Tugas Besar CFD dan Komputasi Teknik

Aplikasi Perpindahan Panas Terhadap Susunan Material Pada Dinding Kamar yang Disusun Seri

Ruangan kamar merupakan sebuah ruangan yang sangat penting bagi kehidupan manusia. Jika sehari memiliki jumlah waktu 24 jam, maka sekitar 10-12 jam akan dihabiskan di dalam kamar. Oleh karena itu sangatlah penting untuk membuat ruangan kamar senyaman mungkin. Temperatur di dalam kamar merupakan parameter penting yang harus diketahui oleh penghuninya. Temperatur ruangan merupakan parameter yang menentukan tingkat kenyamanan manusia. Menjaga agar temperatur di dalam ruangan kamar tetap nyaman, merupakan suatu teknik yang penting. Temperatur kamar yang nyaman, akan membuat penghuni di dalamnya merasa nyaman untuk tinggal di dalamnya.  

Perpindahan panas konduksi merupakan peristiwa di mana panas berpindah atau merambat melalui benda padat. Pada ruangan kamar, maka kemungkinan paling besar adalah panas dari luar ruangan berpindah melalui dinding kamar menuju ke dalam ruangan. Dinding kamar merupakan media yang paling vital dalam perpindahan panas konduksi dari luar ruangan menuju ruangan kamar. Material pada dinding kamar menjadi masalah tersendiri di mana setiap material bangunan tentunya memiliki nilai konduktivitas termal yang bermacam-macam.

 Permasalahan

Salah satu dinding kamar saya memang terkena langsung sinar matahari ketika siang hari. Dan ketika saya memegang dinding di sebelah barat (dinding yang terkena langsung sinar matahari), dinding tersebut memiliki temperatur yang lebih panas jika dibandingkan dengan temperatur dinding yang lainnya. Oleh karena itu saya mempunyai hipotesis bahwa dinding yang terkena sinar matahari itulah yang memberikan dampak terhadap ruangan kamar saya. Oleh karena itu, saya ingin melakukan pengujian menggunakan perhitungan dan akan didapatkan persamaan dari grafik hasil perhitungan menggunakan perhitungan numeric visual basic dan hasil perhitungan akan dicocokan dengan simulasi CFD (computational fluids dynamic). Dari pengujian itu nantinya akan didapatkan hasil distribusi temperatur selama 24 jam.

Asumsi

1.      Pemodelan dinding sebagai media perpindahan panas dianggap sebagai model 2-D (dua dimensi)

2.      Perpindahan panas secara konveksi diabaikan, sehingga temperatur luar ruangan dianggap sebagai temperatur luar dinding dan temperatur dalam ruangan dianggap sebagai temperatur dinding dalam.

3.      Cat tembok dianggap tidak ada sehingga konduktivitas termal cat tembok diabaikan.

 

contoh perhitungan

 Visual Basic

Userform dan program baik kondisi normal maupun susunan seri adalah sama, yang berbeda hanya hasilnya

 

Private Sub CommandButton1_Click()

Dim x1, x2, x3, x4, x5, x6, y1, y2, y3, y4, y5, y6, n As Double

Dim x7, x8, x9, x10, x11, x12, y7, y8, y9, y10, y11, y12 As Double

Dim sum_x, sum_y, sum_x_2, sum_x_3, sum_x_4, sum_x_y, sum_x_2_y As Double

Dim U11, U12, U13, b21, b22, b23, b24, c31, c32, c33, c34, d31, d32, d33, d34 As Double

Dim a2, a1, a0 As Double

'Mendefinisikan variabel

x1 = arax1.Text

x2 = arax2.Text

x3 = arax3.Text

x4 = arax4.Text

x5 = arax5.Text

x6 = arax6.Text

x7 = arax7.Text

x8 = arax8.Text

x9 = arax9.Text

x10 = arax10.Text

x11 = arax11.Text

x12 = arax12.Text

y1 = aray1.Text

y2 = aray2.Text

y3 = aray3.Text

y4 = aray4.Text

y5 = aray5.Text

y6 = aray6.Text

y7 = aray7.Text

y8 = aray8.Text

y9 = aray9.Text

y10 = aray10.Text

y11 = aray11.Text

y12 = aray12.Text

n = aran.Text

'Mencari nilai sum dari berbagai jenis

sum_x = Val(x1) + Val(x2) + Val(x3) + Val(x4) + Val(x5) + Val(x6) + Val(x7) + Val(x8) + Val(x9) + Val(x10) + Val(x11) + Val(x12)

sum_y = Val(y1) + Val(y2) + Val(y3) + Val(y4) + Val(y5) + Val(y6) + Val(y7) + Val(y8) + Val(y9) + Val(y10) + Val(y11) + Val(y12)

sum_x_2 = x1 ^ 2 + x2 ^ 2 + x3 ^ 2 + x4 ^ 2 + x5 ^ 2 + x6 ^ 2 + x7 ^ 2 + x8 ^ 2 + x9 ^ 2 + x10 ^ 2 + x11 ^ 2 + x12 ^ 2

sum_x_3 = x1 ^ 3 + x2 ^ 3 + x3 ^ 3 + x4 ^ 3 + x5 ^ 3 + x6 ^ 3 + x7 ^ 3 + x8 ^ 3 + x9 ^ 3 + x10 ^ 3 + x11 ^ 3 + x12 ^ 3

sum_x_y = x1 * y1 + x2 * y2 + x3 * y3 + x4 * y4 + x5 * y5 + x6 * y6 + x7 * y7 + x8 * y8 + x9 * y9 + x10 * y10 + x11 * y11 + x12 * y12

sum_x_4 = x1 ^ 4 + x2 ^ 4 + x3 ^ 4 + x4 ^ 4 + x5 ^ 4 + x6 ^ 4 + x7 ^ 4 + x8 ^ 4 + x9 ^ 4 + x10 ^ 4 + x11 ^ 4 + x12 ^ 4

sum_x_2_y = (x1 ^ 2 * y1) + (x2 ^ 2 * y2) + (x3 ^ 2 * y3) + (x4 ^ 2 * y4) + (x5 ^ 2 * y5) + (x6 ^ 2 * y6) + (x7 ^ 2 * y7) + (x8 ^ 2 * y8) + (x9 ^ 2 * y9) + (x10 ^ 2 * y10) + (x11 ^ 2 * y11) + (x12 ^ 2 * y12)

'Eliminasi Gauss untuk menghitung a0, a1, dan a2

'Eliminasi pertama

U11 = sum_x / n

b21 = sum_x - (U11 * n)

b22 = sum_x_2 - (U11 * sum_x)

b23 = sum_x_3 - (U11 * sum_x_2)

b24 = sum_x_y - (U11 * sum_y)

'Eliminasi Kedua

U12 = sum_x_2 / n

c31 = sum_x_2 - (U12 * n)

c32 = sum_x_3 - (U12 * sum_x)

c33 = sum_x_4 - (U12 * sum_x_2)

c34 = sum_x_2_y - (U12 * sum_y)

'Eliminasi Ketiga

U13 = c32 / b22

d31 = c31 - (U13 * b21)

d32 = c32 - (U13 * b22)

d33 = c33 - (U13 * b23)

d34 = c34 - (U13 * b24)

'Substitusi Balik

a2 = d34 / d33

a1 = (b24 - (b23 * a2)) / b22

a0 = (sum_y - (sum_x_2 * a2) - (sum_x * a1)) / n

hasila0.Caption = a0

hasila1.Caption = a1

hasila2.Caption = a2

End Sub

Hasil kondisi normal

 Kondisi Seri

Simulasi CFD

 Kseimpulan

—  Penambahan material isolator tambahan berupa gypsum, udara, serta polyurethane masing-masing disusun seri telah berpengaruh dengan terhambatnya aliran perpindahan panas konduksi dari luar kamar menuju ke dalam kamar. 

Video Komputasi Teknik

Video CFD

Pentingnya Satuan Dalam Perhitungan Fisika

Depok, 23 Mei 2012

Satuan dari suati besaran mungkin dapat bermacam-macam. Di dalam ilmu fisika, terdapat berbagai macam satuan besaran, mulai dari Satuan Internasional (SI), satuan Inggris, satuan Amerika dan sebagainya. Penting bagi seorang engineer untuk menyeragamkan satuan dari setiap besaran ke dalam sebuah persamaan. Hal itu penting untuk mendapatkan hasil perhitungan yang valid. Apabila dalam perhitungan ingin digunakan satuan SI, maka seluruh komponen besaran harus digunakan satuan SI dan jangan mencampuradukan dengan satuan yang lain misalnya satuan Inggris.

Apabila kita mencampuradukkan satuan-satuan setiap besaran, maka hasil yang akan didapatkan bisa kacau dan tidak valid. Berikut akan ditampilkan beberapa jenis satuan dari suatu besaran :

Satuan SI

Satuan Inggris

Berikut akan ditampilkan konversi dari satuan Inggris ke satuan SI

Menghitung Drag Coefficient dari Suatu Penghalang Aliran

Depok, 22 Mei 2012

Drag Coefficient dalam mekanika fluida adalah suatu bilang tak berdimensi yang menyatakan suatu hambatan atau resistant dari suatu benda (object) yang berada di dalam suatu aliran. Semakin rendah nilai drag coefficient, maka hambatan aerodinamik maupun hidrodinamiknya semakin kecil. Dengan kata lain semakin kecil nilai drag coefficient, maka suatu benda semakin memiliki bentuk aerodinamik sehingga hambatan udara maupun hambatan airnya menjadi kecil dan fluida dapat dengan lancar melewati benda tersebut.

Untuk menghitung drag coefficient, maka dapat digunakan persamaan di bawah ini

 di mana :

: the drag force, yaitu gaya yang bekerja searah aliran fluida

   : massa jenis fluida

    : kecepatan fluida

  : luas area dari benda

 Untuk menghitung drag coefficient, dapat dilakukan dengan dua tahap, yaitu secara teoritis dan dengan simulasi. Adapun simulasi dapat dilakukan dengan simulasi CFD menggunakan CFDSOF.

1. Perhitungan dengan pendekatan teoritis

Untuk melakukan perhitungan dengan teoritis, dilakukan dengan rumus

dengan asumsi nilai Fd, , v, dan A diketahui. Untuk lebih praktisnya, sudah adal nilai drag coefficient untuk beberapa benda yaitu :

2. Perhitungan drag coefficient dengan simulasi CFD

Untuk melakukan simulasi CFD, maka akan dibagi ke dalam 3 kategori ukuran benda, yaitu

• a / b = 1
• a / b < 1
• a / b > 1

dengan gambar benda adalah sebagai berikut :

 Perhitungan a / b = 1

1. Buat ukuran domain sebagai beikut :

2. Buat pengaturan cell sebagai berikut

setelah diperbesar

3. Lakukan pengaturan kondisi sempadan dengan memasukkan input kecepatan yang didapat dari bilangan Reynoulds :

Karena diinginkan aliran laminar, maka untuk simulasi ini diinginkan nilai Re sebesar 2000. Fluida yang mengalir adalah udara dengan massa jenis 1.2 kg/m3 dan viskositas 10^-5

2000 = (1.2 x v x 0.5) / (10^-5)

sehingga nilai v = 0.03 m/s

4. Masukkan nilai konstanta fisikal (kf) dengan properties udara dengan massa jenis 1.2 kg/m3 dan viskositas 10^-5

5. Hasil simulasi yaitu berupa kontur kecepatan

 Gaya yang bekerja pada benda adalah sebagai berikut

Gaya yang mengakibatkan drag (hambatan) adalah gaya shear stress pada arah aliran fluida, yaitu arah-x. sehingga dapat diketahui data Cd sebagai berikut :

Dari setiap bagian benda penghalang, yaitu dari wall 1 sampai wall 5, maka drag cukup signifikan pada wall 3 dan 4 yaitu pada sisi atas dan bawah benda penghalang yaitu sebesar 0.034. Apabila dilandingkan dengan teoritis, terdapat perbedaan dimana Cd teoritis untuk cube sebesar 1.15. 

Perhitungan a / b < 1

1. Buat ukuran domain sebagai beikut :

2. Buat pengaturan cell sebagai berikut

setelah diperbesar

3. Lakukan pengaturan kondisi sempadan dengan memasukkan input kecepatan yang didapat dari bilangan Reynoulds :

Karena diinginkan aliran laminar, maka untuk simulasi ini diinginkan nilai Re sebesar 2000. Fluida yang mengalir adalah udara dengan massa jenis 1.2 kg/m3 dan viskositas 10^-5



2000 = (1.2 x v x 0.5) / (10^-5)


sehingga nilai v = 0.03 m/s

4. Masukkan nilai konstanta fisikal (kf) dengan properties udara dengan massa jenis 1.2 kg/m3 dan viskositas 10^-5


5. Hasil simulasi yaitu berupa kontur kecepatan

 Gaya yang bekerja pada benda adalah sebagai berikut

Gaya yang mengakibatkan drag (hambatan) adalah gaya shear stress pada arah aliran fluida, yaitu arah-x. sehingga dapat diketahui data Cd sebagai berikut :

Dari setiap bagian benda penghalang, yaitu dari wall 1 sampai wall 5, maka drag cukup signifikan pada wall 3 dan 4 yaitu pada sisi atas dan bawah benda penghalang yaitu sebesar 0.023. Apabila dilandingkan dengan teoritis, terdapat perbedaan dimana Cd teoritis untuk cube sebesar 1.05. 

Perhitungan a / b > 1

 
1. Buat ukuran domain sebagai beikut :

2. Buat pengaturan cell sebagai berikut

setelah diperbesar

3. Lakukan pengaturan kondisi sempadan dengan memasukkan input kecepatan yang didapat dari bilangan Reynoulds :

Karena diinginkan aliran laminar, maka untuk simulasi ini diinginkan nilai Re sebesar 2000. Fluida yang mengalir adalah udara dengan massa jenis 1.2 kg/m3 dan viskositas 10^-5



2000 = (1.2 x v x 0.5) / (10^-5)


sehingga nilai v = 0.03 m/s

4. Masukkan nilai konstanta fisikal (kf) dengan properties udara dengan massa jenis 1.2 kg/m3 dan viskositas 10^-5


5. Hasil simulasi yaitu berupa kontur kecepatan

 Gaya yang bekerja pada benda adalah sebagai berikut

Gaya yang mengakibatkan drag (hambatan) adalah gaya shear stress pada arah aliran fluida, yaitu arah-x. sehingga dapat diketahui data Cd sebagai berikut :

Dari setiap bagian benda penghalang, yaitu dari wall 1 sampai wall 5, maka drag cukup signifikan pada wall 3 dan 4 yaitu pada sisi atas dan bawah benda penghalang yaitu sebesar 0.046. Apabila dilandingkan dengan teoritis, terdapat perbedaan dimana Cd teoritis untuk cube sebesar 0.82. 

Jika dibandingkan antara hasil simulasi dan teoritis memang masing terdapat perbedaan angka. hal tersebut mungkin disebabkan oleh pemodelan simulasi serta grid yang mungkin kurang memiliki cell yang banyak sehingga masing terjadi perbedaan nilai yang signifikan, Namun trend nilai Cd sudah sesuai dengan teori di mana nilai Cd untuk a / b < 1 memiliki nilai yang lebih kecil dibandingkan dengan nilai Cd untuk a / b = 1. Sebaliknya untuk nlai Cd a / b > 1 lebih besar jika dibandingkan dengan nilai Cd a / b = 1. 

Perhitungan prssure Drop dan Ketinggian h Dengan Simulasi

Depok, 22 Depok 2012



Setelah dilakukan analitis secara teoritis yang ditulis pada blog sebelumnya yang berjudul " Perhitungan Pressure Drop dan Ketinggian h Pada Aliran", kemudian dilakukan koreksi menggunakan simulasi CFD. Simulasi CFD dilakukan menggunakan CFDSOF.

Penyelesaian dengan menggunakan CFDSOF menggunakan langkah-langkah sebagai berikut :

Langkah Pre-Processing
1. Atur Domain



2. Atur Model



3. Atur Cell



4. Atur Kondisi Sempadan



5. Masukan nilai KF

in – kf – dn -  vs (masukan densitas 8900/9.81dan viskositas 0.1)



6. Masukan ‘Bagi Grid’

BG – 1 (aksial) serta 2 (radial). Masukan faktor pemberat  masing-masing 3)



7. Langkah Processing

Lakukan Iterasi sampai hasil konvergen



8. Langkah Post-Processor

Vektor kecepatan



Kontur Tekanan



Profil tekanan



Distribusi tekanan pada cell 2 dan 49 yang dapat menunjukkan perbedaan tekanan pada pipa panjang 0.5 m dapat dilihat dari ‘lihat alfa’
La- pv – ttr




Hasil perhitungan dengan simulasi menggunakan CFDSOF :
P1 – P2 = 45900 Pa – 30500 Pa = 15400 Pa
Dari sini dapat dilihat bahwa perbedaan tekanan hasil simulasi CFDSOF ≤ perbedaan tekanan  hasil perhitungan analitis, yaitu : 15400 Pa ≤ 30438 Pa
Dari hasil simulasi menunjukkan bahwa fluida mengalir dari tekanan tinggi ke tekanan rendah yang mana hal tersebut sesuai dengan prinsip dasar dari aliran fluida yang ditunjukkan dengan hasil Δp = P₁ – P₂ hasilnya positif yaitu 15400 Pa