Pengaruh Koefisien Drag (Cd) terhadap Pola aliran luar

Setiap benda yang bergerak melalui suatu fluida akan mengalami drag, yaitu suatu gaya netto dalam arah aliran karena tekanan dan gaya geser pada permukaan benda. Gaya netto ini yang merupakan kombinasi komponen gaya pada arah aliran dari gaya-gaya normal dan tangensial pada benda.

Pada kesempatan ini kita akan membahas tentang koefisien drag /Cd dan pengaruhnya terhadap aliran luar yang terjadi secara laminar disekeliling suatu objek rectangular dengan melihat perbandingan sisi

a/b = 1, dalam tabel referensi bernilai 1.05 (cube)

a/b < 1, dalam tabel referensi bernilai 0.82 (long)

a/b > 1, dalam tabel referensi bernilai 1.15 (short)

Koefisien drag merupakan koefisien fungsi dari parameter tak berdimensi lainnya seperti bilangan Reynolds, Re, bilangan Mach, Ma, bilangan froud, Fr, dan kekasaran relatif e/l.

Untuk benda-benda streamlined, koefisien drag meningkat apabila lapisan batas menjadi turbulen karena sebagian besar drag disebabkan oleh gaya geser, yang lebih besar untuk aliran turbulen daripada aliran laminar.
Sebaliknya, koefisien drag pada benda yang relatif tumpul, seperti bola atau silinder bundar, pada kenyataannya berkurang apabila lapisan batas menjadi turbulen. Pada gambar dibawah ini lapisan batas turbulen dapat bergerak jauh sepanjang permukaan sampai gradien tekanan balik dibelakang silinder sebelum terjadinya separasi. Hasilnya adalah olakan yang lebih tipis dan drag tekanan yang lebih kecil untuk aliran lapisan batas turbulen.

Simulasi untuk melihat perbedaan sifat aliran akibat perubahan nilai Cd.

1. untuk Cd = 1

Mengatur domain,

Mengatur kondisi sempadan untuk inlet 1 dengan kecepatan u = 0.1 m/s, dan inlet 2 dengan tekanan = 0 Pa,

Mengatur objek rectangular dengan ukuran a/b = 1 seperti gambar dibawah ini,

Melakukukan iterasi sampai kondisi konvergen tercapai dan melihat hasil untuk distribusi Drag yang terjadi dengan "gaya wall" pada wall 1-5 seperti yang telah kita atur pada objek. Dapat dilihat bahwa pada gaya normal dan gaya geser yang terjadi pada wall 5 untuk arah x memiliki perbandingan a/b = 1.

Hasil profil besar kecepatan,

Hasil kontur besar kecepatan,

2. Untuk Cd < 1

 Langkah-langkahnya sama seperti simulasi pertama hanya kita merubah ukuran objek untuk perbandingan a/b < 1 seperti pada gambar di bawah ini,

Melakukan iterasi sampai kondisi konvergen tercapai. Dapat kita lihat distribusi drag pada wall 1-5 yang telah kita atur pada wall 5 (dinding belakang tempat tejadinya separation flow) untuk gaya normal dan gaya geser pada arah x dengan perbandingan a/b < 1.

Hasil profil besar kecepatan,

hasil kontur besar kecepatan,

3. Untuk Cd > 1

Mengatur objek untuk perbandingan a/b > 1 seperti pada gambar dibawah ini,

melakukan iterasi dan melihat distribusi drag pada wall 1-5. Pada wall 5 dapat kita lihat perbandingan gaya normal dan gaya geser untuk arah x dengan perbandingan a/b > 1

Hasil profil besar kecepatan,

Hasil kontur besar kecepatan,

Kesimpulan :

Pada simulasi diatas kita menentukan densitas, rho udara sebesar 1,2 kg/ms^2, dan kecepatan u sebesar 0,1 m/s. Sehingga dari data densitas dan kecepatan didapatkan hasil untuk perbandingan masing-masing drag adalah :

• a/b = 1 , dengan hasil simulasi kita peroleh Cd = 1,05 (simulasi), 1,05 (teoritis)
• a/b < 1 , dengan hasil simulasi kita peroleh Cd = 1,6 (simulasi),
• a/b > 1 , dengan hasil simulasi kita peroleh Cd = 0,83 (simulasi), 0,82 (teoritis)

Dari hasil tersebut dapat kita simpulkan bahwa Cd antara hasil simulasi dengan perhitungan teoritis sesuai pada tabel referensi adalah tidak berbeda jauh, sehingga hasil simulasi adalah mendekati kebenaran.