External flow (aliran luar)

Pada pembahasan yang lalu kita telah melakukan simulasi dan analisis untuk aliran dalam seperti aliran dalam pipa, kita telah mempelajari sifat dan karakteristik alirannya seperti sifat laminar, turbulent, losses, dll. Pada pembahasan kali ini kita akan melanjutkan tentang aliran luar / external flow fluida.

Aliran luar contohnya adalah aliran udara yang terjadi pada mobil yang sedang berjalan, aliran udara di sekitar pesawat, aliran air pada kapal yang sedang berlayar. Karakteristik aliran luar agak sedikit berbeda dengan aliran dalam dimana dalam aliran luar ini terdapat sifat gaya hambat/ drag dan gaya angkat / lift pada aliran yang melalui sebuah benda. Drag adalah gaya hambat yang terjadi searah dengan kecepatan aliran, sedangakan gaya angkat/lift tegak lurus terhadap arah aliran. Dari drag dan lift akan didapatkan gaya resultan. besarnya drag dan lift ini ditentukan oleh koefisien drag Cd dan koefisien lift Cl. Besaran-besaran yang mempengaruhi adalah massa jenis fluida, kecepatan aliran, luas penampang.

hubungan drag dan kecepatan aliran adalah berupa grafik exponensial, pressure drag banyak dipengaruhi oleh sudut dan geometri benda, sedangkan friction drag dipengaruhi oleh bentuk streamline benda. pada aliran laminar dengan Re kecil drag koefisien lebih dominan, sedangkan pada aliran turbulen dengan Re besar friction koefisien banyak mempengaruhi besarnya drag, hal ini sama dengan aliran dalam pipa.

Pada gambar dibawah ini kita akan melihat grafik hubungan aliran luar pada smooth cylinder dengan smooth sphere. Aliran ini dipengaruhi oleh Reynold number dan koefisien drag. Pada A Re kecil dibawah 1adalah aliran laminar drag koefisien sangat berpengaruh pada nilai drag. Pada B, C, D, adalah transisi dimana mulai terjadi wake dan aliran berbalik arah. Pada D-E terjadi aliran turbulen dimana banyak terjadi olakan dan friction koeffisien yang banyak mempengaruhi Drag, sedangkan drag koeffisien semakin turun.

keadaan aliran di titik A, aliran laminar, aliran simetri (belum ada pengurangan energi).
Pada titik B, C, D, aliran laminar-transisi, mulai terjadi aliran berbalik arah, karena energinya tidak cukup untuk mencapai aliran simetri seperti pada titik A,
Pada titik D, aliran mulai turbulen tapi drag koefisien masih besar
Pada titik E aliran turbulen dengan drag koefisien kecil karena wake yang terjadi makin kecil seiring makin besarnya Re.

Pada gambar dibawah ini memperlihatkan profil aliran turbulen yang melalui cyrcular cylinder dimana terjadi boundary layer separation. pada titik inilah terjadi pemisahan aliran yang melalui dinding karena energi tidak cukup untuk meneruskan aliran untuk mencapai keadaan simetry, sehingga terjadilah wake region dengan aliran berbalik arah. semakin besar wake region maka drag yang terjadi makin besar pula. pada Re besar justru wake region yang terjadi cenderung kecil karena faktor kekasaran juga mempengaruhi. Sehingga pada aliran turbulen nilai dragnya justru makin kecil

Pada contoh dibawah ini kita akan melihat dua benda dengan diameter berbeda sepuluh kali lebih besar dan dengan Cd sepuluh kali lebih kecil memiliki gaya drag yang sama. hal ini terjadi karena faktor streamline benda sehingga berpengaruh pada lebar wake region yang terjadi. Semakin kecil wake maka drag yang terjadi makin kecil.

aliran fluida melewati gedung (bluff body)

Aliran dibagi menjadi 2 jenis yaitu aliran dalam (internal flow) dan aliran luar (external flow).

Aliran dalam adalah aliran yang terjadi pada kasus aliran fluida yang dibatasi oleh dinding2 contohnya adalah aliran di dalam pipa, sedangkan aliran luar adalah aliran yang tidak dibatasi dinding contohnya adalah aliran udara yang melewati body mobil, pesawat, aliran air yang melewati lambung kapal, dll. 

Aliran luar terbagi menjadi :

- aliran bluff body (drag koefisien / Cd lebih besar dari koefisien gesek / Cf)

- aliran streamlined body ( koefisien gesek / Cf lebih besar dari drag koefisien)

Pada simulasi kali ini kita akan membuat aliran luar type bluff body pada sebuah gedung yang dilewati udara dari arah kiri. 

Langkah-langkahnya adalah seperti pada gambar dibawah ini,

gambar animasi aliran udara yang melewati sebuah gedung (tampak atas)

gambar vektor kecepatan

Aliran Transient

Pada bahasan berikut ini kita akan mencoba untuk mensimulasikan suatu aliran transient (unsteady state) untuk distribusi temperatur dengan mengatur wall 1 dinding sebelah kiri adalah fungsi temperatur terhadap waktu, sedangkan dinding-dinding lainnya kita tetapkan memiliki sifat yang sama (bawaan).

Langkah awalnya mengatur cell, dinding dan outlet sperti gambar dibawah,

mengatur model dan mengaktifkan hitung temperatur, wall konduktif, dan juga aliran terikat waktu kita atur 120 sekon

untuk kondisi sempadan mengatur temperatur pada wall 1 dengan memilih piecewise (persamaan dianggap linear) kemudian memasukkan persamaan untuk temperatur dalam Kelvin. Penentuan persamaan ini adalah  (20,293), (40,303), (60,313), (80,323), dimana perubahan temperatur sebanding dengan perubahan waktu dalam sekon.

Untuk pengaturan kondisi sempadan wall 2 kita tetapkan temperatur 273 K

Melakukan iterasi sampai kondisi konvergen terpenuhi atau residu normalisasi. Iterasi dilakukan dengan mengatur perubahan setiap waktu yang kita masukkan dalam persamaan. Melihat hasil dengan menu hasil-kontur untuk temperatur, dan distribusi heat flux.

Melihat kontur untuk temperatur, dan distribusi temperatur dalam fungsi waktu untuk aliran dari wall 1 menuju outlet.

Dari hasil didapatkan analisa bahwa kondisi aliran temperatur akan berubah sepanjang selang waktu yang diberikan, semakin besar waktu maka temperatur akan makin besar ketika menyebar dari wall 1 untuk mengalir ke outlet, untuk heat flux menunjukkan bahwa daerah di sekitar aliran adalah hampir sama kondisinya, dan terlihat perbedaan yang cukup jelas pada daerah dekat wall 1. Hal ini menunjukkan bahwa aliran transient (unsteady state/tak tunak) mengalir berubah sesuai dengan fungsi waktu untuk menjadi aliran steady state/tunak.

Simulasi Fluida Fase Sama

Pada pembelajaran CFD kali ini kita akan melakukan simulasi untuk beberapa fluida yang memiliki fase yang sama. Dala contoh ini kita gunakan gas CO2 dan udara sebagai jenis fluida gas yang berbeda.

Langkah awal kita melakukan input dan mengatur domain, kita pilih bawaan ( panjang 1m, tinggi 1m, Jumlah cell i 10, jumlah cell j 10). Atur cell seperti gambar dibawah ini, kita tetapkan dua cell disisi kiri sebagai inlet 1 dan dua cell di sisi bawah sebagai inlet 2, satu cell di sisi kanan sebagai outlet.

Aktifkan spesies pada menu domain, kemudian pada spesies kita atur CO2 sebagai spesies 1 dan udara sebagai spesies 2.
Mengatur kondisi sempadan/KS untuk :
inlet 1 dengan kecepatan-U = 0.01 m/s dan fraksi massa CO2 = 0

inlet 2 dengan kecepatan-V = 0.001 m/s dan fraksi massa CO2 = 1

pada processing, melakukan iterasi sampai kondisi konvergen tercapai, dan pada post processing lihat hasil kontur untuk :

kontur CO2 fraksi massa :

kontur udara fraksi massa :

kontur velocity magnitude :

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.