All about Mechanical-Energy Conversion

I will continue my post about billboard case.. As we know from the dimension given before according to the requirements is :

v. wind = 5 m/s
Billboard dimension
Length = 5,5 m
Width = 0,5 m

Control Volume :
Length = 50 m
Width = 15 m
top and bottom as symmetric side

first step in simulation using CFDSOF to get Total Pressure of air flow through the board. The explanation below describ how to do simulation. First, we make a boundary condition as control volume according the dimension above, makes grid that represent the dimension of billboard, set inlet and outlet that show how fluid start to flow and ends in left and right side of the control volume. Set symmetrical in top and bottom side that show the flow characteristic in further top and bottom side is unknown. Set the domain about type of flow is k-epsilon that represent the type flow of air is in turbulent flow. Set velocity inlet is 5 m/s as assumption of highest velocity may be pass the board. After that, we proccess the simulation by iteration until the condition of convergency is approached. Then show the results in vector and contour.

Figure 1. Grid of control volume that will domain of iteration

Figure 2. vector of velocity magnitude of air flow

Figure 3. Contour velocity magnitude distribution

Figure 4. Contour of relative total pressure

Figure 5. Contour of static pressure

After we got the results in Total pressure, we can find the forces in the surface of board by equation P = F/A, from it we can estimate bending moment value (M). In post processing CFDSOF we can see the distribution of total pressure in koordinat nodal by "lihat alfa" :

Figure 6. Relative Total Pressure distribution in grid cell

By determination difference pressure between fore side and back side of the board cell, we can calculate forces distribution by know the area of grid cell.

Figure 7. Table calculation to find max. bending moment

The resultan of forces is shear forces along the references point (Point 1 is the botom reference that will be attached pillar bar).

Figure 8. Shear force diagram along reference point

By integral of shear forces we get moment diagram. Total area under shear forces graph is moment diagram. We can see that bending moment max. is in point 1 reference, because in this case we use one point reference in point 1.

Figure 9. Moment diagram show max. bending moment in the reference point 1 that assumpted as bottom side of board to be fitted with pillar bar.

After we got the value for maximum bending moment (M) like showed in graph above the value is 114,075 Nm (minus signed that resultan forces is counter direction with wind direction), then we have to calculate Modulus area (W) that consists of Inertia (I) and distance of neutral axis (y).

W = I / y

As we know from the ASTM code that the material we used is carbon steel with composition and data for yield strength is Bj-52 with 3600 kg/cm2 yield strength. The material is cylinder that will we used as pillar bar for billboard.
From the data yield strength we can estimate the dimension for diameter of solid cylinder :

I = phi (D^4) / 64

by used neutral axis distance for the billboard length is 5.5 m, we used y = 5.5 m.
so, we can estimate diameter dimension by :

yield stress = Max. bending moment / Modulus area

0,36 = (114 x 5,5) / ((22/7 x D^4) / 64)
D^4 = 2,82 x 10^-5
D = 0,073 m = 7,3 cm

From calculation the formula above we can determine the dimension for solid cylinder pillar is about 0,073 m or 7,3 cm.

A. Judul

“Simulasi dan Analisis Konsep Sistem Ventilasi Alami KATILIS : Kamar Tidur Minimalis”

B. Latar Belakang Masalah

Desain ruangan merupakan hal yang memerlukan banyak faktor untuk dipertimbangkan demi mendapatkan kenyamanan dan tercipta ruangan yang sehat bagi penghuninya. Konsep desain ruangan yang memerlukan kenyamanan dan kondisi yang sehat adalah ruangan tempat tidur. Karena didalam kamar tidur kita menghabiskan waktu untuk beristirahat dan untuk membuat waktu istirahat kita menjadi nyaman dan efektif adalah dengan suasana ruangan yang sehat.

Kamar yang sehat adalah kamar yang mampu memberikan rasa nyaman bagi penghuninya dengan kondisi aliran sirkulasi udara yang baik, salah satunya dengan adanya sistem ventilasi yang baik sehingga didalam kamar tersebut terjadi sirkulasi udara yang kontinyu karena dengan adanya sirkulasi udara tersebut, kebutuhan akan udara segar (fresh air) di dalam ruangan akan dapat tercukupi. Selain itu sistem ventilasi juga dapat mengurangi kelembaban udara (humidity) karena akumulasi karbondioksida dan beban panas (head load) yang ditimbulkan dari barang-barang didalam ruangan seperti alat-alat elektronik, disamping itu sistem ventilasi berfungsi menjaga temperatur ruangan tetap pada kondisi yang nyaman sedikit dibawah temperatur luar ruangan.

Pada daerah tropis dan juga dikota-kota besar temperatur udara luar cukup tinggi dengan suhu rata-rata mencapai sekitar 30-33°C pada siang hari, selain itu juga kondisi udara tidaklah sehat karena sudah semakin banyak polusi udara dari gas buang kendaraan bermotor dan juga partikel-partikel debu banyak membawa bibit penyakit yang dapat mempengaruhi kesehatan manusia.

Untuk memperoleh kondisi ruangan yang nyaman dapat ditentukan dari faktor sirkulasi udara yang masuk dan juga yang keluar. Sirkulasi udara yang masuk sebaiknya memiliki kecepatan tertentu sehingga mampu mengalirkan udara secara optimal didalam ruangan. Selain itu juga penyerapan panas dari luar ruangan melalui dinding harus dibatasi sehingga temperatur ruangan tetap terjaga.

Hal inilah yang melatarbelakangi pembuatan suatu sistem ventilasi alami untuk ruang kamar tidur minimalis untuk kapasitas 3 orang dengan ruang tidur di bagian depan dilengkapi dapur dan dua kamar mandi di bagian belakang. Kamar tidur ini merupakan konsep untuk tempat tinggal di daerah perkotaan dengan lahan terbatas. Kamar tidur ini memiliki teras dan juga kanopi dibagian depan, serta dilengakapi sistem ventilasi berupa dua pasang jendela di bagian depan dan juga satu pintu dengan bahan terbuat dari kaca tebal 8 mm. Alasan penggunaan bahan dari kaca adalah agar terdapat cahaya yang cukup yang masuk kedalam ruangan. Selain itu juga dilengkapi satu ventilasi (lubang udara) yang terbuka di bagian belakang (sisi dapur) dan satu ventilasi di kamar mandi agar terjadi sirkulasi pada ruang belakang yang dibatasi oleh sekat-sekat.

C. Perumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang tersebut peneliti akan merumuskan masalah yang akan diatasi melalui simulasi menggunakan program CFDSOF, yaitu :

1. Bagaimana membuat desain ruangan yang baik agar sirkulasi udara yang terjadi dapat optimal?

2. Bagaimana pengaruh kecepatan udara yang masuk ke dalam ruangan dengan distribusi udara yang terjadi pada setiap ruang dalam kamar?

3. Bagaimana pengaruh panas yang terserap melalui dinding jendela, pintu dan juga lubang ventilasi terhadap temperatur kamar?

D. Tujuan

Simulasi konsep kamar tidur minimalis ini memiliki beberapa tujuan, yaitu :

1. Membuat suatu desain kamar tidur yang sehat dan nyaman dengan melakukan perhitungan dan simulasi aliran udara dan juga aliran panas yang masuk kedalam ruangan.

2. Mendapatkan kecepatan udara masuk yang optimal untuk mensirkulasikan aliran udara didalam ruang-ruang kamar

3. Mendapatkan temperatur ruangan yang cukup dari penyerapan panas yang terjadi melalui pintu, jendela, dan lubang ventilasi.

E. Luaran yang Diharapkan

Luaran yang diharapkan dari simulasi ini adalah terciptanya suatu konsep desain kamar tidur untuk keluarga kecil yang terdiri dari tiga sampai lima orang ataupun kamar kos untuk mahasiswa yang dapat dirancang untuk beberapa orang dengan mempertimbangkan aspek-aspek kesehatan dan kenyamanan bagi penghuninya. Konsep desain kamar ini juga mempertimbangkan keterjangkauan bagi masyarakat umum dalam pembuatannya karena tidak menggunakan sistem pengkondisian udara secara mechanical menggunakan AC (Air Conditioner) melainkan menggunakan sistem ventilasi udara secara alami. Aspek-aspek kenyamanan bagi penghuninya telah kita rancang dengan mempertimbangkan hasil-hasil simulasi menggunakan prinsip CFD (Computational Fluid Dynamic) dalam simulasi ini menggunakan software CFDSOF.

Aspek-aspek yang kita kaji adalah sirkulasi aliran udara dengan mempertimbangkan letak pintu, jendela, dan jumlahnya, serta lubang ventilasi udara yang cukup untuk kapasitas ruangan yang kita buat. Selain itu ukuran kamar dan jumlah ruangan dan tata letaknya telah kita pertimbangkan untuk mendapatkan desain kamar yang baik. Material untuk pintu, dan jendela kita memilih menggunakan kaca tebal dengan pertimbangan terdapat pencahayaan dan penyerapan panas yang cukup. Selain itu desain yang kita tawarkan adalah dibagian depan kamar terdapat teras dan juga kanopi agar terlindung dari hujan maupun radiasi matahari secara langsung. Kamar ini juga dapat dibuat untuk bangunan bertingkat, untuk kos-kosan maupun rumah susun. Bagian plafon kita tawarkan dengan cor ataupun plafon fix sehingga diharapkan tidak ada penyerapan kalor pada seluruh bagian dinding. Kita hanya mengatur penyerapan kalor melalui pintu, jendela depan yang terbuat dari bahan kaca dan juga lubang ventilasi di bagian belakang.

Parameter kedua yang kita simulasikan adalah distribusi temperatur dalam ruangan. Kita tentukan bahwa kalor yang masuk ke ruangan adalah melalui pintu, jendela, dan juga lubang ventilasi.

Dengan adanya konsep desain kamar sehat ini diharapkan dapat menjadi solusi dan juga pertimbangan untuk masyarakat umum yang masih membutuhkan tempat tinggal sehat dan terjangkau.

F. Kegunaan

Sasaran utama dari simulasi yang dilakukan adalah masyarakat umum didaerah perkotaan yang membutuhkan tempat tinggal yang sehat dan nyaman dengan konsep minimalis. Kegunaan simulasi kamar tidur ini bagi masyarakat umum adalah :

1. Memberikan wawasan pengetahuan mengenai desain ruangan yang tidak memerlukan lahan yang luas tetapi memenuhi kriteria dan standar kesehatan.

2. Mendorong masyarakat untuk sadar akan pentingnya kondisi kamar tidur yang sehat dan nyaman.

3. Mewujudkan pemukiman masyarakat perkotaan yang sehat dengan biaya yang terjangkau.

G. Tinjauan Pustaka

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi, luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi untuk melakukan perhitungan pada tiap-tiap elemen pembaginya.

Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi-bagi menjadi beberapa bagian cell/grid/mesh, 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. Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid. Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama:

1. Preposessor

Tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan boundary condition. Contohnya seperti penentuan ukuran cell, input, output, radiator, dll. Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing.

2. Processor

Dilakukan proses penghitungan input data dengan persamaan yang terlibat secara iteratif. Iterati disini artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen. Jika perhitungan masih menunjukan divergen maka kemungkinan masih terjadi error dalam pre-proccess. Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit.

3. Post processor

Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar, grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu. Misalnya warna merah dan ukuran panah panjang dalam variabel kecepatan menunjukkan fluida yang mengalir memiliki kecepatan tinggi sedangkan untuk warna biru tua dan ukuran panah yang pendek memiliki kecepatan fluida yang rendah.

Kelebihan CFD :

· Dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut.

· CFD dapat mempermudah dan mempertajam analisa kita terhadap perbandingan pembelajaran mekanika fluida secara teoritis dengan proses simulasi.

· Pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik, vektor, kontur dan bahkan animasi.

Persamaan-Persamaan Konservasi

Persamaan konservasi adalah persamaan yang menjadi dasar dalam simulasi fluida yang akan kita uji. Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri, apakah model tersebut memepertimbangkan faktor reaksi kimia, mass transfer, heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar.

Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD. Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real.

Betapa sulitnya ketika kita membayangkan bagaimana Tuhan mengatur fenomena-fenomena yang lebih kompleks di muka bumi ini karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya.

berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies.

1. Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuitas yang digunakan dalam CFD adalah:

Persamaan konservasi massa

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible.

2. Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD. Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini:

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida. Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam.

H. Metode Simulasi

Metode simulasi CFD yang dilakukan adalah menggunakan software CFDSOF dengan dua kali proses simulasi.

1. Simulasi I : Simulasi distribusi aliran udara

Simulasi ini dilakukan untuk menentukan distribusi aliran udara di dalam seluruh bagian ruangan, dengan melihat hasil distribusi kecepatan udara (velocity magnitude, velocity component) dan juga distribusi tekanan (Absolute total pressure, relative total pressure, pressure component). Tahap-tahap dalam simulasi ini adalah :

Konsep desain kamar :

Ukuran :

Panjang : 10 m

Lebar : 7 m

Tinggi : 3 m

Terdapat 1 pintu dan 2 pasang jendela di bagian depan yang terbuat dari kaca

Terbagi menjadi 3 ruangan,

bagian depan terdapat lemari besar, televisi, galon air minum, tempat tidur untuk 3 orang.

Bagian belakang terdapat ruang dapur dengan lemari pada dinding atas dan bawah, dan 2 kamar mandi.

Terdapat lubang ventilasi pada dinding belakang pada dapur dan kamar mandi

a. Tahap Pre-Processing :

- Mengatur domain pada input domain, pada opsi pilih 3D, Dimensi panjang 7 m, tinggi 10 m, dan lebar 3 m, Jumlah cell pada sumbu I, J, K masing-masing 40 cell

- Membuat grid 3D dalam CFDSOF dengan atur cell dan melakukan irisan pada sumbu I, J, dan K seperti gambar dibawah ini

Gambar sketsa yang akan kita buat dalam CFDSOF

Gambar contoh pengaturan cell dalam CFDSOF

- Mengatur Konstanta Fisikal yaitu densitas udara 1000 kg/m^3, viskositas udara 9 x 10^-4 N.s/m^2

- Mengatur Kondisi Sempadan pada inlet (jendela dan pintu bagian depan) Kecepatan kita masukkan 3 m/s pada sumbu-w. (kecepatan udara pada kondisi standar)

a. Tahap Processing :

- Melakukan iterasi sampai tercapai kondisi konvergen/residu normalisasi, kita masukkan iterasi 2000

b. Tahap Post Processing :

- Melihat hasil untuk kontur dan vektor distribusi kecepatan dan distribusi tekanan seperti pada gambar berikut ini

Gambar hasil vektor kecepatan

Gambar hasil kontur velocity magnitude

Gambar hasil vektor absolute total pressure

Gambar kontur absolute total pressure

Membandingkan simulasi diatas dengan variasi yang dilakukan ketika inlet yang diberikan hanya pada lubang ventilasi diatas pintu dan jendela pada dinding depan (kondisi pintu dan jendela ditutup) :

Gambar hasil vektor kecepatan

Gambar hasil vektor absolute total pressure

1. Simulasi II : Simulasi Distribusi Temperatur

Simulasi ini dilakukan untuk mengetahui distribusi temperatur dan penyerapan kalor yang terjadi dalam ruangan. Tahap-tahap dalam simulasi ini adalah :

a. Tahap Pre-Processing

- Pada tahap ini pengaturan grid sama seperti pada simulasi pertama.

- pada model kita aktifkan hitung temperatur.

- Mengatur Kondisi Sempadan Wall. Wall 1 adalah semua dinding selain pintu dan jendela depan dan lubang ventilasi di belakang. Wall 1 kita atur temperatur 273 K. Wall 2 adalah pintu dan jendela didepan dan ventilasi di belakang. Kita atur temperatur 300 K.

- Pengaturan beda temperatur tersebut didasarkan pada penyerapan kalor yang terjadi karena pintu dan jendela berbahan kaca dan juga penyerapan pasa lubang ventilasi kita asumsikan sama

b. Tahap Processing

- Melakukan iterasi sampai tercapai kondisi konvergen/residu normalisasi. Kita atur 5000 iterasi.

c. Tahap Post-Processing

- Melihat hasil simulasi

Gambar hasil kontur heat flux

Gambar hasil kontur temperatur

Gambar hasil kontur surface temperatur

I. Analisis Hasil

Dari hasi simulasi pertama dan kedua yang telah dilakukan dapat dianalisis yaitu :

1. Pada simulasi pertama, dengan pengaturan kecepatan udara yang masuk melalui jendela dan pintu adalah 3 m/s kita dapatkan hasil pada kontur maupun vektor tampak bahwa pada kondisi tersebut terjadi sirkulasi udara pada sebagian besar ruangan, pada kontur tampak distribusi warna biru muda yang menunjukkan kecepatan yang lebih tinggi, begitu juga untuk tekanan, karena terjadi perbedaan kecepatan maka terjadi juga perbedaan tekanan dalam ruangan. Ketika kita melakukan variasi untuk inlet udara yang kita atur hanya pada lubang ventilasi diatas pintu dan jendela pada dinding depan (kondisi saat pintu dan jendela ditutup) menunjukkan bahwa hasil yang didapatkan masih bagus, artinya supply udara dari luar masih bisa bersirkulasi dengan baik bisa kita lihat dari vektor kecepatan dan tekanan yang menunjukkan aliran udara masuk mengisi bagian atas ruangan terlebih dahulu kemudian tersebar ke ruangan lainnya dan mengisi hampir seluruh ruangan. Hasil tersebut menunjukkan bahwa desain yang dibuat adalah baik disesuaikan dengan ukuran ruangan yang telah didesain.

2. Pada simulasi kedua, dengan pengaturan beda temperatur antara dinding pada bagian inlet dan outlet sebesar 300K (temperatur rata-rata pada siang hari) dengan dinding selain inlet dan outlet dengan 273K (dianggap nol) kita dapatkan hasil bahwa distribusi temperatur yang terjadi adalah baik karena panas yang terjadi tidak terlalu berpengaruh secara signifikan terhadap kondisi temperatur di sebagian besar ruangan, hal ini dapat kita lihat pada total temperatur dan heat flux sehingga dapat disimpulkan bahwa konsep desain yang dibuat dengan hasil dari simulasi adalah sangat baik dalam hal distribusi udara dan temperatur.

J. Kesimpulan

Dari hasil simulasi dan analisis yang telah dilakukan maka dapat kita simpulkan bahwa :

1. Hasil variasi simulasi yang dilakukan menunjukkan bahwa ketika kita mengasumsikan kecepatan aliran udara rata-rata yang masuk ke ruangan dan melakukan simulasi untuk beberapa kondisi memberikan hasil sirkulasi udara yang baik.

2. Hasil simulasi untuk parameter kalor yang terserap dari ruangan dengan input beda temperatur rata-rata harian menunjukkan bahwa panas yang terjadi dalam ruangan karena faktor eksternal (panas matahari) tidak berlebihan karena disesuaikan dengan konsep desain yang dibuat dan material yang digunakan.

3. Dari hasil analisis simulasi yang dilakukan menghasilkan menunjukkan bahwa desain kamar ini adalah baik dan memenuhi kriteria kamar yang sehat.

All about Mechanical-Energy Conversion

Laman

Senin, 11 Maret 2013

Billboard Simulation, Analyses, and Optimization Strength Design

Jumat, 01 Maret 2013

Billboard case simulation with CFD

Selasa, 29 Mei 2012

TUGAS BESAR CFD