Simulasi Aliran Fluida

BAB

BAB II

II

Basic Level

Basic Level

2

2..1

1Aliran Fluida Pada Mixing Elbow

Aliran Fluida Pada Mixing Elbow

A.

A. IntroductionIntroduction Dalam

Dalam panduanpanduan iniini diharapkandiharapkan penggunapengguna dapatdapat mengenalmengenal awalawal daridari toolstools

_‐‐

toolstools dandan tombol/fasilitas

tombol/fasilitas yangyang terdapatterdapat padapada SolidSolid WorksWorks FlowFlow Simulation.Simulation. DanDan untukuntuk analisaanalisa dasardasar pengguna

pengguna diharapkandiharapkan mengenalmengenal goal/resultgoal/result yangyang akanakan digunakandigunakan seperlunya.seperlunya. TutorialTutorial pertamapertama meliputi

meliputi aliranaliran fluidafluida melaluimelalui mixingmixing elbowelbow dengandengan beberapabeberapa inputinput desain.desain. TujuannyaTujuannya adalahadalah untukuntuk menunjukkan

menunjukkan betapabetapa mudahnyamudahnya simulasisimulasi aliranaliran fluidafluida dengandengan menggunakanmenggunakan FlowFlow SimulationSimulation dandan kemudahan

kemudahan untukuntuk menganalisismenganalisis dengandengan variasivariasi inputinput desain.desain. Tutorial

Tutorial iniini menggambarkanmenggambarkan bagaimanabagaimana caracara setupsetup dandan solutionsolution daridari analisaanalisa CFDCFD padapada aliranaliran turbulen

turbulen dandan perpindahanperpindahan panaspanas dalamdalam MixingMixing Elbow Elbow .. KonfigurasiKonfigurasi MixingMixing Elbow Elbow  iniini banyakbanyak ditemui

ditemui dalamdalam sistemsistem perpipaanperpipaan didi pembangkitpembangkit listriklistrik dandan industriindustri proses.proses. HalHal iniini pentingpenting untukuntuk memprediksi

memprediksi medanmedan aliranaliran dandan distribusidistribusi temperaturtemperatur didi daerahdaerah pencampuranpencampuran dalamdalam rangkarangka untukuntuk menguji

menguji hasilhasil desain.desain. B.

B. DeskripsiDeskripsi MasalahMasalah Deskripsi

Deskripsi masalahmasalah dapatdapat digambarkandigambarkan padapada FigFig 1.1.1.1. SebuahSebuah fluidafluida dingindingin padapada temperaturetemperature 20°C

20°C mengalirmengalir keke pipapipa melaluimelalui inletinlet yangyang besar,besar, dandan bercampurbercampur dengandengan fluidafluida hangathangat padapada temperatur

temperatur 40°C40°C yangyang masukmasuk melaluimelalui inletinlet yangyang lebihlebih kecilkecil terletakterletak padapada elbow.elbow. DimensiDimensi pipapipa dalam

dalam inch,inch, propertispropertis fluidafluida dandan boundaryboundary conditioncondition dinyatakandinyatakan dalamdalam satuansatuan SI.SI. ReynoldsReynolds numbernumber untuk

Fig. 2.1 Pemodelan aliran pada Mixing Elbow 

C. Setup Analysis C.1. Preparation

a. Copy file Bab 2.1.zip yang ada pada CD ke folder local directory Anda. Kemudian ekstrak file tersebut. Di dalamnya ada file Mixing_Elbow.sldprt.

b. Open file tersebut di Solid Works, pastikan add

_‐

in untuk Solid Works Flow Simulation sudah aktif (lihat keterangan pada gambar dibawah).

Untuk cara pengaktifan add 

_‐

in Flow Simulation bisa dilihat  pada Appendix 1

c. Karena aliran ini merupakan  jenis internal flow, maka kita perlu menambahkan end cap/tutup pada ujung

_‐

ujung yang terbuka pada model. Di dalam Solid Works digunakan istilah Lid. Untuk mengakses Lid, dapat diikuti tahap berikut ini :

Nozzle size = 1” Vy = 1.2 m/s Temperatur = 40 C Intensitas turbulensi = 5% Pipe size = 4” Vy = 0.4 m/s Temperatur = 20 C Intensitas turbulensi = 5% Propertis fluida : Density = 1000 kg/m3 Viskositas = 8.10_‐4 Pa_‐s Konduktivitas = 0.677 W/m_‐K Specific heat = 4216 J/kg‐K

1. Klik toolbar pada Flow Simulation

2. Kemudian klik ToolsCreate Lidsklik tepat pada bagian surface opening tersebut (lihat gambar di bawah)

Fig. 2.3 Lokasi Lid yang akan dibuat 

3. Kemudian klik OK Klik bagian ini

Klik bagian ini Klik bagian ini

C.2. Create Flow Simulation Project

a. Klik toolbarFlow SimulationProjectWizard, maka akan muncul tampilan seperti dibawah ini.

1. Ubah Configuration name menjadi Mixing_Elbowklik Next

b. Setting sistem units, pilih sistem unit SI (untuk project ini). Perlu diketahui bahwa setelah menyelesaikan Wizard, Anda dapat mengubah sistem unit setiap saat dengan mengklik Flow Simulation Units

c. Setting Type Analisis. Karena kita akan menganalisa internal flow maka :

1. Setting Analysis Typeklik Internal

2. Setting Consider closed cavities  centang Exclude cavities without flow conditions

3. Setting Phisycal Featurestanpa centang apapun 4. Setting Reference axisX

Konsep internal  flow  adalah aliran dalam suatu wadah atau aliran yang dibatasi  oleh  permukaan. External  flow adalah suatu aliran yang boundary layer berhubungan dengan kondisi  bebas, tanpa kendala yang dibatasi  oleh  permukaan yang berdekatan. Dengan demikian, akan selalu ada sebuah daerah boundary  layer  di  mana kecepatan, temperatur, dan atau konsentrasi gradien diabaikan. Dalam kotak dialog ini,  Anda juga dapat memilih untuk mengabaikan Exclude cavities without  flow  conditions (karena kita akan menganalisa internal   flow), sehingga  proses running tidak  membuang

_‐

buang memori CPU.

Flow  Simulation,  juga dapat  menganalisa konduksi  panas dalam media solid  termasuk  radiasi  surface to surface. Begitu  juga analisa transient  (time dependent). Efek  gravitasi   juga dapat  dimasukkan untuk  untuk  analisa konveksi.  Juga dapat  untuk  menganalisa

rotating equipment.  Abaikan semua  fitur  ini, karena semua tidak  diperlukan dalam analisa sederhana ini.

d. Setting Type Fluida

1. Expand treeLiquidspilihWater klikAdd

Flow  Simulation mampu menghitung  fenomena  fluida dari  berbagai  jenis  fluida dalam satu kerangka analisis, namun  fluida tersebut  harus dipisahkan oleh wall/batasan. Sebuah fluida hasil campuran hanya dianggap jika fluida dari tipe yang sama.

Flow  Simulation memiliki  database yang terintegrasi  dengan beberapa tipe  fluida,seperti  liquid, gas dan solid. Solid  digunakan untuk  analisa konduksi  panas.  Anda dapat  dengan mudah membuat  jenis  fluida sendiri. Sampai  dengan sepuluh  jenis  fluida liquid  atau gas dapat dipilih untuk masing

_‐

masing analisis ketika dijalankan.

Flow  Simulation dapat menganalisa dengan semua jenis aliran yaitu aliran turbulen saja, laminar  saja atau kombinasi  dari  laminar  dan turbulen. Persamaan turbulen dapat  diabaikan  jika aliran sepenuhnya laminar. Flow  Simulation  juga bisa mengitung nilai  Mach number compressible flow untuk gas. Untuk kasus ini kita akan melakukan simulasi  aliran fluida dengan standar setting yaitu kombinasi laminar dan turbulen.

2. KlikNext

e. Setting Wall Condition

1. ParameterDefault wall thermal conditionAdiabatic wall 2. ParameterRoughness0 micrometer

Karena kita tidak  mempertimbangkan  panas konduksi  dalam solid, kita memiliki  pilihan mendefinisikan nilai   panas konduksi  untuk   permukaan yang kontak  dengan  fluida. Langkah ini  adalah untuk  mengatur  standar  jenis wall. Biarkan setting default  Adiabatic wall yang menyatakan bahwa wall terisolasi sempurna.

Untuk  menentukan nilai  Roughness wall  yang ingin diaplikasikan secara default  untuk  model  semua wall. Untuk  menetapkan nilai  Roughness wall  pada dinding tertentu,  Anda dapat menentukan Real Wall  pada boundary layer. Nilai Roughness wall  yang ditentukan adalah nilai Rz.

3. Klik Next

f. Setting Initial Condition

Pada langkah ini  kita dapat  mengubah default  pengaturan tekanan, temperature dan kecepatan.  Jika nilai  input  yang ditetapkan semakin mendekati  dengan nilai  hasil  akhir  maka semakin cepat   proses analisanya (maksudnya tidak  memakan memori  terlalu banyak). Karena kita tidak mengetahui tentang nilai akhir yang diharapkan, maka setting  jangan diubah.

1. Klik Next

g. Setting Results & Geometry Resolution

Result Resolution adalah ukuran tingkat akurasi yang diinginkan dari hasil analisa. Hal ini  tidak  hanya mempengaruhi  resolusi  meshing, tetapi   juga mempengaruhi  banyak   parameter solver, misalnya kriteria konvergensi. Result Resolution yang lebih tinggi, akan

Dengan demikian, Result Resolution menentukan keseimbangan antara hasil yang  presisi  dan waktu  perhitungan. Memasukkan nilai  untuk  minimum gap size dan minimum wall  thickness adalah penting ketika Anda menganalisa pada fitur kecil.

1. Result Resolutionset ke level 3

2. Minimum gap size  centang Manual specification of  the minimum gap size _ masukkan nilai 0.0254 m

3. KlikFinish

Tahap untuk Create Flow Simulation Project sudah selesai. Dan akan muncul Flow Simulation tree dan Computational Domain. Langkah selanjutnya adalahCreate Boundary Condition.

C.3. Create Boundary Condition

Sebuah boundary condition diperlukan sebagai  jalan masuk atau keluar fluida pada sistem CFD dan dapat ditetapkan sebagai Pressure, Mass Flow, Volume Flow atau Velocity.

Untuk memudahkan dalam peletakan boundary layer inlet dan outlet, maka diperlukan suatu trik agar bisa mengakses bagian dalam dari boundary layer tersebut. Dimana Solid Works

Flow Simulation hanya bisa menganalisa batas

_‐

batas yang berhubungan langsung dengan Computational Domain. Oleh karena itu, ikuti cara

_‐

caranya sebagai berikut :

a. Membuat Section View

1. Klikicon Section View (seperti gambar dibawah)

2. Pilih Right Plane pada model tree (expand model tree)klik OK

3. Maka tampilan akan seperti dibawah.

b. Membuat Inlet Boundary Layer (Inlet yang Besar)

1. Klik kanan pada item Boundary Conditions Insert Boundary Condition… Klik bagian ini

2. Akan muncul Boundary Conditions properties

3. Kemudian klik OK

4. Klik kanan Inlet Velocity 1 klikPropertiesRename toInlet Big

c. Membuat Inlet Boundary Layer (Inlet yang Kecil)

Klik kanan

Klik pada Lid inlet yang besar bagian dalam.

Klik Inlet Velocity type, dan masukkan nilai 0.4 m/s

Klik Thermodynamics Parameter dan masukkan nilai 293.15 K, dan

Turbulence Parameters masukkan nilai 5 %

2. Akan munculBoundary Conditions properties

3. Kemudian klik OK

4. Klik kanan Inlet Velocity 1 klik PropertiesRename to Inlet Small

d. Membuat Outlet Boundary Layer

Mass  flow  di  outlet  tidak  perlu ditentukan karena hokum kekekalan massa, Inlet  Mass Flow  sama dengan Outlet  Mass Flow. Oleh karena itu kondisi  yang berbeda harus didefinisikan. Sebuah tekanan outlet harus digunakan untuk mengidentifikasi kondisi ini. 1. Klik kanan pada item Boundary Conditions Insert Boundary Condition…

2. Akan muncul Boundary Conditions properties Klik pada Lid inlet

yang kecil bagian dalam.

Klik Inlet Velocity type, dan masukkan nilai 1.2 m/s

Klik Thermodynamics Parameter dan masukkan nilai 313.5 K, dan

Turbulence Parameters masukkan nilai 5 %

3. Kemudian klik OK

4. Klik kanan Static Pressure 1klik PropertiesRename to Outlet

Dengan definisi  yang baru saja dibuat, Flow  Simulation menyatakan bahwa outlet  fluida kontak langsung dengan daerah tekanan atmosfer.

C.4. Mendifinisikan Engineering Goal

Engineering Goal  adalah  parameter  yang ditekankan dalam output. Pada dasarnya adalah merupakan cara untuk  menyampaikan ke  proses  perhitungan Flow  Simulation sehingga mengurangi  waktu untuk  mencapai  solusi  yang konvergen. Engineering Goal  dapat diatur dalam global domain (Global Goals), dalam volume domain (Volume Goals), di  daerah surface domain (Surface Goals), atau  point  domain (Point  Goals). Selanjutnya, Flow  Simulation dapat  mempertimbangkan rata

_‐

rata nilai, nilai  minimum atau nilai  maksimum untuk  tujuan tertentu.  Anda  juga dapat  menentukan suatu  persamaan yang merupakan tujuan yang didefinisikan oleh  persamaan yang melibatkan  fungsi  matematika dasar  dengan tujuan sebagai  variabel. Tujuan  persamaan memungkinkan  Anda untuk menghitung parameter (yaitu, penurunan tekanan) dan lain

_‐

lain.

a. Klik kanan Goalsklik Insert Surface Goals Klik pada Lid

outlet bagian dalam.

Klik Static Pressure type, dan masukkan nilai default.

b. Klik OK C.5. Solution

a. Klik Run

UntukSelectionklik Inlet Big pada Boundary Conditions

UntukParameter 

klik Average pada Static Pressure

b. Klik Close D. Result Analysis D.1 Membuat Cut Plot

a. Expand Result treeklik kanan Cut Plotsklik Insert

b. Klik OK

c. UbahView OrientationRight View UntukSelectionklik

Righ Plane

D.2 Membuat Flow Trajectories

Flow Trajectories dapat menunjukkan pola aliran. Flow Trajectories memberikan gambar yang sangat baik dari aliran fluida dalam bentuk 3D. Anda  juga dapat melihat bagaimana parameter berubah seiring lintasan masing

_‐

masing dengan mengekspor data ke Microsoft Excel. Selain itu, Anda dapat menyimpan pola aliran sebagai kurva.

a. Expand Result treeklik kanan Flow Trajectoriesklik Insert

b. Klik OK

Klik disini untuk mengetahui berbagai plot parameter

UntukStarting Point_ klik Inlet Big pada Boundary Condition

c. Klik Flow Trajectories 1klikPlay (Animasi untuk Flow Trajectories)

Flow  Simulation dengan  jelas dan mudah memperlihatkan  pada  Anda hasil  yang akurat  sehingga tidak  perlu menjadi seorang CFD experts untuk mempelajarinya.