Simulasi CFD Untuk Kasus Difusi-Konveksi Contoh soal 5.1

Depok 21 Maret 2012

Terkadang untuk peristiwa perpindahan panas dapat pula terjadi lebih dari satu jenis perpindahan panas. Ketika peristiwa perpindahan panas pana fluida, tentu peristiwa yang terjadi tidaklah sepenuhnya konduksi (difusi) seperti pada perpindahan panas pada benda padat. Pada kasus tersebut terjadi perpaduan perpindahan panas, yaitu difusi-konveksi. Contoh soal 5.1 mencoba menjelaskan mengenai fenomena tersebut.

Soal diatas memvariasikan nilai kecepatan u, namun untuk pemecahan masalah di blog ini, variasi diubah menjadi mengubah nilai densitas dari fluida. Pengubahan nilai kecepatan u atau densitas sebenanrnya tidak terlalu signifikan karena sesungguhnya yang ingin divariasikan bukanlah besar kecilnya nilai densitas maupun kecepatan u dari aliran, namun yang ingin divariasikan adalah nilai F yaitu fluks massa konveksi. Adapun nilai F adalah 

Dengan bertambahnya nilai densitas maka nilai F akan naik jika kecepatan u dijaga konstan, begitupun nilai F akan bertambah jika kecepatan u bertambah dengan nilai densitas konstan.

Untuk mengetahui peristiwa apa yang terjadi untuk kasus difusi-konveksi, maka akan dilakukan simulasi CFD menggunakan CFDSOF. Adapun algoritma langkah adalah sebagai berikut :

1. Atur domain dimana sistem adalah 2 dimensi dengan ukuran panjang 0.7 m dan tinggi 0.2 m. Jumlah cell untuk panjang sebanyak 7 cell dan untuk tinggi sebanyak 3 cell.
2. Lakukan atur model lalu lakukan hitung temperatur dan wall konduksi

 3. Lakukan Input cell dan lakukan tayang serta mengatur kondisi cell

Untuk W1 dan W2 dibuat sebagai boundary, sedangkan bagian atas dan bawah dibuat symetri karena bagian atas dan bawah tidak terdapat proses apapun. Adapun W1 dan W2 adalah cell yang akan diberi perbedaan temperatur sehingga dibeli cell wall.

4. Masukkan nilai kondisi fisikal (kf) dan masukan nilai densitas sebesar 0.1 kg/m3 untuk kasus 1, densitas  0.01 kg/m3 untuk kasus 2, densitas 0.001 kg/m3 untuk kasus 3, dan densitas 0.0001 kg/m3 untuk kasus 4.

5. Masukkan kecepatan u sebesar 0.1 m/s.

6. Masukkan temperatur W1 274 K dan temperatur W2 273 K sehingga terdapat beda temperatur sebesar 1 derajat Kelvin.

Untuk tampilan program di CFDSOF adalah sebagai berikut :

Untuk difusi-konveksi, maka persamaan pada CFDSOF diatur hanya persamaan temperatur dan entalpi saja dengan cara klik Olah - Persamaan :

Lalu atur kondisi sempadan dari W1dengan temperatur 274 K

Lakukan pengaturan kondisi sempadan untuk W2

Kemudian lakukan iterasi sebanyak 1000 dan hasilnya

- Untuk densitas 0.1 kg/m3

Untuk memvariasikan densitas, cukup ketik kembali kf pada CFDSOF dan ubah densitas menjadi 0.01 ; 0.001; dan 0.0001, lalu lakukan iterasi dan klik "tidak" sehingga data sebelumnya tidak terhapus. Berikut adalah berbagai hasil yang lain

- Untuk densitas 0.01 kg/m3

- Untuk densitas 0.001 kg/m3

- Untuk densitas 0.0001 kg/m3

Dari hasil simulasi terlihat semakin kecil densitas yang berdampak semakin kecilnya nilai F (fluks massa konveksi) maka grafik semakin mendekati linear, artinya peristiwa konveksi semakin tidak terjadi sebaliknya proses konduksi terjadi pada sistem.