SIMULASI NUMERIK PADA SILINDER DENGAN SUSUNAN SELANG ...

12
Vol. 17, No. 2, Oktober 2017 p-ISSN: 1411 3411 e-ISSN: 2549 9815 SIMULASI NUMERIK PADA SILINDER DENGAN SUSUNAN SELANG- SELING (STAGGERED) DALAM SALURAN SEGI EMPAT MENGGUNAKAN K Ԑ MODEL Nuzul Hidayat 1* , Ahmad Arif 1 , M. Yasep Setiawan 1 1 Jurusan Teknik Otomotif, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Padang * e-mail: [email protected] AbstrakAplikasi silinder sering dijumpai pada system pendinginan ruangan, peralatan elektronik, motor bakar, trailing edge sudu turbin gas, alat penukar kalor, dengan udara sebagai media perpindahan panasnya. Dalam penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik boundary layer turbulen pada Cylinder tersusun staggered untuk kasus dengan cara mendapatkan data secara kualitatif dan kuantitatif pada a) Coefficient of Pressure (Cp) , Nusselt Number dan (c) Velocity contour . Parameter tersebut diukur pada daerah mid span dengan, . Penelitian ini menggunakan software Fluent 6.3.26 dimana pada penelitian secara numerik digunakan turbulence model yaitu k realisable dengan discretization Second Order Upwind mengunakan software Fluent. Analisa pada penelitian numerik dilakukan secara 2 dimensi (2D) Unsteady Reynolds Averages Navier Stokes. Didapat bahwa dengan meningkatkan Re maka hal yang terjadi Cd pada silinder mengalami penurunan apabila aliran tersebut diganggu oleh silinder yang lain pada susunan staggered karena akibat kenaikan turbulensi aliran, turbuensi aliran meningkat juga mengakibatkan meningkatnya perpindahan panas ditandai dengan kenaikan Nu. Kata Kunci : Silinder, Staggered, Drag Coefficient (Cd), Velocity Contour, Nusselt Number ( Nu) AbstractCylinder applications are often found in room cooling systems, electronic equipment, combustion engines, trailing edge gas turbine blades, heat exchangers, with air as a heat transfer medium. There are various types of cylinders in heat exchangers that have been used, ranging from relatively simple forms such as rectangular, cylindrical, annular, taper or pin cylinders to combinations of different geometries with regular distances in in-line or Alternating (staggered). The purpose of this research is to know the characteristics of the turbulent boundary layer on the Cylinder arranged staggered for the case by obtaining qualitative and quantitative data on a) Coefficient of Pressure (Cp), Nussle Number and (c) Velocity contour. The parameters are measured in the mid span area with, . This research uses fluent 6.3.26 software which in numerical research is used turbulence model that is k ε realisable with discretization Second Order Upwind using fluent software. The analysis on numerical research is done in 2 dimension (2D) Unsteady Reynolds Averages Nervier Stokes. It is found that by increasing Re, the Cd occurs in the cylinder decreases when the flow is disturbed by another cylinder in the staggered arrangement due to the increase of turbulence flow, increased flow turbulence also causes increased heat transfer characterized by the increase of Nu.. Keywords : Cylinder, Staggered, Drag Coefficient (Cd), Velocity Contour, Nusselt Number ( Nu) Copyright © 2017 INVOTEK. All rights reserved I. PENDAHULUAN Silinder digunakan pada alat penukar kalor untuk meningkatkan luasan perpindahan panas antara permukaan utama dengan fluida di sekitarnya. Idealnya, material untuk membuat silinder harus memiliki konduktivitas termal yang tinggi untuk meminimalkan perbedaan temperatur antara permukaan utama dengan permukaan yang diperluas. Aplikasi silinder sering dijumpai pada sistem pendinginan ruangan, peralatan elektronik, motor bakar, trailing edge sudu turbin gas, alat penukar kalor kompak, dengan udara sebagai media perpindahan panasnya. Ada berbagai tipe silinder pada alat penukar kalor yang telah digunakan, mulai dari bentuk yang relatif sederhana seperti silinder segiempat, silindris, anular, tirus atau pin sampai dengan kombinasi dari berbagai geometri yang berbeda dengan jarak yang teratur dalam susunan segaris (in-line) ataupun selang-seling (staggered). Sebagian besar penelitian sebelumnya eksperimental tentang arus dalam silinder tersusun difokuskan pada pengukuran perpindahan panas dan tekanan drop. Sebagai contoh, [1], [2] dan [3] secara

Transcript of SIMULASI NUMERIK PADA SILINDER DENGAN SUSUNAN SELANG ...

Page 1: SIMULASI NUMERIK PADA SILINDER DENGAN SUSUNAN SELANG ...

Vol. 17, No. 2, Oktober 2017 p-ISSN: 1411 – 3411e-ISSN: 2549 – 9815

SIMULASI NUMERIK PADA SILINDER DENGAN SUSUNAN SELANG-SELING (STAGGERED) DALAM SALURAN SEGI EMPAT

MENGGUNAKAN K ԐMODEL

Nuzul Hidayat1*, Ahmad Arif1, M. Yasep Setiawan1

1Jurusan Teknik Otomotif, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Padang*e-mail: [email protected]

Abstrak—Aplikasi silinder sering dijumpai pada system pendinginan ruangan, peralatan elektronik,motor bakar, trailing edge sudu turbin gas, alat penukar kalor, dengan udara sebagai media perpindahanpanasnya. Dalam penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik boundary layer turbulen padaCylinder tersusun staggered untuk kasus dengan cara mendapatkan data secara kualitatif dan kuantitatifpada a) Coefficient of Pressure (Cp) , Nusselt Number dan (c) Velocity contour . Parameter tersebut diukurpada daerah mid span dengan, . Penelitian inimenggunakan software Fluent 6.3.26 dimana pada penelitian secara numerik digunakan turbulence modelyaitu k realisable dengan discretization Second Order Upwind mengunakan software Fluent. Analisa padapenelitian numerik dilakukan secara 2 dimensi (2D) Unsteady Reynolds Averages Navier Stokes. Didapatbahwa dengan meningkatkan Re maka hal yang terjadi Cd pada silinder mengalami penurunan apabilaaliran tersebut diganggu oleh silinder yang lain pada susunan staggered karena akibat kenaikanturbulensi aliran, turbuensi aliran meningkat juga mengakibatkan meningkatnya perpindahan panasditandai dengan kenaikan Nu.

Kata Kunci : Silinder, Staggered, Drag Coefficient (Cd), Velocity Contour, Nusselt Number ( Nu)

Abstract— Cylinder applications are often found in room cooling systems, electronic equipment, combustionengines, trailing edge gas turbine blades, heat exchangers, with air as a heat transfer medium. There arevarious types of cylinders in heat exchangers that have been used, ranging from relatively simple forms suchas rectangular, cylindrical, annular, taper or pin cylinders to combinations of different geometries withregular distances in in-line or Alternating (staggered). The purpose of this research is to know thecharacteristics of the turbulent boundary layer on the Cylinder arranged staggered for the case by obtainingqualitative and quantitative data on a) Coefficient of Pressure (Cp), Nussle Number and (c) Velocity contour.The parameters are measured in the mid span area with, .This research uses fluent 6.3.26 software which in numerical research is used turbulence model that is k εrealisable with discretization Second Order Upwind using fluent software. The analysis on numericalresearch is done in 2 dimension (2D) Unsteady Reynolds Averages Nervier Stokes. It is found that byincreasing Re, the Cd occurs in the cylinder decreases when the flow is disturbed by another cylinder in thestaggered arrangement due to the increase of turbulence flow, increased flow turbulence also causesincreased heat transfer characterized by the increase of Nu..

Keywords : Cylinder, Staggered, Drag Coefficient (Cd), Velocity Contour, Nusselt Number ( Nu)

Copyright © 2017 INVOTEK. All rights reserved

I. PENDAHULUAN

Silinder digunakan pada alat penukar kaloruntuk meningkatkan luasan perpindahan panasantara permukaan utama dengan fluida disekitarnya. Idealnya, material untuk membuatsilinder harus memiliki konduktivitas termal yangtinggi untuk meminimalkan perbedaan temperaturantara permukaan utama dengan permukaan yangdiperluas. Aplikasi silinder sering dijumpai padasistem pendinginan ruangan, peralatan elektronik,motor bakar, trailing edge sudu turbin gas, alatpenukar kalor kompak, dengan udara sebagai

media perpindahan panasnya. Ada berbagai tipesilinder pada alat penukar kalor yang telahdigunakan, mulai dari bentuk yang relatifsederhana seperti silinder segiempat, silindris,anular, tirus atau pin sampai dengan kombinasidari berbagai geometri yang berbeda dengan jarakyang teratur dalam susunan segaris (in-line)ataupun selang-seling (staggered). Sebagian besarpenelitian sebelumnya eksperimental tentang arusdalam silinder tersusun difokuskan padapengukuran perpindahan panas dan tekanan drop.

Sebagai contoh, [1], [2] dan [3] secara

Page 2: SIMULASI NUMERIK PADA SILINDER DENGAN SUSUNAN SELANG ...

p-ISSN: 1411 - 3414 I N V O T E K e-ISSN: 2549 - 9815

90 INVOTEK: Jurnal Inovasi, Vokasional dan Teknologi, Vol. 17 No. 2, Oktober 2017

sistematis mempelajari perpindahan panas danpenurunan tekanan pada kedua pipa susunanstaggered dan susunan in-line dengan pengaturanberbagai konfigurasi dalam aliran gas. Hasil yangdiperoleh telah menunjukkan bahwa angkaNusselt rata-rata untuk tabung dalam peningkatansebanding dengan angka Reynolds danditingkatkan oleh peningkatan rasio jarakmelintang dan penurunan rasio membujur.Penurunan tekanan di tabung telah diselidiki oleh[3] dan [4].

Salah satu tipe silinder pada peralatan penukarkalor yang mempunyai banyak pemakaian dalamberbagai aplikasi industri adalah silinder. Silinderadalah elemen berbentuk silinder atau bentuklainnya yang dipasang secara tegak lurus terhadapdinding alat penukar kalor dengan fluidapendingin mengalir dalam arah aliran melintangterhadap dinding alat penukar kalor tersebut.Silinder-silinder dapat meningkatkan luaspermukaan pelepas panas, dan menyebabkanaliran yang turbulen sehingga meningkatkanunjuk kerja disipasi panas yang berdampak padameningkatnya ketahanan dan umur peralatan.Terdapat berbagai parameter yangmenggolongkan silinder, seperti bentuk pin, tinggipin, diameter pin, perbandingan tinggi dandiameter pin dan sebagainya yang dapat disusunsecara segaris ataupun secara selang-selingterhadap arah aliran fluida pendinginnya.

Laju perpindahan panas dari suatu rakitansilinder ke lingkungan tergantung pada distribusitemperatur pada silinder dan plat dasar, geometrisilinder, jarak antara ujung silinder denganpermukaan atas saluran udara (shroud clearance),sifat-sifat fluida, laju aliran udara, jarak antaratitik pusat silinder (inter-pin pitch), susunansilinder dan orientasi dari alat penukar kalor, [5].Dalam penelitian ini bertujuan untuk mengetahuikarakteristik boundary layer turbulen padaCylinder tersusun stagered untukkasus

.

dengan cara mendapatkan data secara kualitatifdan kuantitatif pada a) Coefficient of Pressure (Cp)(b) Nusselt Number ( Nu) dan (c) Velocity contour.

Parameter tersebut diukur pada daerah midspandengan

.

Penelitian ini juga bertujuan untuk

menginterprestasikan hasil penelitian secaranumerik menggunakan software Fluent 6.3.26dimana pada penelitian secara numerik digunakanturbulence model yaitu k ε realisable dengandiscretization Second Order Upwind. Analisapada penelitian numerik dilakukan secara 2dimensi (2D).

II. STUDI PUSTAKA

A. Formulasi MatematikaMenggunakan Unsteady Reynold Averaged

Navier Stokes Equations Dari Massa Dan

Momentum : ………… (1)

(2)

Dimana i, j = 1, 2. Berikut x1 dan x2menunjukkan arah horizontal dan vertikal, masingmasing; u1 dan u2 adalah komponen kecepatanrata-rata; adalah komponen teganganReynolds dimana menunjukkan fluktuasikecepatan; P adalah tekanan; dan ρ adalahdensitas dari fluida. Tegangan Reynoldskomponen, ̅a, dinyatakan dalam viskositasturbulen v_T dan aliran gradient rata-rata denganmenggunakan pendekatan Boussinesq,

…….(3)

Di mana k adalah energi kinetik turbulen dan δ_ijadalah fungsi Kronecker. Sekarang para penelitisering menggunakan standar bilangan Reynoldstinggi pemodelan k-ε turbulensi. Model ini telahditerapkan [7] untuk vortex shedding flow dengan.Persamaan k dan ε ditunjukkan:

…..(4)

…..5)

dimana untuk koefisien standart

diambil dari

B. Prosedur Solusi NumerikRealisable k-ε

Model k-ε turbulen Realisable berbeda darimodel k-ε Standar. Pertama mengandungformulasi baru untuk turbulence viscocity, dan

Page 3: SIMULASI NUMERIK PADA SILINDER DENGAN SUSUNAN SELANG ...

p-ISSN: 1411 - 3414 I N V O T E K e-ISSN: 2549 - 9815

Simulasi Numerik Pada Silinder..........(Hidayat, et al) 91

kedua, persamaan transportasi baru untuk ε telahditurunkan dari persamaan yang tepat untukpengangkutan fungsi mean-square vorticity .Dalam model k-ε turbulen Realisable, persamaantransportasi untuk k adalah identik dengan modelk-ε Standar. Namun, produksi dan istilah difusidalam persamaan transportasi untuk ε sedikitberbeda dan didefinisikan sebagai:

Dalam Persamaan (6) dan (7), C2 adalah konstan,sedangkan C1 didefinisikan sebagai:

…….. (8)

………………. (9)Demikian pula dengan model k-ε turbulen

Standar, viskositas turbulen dihitungmenggunakan Persamaan (9), bagaimanapun, Cμtidak lagi menjadi konstan. Cμ dihitung denganmenggunakan mengikuti persamaan:

…………. (10)

Dimana :

…..

(11)Dalam Persamaan (11), A_0 adalah konstanta danvariabel yang tersisa, A_s, dihitung denganmenggunakan berikut:

…….. (12)Dimana:

….. (11)Konstanta diterapkan dalam model k-ε turbulentRealisable adalah sama dengan:

….(12)

Setelah kecepatan dan bidang temperaturdiperoleh, tingkat lokal, permukaan rata-rata,waktu rata-rata, dan waktu dan permukaan rata –rata Jumlah Nusselt didefinisikan sebagai berikut:

..(13)Dimana n adalah arah normal terhadap dinding, Wadalah permukaan silinder dan adalah periodeintegrasi waktu.

III. METODE

A. Model numerikAnaisa numerik dilakukan dengan

mengunakan CFD (Computational FluidDynamics) dengan software Fluent 6.3.26 dandengan software GAMBIT 2.4.6. untuk membuatmodel awal yang dilakukan diskritisasi (meshing)pada model tersebut. Proses yang dilakukan padapenelitian numeric adalah tahap Pre –Processingmengunakan software GAMBIT 2.4.6 dandilanjutkan dengan tahap Post Processing denganmengunakan software Fluent 6.3.26. pada tahappre processing membuat dan model geometri 2D,seperti yang terlihat pada gambar 1 dandilanjutkan dengan pembuatan meshing . totalelemet meshing yang dibuat adalah bervariasihingga nantinya akan dilakukan grid indepedencyuntuk melakukan meshing yang sesuai. Adapuntipe meshing yang digunakan pada keduanyaadalah Quad-Map dengan detail mesh garis tipesuccessive ratio.

Dalam model numerik ini peneliti harussangat memperhatikan faktor meshing untukakurasi data. Pemberian meshing sangatdiperhatikan apalagi pada daerah yang pentingyaitu dimana daerah boundary layer yaitu padadiamana grid dari meshing di rapatkan untukmendapatkan yang valid atau dengan kata laingrid indepedensi . Kondisi inlet adalah velocityinlet dan kondisi batas outlet adalah outflow.Tahap post processing merupakan tahap untukrunning hingga mendapatkan hasil yag akandianalisa.

Namun sebelum itu harus mengisikanbeberapa parameter seperti model turbulensi,kecepatan aliran, temperature pada inlet, heat fluxpada silinder, discretization dan besar residualdalam melakukan iterasi. Model turbulensi yangdigunakan adalah k- e Realizable dengan viscousheating, intensitas turbulen yang diset sebesar0,4% dan turbulence length scale 0,001,discretization yang ditetapkan adalah SecondOrder Upwind . Dimensi yang digunakan adalah24D x 6.5D , untuk G 0.25D dari dinding , S1.25 D, T 2.5D dan heat flux 500 watt⁄m2 padatiap-tiap silinder. Kemudian kecepatan aliranyang digunakan adalah 1- 5 m/s dengan

pada temperatur inlet ( lihatgambar 1) time step 0.01 dengan maximal iterasi20/ time.

Page 4: SIMULASI NUMERIK PADA SILINDER DENGAN SUSUNAN SELANG ...

p-ISSN: 1411 - 3414 I N V O T E K e-ISSN: 2549 - 9815

92 INVOTEK: Jurnal Inovasi, Vokasional dan Teknologi, Vol. 17 No. 2, Oktober 2017

B. Susunan silinder staggered

Gambar 1. Boundary Condition susunan StaggeredCylinder

C. Grid indepedensiDalam penelitian ini peneliti mengunakan 4

buah yaitu mesh A, B, C dan D masing –masingmesh ini dapat kita lihat ditabel

Table 1. Grid Indepedensi

Grafik 1. Distribusi tekanan rata-rata pada silinder:Mesh A ; Mesh B ; Mesh C; Mesh D pada

; eksperiment AchenbachE.(1968) pada .

D. Grid Node

Gambar 2. Grid pada Staggered Cylinder dengan79498 nodes

Analisa pada grid indepedensi denganmengunakan 4 jenis mesh dengan jumlahnodes yang berbeda. Setiap mesh di-runningdengan menngunakan k- e Realizablekecepatan inlet 4 m/s. hasil experiment yangdijadikan acuan hasil dari penelitian [6] daritabel 1maka dapat disimpulkan bahwa mesh C

merupakan mesh yang paling sesuai untukdigunakan.

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari hasil komputasi maka didapat data denganmengunakan metode k- e Realizable. Data yangakan dianalisa adalah pendekatan numerikterhadap data secara kualitatif dan kuantitatif padaA. Contours Of Pressure Coefficient(Cp), Nusselt

Number ( Nu)Pada Contours Of Pressure Coefficient(Cp)

maka penulis akan membahas besarnya gayahambat yang dihasilkan oleh silinder yang tersusunsecara selang-seling atau staggered yang akan kitabahas Contours Of Pressure Coefficient(Cp) yangterdapat pada silinder 1, 3, 4 dan 61) Silinder 1

Hal ini dapat kita lihat pada Contours ofPressure Coefficient pada grafik 2 dibawah ini.

Grafik 2. Distribusi Coefficient of Pressure (Cp) padasilinder 1 dan 2

Dari grafik 2 diatas dapat dianalisa bahwadistribusi tekanan pada silinder 1 dari titik stagnasipada hampir sama ini diakibatkan olehcontour silinder yang sama namun terjadi perbedaansaat aliran mencapai silinder bagian belakang yangterlihat jelas perbedaannya terlihat pada

yaitu terjadi separasi aliranpada ini diakibatkan oleh kecepatanrendah tidak mampu melawan advers pressuregradient sehingga aliran lebih cepat terseparasinamun penurunan signifikan distribusi tekanan inidiakibatkan oleh kecepatan yang semakin rendah,advers pressure gradient yang terjadi disisibelakang silinder terlalu besar karena kecepatanyang rendah. Pada terjadinyaosilasi yang mana terjadi massive separationhingga dan terjadi kembali pada

sasampai . Sedangkan pada, , dan

separasi terjadi padadan massive separation terjadi pada

disini juga terjadi osilasi namunkecil.

Page 5: SIMULASI NUMERIK PADA SILINDER DENGAN SUSUNAN SELANG ...

p-ISSN: 1411 - 3414 I N V O T E K e-ISSN: 2549 - 9815

Simulasi Numerik Pada Silinder..........(Hidayat, et al) 93

Disini terbukti bahwa dengan meningkatnyanilai Re maka pada silinder 1 terjadi penundaanseparasi karena advers pressur e gradient tidakmampu melawan aliran. Pada silinder 1 terjadiperbedaan titik separasi antara upper side denganlower side sebesar 3 derajat pada ,dan 6 derajat pada ,

, danKemudian kita lihat distribusi tekanan

sepanjang upper side dan lower side, initernyata memberikan perbedaan yaitu tekanansisi upper lebih rendah dari pada sisi lower inikarea G/D = 2 lebih sempit dibandingkan jarakantara silinder 1 dengan silinder 2 = 2.5sehingga kecepatan pada sisi upper lebih cepatdaripada sisi lower sehingga tekanan sisi ataslebih rendah.

Gambar 3. Contours Of Pressure Coefficientsilinder 1

Pada gambar 3 diatas dapat kita lihatperbedaan contours of pressure coefficient padatingkat tiap-tiap Re, padakecendrungan dari aliran mengikuti contour darisilinder, dan pada sisi lower side dan upper sidetidak terjadi perubahan kecepatan yang signifikanbila dibandingkan dengan ,

, dandigambar terlihat jelas

distribusi tekanan pada sisi lower side lebih besardibandingkan dengan upper side akibat kecepatanaliran pada upper side lebih cepat dibanding lowerside.

Kemudian dilihat dari perbandinganCoefficient Drag terhadap Re maka berbandinglurus bahwa semakin tinggi Re maka gaya dragyang dihasilkan akan semakin kecil ini adalahakibat dari aliran yang semakin tinggi mampumenunda aliran untuk terseparasi dengan cepatatau dengan kata lain dan titik separasinyasemakin jauh kebelakang dan juga distribusitekanan yang terdapat pada lower side dan upperside semakin kecil karena yang semakin tinggi.Sedangkan pada grafik 5 distribusi NusseltNumber (Nu) seperti grafik dibawah ini

Grafik 3. Distribusi Nusselt Number (Nu) padasilinder 1

Dari grafik 3 dianalisa bahwa distribusi Nuberbanding lurus terhadap Re dan kecepatandengan kata lain apabila kecepatan aliranditingkatkan maka Re juga akan meningkat danlaju perpindahan panas akan meningkat inidibuktikan bahwa Nu terendah terdapat pada Reyang rendah dan sebaliknya Nu tertinggi terdapatpada Re yang tinggi. Kemudian distribusisepanjang silinder sisi upper side dan lower sidejuga terjadi perbedaan akibat gap dengan dinding= 2 dan jarak antara silinder 1 dan 2 = 2.5 makaini mempengaruhi kecepatan aliran sehingga Repada sisi Upper side lebih besar dari sisi lowerside. Dan distribusi Nu sepanjang silindermembentuk grafik yang sama tiap-tiap Re nya.Dan Nu tertinggi pada tiap-tiap Re terdapat padapaling puncak silinder dan paling bawah silinder.

2). Silinder 2Hal ini dapat kita lihat pada Contours Of

Pressure Coefficient(Cp) pada grafik dibawah ini.

Grafik 4. Distribusi Contours Of PressureCoefficient(Cp) pada silinder 2

Dari grafik 4 diatas dapat dianalisa bahwadistribusi tekanan pada silinder 2 hampir samadengan silinder 1 karea posisi yang simetrisnamun distribusi tekanan pada sisi upper sidedengan lower side adalah kebalikan dari silinder 1yaitu tekanan lebih besar pada sisi upper sidedibanding lower side karena jarak silinder 1 kesilinder = 2.5 dan G/D = 2 akibatnya kecepatanaliran pada sisi bawah lebih cepat disbanding sisiatas silinder 2 akibatnya terlihat pada grafik 4tekanan puncak lower side lebih rendah dari padaupper side. Sedangkan pada grafik 5 distribusiNusselt Number (Nu) seperti grafik dibawah ini

Page 6: SIMULASI NUMERIK PADA SILINDER DENGAN SUSUNAN SELANG ...

p-ISSN: 1411 - 3414 I N V O T E K e-ISSN: 2549 - 9815

94 INVOTEK: Jurnal Inovasi, Vokasional dan Teknologi, Vol. 17 No. 2, Oktober 2017

Grafik 5. Distribusi Nusselt Number (Nu) padasilinder 2

Hal yang sama terjadi pada silinder 2 hampirsama pada silinder 1 adalah hal yang terjadi padasilinder bahwa pengaruh Re terhadap Nuberbanding lurus namun ditribusinya yangberbeda sepanjang silinder bagian upper side danlower side dari grafik dapat kita lihat bahwaperpindahan panas lebih besar pada sisi lower sidedibandingkan upper side ini dipengaruhi oleh G/D= 2 dan jarak antara silinder1 dan silinder 2akibarnya aliran pada sisi bawah lebih cepatdaripada sisi atas. Dari gambar contours ofpressure coefficient dibawah ini juga dapat kitaanalisa yaitu:

Gambar 4. Contours Of Pressure Coefficient (Cp)silinder 2

Pada gambar 4 kebalikan dari silinder satubahwa ditribusi tekanan pada lower side lebihrendah dibandingkan dengan upper side akibatkecepatan aliran meningkat karena adanyaperbedaan jarak antara G/D = 2 dengan jaraksilinder 1 dan 2 =2.5, dan proses separasi aliransama dengan silinder 1 pada setiap kecepatan.

3). Silinder 3Hasil dari grafik Contours of Pressure

Coefficient (Cp) pada silinder 3 ini dapat yaitu

Grafik 6. Contours of Pressure Coefficient (Cp)pada silinder 3

Dari grafik diatas dapat dianalisa bahwafenomena yang terjadi sangat berbeda dengansilinder 1 dan 2 karena distribusi tekanan

sepanjang silinder 3 dipengaruhi oleh dindingbagian atas yaitu G/D= 0.75 dan sedangkan jaraksilinder 3 dengan silinder 4 = 2.5 akibatnya dapatkita terjadi pergeseran titik stagnasi halini terjadi pada semua Re ini diakibatkan olehgangguan dari dinding sehingga ditribusi tekakanpada upper side lebih besar lower side akibataliran pada G/D mengalami penyempitan sehinggaaliran mengalami blockage effect yang terjadiantara dinding dengan upper side silinder 3.

Distribusi tekanan pada upper side lebihtinggi dibandingkan lower side karena kecepatanaliran lebih rendah pada bagian atas. Pada

kita lihat separasi terjadi padadan massive separation terjadi

sepanjang karena pengaruhdari dinding maka osilasi yang terjadi yang sekalisaja. Pada ,

, danhampir sama separasi terjadi

pada dengan adanya gangguan daridinding titik separasi yang terjadi ternyatabergeser dan antara dengan

, , danmengalami sedikit perbedaan

apabila dibandingkan dengan pada silinder satu,artinya dengan adanya gangguan dari dindingmembuat aliran pada ,

, dan cepatterseparasi.

Pada silinder 3 terjadi perbedaan titikseparasi antara upper side dengan lower sidesebesar 27 derajat pada

, dan 9 derajat pada, , danDisini prilaku aliran sangat

dipengaruhi oleh Re, pada , padasisi upper side silinder 3 mengalami penurunanakibat blockage effect oleh dinding distribusitekanannya tinggi dibanding pada sisi lower sidemengakibatkan perbedaan tekanan yangsignifikan.

Namun pada ,, dan hal

yang berbeda terjadi dari grafik diatas distribusitekanan dialami pada lower side lebih rendahdibanding upper side namun tidak sesignifikanpada , inidipengaruhi oleh kecepatan yang tinggi yangmampu mengurangi blockage effect antara dindingdengan silinder dan menunda terjadinya separasilebih awal.

Page 7: SIMULASI NUMERIK PADA SILINDER DENGAN SUSUNAN SELANG ...

p-ISSN: 1411 - 3414 I N V O T E K e-ISSN: 2549 - 9815

Simulasi Numerik Pada Silinder..........(Hidayat, et al) 95

Gambar 5. Contours of Pressure Coefficient (Cp)silinder 3

Pada gambar 5 dapat dianalisa bahwa pada

kecendrungan aliran pada sisi upper sidemengalami blockage effect sehingga terlihatdistribusi tekanan pada sisi upper side lebih tinggidibanding pada lower side dan ini sangatsignifikan. sedangkan pada ,dan aliran menunjukan prilakuyang berbeda yaitu dengan kenaikan kecepatanternyata mampu melawan blockage effect yangdihasilkan G/D dan ini berakibat aliran pada sisiupper side meningkat dan ditribusi tekanan tidaksama pada yaitu tidak terlalusignifikan perbedaan distribusi tekanan akibat titikseparasinya semakin kebelakang akibat darikecepatan aliran yang meningkat dan CoefficientDrag yang dialami berbanding luruspenurunannya terhadap Re.

Grafik 7. Distribusi Nusselt Number (Nu) padasilinder 3:

Distribusi perpindahan panas yangdiindikasikan dengan Nu maka hal ini berbandingterbalik terhadap distribusi tekanan jika tekananrendah maka perpindahan panas (Nu) akan naikdan hal ini terjadi pada semua kecepatan. Padatitik stagnasi terjadi penurunan Nu pada

dankemudian baru mengalami kenaikan sesuaiacontour silinder, pada pada

kemudian naik, pada, dan pada

kemudian naik, ini mengindikasikandengan menakan nilai Re maka angka Nu akancepat naik kembali pada daerah dekat dindingakibat titik stagnasi yang bergeser. Perpindahanpanas padatertinggi terjadi pada sisi lower side karena adanyablockage effect karena aliran tidak mampumereduksi nya sehingga aliran cendrung mengalir

menuju lower side maka perpindahan panas padaupper side lebih rendah daripada lower side,karena pada upper side terjadi perlambatan danlower side terjadi percepatan. Sedangkan pada

, danperpindahan panas tidak terlalu

signifikan karena pada upper side aliran mampumelawan blockage effect sehingga titik separasitertunda kecepatan pada upper side meningkatakibatnya perpindahan panas yang mendekatipada lower side dengan upper side grafik 7diatas.

4). Silinder 4Hasil dari grafik Contours Of Pressure

Coefficient (Cp) pada silinder 4 ini dapat yaitu

Grafik 8. Distribusi Contours Of PressureCoefficient(Cp) pada silinder 4

Dari grafik 8 di analisa bahwa hal yangterjadi pada silinder 4 berbeda dengan silindersebelumnya, dimana aliran yang melalui silinder 4sebelumnya melalui silinder 1 dan silinder 2,dengan S = 1.25. Akibatnya distribusi tekananpada upper side dan lower side sama besar. Iniakibat kecepatan aliran yang sama. Namunseparasi yang terjadi pada pada

pada ,, dan terjadi

penundaan yaitu pada penundaanterjadi akibat kenaikan kecepatan akibat aliranterganggu oleh silinder 1 dan 2 maka turbulensialiran meningkat karena penyempitan celah olehsilinder 1 dan 2. Pada terjadiosilasi pada yang mana halini seimbang. Pada silinder 4 tidak terjadi terjadiperbedaan titik separasi antara upper side denganlower side pada semua kecepatan.

Gambar 6. Contours of Pressure Coefficient (Cp)silinder 4

Page 8: SIMULASI NUMERIK PADA SILINDER DENGAN SUSUNAN SELANG ...

p-ISSN: 1411 - 3414 I N V O T E K e-ISSN: 2549 - 9815

96 INVOTEK: Jurnal Inovasi, Vokasional dan Teknologi, Vol. 17 No. 2, Oktober 2017

Untuk Contours of Pressure Coefficient(Cp) dapat kita lihat bahwa terlihat jelas ditribusitekanan yang sama pada kedua sisinya, dan begitujuga pada coefficient drag yang berbanding lurusterhadap Re penurunannya, namun Cd yangdihasilkan lebih rendah dari pada Cd yangdihasilkan silinder 1 dan 2. Ini adalah akibat darialiran yang menyentuh permukaan silinder 4terganggu oleh silinder 1 dan2, dan terjadinyapenyempitan sehingga kecepatannya naik danturbulensi alirannya juga naik.

Grafik 9. Distribusi Nusselt Number (Nu) pada silinder4

Pada grafik 9 bahwa distribusi perpindahanpanas sepanjang silinder 4 dapat kita lihat bahwakarena aliran yang menyentuh upper side danlower side memiliki kesamaan maka begitu jugadengan perpindahan juga sama besar yang terjadipada bagian lower sidei dan upper side danperpindahan panas yang terjadi berbanding lurusterhadap Re peningkatannya.5). Silinder 5

Hasil dari grafik Contours of PressureCoefficient (Cp) pada silinder 5 ini dapat yaitu

Grafik 10. Distribusi Contours Of PressureCoefficient(Cp) pada silinder 5

Hal yang terjadi pada silinder 5 adalahkebalikan dari silinder 3 karena posisinya yangsama, yang membedakan adalah sisi lower sidedan upper side karena pada silinder 5 yangmendekati dinding adalah lower side, pada

, titik stagnasi bergeser pada, ,

, dan titikstagnasinya , titik stagnasi bergeserkebagian lower side akibar dinding, karena

penyempitan terjadi antara dinding dan silinder 5manghasilkan blockage effect akibatnya adalahdistribusi tekanan pada upper side lebih rendahdaripada lower side. Tekananpada lower side dengan upper side sangatsignifikan begitu juga dengan perpindahan panasyang terjadi. Sedangkanpada ,

, dandistribusi tekanan pada lower side juga lebihtinggi dari pada upper side namun tidak terlalusignifikan karena kecepatan aliran mampumengurangi blockage effect dan mengakibatkanseparasi aliran tertunda akibatnya perbedaantekanan pada lower side dengan upper side tidakterlalu signifikan.

Gambar 7. Contours of Pressure Coefficient (Cp)silinder

Pada gambar 5 dapat dianalisa bahwa pada

kecendrungan aliran pada sisi upper sidemengalami blockage effect sehingga terlihatdistribusi tekanan pada sisi upper side lebih tinggidibanding pada lower side dan ini sangatsignifikan. sedangkan pada ,dan aliran menunjukan prilakuyang berbeda yaitu dengan kenaikan kecepatanternyata mampu melawan blockage effect yangdihasilkan G/D dan ini berakibat aliran pada sisiupper side meningkat dan ditribusi tekanan tidaksama pada yaitu tidak terlalusignifikan perbedaan distribusi tekanan akibat titikseparasinya semakin kebelakang akibat darikecepatan aliran yang meningkat dan coefficientdrag yang dialami berbanding luruspenurunannya terhadap Re.

Grafik 11. Distribusi Nusselt Number (Nu) padasilinder 5

Pada silinder 5 distribusi perpindahan panasyang terjadi juga berbanding terbalik dengansilinder 3 yaitu pada terdapat

Page 9: SIMULASI NUMERIK PADA SILINDER DENGAN SUSUNAN SELANG ...

p-ISSN: 1411 - 3414 I N V O T E K e-ISSN: 2549 - 9815

Simulasi Numerik Pada Silinder..........(Hidayat, et al) 97

perbedaan ditribusi perpindahan panas padaupper side lebih besar dibanding lower sidekarena pada bagian lower side mengalamiblockage effect dari dinding disini perbedaandistribusi perpindahan panas drastis namun pada

, , danhal yang terjadi akibat

kenaikan kecepatan aliran perbedaan perpindahanpanas upper side dengan lower side tidak terlaludrastis, karena laju aliran menunda terjadinyaseparasi pada lower side yang mengalamiblockage effect.

Pada akhir dari lower side mengalamikenaikan Nu akibat bergesernya titik separasipada kenaikan Nu pada

, pada kenaikan Nupada , pada , dan

kenaikan Nu padaini adalah akibat dari bergesernya titik separasi.6). Silinder 6

Hasil dari grafik Contours of PressureCoefficient (Cp) pada silinder 6 ini dapat yaitu

Grafik 12. Distribusi Contours Of PressureCoefficient(Cp) (Cp) pada silinder 6

Dari garfik 12 diatas dapat dianalisadistribusi tekanan yang terjadi pada upper sidedan lower side pada silinder 6 berbeda dengansilinder 1,2,3,4 dan 5,karena silinder 6 segarisdengan silinder 1, akibatnya aliran yang melaluisilinder 6 adalah aliran yang sebelumnya melaluisilinder 1, akibatnya coefficient drag yangdihasilkan semakin kecil ini diakibatkan olehwake dari silinder 1 yang dapat meningkatkanturbulensi aliran, tapi akibatnya adalah silinder 6mengalami Karman vortex dari silinder 1 yangmengakibatkan vibrasi yang lebih besar, namunakibatnya distribusi tekanan pada

upper sidedengan lower side tidak terlalu signifikan namunCp dibawah 1 karena pengaruh aliran yangterganggu oleh silinder 1 dan akibatnya turbulensialiran meningkat, sedangkan pada

, danakibat dari kecepatan aliran meningkat makaakibatnya turbulesi aliran meningkat dan aliransemakin berfluktuasi Cd semakin rendah.

Pada Cp pada titik stganasimasih tinggi pada Cp=0.7 sedangkan pada

, , danpada Cp = 0.1 , ini

jauh kecil karena Re rendah membuat turbulensialiran yang rendah dan pada Re tinggi turbulensialiran juga tinggi akibatnya Cp makin kecil. Padasilinder 6 terjadi perbedaan titik separasi antaraupper side dengan lower side sebesar 27 derajatpada , dan 9 derajat pada

, , dan. Dan distribusi tekanan pada

upper side dan lower side tidak terlalu signifikan,keadaan ini akan silih berganti akibat Karmanvortex pada upper side dan lower side silinder 6.

Gambar 8. Contours Of Pressure Coefficient (Cp)silinder 6

Pada Contours Of Pressure Coefficient (Cp)dapat kita analisa bhawa pada

terlihat jelas Karman vortex effectmempengaruhi lepasnya vortex dari silinder 6karena aliran yang rendah maka dan dipergaruhioleh silinder 1. Distribusi tekanan akan silihberganti antara lower side dengan upper sidesesuai dengan waktu yang ditentukan. Tapi pada

Karman vortex mulai mengecil karena kecepatanaliran meningkat akibatnya titik separasi semakinmaju kedepan.

Grafik 13. Distribusi Nusselt Number (Nu) padasilinder 6

Pada perpindahan panas ternyata akibatgangguan dari silinder 2 aliran yang akan melaluisilinder 6 terganggu dan mengalami kenaikanturbulensi dan fluktuasi, sehingga perpindahanpanas meningkat sesuai dengan kenaikan Re,dengan kata lain berbanding lurus dengankenaikan Re. kemudian akibat Karman vortexeffect sehingga terjadi perbedaan distribusiperpindahan panas pada silinder 6 yang berbeda

Page 10: SIMULASI NUMERIK PADA SILINDER DENGAN SUSUNAN SELANG ...

p-ISSN: 1411 - 3414 I N V O T E K e-ISSN: 2549 - 9815

98 INVOTEK: Jurnal Inovasi, Vokasional dan Teknologi, Vol. 17 No. 2, Oktober 2017

pada lower side dan upper side tidak terlalusignifikan.

7). Silinder 7Hasil dari grafik Contours of Pressure

Coefficient (Cp) pada silinder 7 ini dapat yaitu

Grafik 14. Distribusi tekanan coefficient ofPressure (Cp) pada silinder 7

Dari grafik 14 pada silinder distribusitekanan yang dialami hamper sama dengansilinder 6 karena posisi yang sama namun yangdialami pada upper side dan lower side silinder 6kebalikan dari silinder 7. Di silinder 7 juga aliranyang melalui silinder 7 juga terganggu olehsilinder 1 yang berada segaris didepannya silinder7, akibatnya aliran yang melalui silinder 7mengalami peningkatan fluktuasi dan turbulensialiran ini dibuktikan dengan menurunnyaCoefficient Drag. Penurunan distribusi tekananyang terjadi pada silinder 7 berbanding lurusdengan kenaikan Re.

Gambar 9. Contours of pressure coefficientsilinder 7

Pada analisa Contours Of PressureCoefficient(Cp) terlihat distribusi tekanan yangterjadi adalah kebalikan dari silinder 6, padagambar terlihat Karman vortex mempengaruhidistribusi tekanan pada setiap kecepatan aliran.

Grafik 15. Distribusi Nusselt Number (Nu) padasilinder 7

Pada perpindahan panas ternyata akibatgangguan dari silinder 1 aliran yang akan melaluisilinder 6 terganggu dan mengalami kenaikanturbulensi dan fluktuasi, sehingga perpindahanpanas meningkat sesuai dengan kenaikan Re,

dengan kata lain berbanding lurus dengankenaikan Re. kemudian akibat vortex Karmaneffect sehingga terjadi perbedaan distribusiperpindahan panas pada silinder 7 yang berbedapada lower side dan upper side tidak terlalusignifikan.

B. Velocity contour dan vorticity magnitude

,

Gambar 10. Velocity contour dan vorticity magnitudepada

Dari gambar 10 tentang Velocity contourdan vorticity magnitude dapat dianalisa bahwapada pada kecepatan rendahbentuk aliran yang menyentuh silinder 1 dan 2mengalami gangguan oleh penyempitan olehsilinder 3 4 dan 5, akibatnya aliran setelah melaluisilinder 1 dan 2 tidak menimbulkan Karmanvortex effect pada aliran sesudah silinder 1 dan 2.Pada silinder 3 dan 5 terlihat bahwa dindingsangat mempengaruhi aliran yang melalui silinder3 dan 5, akibatnya distribusi aliran yang tidakseimbang yang mana salah satu sisinyamengalami penyempitan, vortex yang dihasilkantidak sama besar ini mengakibatkan gaya angkatyang besar akibar distribusi tekanan yang tidakseimbang, disini terdapat Karman vortex effect.Kemudian pada silinder 6 dan 7 karena aliranyang melalui silinder 6 dan7 adalah aliran yangsudah melalui silinder 1 dan 2 maka alirannyamengalami peningkatan turbulensi karenaterganggu oleh silinder 1 dan 2 akibatnya padasilinder 6 dan 7 mengalami Karman vortex effectyang meningkat juga namun vortex yang

Page 11: SIMULASI NUMERIK PADA SILINDER DENGAN SUSUNAN SELANG ...

p-ISSN: 1411 - 3414 I N V O T E K e-ISSN: 2549 - 9815

Simulasi Numerik Pada Silinder..........(Hidayat, et al) 99

dihasilkan lama terlepas karena kecepatan alirancukup rendah namun vortex yang dihasilkan akanterus terjadi karena kecepatan aliran yang rendah.Pada dianalisa bahwa karenaaliran tinggi maka pada silinder 1dan 2 mengalamipergeseran titik separasi, yaitunya titik separasiyang semakin kebelakang, kemudian pada silinder3 dan 5 hal yang sama terjadi seperti Re rendahhanya vortex yang dihasilkan lebih cepat terlepaskarena kecepatan aliran tinggi. Pada silinder 6 dan7, ini terlihat jelas perbedaan bahwa padakecepatan tinggi vortex yang dihasilkan cepatterlepas dari silinder bahkan ia semakin panjangketika terlepas vortex yang dihasilkan cepat hilangakibat aliran yang tinggi.

Dalam simulasi numeric ini terbukti bahwahubungan Re terhadap Nu berbanding lurus,semakin tinggi Re maka perpindahan panas yangterjadi juga semakin besar hal ini juga dinyatakanoleh [7] Hasil penelitian ini menunjukkan bahwapada kedua susunan sirip pin, peningkatanbilangan Reynolds dan semakin kecil jarak Sy/Dakan meningkatkan bilangan Nusselt [5]

V. KESIMPULAN

Setelah melakukan studi secara numerikdapat disimpulkan bahwa pada karakteristik aliranmelintasi silinder yang tersusun secara staggereddengan variasi kecepatan aliran maka semakinnaik kecepatan hal yang terjadi adalah, gaya dragyang dihasilkan pada silinder mengalamipenurunan drag jika alirannya diganggu karenadapat meningkatkan turbulensi aliran. Padakenaikan kecepatan aliran mengakibatkankenaikan turbulensi sehingga pelepasan panasjuga meningkat berbanding lurus, ini dibuktikandengan naiknya angka Nu. Pada vortex yangdihasilkan pada saat kecepatan rendah makavortex akan semakin sulit terlepas karena aliranrendah sulit mendorongnya untuk terlepas, namunvortex akan terus terbentuk walaupun sudahterlepas karena aliran agak sulit mengurainya danpada kecepatan tinggi vortex yang dihasilkanmudah didorong oleh aliran dan terlepas darisilinder namun kecepatan tinggi ketika terlepasvortex langsung terurai dan lebih cepat uniformkembali.

DAFTAR PUSTAKA

[1]. Pierson, O., 1937. Investigation of influenceof tube arrangement on convection heat

transfer and flow resistance in cross-flow ofgases in tube banks. ASME Trans. 59, 563–572.

[2] Huge, E., 1937. Experimental investigationon the effect of equipment size of heattransfer and flow resistance in cross-flow ofgas over tube bank. ASME Trans. 59, 573–582.

[3] Grimson, E., 1937. Correlation andutilization of new data on flow resistance andheat transfer for cross-flow over tube banks.ASME Trans. 59, 583.

[4] Zukauskas, A "Heat Transfer from tubes inCrossflow." Advances in Heat Transfer, 8,93-160, 1972

[5] Tri Istanto dan Wibawa Edra Juwana ”Karakteristik Perpindahan Panas danPenurunan Tekanan Sirip-sirip Pin SilinderTirus Susunan Segaris dan Selang-selingdalam Saluran Segi Empat” Lab.Perpindahan Panas & Termodinamika,Teknik Mesin, UNS, Surakarta 2010

[6] Achenbach, E., 1968. Distribution of localpressure and skin friction around a circularcylinder in cross-flow up to Re ¼ 5 _ 106. J.Fluid Mech. 34, 625–639.

[7] Buyruk , Heat Transfer and Flow StructuresAround Circular Cylinders in Cross-FlowDepartment of Mechanical Engineering,Cumhuriyet University, Sivas-TURKEY ,1997 ;299 – 315

Biodata Penulis

Nuzul Hidayat, Sarjana Pendidikan di JurusanTeknik Otomotif FT UNP. Dan memperoleh gelarMagister Teknik di Jurusan Teknik MesinProgram Pascasarjana ITS Surabaya. Saat ini aktifsebagai staf pengajar di Jurusan Teknik OtomotifFT UNP.

Ahmad Arif, lahir di Padang Panjang, 27Februari 1989. Sarjana Pendidikan di JurusanTeknik Otomotif FT UNP 2012. Tahun 2015memperoleh gelar Magister Teknik di ProgramStudi Rekayasa Konversi Energi Jurusan TeknikMesin Program Pascasarjana ITS Surabaya. Stafpengajar di Jurusan Teknik Otomotif FT UNPsejak tahun 2015 – sekarang.

M Yasep Setiawan, Sarjana Pendidikan diJurusan Teknik Otomotif FT UNP. Danmemperoleh gelar Magister Teknik di JurusanTeknik Mesin Program Pascasarjana ITS

Page 12: SIMULASI NUMERIK PADA SILINDER DENGAN SUSUNAN SELANG ...

p-ISSN: 1411 - 3414 I N V O T E K e-ISSN: 2549 - 9815

100 INVOTEK: Jurnal Inovasi, Vokasional dan Teknologi, Vol. 17 No. 2, Oktober 2017

Surabaya. Saat ini aktif sebagai staf pengajar diJurusan Teknik Otomotif FT UNP.