STUDI NUMERIK PENGARUH VARIASI REYNOLD...
Transcript of 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
Analisa dan Pembahasan
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
Analisa dan Pembahasan
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
Analisa dan Pembahasan
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
)
Richardson Number (Ri)
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.
Analisa dan Pembahasan
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
)
Richardson Number (Ri)
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.
Analisa dan Pembahasan
2
4
6
8
10
12
14
0,25 0,5 0,75 1
Ave
rag
e N
u
Richardson Number (Ri)
Average Nu
Re 100
Re135
Re 200
Semakin cepat kecepatan pendinginan maka koefisien konveksi akan tinggi dan mengakibatkan nilai 𝑁𝑢 akan tinggi.
Analisa dan Pembahasan
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
Analisa dan Pembahasan
Kontur temperatur pada Re 135 pada saat t = 32 s a. Ri 0.25 b. Ri 0.5 c. Ri 1
Kontur kecepatan pada Re 135 pada saat t = 32 s a. Ri 0 b. Ri 0.5 c. Ri 1
Analisa dan Pembahasan
Kontur temperatur pada Re 200 pada saat t = 32 s a. Ri 0.25 b. Ri 0.5 c. Ri 1
Kontur kecepatan pada Re 200 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