STUDI NUMERIK PENGARUH VARIASI REYNOLD...

STUDI NUMERIK PENGARUH VARIASI REYNOLDS NUMBER DAN RICHARDSON NUMBER PADA KARAKTERISTIK ALIRAN FLUIDA MELEWATI SILINDER TUNGGAL YANG DIPANASKAN (HEATED

CYLINDER)

oleh : Ahmad Nurdian Syah

NRP. 2112105028

Dosen Pembimbing : Vivien Suphandani Djanali, S.T., ME., Ph.D

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

2014

LATAR BELAKANG

PERKEMBANGAN

ZAMAN

• Literatur unheated cylinder banyak diteliti

• Eksperimen heated cylinder oleh

H. Hu and M. M. Koochesfahani, 2011

akurat

RUMUSAN MASALAH

Karakteristik

Aliran

Silinder

dipanaskan

variasi Re dan Ri

RUMUSAN MASALAH

TUJUAN PENELITIAN

pengaruh variasi Reynold number dan

Richardson number pada karakteristik

aliran yang melewati heated cylinder

Penelitian silinder tanpa dipanaskan

BATASAN MASALAH

• aliran incompressible

• Benda kerja yang disimulasikan adalah silinder isothermal yang dipasang horisontal pada water chanel.

• Reynolds number yang digunakan adalah 100 ,135 dan 200.

• Richardson number yang digunakan adalah 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1

PENELITIAN TERDAHULU 1. Oleh H. Hu and M. M. Koochesfahani (2011)

• Esperimen tentang pengaruh thermal terhadap wake pada heated cylinder dengan konveksi campuran

• Re= 135 ; T∞ =24 0C ; Ri= 0 sampai 1.04

• Dipakai sebagai acuan penelitian ini

Profil kecepatan streamewise sepanjang wake pada

centreline

Wake clousure length(Lc) vs Bilangan Richarson

PENELITIAN TERDAHULU 1. Oleh H. Hu and M. M. Koochesfahani (2011)

koefisien drag vs Bilangan Richarson (Ri)

• Ri Cd • Wake Cd

Rata-rata bilangan Nuselt vs Bilangan Richarson(Ri)

• Ri Nu

PENELITIAN TERDAHULU

2. Oleh Aswathy Nair et al (2013)

• Studi niumerik tentang pengaruh Prandtl Number dalam perpindahan panas pada aliran melintasi silinder

• Re= 25 ; Ri = 0.5 dan 2.00 ; Pr= 0.5, 5, 50

kontur isotherm untuk Re=25 dengan variasi nilai Ri dan Pr

Peningkatan Pr menyebabkan boundary layer thickness mengecil

PENELITIAN TERDAHULU

1. Tahapan Penelitian • Menentukan parameter-parameter yang mempengaruhi dengan cara

analisa dimensi.

• Membuat geometri set-up dari silinder yang dipanaskan yang diletakkan horizontal pada water channel dengan metode Computational Fluid Dynamic ( CFD ).

• Analisis hasil pemodelan dan visualisasi aliran serta komparasi dengan hasil eksperimen yang telah dilakukan sebelumnya.

METODE PENELITIAN

METODE PENELITIAN 2. Geometri

3D Boundary condition 2D Boundary condition

Dinding atas dan bawah Wall Dinding atas dan bawah Wall

Dinding samping Periodic silinder Wall

silinder Wall inlet Velocity inlet

inlet Velocity inlet outlet outflow

outlet outflow

3. Parameter Pemodelan

METODE PENELITIAN

Variasi kasus Tw (oC) T∞ (

oC) Re Gr Ri U∞ (m/s)

1 24 24 100 0 0 0.0193

2 30.97 24 100 2500 0.25 0.0193

3 37.9 24 100 5000 0.50 0.0193

4 44.9 24 100 7500 0.75 0.0193

5 51 24 100 10000 1.00 0.0193

6 24 24 135 0 0 0.026

7 38 24 135 4556.25 0.25 0.026

8 53 24 135 9112.5 0.50 0.026

9 67.8 24 135 13668.42 0.75 0.026

10 84.5 24 135 18225 1.00 0.026

11 24 24 200 0 0 0.0359

12 51,89 24 200 10000 0.25 0.0359

13 79.78 24 200 20000 0.50 0.0359

14 107.67 24 200 30000 0.75 0.0359

15 135.56 24 200 40000 1.00 0.0359

Gr = 𝑔β 𝑇∞−𝑇𝑠 𝐷3

𝑣2

Re = 𝜌𝑉𝐷

𝜇

Ri = 𝐺𝑟

𝑅𝑒2

4. Langkah-Langkah Penggunaan Metode Komputasi Fluida (CFD)

PRE – PROCESSING a. Membuat model b. Membuat mesh elemen hingga c. Menentukan daerah analis

METODE PENELITIAN

3D

2D

SOLVING

ITERASI

MODELS

K-ω SST unsteady

MATERIALS

Water Liquid

OPERATING CONDITIONS Percepatan gravitasi ke arah x

SOLUTION BOUNDARY CONDITIONS inlet = velocity inlet

Outlet = outflow silinder & dinding water chanel =

wall

Pressure = second order momentum , turbulent kinetic energy & turbulent dissipation

rate = second order upwind

RESIDUAL Kriteria

konvergensi 10−6 Inlet

INITIALIZE

METODE PENELITIAN

POSTPROCESSING

DATA KUANTITATIF • Kecepatan pada wake

centerline • Koefisien drag • Strouhal number • Average Nusselt number

DATA KUALITATIF • Grid display • Plot kontur kecepatan • Plot kontur temperatur

METODE PENELITIAN

5. Diagram Alir metodologi penelitian(Flow Chart)

6. Diagram Alir Simulasi

Analisa dan Pembahasan

Grid Independence

Turbulensi model k-ω SST Data acuan pada exp Cd = 1.5

.

Model Mesh Cells Y+ Cd Error Cd (%)

Mesh A 13249 1.576 1,2603 15,98

Mesh B 22365 1.351 1,375 8,33333333

Mesh C 27500 1.178 1,439 4,06666667

Mesh D 32564 1.154 1,4420 3,86666667

1,15

1,2

1,25

1,3

1,35

1,4

1,45

1,5

Mesh A Mesh B Mesh C Mesh D

Dra

g C

oef

fici

ent

Model meshing

k-ω SST Y plus ≤ 5

AU

FCd D

22

1

Digunakan meshing C untuk melakukan simulasi numerik


Menentukan time step size

𝑆𝑡 =𝑓 𝐷

𝑈∞

0.005 m

0.0193 m/s 0.026 m/s 0.0359 m/s

Exp 0.171

Re f Time step size

100 0.66006 0.0628

135 0.8892 0.04498

200 0.03257

0.03257

t =1

𝑓

Time step size =𝑡

𝑚𝑎𝑥 𝑖𝑡𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑝𝑒𝑟 𝑡𝑖𝑚𝑒 𝑠𝑡𝑒𝑝


Pemilihan domain

𝑚𝑒𝑎𝑛 𝑠𝑞𝑢𝑎𝑟𝑒 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 2D = 0.143 3D = 0.152 Digunakan Model 2D

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5

2D

exp Hu etal ,2011

3D


Reynolds Number 135

Kecepatan Pada Wake Centerline

dibandingkan dengan hasil eksperimen Hu etal 2011.

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5

U/U

∞

X/D

Ri 0

Ri 0.25

Ri 0.5

Ri 0.75

Ri 1

exp Ri 0

exp Ri 0.5

exp Ri 1.04

Ri X/D X/D(exp)

0 3,4 3.4

0,25 3,4

0,5 6,1 7.5

0,75 7,9

1 8,6 9.5

Analisa dan Pembahasan Ri X/D Lc/D Ri(exp) Lc/D (exp) Error(%)

0 3,4 2,9 0 3,03951 4,589885

0,25 3,4 2,9 0,19 2,5

0,5 6,1 5,6 0,5 7,26444 22,91216

0,75 7,9 7,4 0,72 8,41945

1 8,6 8,1 1,04 9,14894 11,46515

0

2

4

6

8

10

0 0,25 0,5 0,75 1

wak

e c

losu

re le

ngt

h (

Lc/D

)

Richardson Number (Ri)

Numerik

Hu etal2011(exp)

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25

Co

eff

icie

nt

dra

g(C

d)

Richardson number (Ri)

Re 135

Exp (Hu et al, 2011)

Numerik

Ri Cd Ri(exp) Cd(exp) Error (%)

0 1,43955 0 1,5 4,03

0,25 1,4944

0,5 1,94121 0,5 2,11198 10,6024

0,75 2,66168

1 3,33333 1,04 3,5 6,020815

gaya buoyancy akan semakin besar bertindak sabagai penghambat aliran dan mendorong daerah resirkulasi semakin ke belakang.

Wake yang besar menyebabkan pressure drop tinggi sehingga Cd tinggi

0

2

4

6

8

10

12

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25

Ave

rag

e N

u

Richardson number (Ri)

Re 135

Exp (Hu et al, 2011)

Numerik

Ri 𝑁𝑢 Ri(exp) 𝑁𝑢 (exp) Error (%)

0.25 10,1356

0.5 6,9136

0.5 6,43575 7,424931

0.75 5,3

1 3,55932

1.04 2,81564 26,41247

Ri St Ri(exp) St(exp) Error (%)

0 0.17116 0 0.171 0.14

0,25 0.164 0,19 0.161

0,5 0.121 0,5 0.118 12.6

0,75 0.119 0,72 0.105

1 0.110 1,04 0.103 6.6

0,08

0,09

0,1

0,11

0,12

0,13

0,14

0,15

0,16

0,17

0,18

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25

Stro

uh

al n

um

ber

Richardson number

Hu et al,2011 (exp)

Numerik

gaya buoyance besar, menyebabkan frekuensi terbentuknya vortex shedding akan semakin kecil dan waktu terbentuknya vortex shedding akan semakin lama.

Analisa dan Pembahasan Pengaruh Reynolds number pada Wake closure length (Lc), Drag Coefficient (Cd) dan Average Nusselt number

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 0,25 0,5 0,75 1

Wa

ke C

losu

re le

ng

th(L

c/D

)


Wake closure length

Re 100

Re 135

Re 200

Re tinggi maka momentum yang dimiliki aliran kuat untuk mengatasi adverse pressure gradient dan gaya buoyancy, sehingga wake closure length (Lc) akan semakin kecil.


1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 0,25 0,5 0,75 1

Dra

g C

oef

fici

ent

(Cd

)


Coefficient Drag (Cd)

Re 100

Re 135

Re 200

Seiring meningkatnya Re pada masing-masing nilai Ri maka daerah wake akan semakin kecil sehingga Cd kecil.


2

4

6

8

10

12

14

0,25 0,5 0,75 1

Ave

rag

e N

u


Average Nu

Re 100

Re135

Re 200

Semakin cepat kecepatan pendinginan maka koefisien konveksi akan tinggi dan mengakibatkan nilai 𝑁𝑢 akan tinggi.


Kontur temperatur pada Re 100 pada saat t = 32 s a. Ri 0.25 b. Ri 0.5 c. Ri 1

Kontur kecepatan pada Re 100 pada saat t = 32 s a. Ri 0 b. Ri 0.5 c. Ri 1

Kesimpulan

• Wake closure length (Lc) akan semakin panjang dengan ditingkatkannya Richardson number

• Koefisien drag akan semakin besar seiring ditingkatkannya nilai Ri

• Terbentuknya vortex shedding akan semakin kecil dan waktu terbentuknya semakin lama dengan ditingkatkannya nilai Ri.

• Nusselt number rata-rata akan menurun seiring bertambahnya nilai Ri.

• Dengan semakin tingginya nilai Re maka wake closure length akan kecil dan nilai koefisien drag semakin kecil

• Semakin tinggi Re maka Nusselt number rata-rata akan meningkat

TERIMA KASIH Mohon masukan dan saran

STUDI NUMERIK PENGARUH VARIASI REYNOLD...

Documents

Transcript of STUDI NUMERIK PENGARUH VARIASI REYNOLD...