adalah dengan analisis dua dimensi pada dua daerah aliran fluida yang terpisah oleh sebuah pelat seperti yang dilakukan di sini. Analisis dilakukan dengan perangkat lunak FLUENT V5. Hasil analisis yang berupa harga-harga karakteristik fluida seperti distribusi kecepatan maupun distribusi temperatur dapat ditampilkan dalam bentuk grafik.
Kata kunci : Fluent V5, mesin penukar kalor, karakteristik fluida.
ABSTRACT
THE ANALYSING OF THE HEAT TRANSFER PROCESS TWO DIMENSIONAL ON THE TWO REGIONS FLUID FLOW SEPARATED BY A PLATE, BY USING FLUENT V5 SOFTWARE. Describing and analysing the heat transfer process on the heat exchanger is become rather complicated problem. On simulating this problem, it can be solved in step by step. A simplest case, as is written here, this two regions fluid flow separated by a plate problem is analysed by two dimensional. This is analysed by using Fluent V5 software. The result of this analysing is fluid characteristics, such as velocity and temperature distribution that can be described as a graphics.
Key words : Fluent V5, heat exchanger, fluid characteristics.
PENDAHULUAN
erpindahan panas yang terjadi pada sistem penukar kalor melibatkan proses konduksi dan konveksi. Untuk mengetahui dan memahami proses perpindahan panas yang terjadi, perlu dilakukan analisis terhadap sistem tersebut. Analisis yang demikian cukup rumit oleh karena itu perlu dilakukan penyederhanaan, seperti yang dilakukan pada penulisan di sini, yaitu mengassumsikan terlebih dahulu sebagai masalah dengan dua daerah aliran fluida yang terpisah oleh sebuah pelat dalam bentuk dua dimensi. Langkah ini merupakan langkah awal dari target yang lebih jauh lagi yaitu analisis tiga dimensional pada sistem perpindahan panas yang terjadi pada mesin penukar kalor. Analisis dilakukan dengan menggunakan program Fluent V5. Hasil analisis berupa distribusi kecepatan, maupun distribusi temperatur pada fluida yang mengalir maupun pada pelat pemisah
P
ke dua daerah aliran fluida yang digambarkan dalam bentuk grafik.
Fluent V5 adalah suatu program komputer yang ditulis dengan bahasa C yang dapat memo-delkan aliran fluida dan proses perpindahan panas yang terjadi pada geometri dua dimensi maupun tiga dimensi. Persamaan atur yang diselesaikan adalah persamaan Navier Stokes yang meliputi tiga hukum kekekalan, yaitu kekekalan massa, kekekalan momentum dan kekekalan energi. Masalah-masalah aliran fluida yang mampu diselesaikan dengan Fluent V5 meliputi geometri 2D/3D, aliran inkom-presibel/kompresibel, tunak/tak tunak, aliran laminar /turbulen, aliran fluida Newtonian/non Newtonian, perpindahan panas konveksi baik konveksi alamiah maupun konveksi paksa, gabungan konduksi/ konveksi, radiasi dan jenis aliran pada lainnya. Dengan melihat ke anekaragaman aliran fluida yang mampu di-selesaikan dengan Fluent V5, maka sangat beralasan bahwa program Fluent V5 ini
dapat diaplikasikan pada analisis terhadap proses-proses yang terjadi pada banyak instrument, antara lain mesin penukar kalor, kondensor, evaporator, sistem pemipaan, sistem ventilasi dan sebagainya.[2]
TEORI
Karakteristik fluida yang mencerminkan keadaan aliran fluida sebenarnya di alam adalah kompresibel (massa jenis tidak konstan), rotasional (partikel fluida berputar), tak tunak (tidak tetap) dan viskos (terdapat geseran dengan permukaan). Per-samaan atur dinamika fluida yang dapat menggam-barkan semua kondisi di atas dikenal dengan nama persamaan Navier – Stokes[4].
Perangkat lunak FLUENT V5 mampu menyelesaikan persamaan Navier – Stokes dengan dasar persamaan kekekalan massa, kekekalan momentum serta kekekalan energi untuk aliran fluida yang melibatkan proses perpindahan panas. Persamaan kekekalan massa atau lebih dikenal dengan persamaan kontinyuitas dapat dituliskan sebagai berikut[3]: m i i S u x t ) ( (1) dengan: : massa jenis t : waktu x : arah aksial u : kecepatan
Sm : massa yang ditambahkan
Persamaan kekekalan momentum dalam arah i dalam kerangka acuan inertia dapat dituliskan sebagai berikut(3) : i i j ij i j i j i g F x x p u u x u t ) ( ) ( (2) dengan : p : tekanan statis ij : tensor tegangan gi : gaya gravitasi
Fi : gaya-gaya luar dalam arah i Tensor tegangan ij diberikan dengan :
Dengan adalah viskositas molekuler, sementara suku ke dua pada ruas kanan adalah pengaruh dari dilatasi volume.
Pada aliran fluida yang melibatkan proses perpindahan panas, seperti kasus yang akan dianalisis di sini harus ditambahkan pula persamaan kekekalan energi yang dapat dituliskan dalam bentuk enthalpi h sebagai berikut[3] :
i t i i i x T k k x h u x h t ) ( ) ( ) ( h k i eff ik j j j i S x u Dt Dp j h x
( ) 1 1 1 (4) dengan : k : konduktivitas molekuler kt : konduktivitas turbulen Jj1 : fluks diffusi dari spesies jiSh : sumber-sumber panas yang didefinisikan Enthalpi h didefinisikan sebagai :
1 1 1 j j j h m h (5)dengan mj1 adalah fraksi massa dari proses j1 dan
T T pj j ref dT c h1 ,1 (6) dengan Tref = 298,15 oKFLUENT V5 menyelesaikan persamaan ke-kekalan energi (4) dengan menggunakan temperatur sebagai variable bebas. Ruas kiri dari persamaan (4) ditransformasikan dalam bentuk temperatur dengan menggunakan persamaan (5) dan (6).
Pada daerah padatan (solid), FLUENT V5 menyelesaikan persamaan konduksi sederhana yang melibatkan fluks panas karena konduksi dari sumber-sumber panas volumetrik dalam padatan (solid)[3] : q x T k x h t i i (7)
T : temperatur
q : sumber panas volumetrik
Persamaan (7) diselesaikan secara simultan dengan persamaan kekekalan energi (4) untuk memprediksi proses perpindahan panas gabungan konduksi/ konveksi.
Di samping solusi terhadap ke tiga persamaan kekekalan di atas, FLUENT V5 juga menyediakan fasilitas pemodelan turbulensi. Turbulensi di-modelkan dengan model turbulen ”dua persamaan”. Dalam model “dua persamaan” ini, efek turbulen direpresentasikan dengan viskositas isotropik “eddy” atau “turbulen” yang dievaluasi dengan mengguna-kan dua buah besaran yaitu: energi kinetik turbulen (k) dan laju dissipasi (). Ke dua besaran turbulen ini, k dan
diperoleh dari solusi persamaan model transport. FLUENT menyediakan dua pilihan model k -
sebagai berikut:
model k - standard
model k - berdasarkan Renormalisasi – Group (RNG)
Pemilihan bentuk model turbulen yang digunakan tergantung dari pemahaman terhadap kondisi aliran yang dianalisis.
Langkah-Langkah Perhitungan[2]
Dengan memahami dan mengetahui masalah yang akan diselesaikan, langkah berikutnya adalah memodelkan dan menganalisis bentuk model tersebut dengan menggunakan perangkat lunak Gambit versi 1.1 dan Fluent V 5. Prosedur langkah yang harus dilakukan dapat dituliskan sebagai berikut :
1. Menggambarkan bentuk geometri model 2. Membuat jaringan kisi pada geometri model 3. Menentukan jenis perangkat lunak yang akan
digunakan, serta menentukan dimensi model yang akan diselesaikan
4. Menyimpan jaringan kisi yang terbentuk 5. Mengevaluasi jaringan kisi yang terbentuk
6. Memilih jenis persamaan dasar yang harus diselesaikan yaitu laminar atau turbulen (atau tidak viskos), reaksi-reaksi kimia (optional), model-model perpindahan panas dan lain-lain. 7. Menentukan jenis material
8. Menentukan harga-harga kondisi batas 9. Mengatur parameter- parameter kontrol solusi 10. Menentukan kondisi awal aliran fluida 11. Melakukan proses perhitungan
12. Mempelajari dan mengevaluasi hasil-hasil perhitungan
13. Menyimpan hasil-hasil perhitungan
Langkah 1 dan 2 memerlukan perangkat lunak untuk membuat model geometri dan jaringan kisi yaitu perangkat lunak gambit version 1.1. Langkah-langkah selanjutnya dilakukan dengan menggunakan menu-menu yang terdapat dalam perangkat lunak FLUENT V5.
Batasan Masalah
Kasus yang akan dianalisis di sini adalah kondisi dua aliran fluida dengan arah yang berlawanan, yang dipisahkan oleh sebuah pelat yang akan dimodelkan secara dua dimensi seperti digambarkan pada Gambar.
Gambar 1. Kondisi aliran yang akan di-modelkan.
Setting Kondisi Batas
[2]Kondisi batas pemodelan akan dilakukan dengan menggunakan menu-menu yang terdapat pada FLUENT V5, dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Kondisi batas pada model. Setting pada inflow 1 adalah VELOCITY
INLET dengan kecepatan 4,5 m/s dan temperatur 300 K , sementara setting pada inflow 2 adalah VELOCITY INLET dengan kecepatan 4,5 m/s dan temperatur 318 K. Setting kondisi batas harga-harga kecepatan dan temperatur tersebut merupakan harga pendekatan pada kondisi aliran fluida pendingin primer dan sekunder yang terjadi pada penukar kalor di reactor Triga 2000. Setting pada dinding dibiarkan bebas dengan fluks panas sama dengan 0 (nol). Jenis fluida adalah air (H20) sementara pelat pemisah terbuat dari baja.
Pembuatan Jaringan Kisi
[1]Titik-titik pembentuk jaringan kisi pada sisi-sisi inflow 1 maupun inflow 2 dibuat merapat ke permukaan dinding maupun pelat dengan pertimbangan bahwa parameter-parameter aliran fluida di dekat permukaan dinding ataupun pelat akan mengalami perubahan karakteristik fluida
yang sangat signifikan. Jumlah titik kisi dalam arah aliran fluida (arah x) sebanyak 250, sementara dalam arah melintang terhadap aliran ( arah y) sebanyak 240 dengan ratio kerapatan masing-masing sebesar 1.3. Bentuk jaringan kisi dapat dilihat pada Gambar 3.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Kriteria konvergensi dilakukan terhadap 6 (enam) buah nilai parameter yaitu kontinyuitas, kecepatan arah x, kecepatan arah y, turbulensi (k) , dan epsilon () masing- masing dengan nilai konvergensi 0,001, sementara nilai konvergensi residual energi sebesar 1 e-6 (3). Dengan nilai-nilai
residual tersebut di atas dan jumlah jaringan kisi sebesar 60 000 dapat dilihat bahwa solusi akan konvergen setelah 395 iterasi, seperti dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4. Residual vs iterasi. Gambar 5 menunjukkan vektor kecepatan ,
di mana kecepatan di daerah fluida bagian atas mempunyai arah yang berlawanan dengan kecepatan di daerah fluida bagian bawah, sementara dibagian pelat tidak terdapat vektor kecepatan.
Dengan membuat jaringan kisi yang sangat rapat di permukaan dinding, dapat dilihat timbulnya efek viskositas yaitu terbentuknya
lapisan tipis di dekat permukaan dinding, di mana terjadi perubahan harga kecepatan fluida dari hampir mendekati 0 (nol) pada permukaan dinding sampai mencapai harga kecepatan aliran fluida bebas (dalam hal ini sebesar 4.5 m/s) pada daerah yang menjauh dari permukaan dinding. Lapisan tipis tersebut dikenal dengan nama lapisan batas. Gambar 6 menunjukkan vektor kecepatan yang berubah karena adanya efek viskositas.
Gambar 6. Vektor kecepatan di dekat permukaan. Gambar 7 menunjukkan kontur distribusi
temperatur pada daerah fluida bagian atas, pelat dan pada daerah fluida bagian bawah. Dengan jenis material pelat berupa baja dengan harga konduk-tivitas panas k = 16,27 W/m-K, harga koefisien perpindahan panas pada tekanan konstan Cp = 502,48 J/kg-K dan harga massa jenis = 8030 kg/m3, dapat dilihat terjadinya perubahan
temperatur pada pelat karena terdapatnya dua buah aliran fluida yang berlawanan arah dengan harga
temperatur yang berlainan, pada permukaan atas dan bawah pelat.
Gambar 8 menunjukkan gambar dua dimen-sional temperatur pelat pada x = 0. Dapat dilihat bahwa temperatur pada dinding yang bersentuhan dengan fluida yang lebih panas akan mempunyai harga yang lebih tinggi dan selanjutnya akan menurun untuk daerah permukaan pelat yang bersentuhan dengan fluida yang lebih dingin.
Gambar 8. Kurva temperatur pada pelat arah melintang terhadap aliran fluida. Gambar 9 dan Gambar 10 menunjukkan
distribusi temperatur dalam arah aliran fluida pada daerah fluida bagian atas dan daerah fluida bagian bawah.
Dari Gambar 9 dan Gambar 10 dapat dilihat bahwa temperatur dalam arah aliran fluida pada daerah aliran fluida yang dekat dengan permukaan pelat akan terpengaruh oleh keberadaan
aliran fluida yang berlawanan, sementara temperatur fluida yang jauh dari permukaan pelat hampir tidak terpengaruh. Harga temperatur aliran fluida pada daerah temperatur fluida yang lebih dingin, yang dekat permukaan pelat akan mengalami kenaikan, sebaliknya harga temperatur aliran fluida pada daerah temperatur fluida yang lebih panas, yang dekat permukaan pelat akan mengalami sedikit penurunan.
Gambar 10. Distribusi temperatur arah x pada daerah aliran fluida bawah.
KESIMPULAN
Dari hasil analisis dengan perangkat lunak Fluent V5, telah dapat diketahui distribusi kecepatan dan temperatur pada dua buah aliran fluida yang mempunyai arah berlawanan dan terpisah oleh keberadaan sebuah pelat. Hasil analisis juga dapat menunjukkan distribusi temperatur pada pelat yang menjadi pemisah ke dua aliran fluida tersebut. Hasil analisis yang lain yaitu dapat dilihat efek viskositas pada kecepatan di dekat permukaan dinding.
DAFTAR PUSTAKA
1. ANONYMOUS, GAMBIT Tutorial Guide, Fluent Incorporated, Lebanon, May 1998. 2. ANONYMOUS, FLUENT / UNS & RAMPANT
4.2 User’s Guide vol.1, Lebanon, June 1997. 3. ANONYMOUS, FLUENT / UNS & RAMPANT
4.2 User’s Guide vol.2, Lebanon, June 1997. 4. J.P. HOLMAN, Perpindahan Kalor Edisi ke
enam, Penerbit Erlangga, Indonesia, 1998. 5. FRANK KREITH, Prinsip-prinsip Perpindahan
Panas, Penerbit Erlangga, Indonesia, 1999, 6. V. INDRIATI SRI WARDHANI, Karakteristik
TANYA JAWAB
Endiah Puji H.
Bagaimana dasar pemilihan persamaan dasar laminar/turbulen apabila bilangan Re belum diketahui, ataukah Re dihitung sebagai input?
Dapatkah program Fluent digunakan untuk mengetahui kontur suhu pada dinding reaktor aral vertikal dan horizontal (sebagai pengganti program CFD)?
V.I.S. Wardhani
Untuk mengetahui aliran laminar/turbulen, dihitung terlebih dahulu bilangan Re kemudian di inputkan ke dalam Boundary Condition/kondisi batas.
Program fluent adalah untuk analisis CFD baik untuk 2D maupun 3D jadi kemungkinan dapat dipergunakan untuk mengetahui kontur T dinding reactor vertical/horizontal, tergantung cara memodelkannya saja.
Putu Sukmabuana
V.I.S. Wardhani
Code Relap bisa dipergunakan untuk analisis thermohidrolik dan neutronik tapi lebih efektif untuk analisis keselamatannya. Fluent menampilkan untuk semua problem yang berhubungan dengan CFD baik 2D/3D.
Bisa untuk aliran fluida 1 phase maupun 2 phase.
Dalam analisis disini hanya diwakili oleh 1 buah pelat saja sudsh dspst mengkover hasil yang diharapkan.
