PAPER CFD Hamam n Ayudi

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

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]



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



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)



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.



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.



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



Gambar 3. Grafik residual monitor k-omega aliran unsteady

3.2 Kontur Tekanan

Gambar 3. Kontur tekanan untuk aliran steady



Gambar 3. Kontur tekanan untuk aliran unsteady

3.3 Kontur Kecepatan

Gambar 3. Kontur kecepatan untuk aliran steady



Gambar 3. Kontur kecepatan untuk aliran unsteady

3.4 Kontur Intensitas Turbulensi

Gambar 3. Kontur intensitas turbulen untuk aliran steady



Gambar 3. Kontur intensitas turbulen untuk aliran unsteady

3.5 Velocity Vectors

Gambar 3. Velocity vector untuk aliran steady



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

PAPER CFD Hamam n Ayudi

Documents

Transcript of PAPER CFD Hamam n Ayudi