Upload
hamam-suhaily
View
138
Download
11
Embed Size (px)
Citation preview
5/11/2018 PAPER CFD Hamam n Ayudi - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/paper-cfd-hamam-n-ayudi 1/11
STUDI NUMERIK KARAKTERISTIK ALIRAN
FLUIDA MELINTASI SILINDER SIRKULAR PADA
POSISI CENTERLINE“Studi Kasus Perbandingan Steady Flow dan Unsteady Flow”
Devian Faris Hidayat, Arief Mustolih Laboratorium Mekanika dan Mesin-Mesin Fluida
Jurusan Teknik Mesin FTI-ITSemail : [email protected]
ABSTRAK
Karakteristik aliran eksternal fluida yang melewati suatu bluff body terus dikembangkan
sampai saat ini. Hal tersebut dilakukan karena telah banyak penggunaan instalasi-instalasi
khususnya pada dunia industri yang memanfaatkan aplikasi-aplikasi dari rekayasa mekanika
fluida. Salah satu aplikasi dari rekayasa mekanika fluida pada eksternal flow adalah pipa
off-shore yang terletak dekat dengan dinding dasar laut. Untuk itu dilakukan penelitian
tentang karakteristik aliran fluida melintasi silinder sirkular pada posisi centerline.
Penelitian ini dilakukan dengan simulasi menggunakan perangkat lunak Fluent 6.216
dengan memvariasikan jenis aliran antara steady flow dengan unsteady flow. Seluruh
simulasi numerik dilakukan pada silinder sirkular yang mempunyai diameter (D) 60 mm,
kecepatan freestream dijaga konstan pada 16.92 m/s, intensitas turbulensi sebesar 0,5% dan
bilangan Reynolds yang digunakan sebesar 6,4x104. Informasi yang diperoleh dari hasil
post-processing ditunjukkan bahwa simulasi numerik berupa data kuantitatif seperti
distribusi koefisien tekanan (Cp), koefisien drag (C D ), koefisien lift (C L ), maupun visualisasialiran berupa kontur kecepatan velocity pathline, dan vektor kecepatan.
Kata kunci : silinder sirkular, centerline, simulasi numerik,
1. Pendahuluan
Silinder sirkular adalah salah satu bentuk geometri bodi yang banyak digunakan pada
aplikasi teknik. Berbagai aplikasi dari silinder sirkular yang membentuk susunan tertentu
seperti in-line, staggered , atau square arrays dan lain-lain, banyak digunakan dalam aplikasi
engineering seperti konstruksi, tiang listrik, tiang pancang lepas pantai, jaringan pipa bawah
laut, dan juga untuk pemakaian alat penukar kalor.cari latar belakang unsteady
Penelitian aliran fluida yang melintasi silinder sirkular telah lama dilakukan dengan
banyaknya studi eksperimental mengenai hal tersebut. Sampai saat ini banyak sekali
penelitian yang bertujuan untuk mengurangi gaya hambat dinamis (dynamic drag ) yang besar
akibat separasi aliran melintasi silinder seperti misalnya penelitian dilakukan oleh Hadid
(2010) dengan meneliti tentang karakteristik aliran fluida yang melintasi dua silinder yang
tersusun secara side-by-side dan didekatkan pada sebuah dinding datar ( side wall ), Penelitian
ini dilakukan pada dua buah silinder yang diiris kedua sisinya dengan sudut iris θs = 0° dan
65° pada jarak antara pusat kedua silinder dalam konfigurasi side-by-side relatif terhadap
ditetapkan (T/D)=3 dan dengan memvariasikan jarak antara pusat silinder dengan dinding
datar relatif terhadap diameter (G/D). Hasil eksperimen menunjukkan bahwa pada T/D=3,fenomena blockage effect yang terjadi pada silinder bawah akan mempengaruhi aliran pada
5/11/2018 PAPER CFD Hamam n Ayudi - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/paper-cfd-hamam-n-ayudi 2/11
silinder atas, sehingga aliran akan seolah-olah terdefleksikan pada angle of attack tertentu ke
arah upper silinder.
Selanjutnya penelitian dilakukan oleh Widodo, Yuwono, dan Mirmanto (2009)
dengan meneliti tentang karakteristik aliran fluida yang melintasi silinder yang tersusun
secara tandem dan didekatkan pada sebuah dinding datar ( side wall ), Penelitian ini dilakukandengan menggunakan CFD solver Fluent 6.2.16. Permodelan dilakukan dengan dua buah
silinder yang diiris kedua sisinya dengan sudut iris θs = 0° dan 65° dengan jarak longitudinal
( L/D)=1,5 dan dengan memvariasikan jarak antara pusat silinder dengan dinding datar relatif
terhadap diameter (G/D). Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada ( L/D)=1,5, separasi
shear layer dari silinder upstream akan re-attach pada silinder downstream, selanjutnya aliran
akan menulusuri kontur silinder bagian depan maupun belakang silinder. Pada bagian depan
aliran akan terseparasi dan membentuk forward shear layer . Sedangkan bagian belakang
aliran akan mengalami backward separation. Distribusi koefisien tekanan pada silinder
downstream yang berharga negatif diakibatkan oleh shear layer wake yang menyelimuti
silinder downstream.
Penelitian pada silinder sirkuler juga pernah dilakukan oleh Nishimura (2001) dengan
meneliti tentang karakteristik aerodinamik gaya berfluktuasi pada 2D silinder sirkuler.
Penelitiannya fokus pada gaya secara periodik dengan memberikan tekanan secara simultan
pada 2D silinder sirkuler. Silinder tersebut diletakkan diantara dua plat fix dengan dilakukan
menggunakan Re= 6.1x104 dengan V= 10 m/s. Hasil dari penelitian tersebut menunjukkan
bahwa stagnation point dan separation point terjadi seiring dengan fluktuasi gaya angkat.
Penelitian silinder sirkuler tunggal secara numerik pernah dilakukan oleh Catalano
(2003) menggunakan Large Eddy Simulation (LES) dengan memodelkan dinding pada
reynolds tinggi, penelitian dilakukan pada daerah supercritical . Hasil dari penelitian tersebutdibandingkan dengan steady dan unsteady Reynolds-Average Navier-Stokes (RANS) dan data
eksperimen. Hasil dari penelitian menunjukkan bahwa pada ReD=1x106 dengan menggunakan
LES didapatkan hasil CD= 0.31 -CPbase= 0.32 lalu dengan menggunakan RANS didapatkan
hasil CD= 0.39 -CPbase= 0.33, sedangkan pada hasil URANS CD= 0.40 -CPbase= 0.41
Selanjutnya penelitian secara numerik menggunakan Computational Fluid Dynamics
(CFD) untuk meneliti karakteristik aliran fluida yang melintasi silinder tunggal pernah
dilakukan oleh M.C. Ong (2009). Penelitian ini dilakukan pada silinder sirkuler halus secara
numerik menggunakan 2D Unsteady Reynolds-Average Navier-Stokes (URANS). Penelitian
dilakukan pada daerah supercritical dan upper transition dengan menggunakan Re=1x10
6
,2x106 dan 3,6x106. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada penelitian yang dilakukan pada
daerah supercritical dan upper transition dengan Re= 1x106 mempunyai nilai Cd=0.5174,
CLrms=0.0901, dan St= 0.2823. Lalu dengan Re= 3,6x106 mempunyai nilai Cd=0.4573,
CLrms=0.0766.
Berdasarkan penelitian tersebut, muncul pemikiran untuk melakukan penelitian
tentang karakteristik aliran melintasi silinder sirkular pada posisi centerline dengan
memvariasikan jenis aliran antara steady flow dengan unsteady flow. Simulasi numerik
dengan menggunakan CFD solver Fluent 6.2.12. Penelitian ini diharapkan dapat menjelaskan
fenomena aliran yang melintasi bentuk bluff body, baik secara kuantitatif maupun kualitatif.
Beberapa hal yang penting di dalam melakukan simulasi numerik, dimana untuk aliran
turbulen secara umum sangat dipengaruhi oleh turbulence modelling yang digunakan, seperti
5/11/2018 PAPER CFD Hamam n Ayudi - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/paper-cfd-hamam-n-ayudi 3/11
RANS, U-RANS, kondisi batas dan kondisi awal (boundary and initial condition), serta
bentuk dan kerapatan dari grid atau meshing terutama dekat solid surface, harus menjadi
perhatian utama untuk menghasilkan kesesuaian fisis dengan hasil yang diperoleh dari
eksperimental.
2. Metodologi
2.1 Persamaan Atur
Bilangan Reynolds ( Re D) yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebesar 6,4x104
yang dapat diformulasikan sebagai berikut :
Reudara
silinder udara
D
DU
µ
ρ ××
=∞
(1)
• Massa jenis udara ( )udara ρ diperoleh dari persamaan Boyle–Gay Lussac mengenai
pemuaian gas yang menyatakan bahwa
udaraudara
udaraudara
std std
std std
T
m p
T
m p
ρ ρ ×
×
=
×
×
Dengan mengasumsikan ketinggian dan massa udar yang sama, maka persamaannya
menjadi sebagai berikut :
udara
std std
udaraT
T ρ ρ
×
=
Dimana std T adalah temperatur standar (288,2°K) , udara
T adalah temperatur ruangan
kerja yang diasumsikan 28°C=301°K dan konstan selama pengujian berlangsung, dan
std ρ adalah massa jenis udara pada keadaan standar (1,225).
• Viskositas absolute udara ( )udara µ diperoleh dari
formula Sutherland :
( )
udara
5 ,0
udara
udara
T
S
1
T b
+
×= µ
dimana: b = 1,458 x 10-6 Kg/m.s.K 0,5 dan S = 110,4 K
Fenomena aliran fluida dikarakteristikkan dengan distribusi koefisien tekanan (Cp)
pada kontur permukaan silinder sirkular. Dimana koefisien tekanan (Cp) pada kontur
permukaan merupakan formulasi dengan mengolah hasil post-processing simulasi numerik
dengan CFD solver FLUENT 6.2 yang dapat dirumuskan sebagai berikut :
( ) 2
21
∞∞−= U p pC p
cρ (2)
5/11/2018 PAPER CFD Hamam n Ayudi - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/paper-cfd-hamam-n-ayudi 4/11
Dimana pc adalah tekanan pada kontur silinder sirkular, p∞
adalah tekanan statis pada free-
stream, dan 2
21
∞U ρ adalah tekanan dinamik pada free-stream. Selanjutnya ditampilkan pula
data kualitatif dari hasil post-processing simulasi numerik yang berupa visualisasi aliran
dalam bentuk velocity pathline, kontur kecepatan, kontur tekanan, dan kontur intensitasturbulensi ditampilkan dalam gambar 7 dan 8, yang digunakan untuk melengkapi informasi
tentang karakteristik aliran silinder sirkular yang dilewati aliran fluida pada sisi upper
maupun sisi lower kontur permukaan silinder tersebut. Adapun koefisien drag (C D) diperoleh
dengan mengintegrasikan distribusi tekanan sepanjang kontur dengan persamaan sebagai
berikut :
∫ =π
θ θ θ
2
0
)cos().(2
1d C C p D
Koefisien lift (C L) juga dapat diperoleh dengan hasil integrasi dari distribusi tekanan (C P )
sepanjang kontur silinder utama. Adapun koefisien lift (C L) diperoleh dengan
mengintegrasikan distribusi tekanan sepanjang kontur dengan persamaan sebagai berikut :
∫ −=π
θ θ θ
2
0
)sin().(2
1d C C
p L
Integrasi tersebut dapat diselesaikan dengan metode numerik aturan Simpson 1/3 segmen
berganda yang dirumuskan sebagai berikut :
n
x f x f x f x f
ab I
n
i
n
j
n jio
3
)()(2)(4)(
)(
1
5,3,1
2
6,4,2
∑ ∑−
=
−
=
+++
−≅
( 2.12 )
Dimana, b : 2π dan a = 0
f(xo ) : Cp(0).cos 0 dan f(xn ) = Cp(2π).cos 2π untuk C D
f(xo ) : Cp(0).sin 0 dan f(xn ) = Cp(2π).sin 2π untuk C L
n : jumlah data
f(xi ) adalah perkalian dari fungsi data gasal dimana i = 1, 3, 5, ...n-1
f(x j ) adalah perkalian dari fungsi data genap dimana j = 2,4, 6,...n-2
2.2 Model Skematik
Penelitian ini dilakukan dengan simulasi numerik CFD solver Fluent 6.2 untuk mengkaji
karakteristik aliran yang melintasi silinder sirkular pada posisi centerline, sebagaimana
skema yang ditunjukkan pada gambar 1.
5/11/2018 PAPER CFD Hamam n Ayudi - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/paper-cfd-hamam-n-ayudi 5/11
Gambar 1. Skematik silinder sirkular
Domain dari simulasi numerik dari kedua silinder serta bentuk meshing 2D-
quadrilateral-map, yang ditunjukkan masing-masing pada gambar 2(a) dan (b). Pada sisi
inlet di-input-kan uniform velocity inlet dan pada sisi outlet adalah outflow. Simulasi
dijalankan dengan bilangan Reynolds ( Re D) = 6,4 x 104, didasarkan pada diameter silinder.
Simulasi numerik tersebut menggunakan pendekatan 2D-steady flow dan turbulence
modeling Reynolds Stress Models (RSM).
(a)
(b)Gambar 2. (a) Domain dari simulasi numerik; (b) bentuk meshing adalah dua dimensi (2D) -quadrilateral-map.
5/11/2018 PAPER CFD Hamam n Ayudi - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/paper-cfd-hamam-n-ayudi 6/11
Hasil post-processing dari simulasi numerik dengan CFD solver Fluent 6.2.12, yaitu
berupa data kuantitatif dan kualitatif. Koefisien distribusi tekanan (Cp) pada kontur
permukaan silinder, koefisien drag (C D), dan koefisien lift (C L). Sedangkan visualisasi aliran
berupa velocity pathline, kontur kecepatan, kontur tekanan, dan kontur intensitas turbulensi
yang merupakan data kualitatif. Kedua data tersebut akan saling melengkapi fenomena
karakteristik aliran pada silinder sirkular yang menuju sisi upper side maupun lower side
serta aliran pada daerah wake silinder tersebut.
2.3 Validasi Penelitian
Penelitian yang
3. Hasil dan Diskusi
Pada bagian ini akan dijelaskan hasil dari simulasi aliran fluida melewati silinder dengan empat perbedaan penggunaan model viskos yaitu: Inviscid, Spalart Allmaras, k-
omega sst, dan k-omega standard.
3.1 Residual Monitor
a. Inviscid
Gambar 3. Grafik residual monitor inviscid
b. K- Omega SST
5/11/2018 PAPER CFD Hamam n Ayudi - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/paper-cfd-hamam-n-ayudi 7/11
Gambar 3. Grafik residual monitor k-omega aliran unsteady
3.2 Kontur Tekanan
Gambar 3. Kontur tekanan untuk aliran steady
5/11/2018 PAPER CFD Hamam n Ayudi - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/paper-cfd-hamam-n-ayudi 8/11
Gambar 3. Kontur tekanan untuk aliran unsteady
3.3 Kontur Kecepatan
Gambar 3. Kontur kecepatan untuk aliran steady
5/11/2018 PAPER CFD Hamam n Ayudi - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/paper-cfd-hamam-n-ayudi 9/11
Gambar 3. Kontur kecepatan untuk aliran unsteady
3.4 Kontur Intensitas Turbulensi
Gambar 3. Kontur intensitas turbulen untuk aliran steady
5/11/2018 PAPER CFD Hamam n Ayudi - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/paper-cfd-hamam-n-ayudi 10/11
Gambar 3. Kontur intensitas turbulen untuk aliran unsteady
3.5 Velocity Vectors
Gambar 3. Velocity vector untuk aliran steady
5/11/2018 PAPER CFD Hamam n Ayudi - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/paper-cfd-hamam-n-ayudi 11/11
Gambar 3. Velocity vector untuk aliran unsteady
Tabel 4.1 Hasil numerik untuk beberapa penelitian
Re Penelitian Jenis Aliran C D C L
6,4 x 104 Simulasi sekarang Steady Flow
6,1 x 104 Nishimura et al. (2001) Steady Flow
1 x 106Catalano et al. (2003) Steady Flow 0,31 -
6,4 x 104 Simulasi sekarang Unsteady Flow
3,6 x 106 Muk Cen Ong et al. (2009) Unsteady Flow0,457
30,0766
1 x 104Catalano et al. (2003) Unsteady Flow 0,41 -
Ket. Re = Reynolds Number, C D = Drag Coefficient, C L = Lift Coefficient