Project Coffe Cup Simulation

download Project Coffe Cup Simulation

of 7

  • date post

    17-Sep-2015
  • Category

    Documents

  • view

    213
  • download

    2

Embed Size (px)

description

Simulasi open boundary condition pada perpindahan panas di sekitar cangkir kopi panas.

Transcript of Project Coffe Cup Simulation

  • Fajar Sidiq, Analisis Tekanan, Temperatur, dan Kecepatan Udara di Lingkungan Sekitar Gelas Kopi Panas Halaman 1

    TK 4063

    Topik-Topik Pilihan Komputasi Proses B

    Analisis Tekanan, Temperatur, dan Kecepatan Udara di Lingkungan Sekitar Gelas

    Kopi Panas

    Fajar Sidiq*

    Institut Teknologi Bandung, Fakultas Teknologi Industri, Program Studi Teknik Kimia, Indonesia

    I N F O A R T I K E L

    Sejarah Artikel :

    Dikumpulkan pada tanggal 22 Mei

    2015

    Kata kunci :

    A B S T R A K

    2015

    1. Pendahuluan

    Perpindahan panas dalam kondisi ruang terbuka

    merupakan fenomena yang sering sekali ditemui

    sehari-hari. Perpindahan panas akibat adanya aliran

    udara yang mengalir di sekitar permukaan panas

    seperti cangkir kopi dapat mengakibatkan kopi yang

    awalnya sangat panas dapat menjadi dingin.

    Perpindahan panas ini merupakan fenomena yang

    cukup sulit untuk dapat dipelajari, karena banyak

    sekali komponen yang perlu diperhatikan.

    Fenomena perpindahan panas yang terjadi dari

    kopi panas menuju gelas dapat dilihat pada Gambar 1.

    Hal itu terjadi karena adanya konduksi pada gelas,

    sehingga cangkir permukaan luar pun akan ikut panas.

    Udara sekitar dapat berfungsi sebagai fluida

    pendingin, tetapi terjadi secara alamiah. Pendinginan

    seperti ini dapat terjadi pada permukaan kopi bagian

    atas, atau dapat terjadi pendinginan pada permukaan

    cangkir. Setelah mampu mendinginkan bagian

    permukaan cangkir, maka berikutnya udara

    lingkungan tersebut akan mampu mendinginkan

    hingga ke dalam kopi.

    Gambar 1. Bentuk geometri circular finned tube.

    2. Metode Pemodelan dan Simulasi

    Pada paper ini akan dibahas mengenai proses

    perpindahan panas secara konveksi yang diakbiatkan

    oleh udara lingkungan yanf bergerak secara alami.

    Beberapa hal yang perlu dispesifikkan adalah bentuk

  • Fajar Sidiq, Analisis Tekanan, Temperatur, dan Kecepatan Udara di Lingkungan Sekitar Gelas Kopi Panas Halaman 2

    cangkir yang digunakan untuk menyimpan kopi

    tersebut. Pada simulasi ini, bentuk dan ukuran cangkir

    dapat dilihat pada Gambar 2. Cangkir yang digunakan

    berbentuk tabung, dengan dasar cangkir berbentuk

    kerucut terpancung.

    Gambar 2. Skema cangkir kopi dengan diameter 8 cm dan tinggi 7 cm.

    2.1. Pemodelan Fisik Cangkir Kopi dan

    Ruang Terbuka

    Basis perancangan yang digunakan untuk

    memodelkan cangkir kopi adalah dua dimensi

    axissimetris. Bentuk cangkir memiliki tebal sekitar 0,2

    cm. Selain itu cangkir juga tidak memiliki pegangan.

    Bahan yang digunakan untuk cangkir kopi ini adalah

    Quartz. Bagian ruang terbuka dibentuk mengelilingi

    cangkir dan memiliki bentuk persegi. Model fisik

    cangkir kopi dengan ruang terbuka dapat dilihat pada

    Gambar 3. Sedangkan untuk sifat fisik dari bahan

    material yang digunakan dapat dilihat pada Tabel 1.

    Tabel 1. Sifat fisik material cangkir kopi dan udara

    Cangkir Kopi

    Name Value Unit

    Density 2210[kg/m^3] kg/m^3

    Thermal conductivity

    1.4[W/(m*K)] W/(m*K)

    Heat capacity at constant pressure

    730[J/(kg*K)] J/(kg*K)

    Udara

    Name Value Unit

    Dynamic viscosity

    mu_fact*eta(T[1/K])[Pa*s]

    Pa*s

    Ratio of specific heats

    1.4 1

    Heat capacity at constant pressure

    Cp(T[1/K])[J/(kg*K)] J/(kg*K)

    Density rho(pA[1/Pa],T[1/K])[kg/m^3]

    kg/m^3

    Thermal conductivity

    k(T[1/K])[W/(m*K)] W/(m*K)

    2.2. Skenario Model Termal

    Pada persoalan ini, persamaan yang digunakan

    adalah perpindahan panas pada padatan saja,

    dengan efek perpindahan panas dalam fluida

    memerhatikan perpindahan secara natural.

    Persamaan yang digunakan adalah,

    (1)

    Persamaan 1 tersebut merupakan persamaan yang

    berlaku pada seluruh domain cangkir dan ruang

    terbuka. Pada persamaan tersebut hanya persamaan

    suku kedua saja yang akan berlaku pada cangkir kopi

    dan ruang terbuka, karena pada persamaan suku

    pertama merupakan persamaan yang berlaku untuk

    kondisi pada fluida yang akan diterapkan pada ruang

    terbuka saja.

    Bagian-bagian yang akan dilakukan simulasi

    memiliki kondisi batas tertentu dan sifat termal

    tertentu, sifat-sifat termal yang akan berlaku antara

    lain, perpindahan panas konveksi, temperatur inisial,

    Gambar 3. Model fisik cangkir kopi dan ruang terbuka.

  • Fajar Sidiq, Analisis Tekanan, Temperatur, dan Kecepatan Udara di Lingkungan Sekitar Gelas Kopi Panas Halaman 3

    ruang terbuka, serta insulasi. Bagian open boundary

    merupakan daerah terluar dari ruang terbuka.

    Temperatur yang ditetapkan merupakan temperatur

    permukaan dalam cangkir kopi yang berisikan kopi,

    yaitu sebesar 90oC. Untuk temperatur pada bagian

    cangkir juga ditetapkan sebesar 30oC. Kondisi udara

    sekitar juga diasumsikan memiliki temperatur sebesar

    30oC. Persamaan yang berlaku untuk sifat-sifat termal

    tersebut dirangkum pada Tabel 2.

    Tabel 2. Sifat termal perpindahan panas.

    Nama Persamaan

    Temperatur Insulasi Open boundary

    2.3. Kondisi Batas dan Variasi Geometri

    Ruang Terbuka

    Perpindahan panas yang terjadi pada sisi dalam

    dan sisi luar cangkir terdapat perbedaan. Pada sisi

    dalam tidak terjadi perpindahan panas sama sekali

    hanay temperatur constant, sedangkan pada sisi luar

    terdapat perpindahan panas secara konveksi yang

    terjadi secara alami. Pada simulasi ini yang dapat

    dijadikan variabel yang dapat dirubah adalah

    besarnya ruang terbuka yang dibentuk. Ruang

    terbuka divariasikan memiliki luas sebagai berikut,

    a. Pertama, jari-jari = 6 cm, tinggi = 9 cm

    a. Kedua, jari-jari = 7 cm, tinggi = 13 cm

    b. Ketiga, jari-jari = 8 cm, tinggi = 17 cm

    2.4. Skenario Model Aliran Fluida

    Aliran fluida yang terjadi hanya akan mengalir

    pada bagian udara saja. Aliran udara yang digunakan

    merupakan aliran laminar. Persamaan umum yang

    digunakan pada simulasi aliran fluida ini, yaitu

    (2)

    (3)

    Pada daerah open boundary, merupakan

    daerah yang berada dibagian terluar ruang terbuka.

    Pada bagian opern boundary tersebut ada

    persamaan lagi yang berlaku, yaitu

    (4)

    Pada persamaan 4 tersebut nilai yang menjadi batas kondisi adalah normal stress (f0). Untuk kasus kali ini, nilai f0 diasumsikan sebesar 0.

    Pada bagian udara akan terjadi gaya buyancy yang diakibatkan oleh perbedaan densitas dari udara. Perbedaan densitas udara tersebut diakibakan oleh perbedaan temperatur udara. Sehingga udara akan bergerak dari densitas yang rendah ke densitas yang tinggi. Gaya ini diesbut sebagai volume force. Persamaan aliran fluida yang berlaku pada domain udara tersebut, adalah

    (5)

    Pada persamaan 5 tersebut nilai yang dapat

    divariasikan adalah nilai F, pada kasus ini nilai

    tersebut bergantung pada nilai (-g_const*(nitf1.rho-

    rho_amb)) atau merupakan nilai gaya buoyancy dari

    udara pada domain udara.

    2.5. Pemodelan Mesh di Finned Tube

    Diperlukan untuk melakukan pembagian

    bagian-bagian kecil pada saat melakukan simulasi

    menggunakan software berbasis Computational

    Fluid Dynamics. Pembagian bagian tersebut dapat

    dilihat pada Gambar 4. Pembagian tersebt

    memberikan bangun tetrahedral dan segitiga,

    dengan ukuran rata-rata bagian memiliki luas

    sebesar 0,8269 mm2.

  • Fajar Sidiq, Analisis Tekanan, Temperatur, dan Kecepatan Udara di Lingkungan Sekitar Gelas Kopi Panas Halaman 4

    Gambar 4. Pemodelan mesh pada cangkir kopi dan

    ruang terbuka.

    3. Hasil dan Pembahasan

    Ukuran geometri ruang terbuka yang

    divariasikan memiliki tujuan untuk mengetahui

    pengaruh ukuran ruang terbuka terhadap temperatur

    cangkir kopi, kecepatan udara, serta tekanan pada

    lingkungan sekitar. Pada umumnya proses

    pendinginan cangkir kopi, akan semakin cepat jika

    terdapat ruang yang luas. Hal ini dikarenakan ruang

    untuk pertukaran udara yang semakin luas.

    Pembahasan dari variasi ini akan dijelaskan pada sub-

    bab berikut.

    3.1. Ukuran Ruang Terbuka 1

    Pada ruang terbuka 1, ini merupakan ruang

    dengan luas yang paling sempit daripada lainnya. Hasi

    kecepatan udara yang berada disekitar dapat dilihat

    pada Gambar 5. Dapat dilihat bahwa kecepatan udara

    pada daerah bibir permukaan cairan dengan

    temperatur yang cukup tinggi, lebih rendah daripada

    daerah yang lainnya. Terjadi pusaran pada daerah

    dinding cangkir bagian dalam yang dekat dengan

    permukaan kopi. Dari hal ini dapat dibuktikan bahwa

    udara dapat mengalir semakin cepat pada temperatur

    yang rendah. Pada temperatur yang tinggi kecepatan

    udara rendah.

    Gambar 5. Kontour kecepatan udara dengan ukuran ruang terbuka 1.

    Dari hasil kontur kecepatan udara, dapat

    diambil lagi nilai tekanan pada daerah sekitar cangkir

    kopi. Nilai tekanan dapat dilihat pada Gambar 6.

    Tekanan dengan ruang terbuka 1, memiliki nilai

    tertinggi dan terpusat pada ujung atas cangkir. Nilai

    tekanan akan semakin menurun seiring menurunnya

    ketinggian dari permukaan cairan. Hal ini disebabkan

    oleh gaya buoyancy dari udara akan semakin

    mengecil hingga mencapai bagian yang paing atas.

    Temperatur pada daerah seitaran can