Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri ITS Laporan Tugas Akhir Konversi Energi 113 BAB V BACKWARD - FACING STEP Hasil validasi software memberikan informasi tentang karakteristik discretization scheme dan performance kelima model turbulensi dalam menyelesaikan aliran di dekat dinding. Informasi ini sangat berguna untuk penyelesaian simulasi aliran pada Backward-Facing Step. Simulasi pada aliran Backward-Facing Step ini dilakukan dengan menggunakan discretization scheme Streamline Upwind / Petro- Galerkin Approach (SUPG). Namun, simulasi ini tetap menggunakan kelima model k- ε yang ada pada Ansys CFD Flotran Versi 5.6. Penggunaan kelima k-ε model ini dimaksudkan agar kemampuan setiap model dapat dibandingkan, karena setiap model turbulensi memiliki kelemahan dan keunggulan sehingga belum tentu salah satu model k-ε dapat memberikan hasil yang paling baik dalam menyelesaikan semua konfigurasi aliran. Hasil simulasi pada aliran melintasi pelat datar menunjukkan model turbulensi yang dikembangkan oleh Girimaji (GIR) memberikan hasil prediksi yang terbaik. Namun, belum tentu model tersebut juga memberikan prediksi yang terbaik juga dalam menyelesaikan aliran Backward-Facing Step. 5.1 Definisi Masalah Simulasi ini dilakukan dengan asumsi aliran berupa aliran incompressible, steady, viscous, dua dimensi, dan adiabatic. Simulasi ini bertujuan menguji kemampuan model turbulensi k-ε model dalam memprediksi profil distribusi
36
Embed
BAB V BACKWARD - FACING STEP - personal.its.ac.idpersonal.its.ac.id/files/material/1622-ikhwan-me-materi simulasi 2... · Jurusan Teknik Mesin ... Laporan Tugas Akhir ... (jet) akan
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri ITS Laporan Tugas Akhir
Konversi Energi 113
BAB V
BACKWARD - FACING STEP
Hasil validasi software memberikan informasi tentang karakteristik
discretization scheme dan performance kelima model turbulensi dalam menyelesaikan
aliran di dekat dinding. Informasi ini sangat berguna untuk penyelesaian simulasi
aliran pada Backward-Facing Step. Simulasi pada aliran Backward-Facing Step ini
dilakukan dengan menggunakan discretization scheme Streamline Upwind / Petro-
Galerkin Approach (SUPG). Namun, simulasi ini tetap menggunakan kelima model k-
ε yang ada pada Ansys CFD Flotran Versi 5.6. Penggunaan kelima k-ε model ini
dimaksudkan agar kemampuan setiap model dapat dibandingkan, karena setiap model
turbulensi memiliki kelemahan dan keunggulan sehingga belum tentu salah satu
model k-ε dapat memberikan hasil yang paling baik dalam menyelesaikan semua
konfigurasi aliran. Hasil simulasi pada aliran melintasi pelat datar menunjukkan
model turbulensi yang dikembangkan oleh Girimaji (GIR) memberikan hasil prediksi
yang terbaik. Namun, belum tentu model tersebut juga memberikan prediksi yang
terbaik juga dalam menyelesaikan aliran Backward-Facing Step.
5.1 Definisi Masalah
Simulasi ini dilakukan dengan asumsi aliran berupa aliran incompressible,
steady, viscous, dua dimensi, dan adiabatic. Simulasi ini bertujuan menguji
kemampuan model turbulensi k-ε model dalam memprediksi profil distribusi
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri ITS Laporan Tugas Akhir
Konversi Energi 114
kecepatan sepanjang daerah yang bersirkulasi dan titik terjadinya reattachment length.
Selain itu, simulasi ini juga memprediksi profil distribusi turbulent kinetic energy (k)
sepanjang daerah yang bersirkulasi, yang berguna dalam memprediksi nilai energi
dissipasi (ε), dimana prediksi ini akan menunjukkan kemampuan model turbulensi
tersebut dalam menyelesaikan kasus perpindahan panas untuk aliran thermal.
Untuk keperluan validasi, hasil simulasi ini disajikan dalam bentuk grafik y/H
= f(u/Uo) dan grafik y/H = f( Uotke / ) untuk beberapa lokasi x/H. Grafik-grafik
tersebut dibandingkan dengan data-data eksperimen dari Restivo (1979), hasil
simulasi dari Peng et al. (1997) dan Nur Ikhwan (2000).
5.2 Simulasi Aliran
Simulasi ini dilakukan dengan menggunakan discretization scheme SUPG,
dengan model turbulensi k-ε standard, RNG, NKE, GIR dan SZL yang mengunakan
Wall Function untuk menyelesaikan aliran di dekat dinding. Geometri aliran yang
digunakan sama seperti geometri simulasi yang dilakukan oleh Peng et al.,1997
(Gambar 5.1). Ekspansi rasio antara outlet dan inlet, H/h adalah 6, tinggi inlet (h) =
0.25 m, panjang inlet (p) = 0.5.h, panjang geometri yang mengalami pembesaran
penampang (L) = 100.h, dan selisih antara tinggi outlet dan inlet (W) = H – h.
Properties aliran yang digunakan adalah : Reynold Number (Re) = 5050 berdasarkan
ketinggian inlet, dimana : u = 10.1 m/s, ρ = 1 kg/m3, μ = 0.0005 kg/m.sec.
Meshing yang digunakan dalam simulasi ini adalah meshing yang uniform,
dengan jumlah node 14868 (Gambar 5.2). Boundary Conditon yang diaplikasikan
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri ITS Laporan Tugas Akhir
Konversi Energi 115
pada geometri aliran adalah : untuk inflow, kecepatan aliran adalah uniform,
sedangkan pada outflow berupa tekanan atmosfer, serta boundary condition
selebihnya adalah berupa wall.
Gambar 5.1 Aliran pada Backward-Facing Step
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri ITS Laporan Tugas Akhir
Konversi Energi 116
(a)
(b)
Gambar 5.2 Struktur grid (meshing) untuk aliran Backward-Facing Step (a) keseluruhan geometri, (b) hasil perbesaran
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri ITS Laporan Tugas Akhir
Konversi Energi 117
5.3 Hasil Simulasi dan Pembahasan
Aliran turbulen yang melalui Backward-Facing Step akan mengalami lokal
separasi. Terjadinya separasi ini pada dasarnya lebih didominasi oleh adanya efek
pembesaran penampang aliran secara mendadak, dari pada efek friksi yang ada pada
aliran. Pembesaran penampang aliran ini akan membuat momentum aliran fluida
menjadi lemah dan menimbulkan adanya adverse pressure gradient ( 0/ =∂∂ xp ) atau
sering disebut back pressure. Saat membesarnya penampang aliran, kecepatan fluida
(jet) akan menurun sehingga tekanan dinamis fluida juga ikut menurun, sementara
fluida memasuki daerah bertekanan tinggi (high pressure region), dimana adverse
pressure gradient mulai terjadi. Kondisi inilah yang menyebabkan momentum fluida
tidak lagi mampu melawan friksi dan tekanan balik (back pressure) yang berlawanan
dengan arah aliran fluida inlet, sehingga aliran fluida akan terseparasi. Setelah aliran
terseparasi, maka akan terjadi aliran balik (back flow) yang kemudian membentuk
aliran sekunder (vortex) pada daerah di sekitar dinding yang berekspansi tersebut.
Aliran fluida dapat pulih kembali, tetapi butuh panjang relaxasi (reattachment length)
dan titik awal pulihnya aliran fluida ini disebut reattachment point.
Gambar 5.3 menunjukkan vektor kecepatan pada kondisi awal terjadinya
pembesaran penampang. Adanya pembesaran penampang aliran bagian bawah yang
kemudian menimbulkan aliran sekunder, akan merusak boundary layer dinding inlet
bagian bawah. Boundary layer tidak akan terbentuk pada daerah yang mengalami
aliran sekunder ini, yaitu daerah mulai terjadinya pembesaran penampang dimana
aliran sekunder mulai terjadi, sampai pada titik pulihnya aliran fluida dimana aliran
tepat tidak mengalami aliran sekunder lagi. Boundary layer baru akan terbentuk
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri ITS Laporan Tugas Akhir
Konversi Energi 118
kembali mulai dari tercapainya titik reattachment length, dan akan terus mengembang
sampai ke outflow. Sedangkan, boundary layer dinding bagian atas sudah terbentuk
mulai dari inlet dan terus mengembang sampai ke outlet. Bila dibandingkan, boundary
layer dinding bagian atas yang mulai berkembang dari inlet terhadap boundary layer
dinding bagian bawah yang mulai berkembang dari titik reattachment length, ternyata
bukan boundary layer dinding bagian atas yang lebih tebal dari boundary layer
dinding bagian bawah. Hal ini dikarenakan adanya pembesaran penampang pada
aliran di sekitar dinding bagian bawah yang menimbulkan vortex menyebabkan
terganggunya aliran (disturbance) sehingga aliran turbulen yang sudah berfluktuasi
(u’,v’,dan w’) akan semakin berfluktuasi lagi. Hal inilah yang menyebabkan boundary
layer berkembang menjadi lebih tinggi. Berbeda kondisinya dengan dinding bagian
atas, dimana aliran jet yang keluar di daerah dekat dinding atas tidak mengalami
gangguan berupa vortex, dan ditambah adanya dinding bagian atas yang berfungsi
sebagai dinding penuntun (guidance wall) sehingga aliran dapat dituntun dengan
cukup teratur mengikuti kontur dinding tersebut. Karena tidak ada gangguan yang
cukup berarti inilah, maka boundary layer bagian atas yang terbentuk akan lebih tipis
dibanding boundary layer dinding bagian bawah, sekalipun boundary layer dinding
bagian bawah ini baru terbentuk saat tercapainya titik reattachment length. Tebal
boundary layer pada dinding bagian atas dan bawah diwakili oleh gradient kecepatan
pada ujung aliran (outlet) dari Backward-Facing Step (Gambar 5.4).
Kontur kecepatan yang menunjukkan tercapainya titik reattachment length
terlihat pada Gambar 5.5. Sedangkan Gambar 5.6 merupakan gambar streamline-
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri ITS Laporan Tugas Akhir
Konversi Energi 119
streamline aliran yang menunjukkan adanya aliran sekunder dan pulihnya aliran
setelah titik reattachment tercapai.
Adverse pressure gradient yang terjadi pada daerah di sekitar penampang yang
mengalami aliran sekunder akan terus mengecil sampai reattachment tercapai dimana
aliran tidak lagi diganggu oleh adverse pressure gradient. Fenomena ini ditunjukkan
oleh kontur tekanan pada Gambar 5.7 dimana nilai tekanan yang berharga negatif di
sekitar daerah yang mengalami aliran sekunder menunjukkan adanya adverse pressure
gradient sedangkan tekanan pada daerah setelah reattachment length tercapai adalah
bernilai positif dan relatif konstan.
Untuk menentukan titik tercapainya reattachment length dalam simulasi ini,
dapat dilakukan dengan mensortir sejumlah node terdekat dengan dinding yang
mengalami pembesaran penampang dimana secara hipotesis reattachment point akan
tercapai. Node-node yang telah disortir ini akan menunjukkan harga kecepatan yang
dimilikinya. Reattachment point dapat ditentukan dengan cara mencari vektor
kecepatan yang berharga nol pada sejumlah node yang telah disortir. Apabila node
yang telah disortir tidak menunjukkan vektor kecepatan yang berhaga nol, maka titik
reattachment length dapat diprediksi dengan menginterpolasi antara dua node yang
berharga negatif dan positif. Dalam validasi ini, untuk menyesuaikan data-data
simulasi dengan data eksperimen, maka reattachment length dibuat dalam bentuk
selisih antara tinggi outlet dan inlet (w).
Prediksi reattachment length untuk berbagai model turbulensi ditunjukkan
pada Tabel 5.1. Tabel ini menunjukkan hasil prediksi kelima model turbulensi k-ε
yang disimulasikan, model turbulensi LRN k-ω modifikasi yang disimulasikan oleh
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri ITS Laporan Tugas Akhir
Konversi Energi 120
Peng et al.(1997), model turbulensi LRN k-ε (Sharma-Launder) yang disimulasikan
oleh Nur Ikhwan (2000), dibandingkan dengan eksperimen yang dilakukan oleh
Restivo (1979). Sebagai tambahan, prediksi model turbulensi k-ε dengan modifikasi
closure coefficient, yang diajukan oleh HaMinh–Chassaing (1977) juga turut
dibandingkan. Tabel 5.1 ini juga memberikan persentase error yang dihasilkan oleh
masing-masing model turbulen sebagai variabel pembanding keakuratan dari model-