pendahuluan edit terbaru

SIMULASI POLA ALIRAN FLUIDA DI DALAM SALURAN

PERSEGI DENGAN VARIASI PENGHALANG (OBSTACLE)

Oleh :

Suheri NA0404102010065

Teknik Konversi EnergiJurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Syiah Kuala

Abstrak

Simulasi aliran fluida dalam saluran dengan memvariasikan bentuk penghalang (obstacle) dengan sudut 600, 300, dan 150 dari sisi masuk saluran dengan tinggi 0,3 cm telah dilakukan dengan menggunakan program CFD (Computation Fluid Dynamic) fluent 6.2.16. Simulasi dilakukan bertujuan untuk mengetahui pola aliran yang terbentuk dalam saluran tersebut karena adanya hambatan (obstacle). Hasil simulasi menunjukkan bahwa aliran fluida dalam saluran dengan adanya pengahalang membentuk berbagai karakteristik pola aliran. Pola aliran kecepatan meningkat dan tekanan menurun setelah aliran terhalang oleh obstacle. Peningkatan kecepatan aliran pada saluran dengan sudut hambatan 600 lebih besar daripada saluran dengan hambatan 300 dan 150.

Kecepatan (V) tertinggi pada saluran dengan sudut obstacle 600 sebesar21,3 m/s, pada saluran dengan sudut obstacle 300 sebesar 20,8 m/s dan pada saluran dengan sudut obstacle 150 sebesar 20,2 m/s. Penurunan tekanan (∆P) pada saluran dengan sudut obstacle 600 juga lebih besar daripada saluran dengan sudut obstacle 300

dan150. Pressure drop (∆P) pada saluran denga obstacle 600adalah sebesar 69,05 Pa, ∆P pada saluran dengan obstacel 300 adalah sebesar 57,55 Pa dan pada saluran dengan obstacle 150 adalah sebesar 47,15 Pa. Dalam saluran tersebut juga terjadi pusaran (vortex) pada bagian setelah obstacle, pusaran tersebut terjadi akibat pembesaran diameter saluran secara tiba-tiba setelah penyempitan saluran karena adanya hambatan. Luasan vortex yang terjadi lebih luas pada saluran dengan sudut penghalang 600 daripada 300 dan 150, hal ini menunjukkan semakin besar sudut penghalang semakin besar peningkatan kecepatan yang terjadi dan semakin besar pula wilayah pusaran yang terbentuk.Kata kunci : CFD, obstacle, pola aliran, vortex

1

2

I. PENDAHULUAN

1.1. Latar belakang masalah

Perpindahan fluida (cairan atau gas) di dalam sebuah saluran tertutup

(biasanya disebut sebuah pipa jika penampangnya berbentuk bundar atau saluran

duct jika bukan) sangat penting dalam kehidupan sehari-hari, misalnya pada sistem

distribusi pengiriman air dari sumur kota ke rumah-rumah, banyak selang-selang

dan pipa-pipa menyalurkan fluida hidrolik atau fluida lainnya ke berbagai

komponen-komponen kendaraan dan mesin-mesin, dll. Mekanika fluida adalah

salah satu ilmu yang mempelajari tentang aliran-aliran fluida yang melewati sebuah

sistem (saluran). (Bruce R. Munson; 2003)

Bila suatu medan aliran fluida (air atau udara, misalnya) terhalang oleh

sebuah benda maka pola aliran fluida tersebut akan terganggu dari kondisi

stasionernya lalu akan mencari kondisi kesetimbangan barunya. Misalkan pada

kasus sebuah saluran persegi yang berada dalam aliran steady, maka akan terjadilah

suatu pola aliran tertentu di sekeliling permukaan silinder tersebut. (Ronald V.

Giles)

Saluran merupakan salah satu medan aliran fluida yang banyak dijumpai di

industri-industri. Bermacam-macam pola aliran bisa terjadi dalam saluran, baik itu

pola kecepatan, tekanan, dll. Salah satu pola kecepatan yang terjadi dalam saluran

adalah terjadinya pengumpalan (penumpukan) fluida dan pusaran (vortex) karena

adanya hambatan di dalam saluran tersebut seperti pada sambungan saluran

misalnya. Penyebab lain yang bisa terjadi bisa terjadinya vortex yaitu akibat dari

kecepatan aliran yang mengalir dari diameter kecil kediameter yang lebih besar

secara mendadak. (Ridwan, dkk; 2002)

Untuk mengetahui pola aliran yang terbentuk pada saluran akibat adanya

obstacle yaitu dengan melakukan penelitian. Ada tiga cara penelitian yaitu dengan

cara analitik, eksperimen, dan simulasi dengan CFD (Computational Fluid

Dynamic). Pada makalah ini penulis akan melakukan penelitian dengan cara

simulasi dengan menggunakan CFD yang merupakan perangkat lunak atau softwere

komputasi dengan metode penghitungan, memprediksi, dan pendekatan aliran

fluida secara numerik dengan bantuan computer. Penelitian dilakukan pada saluran

3

persegi dengan beberapa variasi penghalang (obsacle) dengan menggunakan

softwere Fluent dan Gambit yang merupakan salah satu softwere CFD yang sangat

bagus untuk mensimulasikan tentang aliran fluida.

1.2. Tujuan

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui bagaimana pola aliran yang

terjadi di dalam saluran apabila dalam saluran tersebut terdapat penghalang

(obstacle), pada kecepatan aliran fluida tetentu dengan menggunakan CFD.

1.3. Batasan masalah

Batasan masalah pada makalah ini adalah

1. Analisis pola kecepatan aliran dan tekanan yang terjadi dalam saluran

persegi dengan variasi bentuk penghalang

2. Variasi geometri saluran dengan beberapa variasi model penghalang.

3. Analisis dengan menggunakan CFD.

II. TINJAUAN KEPUSTAKAAN

Aliran fluida dibedakan menjadi dua tipe, yaitu: 1) Aliran lurus atau aliran

laminar. Terjadi jika aliran lancar, sehingga lapisan fluida yang saling berdekatan

mengalir dengan lancar. Setiap partkel fluida mengikuti sebuah lintasan lurus yang

tidak saling menyilang. 2) Aliran turbulen atau aliran bergolak. Di atas kecepatan

tertentu, yang tergantung pada sejumlah faktor, aliran akan bergolak. Aliran ini

dicirikan oleh ketidaktentuan, kecil, melingkar-lingkar seperti pusaran air yang

disebut sebagai arus eddy atau kisaran. (Bruce R. Munson; 2003)

2.1. Aliran dalam saluran atau pipa

Aliran fluida (cairan atau gas) di dalam sebuah saluran tertutup atau pipa

sangat penting di dalam kehidupan sehari-hari. Beberapa komponen dasar yang

berkaitan dari suatu sistem perpipaan adalah meliputi pipa-pipa itu sendiri seperti

sambungan pipa (fitting) yang digunakan untuk menyambung masing-masing pipa

guna membentuk sistem yang diinginkan dan peralatan pengatur laju aliran (katup-

4

katup) dan pompa-pompa atau turbin-turbin yang menambahkan energi atau

mengambil energi dari fluida. (Bruce R. Munson; 2003)

Pada aliran fluida di dalam pipa, lapisan fluida pada dinding mempunyai

kecepatan nol. Lapisan fluida pada jarak yang semakin jauh dari dinding pipa

mempunyai kecepatan yang semakin besar, dengan kecepatan maksimum terjadi

pada pusat pipa. (Bruce R. Munson; 2003)

Pada kenyataanya, distribusi kecepatan aliran fluida dalam pipa/saluran

bergantung pada jenis aliran dalam pipa/saluran tersebut. Jenis aliran juga

memegang peranan penting dalam penentuan gaya friksi yang bekerja pada fluida.

Aliran fluida di dalam sebuah pipa/saluran tertutup mungkin merupakan aliran

laminar atau turbulen. (Bruce R. Munson; 2003)

Pola aliran dalam saluran dapat berubah dengan adanya penghalang

(obstacle), misalnya pola aliran kecepatan bisa meningkat dan pola aliran tekanan

bisa turun. Pada aliran tersebut juga bisa terjadi pusaran, karena pengaruh dari

adanya penghalang yang membuat perubahan diameter saluran dengan tiba-tiba.

2.1.1. Bilangan Reynold

Bilangan Reynolds merupakan bilangan tak berdimensi yang digunakan

untuk mengidentikasikan jenis aliran yang berbeda, misalnya laminar atau turbulen.

Berikut persamaannya:

ℜ=VDρμ ……………............................ (1)

Dimana : V adalah kecepatan (rata-rata) fluida yang mengalir (m/s)

D adalah diameter dalam pipa (m)

ρ adalah masa jenis fluida (kg/m3)

μ adalah viskositas dinamik fluida (kg/m.s) atau (N. det/ m2)

Dari hasil penelitian Osborne Reynold (1883), dikategorikan aliran laminar

jika bilangan Re kurang dari 2300, aliran turbulen jika bilangan Re lebih dari 4000,

dan aliran transisi jika berada pada bilangan Re 2300 dan 4000, biasa juga disebut

sebagai bilangan Reynolds kritis. (Anderson J. David; 1995)

5

2.1.2. Hukum Bernoulli

Hukum Bernoulli adalah hukum kekekalan energi mekanis didalam fluida

ideal. Penurunan persamaan Bernoulli untuk aliran sepanjang garis arus didasarkan

pada hukum Newton II tentang gerak (F = M.a). Persamaan ini diturunkan

berdasarkan anggapan sebagai berikut ini :

a. zat cair adalah ideal, jadi tidak mempunyai kekentalan (kehilangan energi

akibat gesekan adalah nol).

b. Zat cair adalah homogen dan tidak termampatkan (rapat massa zat cair

adalah konstan).

c. Aliran adalah kontinyu dan sepanjang garis arus.

d. Kecepatan aliran adalah merata dalam suatu penampang.

e. Gaya yang bekerja hanya gaya berat dan tekanan.

Berikut rumus umum persamaan Bernoulli : (Bruce R. Munson; 2003)

P1

γ+

v12

2g+z1=

P2

γ+

v22

2 g+z2

........................ (2)

2.1.3. Debit Aliran

Jumlah zat cair yang mengalir melalui tampang lintang aliran tiap satu

satuan waktu disebut debit aliran (Q). Debit aliran biasanya diukur dalam volume

zat cair tiap satuan waktu, satuannya adalah m3/dt atau l/dt.

Debit aliran dipergunakan untuk menghitung kecepatan aliran pada masing

masing pipa experiment, rumus debit aliran adalah:

Q = AV ............................................................. (3)

Dimana:

Q = Debit aliran (m³/dt atau lt/dt)

V = Kecepatan aliran (m/dt)

A = luas penampang (m²)

2.1.4. Persamaan Navier Stokes

Persamaan dasar dari aliran fluida diperkenalkan oleh L.M.H Navier pada

tahun 1823, dan beberapa tahun kemudian ditempat yang berbeda diperkenalkan

oleh G.G. Stokes. Simulasi aliran fluida dapat digambarkan dengan menyelesaikan

6

persamaan tersebut. Persamaan Navier-Stokes merupakan persamaan diferensial

parsial nonlinier orde dua. Selama ini belum terdapat solusi analitik penyelesaian

persamaan tersebut. Metode yang digunakan untuk mensimulasikan aliran fluida

selama ini adalah metode Euler yaitu Finite Element (FE) dan Finite Difference

(FD) yang menggunakan anggapan bahwa, fluida merupakan sistem yang kontinyu

dan mengikuti hukum-hukum gerak Newton. Cara ini sangat tidak efektif untuk

dilakukan mengingat persamaan Navier-Stokes merupakan persamaan yang sangat

kompleks. (Anderson J. David; 1995)

Persamaan Navier-Stokes didapatkan dengan mensubstitusi hukum ketiga

Newton kedalam elemen fluida dV. Bentuk umum persamaan Navier-Stokes

dituliskan pada persamaan (4).

ρ(∂ u⃗∂ t

+u⃗ . ∇ u⃗)=−∇ P+F+μ(∇ 2 u⃗+ 13

∇ ( ∇ . u⃗ ))…………… (4)

F adalah gaya luar dan µ adalah viskositas fluida. Untuk fluida yang tidak

termampatkan, maka persamaan ∇ . u⃗=0

harus disubtitusikan pada sistem. Jika

persamaan tersebut dikombinasikan dengan persamaan (4) maka persamaan Navier-

Stokes untuk fluida tidak termampatkan (misalnya air) dapat dituliskan pada

persamaan berikut.

ρ(∂ u⃗∂ t

+u⃗ . ∇ u⃗)=−∇ P+F+μ ∇2 u⃗ ,

………………….. (5)

∇ . u⃗=0 ………………………. (6)

Simulasi aliran fluida dapat dilakukan dengan mencari solusi persamaan

Navier-Stokes. Selama ini belum terdapat solusi analitik persamaan Navier-Stokes

tersebut, karena itu untuk mencari solusi persamaan Navier-Stokes dapat dilakukan

dengan metode numerik. Syarat awal dan syarat batas juga diperlukan dalam

simulasi aliran fluida. Secara umum, syarat awal yang digunakan adalah

( ρ (t=0 , x , y , z ) , u⃗ (t=0 , x , y , z ) ), dan syarat batas untuk simulasi aliran fluida pada

permukaan S dituliskan pada persamaan 7.

7

u⃗

|s=0 ..................................... (7)

2.2. Computational Fluid Dynamics (CFD)

Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah metode penghitungan,

memprediksi, dan pendekatan aliran fluida secara numerik dengan bantuan

komputer (Anderson J. David; 1995). Aliran fluida dalam kehidupan nyata memiliki

banyak sekali jenis dan karakteristik tertentu yang begitu kompleks, CFD

melakukan pendekatan dengan metode numerasi serta menggunakan persamaan-

persamaan fluida. CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol

dimensi, luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer

untuk melakukan perhitungan pada tiap-tiap elemen pembaginya. Prinsipnya adalah

suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi-bagi

menjadi beberapa bagian, hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya

dinamakan meshing. Bagian-bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontol

penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software. Kontrol-kontrol

penghitungan ini beserta kontrol-kontrol penghitungan lainnya merupakan

pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing. Nantinya, pada setiap titik

kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan

domain dan boundary condition yang telah ditentukan. Prinsip inilah yang banyak

dipakai pada proses penghitungan dengan menggunakan bantuan komputasi

komputer.

CFD secara umum dipakai untuk memprediksi: (Anderson J. David; 1995)

• Aliran dan panas.

• Transfer massa.

• Perubahan fasa seperti pada proses melting, pengembunan dan pendidihan.

• Reaksi kimia seperti pembakaran.

• Gerakan mekanis seperti piston dan fan.

• Tegangan dan tumpuan pada benda solid.

• Gelombang electromagnet

8

CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida, mulai dari

aliran fluida, heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida. Atas prinsip-

prinsip dasar mekanika fluida, konservasi energi, momentum, massa, serta species,

penghitungan dengan CFD dapat dilakukan. Secara sederhana proses penghitungan

yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan

yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan

memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat. Persamaan-persamaan ini

adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang

terlibat dalam domain. Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan

temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari

energi tersebut. Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition.

Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol-kontrol perhitungan

didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke kontrol-kontrol

penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang

terlibat. Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama:

1. Preposessor

2. Processor

3. Post processor

Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian

domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition. Ditahap itu juga

sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid

tertentu atau sering disebut juga dengan meshing. Tahap selanjutnya adalah

processor, pada tahap ini dilakukan proses penghitungan data-data input dengan

persamaan yang terlibat secara iteratif. Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil

menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen. Penghitungan

dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi

persamaan diskrit. Tahap akhir merupakan tahap post processor dimana hasil

perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar, grafik bahkan animasi dengan pola-

pola warna tertentu.

2.2.1. Permodelan dengan GAMBIT

9

Salah satu softwere CFD adalah GAMBIT. GAMBIT merupakan

kepanjangan dari Geometry and Mesh Building Inteligent Toolkit. GAMBIT di

produksi oleh Fluent Inc, salah satu pembuat softwere analisis komputasi fluida

dinamik (Computational Fluid Dynamics /CFD). Softwere GAMBIT merupakan

salah satu softwere preprocessor yang di desain untuk membantu membuat model

dan melakukan diskritasi (meshing) pada model untuk analisis komputasi fluida

dinamik (CFD) dan aplikasi ilmiah lainnya. Pada permodelan ini digunakan

GAMBIT 2.2.30. (Fluent & Gambit Tutorial Guide; 2005)

2.2.2. Simulasi hasil permodelan dengan FLUENT

Salah satu softwere simulasi CFD adalah FLUENT. FLUENT adalah

program komputer untuk simulasi aliran fluida dan perpindahan kalor pada

bentuk/geometri yang rumit. FLUENT menyediakan fleksibilitas mesh yang

lengkap, sehingga dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh (grid) yang

tidak terstruktur (unstruktued mesh) yang dapat diterapkan pada geometri yang

dengan relative mudah. Jenis mesh yang di dukung oleh fluent adalah tipe 2D

triangular/quadrilateral, 3D tetrahedral/hexahedral/pyramid/wedge, dan mesh

campuran (hybrid mesh). FLUENT juga mengijinkan kita untuk memperhalus atau

memperbesar mesh yang sudah ada berdasarkan kebutuhan aliran fluida. FLUENT

merupakan softwere processor dan postprocessor. Pada simulasi ini akan

digunakan FLUENT 6.2.16. (Fluent & Gambit Tutorial Guide; 2005)

Sudut obstacle yang dimodifikasi

10

III. METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Data Awal Permodelan

Geometri saluran di buat dengan ukuran panjang (sumbu x) = 12 cm, lebar

(sumbu z) = 2 cm, dan tinggi (sumbu y) = 2 cm. Untuk penghalang di buat dengan

ukuran tinggi 0,3 cm dan penghalang di buat dalam beberapa variasi bentuk yaitu

penghalang dengan bentuk segitiga (dengan variasi sudut 600, 300, dan 150).

Fluida di asumsikan sebagai udara yang bekerja pada suhu ruangan dengan

kecepatan 15 m/s.

Gambar 1. Gambar ukuran geometri dalam satuan mm

3.2. Permodelan Numerik

Permodelan untuk proses simulasi dalam saluran di bagi menjadi dua

tahapan yang meliputi tahapan di Gambit dan tahapan di Fluent. Berikut diagram

alir prosedur simulasi :

START Menggambar geometri dan meshing

Pendefinisian bidang batas pada geometri

Pengecekan mesh

Mesh baik?

Penentuan kondisi batas

Numerical processing

Interasi error ??

Plot distribusi temperature, tekanan, dan lain-lain END

Data sifat fisik

Tidak

Tidak

Ya

Ya

11

Gambar 1. Diagram alir prosedur simulasi

Sumber : Fluent & Gambit Tutorial Guide; 2005

3.2.1. Permodelan geometri dengan GAMBIT 2.2.30

Geometri dibuat dengan perangkat lunak GAMBIT 2.2.30 yang merupakan

salah satu perangkat lunak produksi FLUENT Inc. Selain membuat geometri, proses

meshing dan penentuan lapisan batas (boundary layer) juga ditentukan di GAMBIT

ini. Berikut gambar hasil pemodelan geometri :

Inlet Flow Outlet Flow



12

Gambar 2a. Hasil Permodelan geometri dengan sudut obstacle 600

Gambar 2b. Hasil Permodelan geometri dengan sudut obstacle 300

Gambar 2c. Hasil Permodelan geometri dengan sudut obstacle 150

Gambar di atas menunjukkan domain simulasi dalam saluran dengan variasi

bentuk hambatannya. Jumlah cell yang tebentuk dan tipe mesh yang digunakan

dapat dilihat di bawah (tabel 1).

Tabel 1: Jumlah cell dan tipe mesh

Model Geometri Jumlah Grid/Cell Tipe Mesh

Saluran persegi dengan hambatan

segitiga 600

98550 Hexsahedral/submap


segitiga 300



segitiga 150


3.2.2. Proses simulasi permodelan dengan FLUENT 6.2.16

Berikut tahapan proses simulasi permodelan dengan menggunakan softwere

FLUENT 6.2.16 yang merupakan salah satu softwere CFD.

13

a. Check grid dan penskalaan

Pengecekan grid dilakukan untuk mengetahui adanya error pada

geometri atau tidak. Selanjutnya proses penskalaan dari geometri yaitu 1 : 1

(cm).

b. Pemilihan solver

Solver yang digunakan adalah segregated, solver ini menyelesaikan

persamaan kontinunitas, momentum dan energi serta persamaan spesies

transport (jika diperlukan) secara bertahap (terpisah antara satu dengan

persamaan yang lain) dan solver ini banyak digunakan pada kasus dengan fluida

inkompresibel dan kompresibel dengan kecepatan aliran rendah sampai sedang.

c. Menentukan model viscos

Penentuan model viscos tergantung dari jenis aliran fluida yang akan

disimulasikan apakah termasuk dalam aliran laminar, transisi, atau turbulen.

Jenis aliran ini dapat diketahui dengan menghitung nilai Reynold (Re) yaitu :

ℜ=VDρμ

ℜ=15 . 0,02 .1,225

0,1789. 10−4=20537,6103

Karena nilai Re diatas 5000, maka aliran tersebut termasuk aliran turbulen.

Untuk aliran turbulen tersedia beberapa jenis model viscos, pada simulasi ini

digunakan model k-epsilon karena model ini merupakan model terbulensi yang

cukup lengkap dengan dua persamaan yang memungkinkan kecepatan terbulen

(turbulen velocity) dan skala panjang (length scale) ditentukan secara independen.

(Fluent & Gambit Tutorial Guide; 2005)

d. Pemilihan material

Material yang digunakan adalah fluida udara, nilai-nilai yang digunakan

adalah sebagai berikut :

14

Tabel 3.1. Data material

Tipe Material Properties

Fluida : Udara Densitas (Kg/m3 ) : 0,8984Viskositas (Kg/m-s) : 2,2528e-5

Sumber : Data perencanaan

e. Menentukan bondary condition

Boundary condition yang digunakan adalah velocity inlet (data yang

dimasukkan adalah kecepatan aliran yaitu 15 m/s) sebagai inlet (saluran masuk),

wall sebagai dinding saluran dan outflow sebagai saluran keluar.

f. Proses interasi

Setelah semua data dimasukkan, selanjutnya dilakukan proses interasi untuk

mengetahui aliran tersebut konvergen atau tidak. Proses postprocessor (gambar

countour, vektor, dan pathline, dll) baru bisa dilakukan apabila hasil interasi

konvergen.

15

IV. HASIL SIMULASI DAN PEMBAHASAN

Analisa aliran fluida dalam saluran telah dilakukan dengan menggunakan

program numerik CFD (Computational Fluid Dynamic). Pada penelitian (simulasi)

ini telah dilakukan beberapa model obstacle pada saluran persegi untuk

mengetahui pengaruh kecepatan terhadap perubahan pola aliran yang terjadi.

Beberapa model tersebut adalah berupa saluran dengan bentuk penghalang

(obstacle) yang bersudut 600, 300 dan 150.

Kecepatan aliran fluida pada inlet saluran adalah 15 m/s, fluida yang

digunakan adalah udara, dan data-data lain yang digunakan adalah data material

pada FLUENT 6.2.16 (software CFD). Berikut analisa hasil simulasi pada saluran

dengan beberapa variasi obstacle.

4.1. Analisa Hasil Simulasi

Variable utama yang menentukan dalam menganalisa karakteristik

aliran pada salulan meliputi analisa pola aliran dan kerugian

tekanan. Analisis pola aliran diwakili oleh vektor kecepatan dan

lintasan aliran fluida untuk mengetahui distribusi dan pola

kecepatan udara yang terjadi. Dari gambar kontur dibawah terlihat

jelas pola aliran yang terjadi, dimana kecepatan pada dan setelah

obstacle meningkat. Peningkatan kecepatan yang terjadi juga

berbeda tergantung sudut penghalangnya.

4.1.1. Analisis Hasil Simulasi Pada Saluran Dengan Obsacle 600

Pada saluran ini terlihat peningkatan kecepatan aliran dari 15 m/s di inlet

menjadi 21,4 m/s setelah terjadi hambatan (gradasi merah). Peningkatan kecepatan

aliran terjadi karena adanya hambatan yang menyebabkan pengecilan saluran.

Kecepatan terendah adalah 1,3 m/s terlihat pada wilayah dengan gradasi warna biru

kehijauan. Daerah dengan kecepatan minus yang gradasi warna biru menunjukkan

adanya aliran yang berlawanan arah. Adanya aliran yang berlawanan arah ini akan

16

menyebabkan penurunan kecepatan dan peningkatan tekanan. Kecepatan pada

outlet 14,015 m/s.

Gambar 3a. Kontur kecepatan pada saluran dengan sudut obstacle 600.

Gambar 3b. Kontur tekanan pada saluran dengan sudut obstacle 600.

17

Gambar 3c. Vektor kecepatan pada saluran dengan sudut obstacle 600.


Pada saluran ini (gambar 4a dan 4c ) terlihat peningkatan kecepatan aliran

dari 15 m/s di inlet menjadi 20,8 m/s setelah terjadi hambatan (gradasi merah) yang

merupakan kecepatan tertinggi yang terjadi pada saluran ini. Kecepatan tertinggi

pada saluran ini lebih rendah dari pada kecepataan pada saluran dengan sudut

obstacle 600. Kecepatan terendah adalah 0,88 m/s terlihat pada wilayah dengan

gradasi warna biru kehijauan. Wilayah yang kecepatan rendah pada saluran ini juga

lebih kecil daripada wilayah pada saluran dengan obstacle 600. Luasnya daerah

yang kecepatan minus juga lebih kecil dibandingkan dengan saluran obstacle 600.

Kecepatan pada outlet 14,084 m/s.

18



19

Gambar 4c. Vektor kecepatan pada saluran dengan sudut obstacle 300.


Pada saluran ini (gambar 5a dan 5c) kecepatan tertinggi yang terjadi adalah

20,1 m/s. Gradasi merah pada gambar kontour di bawah menunjukkan wilayah

dengan kecepatan tinggi. Kecepatan tertinggi pada saluran ini lebih rendah dari

pada kecepataan pada saluran dengan sudut obstacle 600 dan 300. Kecepatan

terendah adalah 0,987 m/s terlihat pada wilayah dengan gradasi warna biru

kehijauan. Wilayah yang kecepatan rendah pada saluran ini juga lebih kecil

daripada wilayah pada saluran dengan obstacle 600 dan 300. Luasnya daerah yang

kecepatan minus juga lebih kecil dibandingkan dengan saluran obstacle 600 dan 300.

Pada saluran ini kecepatan yang terjaid lebih merata dibandingkan dengan saluran

dengan sudut 600 dan 300. Kecepatan pada outlet 14,081 m/s.

20



21

Gambar 5c. vector kecepatan pada saluran dengan sudut obstacle 150.

4.2. Analisis Hasil Simulasi Berdasarkan Pathline

Pola aliran lain yang terbentuk pada saluran yang

berpenghalang yaitu terjadinya vortex (pusaran) pada bagian

tengah (setelah obstacle) dan adanya bagian yang tidak tersentuh

(kecepatannya adalah 0) atau bagian yang akan terjadi

penumpukan. Berikut gambar pathline aliran pada saluran

dengan sudut obstacle 600, 300, dan 150.

4.2.1. Analisis Pathline dengan obstacle 600

Dari gambar pathline di bawah (gambar 6) dapat dilihat

daerah yang terjadi pusaran (vortex), pusaran ini terjadi setelah

aliran dalam saluran terhalang dimana perubahan bentuk saluran

22

dari luas permukaan yang kecil akibat obstacle dan tiba-tiba besar

lagi.

Gambar 6. Patline saluran dengan hambatan bersudut 600.


Dari gambar di bawah terlihat bahwa daerah yang akan

terjadi penumpukan tidak ada lagi, ini terjadi karena sudut

obstacle yang lebih kecil. Pusaran yang terjadi juga lebih kecil.

23



Pada saluran dengan sudut obstacle 150 ini daerah yang

terjadi pusaran lebih kecil di bandingkan dengan gambar 6&7. Ini

terjadi karena sudut pada pengahalang saluran ini lebih kecil.

24


4.3. Perbandingan Hasil Simulasi

Berikut hasil perbandingan dari hasil analisa simulasi diatas.

Tabel 4.1 perbandingan hasil simulasi

Model Geome

tri

Gambar Kontur Kecepatan

Data Hasil Simulasi

V

Inlet

(m/

s)

V

Outlet

(m/s

)

VMax

(m/

s)

PInlet

(Pa)

POutlet

(Pa)

∆P

(Pa)

Saluran dengan sudut

obstacle 600

1514,0

721,3

298,57

229,52

69,05


obstacle 300

1514,1

320,8

284,24

226,69

57,55


obstacle 150

1514,1

820,2

265,28

218,13

47,15

Dari tabel di atas dapat di lihat perbandingan hasil dari

simulasi dimana pola kecepatan aliran yang terjadi pada saluran

dengan obstacle 600, 300, dan 150 berbeda, dimana kecepatan

aliran yang terjadi tergantung pada besar sudut penghalangnya.

Kecepatan aliran fluida dalam saluran dengan sudut penghalang

yang lebih besar adalah lebih tinggi dibandingkan dengan saluran

dengan sudut penghalang yang lebih kecil. Daerah pusaran yang

terbentuk juga tergantung dari sudut penghalangnya. sudut yang

besar akan menghasilkan daerah pusaran yang besar. Pola aliran

25

tekanan yang terjadi berbading dalam saluran berbanding terbalik

dengan pola aliran kecepatan dimana selisih tekanan ∆P dengan

sudut obstacle 600 lebih besar daripada ∆P pada saluran dengan

sudut obstacle 300 dan 150 .

V. KESIMPULAN

Dari hasil penelitian ini dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:

1. Simulasi pola aliran fluida dalam saluran persegi dengan beberapa variasi

penghalang (obstacle) telah dilakukan dengan menggunakan program CFD

(Computation Fluid Dynamic) fluent 6.2.16

2. Pola aliran yang terbentuk adalah Terjadinya peningkatan kecepatan aliran dan

terjadinya pusaran (vortex) dalam saluran karena adanya pengahalang

(obstacle).

3. Semakin besar sudut penghalang semakin besar peningkatan kecepatan yang

terjadi. Kecepatan tertinggi pada saluran dengan sudut obstacle 600 adalah 21,3

m/s, pada saluran dengan obstacle 300 adalah 20,8 m/s, dan pada saluran dengan

obstacle 150 adalah 20,2 m/s.

4. Kecepatan aliran pada Saluran dengan sudut hambatan 150 lebih merata

daripada aliran dalam saluran dengan sudut 300 dan 600.

5. Terjadinya arus balik dalam saluran. Semakin besar sudut pengahalang semakin

besar arus balik yang terjadi.

6. Akibat adanya penghalang (obstacle) juga menyebabkan terjadinya pusaran. Ini

terjadi karena pembesaran saluran secara tiba-tiba setelah terjadi penyempitan

karena adanya hambatan.

7. Pola aliran kecepatan berbading terbalik dengan tekanan. ∆P pada saluran

dengan sudut obstacle 150 lebih kecil yaitu 47,15 Pa daripada saluran dengan

sudut obstacle 300 (∆P = 57,55 Pa) dan 600 (∆P = 69,05 Pa)

26

DAFTAR KEPUSTAKAAN

Anderson John David, Computational Fluid Dynamics (The Basics with Aplication,

Internasional Editon), Singapura, 1995.

Bruce R. Munson, Donald F. Young, Theodore H. Okiishi, Mekanika Fluida, Edisi

Keempat,Jilid 1dan Jilid II, Erlangga, 2003.

Fluent Incorporate, Fluent/UNS & Rampant 4.2, User’s Guide, Volume 1, 2, 3 dan

4, Fluent Inc, Lebanon, 1998.

Fluent Incorporated, Fluent 6.2 Tutorial Guide, Fluent Inc., Lebanon, 2005.

Fluent Incorporated, Gambit Modelling Guide, Fluent Inc., Lebanon, 2005.

Jalaluddin Jamil, M. Ilham Maulana, Studi Pembentukan Kavitasi di Dalam

Penyempitan Saluran 2D (Nosel 2D), Seminar Nasional Kluster Riset

Teknik Mesin, Universitas Sebelas Maret, 2009.

M. Ilham Maulana, Prihadi Setyo. D, Development of cyclone separators

performance in cement industries, Regional Seminar on Computational

Mechanics and Numerical Analysis Proceeding, Syiah Kuala University,

2004.

Ridwan, A. Indra Siswantara, Supriyanto, Analisa Aliran Vortex Pada pembesaran

saluran Pipa dengan Teknologi CFD, Proceeding, Komputer dan Sistem

Intelijen (KOMMIT 2002), Jakarta, 2002.

Ronald V. Giles “ Mekanika Fluida dan Hidrolika “ Erlangga, Jakarta.

Viktor L. Streeter & E. Benjamin Wyle, Mekanika Fluida edisi 8 (terjemahan),

Erlangga, Jakarta, 1993.

27

http://fauzanahmad.wordpress.com/cfd/

pendahuluan edit terbaru

Documents