Efek Pembesaran Aliran Dalam Pipa

Materi kuliah CFD kali ini adalah efek pembesaran aliran dalam pipa. Kita akan mencoba melakukan simulasi untuk aliran yang melalui pipa, dimana terjadi pembesaran luas penampang. Kita akan melihat perbedaan sifat aliran ketika terjadi pembesaran pipa secara mendadak (sudden enlargement) dan ketika pembesaran pipa terjadi sedikit demi sedikit (gradual enlargement).

Langkah-langkahnya adalah sebagai berikut :

Mengatur cell untuk pipa seperti pada gambar dibawah ini, dimana kita menentukan sisi inlet disebelah kiri dan sisi outlet disebelah kanan, pada gambar diperlihatkan perbandingan untuk pembesaran pipa secara mendadak dan pembesaran sedikit demi sedikit. Mengatur kecepatan pada inlet dan melakukan iterasi.

gambar pengaturan cell :

 

gambar perbandingan grid :

 

gambar perbandingan kontur kecepatan. Terlihat bahwa dengan input besar kecepatan yang sama diperoleh perbedaan nilai kecepatan maksimal, untuk sudden enlargement kecepatan maksimalnya lebih rendah dari gradual enlargement.

 

gambar perbandingan kontur absolute pressure. Pada gambar terlihat untuk sudden enlargement terjadi tekanan yang relatif lebih tinggi (ditandai dengan warna merah saat setelah kondisi pembesaran) dibandingkan dengan tekanan pada gradual enlargement.

 

gambar perbandingan profil kecepatan,

Analisis :

• Kecepatan pada sudden enlargement relatif lebih kecil dibandingkan kecepatan pada gradual enlargement karena minor losses yang ada pada sudden enlargement besar, hal ini karena angle of separation / sudut pemisahnya besar, (dalam grafik dapat ditentukan nilai K). Sehingga untuk mendapatkan aliran yang lebih cepat seharusnya kita membuat pembesaran pada pipa secara bertahap.
• Tekanan pada sudden enlargement relatif lebih besar dibandingkan tekanan pada gradual enlargement karena sesuai dengan hukum tekanan-kecepatan, semakin besar kecepatan maka tekanan makin turun ( P x v = konstan), hal ini berhubungan juga dengan prinsip kontinuitas pada aliran dalam. Ketika pembesaran mendadak tekanan minimal dan maksimal relatif tinggi karena efek minor losses yang besar sehingga aliran cenderung memiliki energi yang besar saat kondisi terjadi pembesaran. Jadi untuk mendapatkan tekanan yang besar sebaiknya kita membuat desain pembesaran pada pipa secara sudden enlargement.

Simulasi Aliran Transient (unsteady-state)

Aliran Transient atau unsteady state adalah suatu aliran tak tunak yang terjadi pada sebagian besar aliran fluida. Untuk menyederhanakan dalam perhitungan kita biasa menganggap suatu aliran dalam keadaan tunak. Suatu aliran unsteady state memerlukan waktu untuk mencapai / mendekati keadaan tunak. 

Persamaan umum yang digunakan untuk menghitung pendekatan aliran unsteady state adalah :

 

Contoh persoalan yang berhubungan dengan aliran unsteady state :

Pada kasus diatas kita akan membuat simulasi dengan sebuah batang yang memiliki temperatur 200C/473K dengan bagian atas dan bawah diinsulasi, kemudian pada sisi sebelah kanan diberi temperatur sebesar 0C/273K. dengan konduktivitas termal batang dan densitas yang sudah diketahui.

Langkah-langkah simulasi menggunakan CFDSOF adalah sebagai berikut :

hasil :
> Saat waktu 1 sekon :

> Saat waktu 300 sekon :

> Saat waktu 500 sekon :

> saat waktu 1000 sekon :

Dari hasil simulasi diatas kita dapat mengambil suatu kesimpulan bahwa :
> Contoh aliran transient dapat kita lihat dari peristiwa perubahan temperatur yang terjadi pada suatu media
> Pada kasus diatas semakin bertambahnya waktu maka sisi yang berwarna merah/suhu tinggi makin berkurang atau bergerak ke kiri, dan lama kelamaan akan dinetralkan pada kondisi suhu 273K seperti pada sisi sebelah kanan.
> Dalam kondisi diatas aliran transient adalah saat terjadi aliran temperatur antara sisi bersuhu 473K dengan sisi bersuhu 273K.
> Aliran transient memerlukan waktu untuk mencapai keadaan steady state yaitu pada saat temperatur pada seluruh bagian batang 0C/273K.
> Aliran transient berubah sesuai fungsi waktu menuju aliran steady state.

Mayor Losses Aliran Dalam Pipa

 Major Losses adalah kerugian pada aliran dalam pipa yang disebabkan oleh friction yang terjadi di sepanjang aliran fluida yang mengalir terhadap dinding pipa.
Besarnya major losses ditentukan oleh fungsi f (Friction factor), V (rata-rata kecepatan fluida), l (panjang pipa), D (diameter pipa), e (nilai kekasaran pipa), miu (viskositas fluida), rho (densitas fluida).

Untuk menentukan besarnya nilai f / friction factor reynold number dan relative roughness kita dapat menggunakan moody chart. Dari grafik ini dapat kita lihat keadaan dimana aliran dalam kondisi laminer dengan nilai reynold number yang relatif kecil dan friction koefisien diperoleh dari 64/Re, dapat kita lihat garis lurus pada sebelah kiri. Dalam keadaan ini aliran tidak dipengaruhi oleh nilai kekasaran pipa hanya ditentukan dari besarnya batasan bilangan reynold saat keadaan laminer.
Pada kondisi setelah aliran laminer adalah aliran transisi, dimana pada kondisi ini aliran mulai berubah dari laminer menuju turbulen.
Saat aliran dalam kondisi wholly turbulent flow nilai bilangan reynoldnya relatif besar, dan dipengaruhi oleh nilai koefisien kekasaran pipa, sehingga kondisinya sangat bervariasi sesuai perubahan koefisien kekasaran dan nilai reynold. Dapat kita lihat pada saat kondisi pipa smooth grafik yang terbentuk cenderung mendekati bentuk aliran saat laminer sepanjang perubahan bilangan reynold, ketika makin besar kekasaran, grafiknya cenderung makin landai sepanjang perubahan bilangan reynold. Hal ini berarti bahwa ketika makin smooth permukaan maka friction faktor makin kecil saat bil reynold besar/kecepatan besar, dan ketika makin kasar permukaan maka friction factor cenderung tidak banyak berubah sepanjang peningkatan bil. reynold/peningkatan kecepatan.

Minor Losses Aliran Dalam Pipa

Minor losses adalah kerugian yang terjadi dalam aliran pipa yang disebabkan oleh komponen-komponen pada pipa seperti katup/valve, entrance flow, exit flow, elbow, percabangan tee, dll. Setiap jenis komponen tersebut memiliki nilai loss coefficient yang berbeda-beda.

Simulasi Aliran Turbulensi

Pada pembelajaran CFD kali ini kita akan membahas materi tentang aliran turbulensi khususnya aliran yang terjadi dalam pipa.

Dalam simulasi ini kita akan mengatur pipa dengan panjang 1 m dan radius luar 0.025 m, jumlah cell untuk panjang adalah 50 dan tinggi 30. dan dinding bagian bawah kita atur sebagai axis karena kita hanya akan melihat profil untuk separuh bagian penampang pipa. Berikut ini adalah langkah-langkahnya :

- Buka CFDSOF
- Langkah pre processing : input domain, pilih aksis simetri, atur panjang 1 m, radius luar 0.025 m, jumlah cell panjang 50, dan tinggi 30.
- Pada saat di kondisi sempadan, dilakukan pengaturan dengan dinding 1 dijadikan sebagai inlet, dinding 2 dijadikan sebagai outlat dan dinding 3 yang berada di sisi bawah dijadikan sebagai axis.
- pada menu input aktifkan turbulensi dengan model K-epsilon

-  Menu Input, KS, set input dengan besar kecepatan-u = 0.001 m/s. Selain itu dilakukan pengaturan pada parameter turbulensi yaitu mengenai intensiti turbulensi (%) = 10 dan panjang char (m) = 0.05.

- Esc-input1-masukkan KF-atur densitas/dn sebesar 1x10^3 kg/m3, dan atur viskositas/vs sebesar 9x10^-4

- Esc, dan langkah processing dengan olah-residu-plot-aktifkan semua persamaan

- Olah- iterasi sebanyak 2000 kali sampai tercapai konvergen.

- Langkah post processing dengan hasil-grid/vektor/kontur.

gambar grid

gambar kontur kecepatan 

gambar vektor kecepatan 

kontur tekanan

kontur turbulensi

plot grafik tekanan

Analisis :

Aliran turbulen adalah aliran dengan nilai reynold number >4000. Pada umumnya terjadi saat aliran masuk pipa/entrance region flow, dimana pada saat aliran masuk/inlet kecepatan fluida besar karena sesuai prinsip kontinuitas bahwa ketika terjadi penyempitan area pipa, kecepatan makin tinggi. Pada saat kecepatan aliran masuk yang tinggi inilah terjadi vorteks/olakan aliran turbulen dalam fluida dengan profile kecepatan yang tidak sama sepanjang perubahan jarak/delta x. Sepanjang perubahan jarak inilah terjadi boundary layer / lapisan batas antara profil kecepatan yang sama pada bagian tengah alliran dengan profil kecepatan mendekati dinding pipa. Aliran turbulen ini berpengaruh terhadap temperatur aliran dengan dinding pipa, dimana pada daerah sepanjang turbulen memiliki temperatur yang lebih tinggi pada dinding pipa. Oleh karena itu aliran turbulen menimbulkan losses yang besar. Dalam aliran turbulen juga tidak dapat diukur besarnya pressure drop yang terjadi karena profil kecepatan masih berubah-ubah.

Gambar aliran dalam pipa yang menggambarkan terjadinya aliran masuk (entrance region flow) yang bersifat turbulen dan terjadi boundary layer, dan juga aliran berkembang penuh (fully developed flow) yang bersifat laminer dan profil kecepatan yang sama sepanjang perubahan jarak aliran.

Gambar perbandingan penampang aliran laminer dan turbulen pada pipa, dengan aliran laminer nilai n=1 dan aliran turbulen nilai n tidak sama dengan 1 (n merupakan pangkat exponensial untuk aliran turbulen)