Aliran Turbulen Pada Aliran Fluida

Depok 18 April 2012

Aliran turbulen adalah aliran yang bergejolak atau mengalami olakan. Banyak aliran fluida yang terjadi di sekitar kita yang sebenarnya merupakan aliran turbulen. Selama ini kita mengasumsikan aliran adalah laminar agar aliran tersebut lebih mudah untuk dianalisis. Apabila fluida mengalir secara turbulen, maka diperlukan penyelesaian khusus dan biasanya lebih membutuhkan perhatian yang lebih dibandingkan kita meneliti aliran laminar.

Aliran laminar dan turbulen dapat diselidiki menggunakan bilangan Reynold Number. Dalam mekanika fluida, bilangan Reynolds adalah rasio antara gaya inersia terhadap gaya viskos yang mengkuantifikasikan hubungan kedua gaya tersebut dengan suatu kondisi aliran tertentu. Bilangan ini digunakan untuk mengidentikasikan jenis aliran yang berbeda, misalnya laminar dan turbulen. Bilangan Reynold merupakan salah satu bilangan tak berdimensi yang paling penting dalam mekanika fluida dan digunakan, seperti halnya dengan bilangan tak berdimensi lain, Untuk memberikan kriteria untuk menentukan dynamic similitude. Jika dua pola aliran yang mirip secara geometris, mungkin pada fluida yang berbeda dan laju alir yang berbeda pula, memiliki nilai bilangan tak berdimensi yang relevan, keduanya disebut memiliki kemiripan dinamis.

Rumus bilangan Reynolds umumnya diberikan sebagai berikut:

 

dengan: 

v_s - kecepatan fluida, 

L - panjang karakteristik, 

μ - viskositas absolut fluida dinamis, 

ν - viskositas kinematik fluida: ν = μ / ρ, 

ρ - kerapatan (densitas) fluid 

Apabila bilangan Re < 2300 maka aliran dianggap sebagai aliran laminar. Apabila bilangan Re berada pada batas 2300 < Re < 3000, maka aliran mengalami fase transisi dan apabila bilangan Re > 3000 maka aliran merupakan aliran turbulen. 

Sekarang mari kita simulasikan aliran turbulen menggunakan aplikasi CFD. Mari kita melakukan simulasi CFD menggunakan aplikasi CFDSOF.

1. Lakukan pengaturan domain untuk mengatur ukuran ruang. Kita akan melakukan simulasi pada aliran diantara pelat datar. Ukuran panjang adalah 1 meter, tinggi 0.025 meter dan jumlah cell yang digunakan adalah 50 cell untuk panjang dan 30 cell untuk tinggi. Karena bagian atas dan bawah sama, maka kita aktifkan aplikasi axis yang menandakan bagian atas dan bawah adalah simetris.

2. Untuk menganalisis aliran turbulen, maka aktifkan aplikasi turbulen dan gunakan K-Epsilon

3. Atur kondisi sempadan dengan klik input lalu klik KS. Untuk inlet 1, masukkan kececatan u sebesar 0.001 m/s.

4. Atur koefisien fisikal dengan memasukkan nilai densitas dan viskositas fluida air (bawaan)

5. Setelah semua input dan domain telah diatur, maka lakukan iterasi

6. Berikut adalah hasil simulasi :

-Kontur turbulensi (energi kinetik)

Kontur kecepatan

-Vektor kecepatan

Jika dilihat dari hasil simulasi di atas, maka terlihat bahwa aliran mengalami olakan di bagian entrance region. Hal itu terlihat dari kontur turbulen yang menyatakan energi kinetik fluida cukup besar pada area entrance region. Hal itu ditandai dengan warna kontur merah pada bagian atas tepat saat fluida memasuki area diantara pelat datar.

Ketik fluida mengalir dan memasuki area diantara 2 pelat, maka fluida mecari bentuk laminarnya terlebih dahulu. Untuk mencari bentuk laminar, fluida mengalami olakan dan pada akhirnya fluida mencapai kondisi laminar. Ketika melakukan penyesuaian dalam hal mencari bentuk laminar, energi kinetik fluida menjadi besar dikarenakan gerakan antar fluida menjadi lebih cepat. Ketika fluida mencapai kondisi laminar, maka fluida dapat dikatakan telah mencapai kondisi fully developed region. Pada kondisi ini, aliran menjadi lebih tenang dan mengalir dengan kecepatan di bagian tengah lebih tinggi dan semakin mengecil mendekati batas fluida dan pelat. Hasil simulasi di atas merupakan aliran yang dipotong pada sumbunya, sehingga sebenarnya bagian yang terlihat pada kontur kecepatan adalah dari sumbu sampai ke pelat bagian atas. Ilustrasi di bawah ini mungkin mampu menjelaskan lebih detail. Jika aliran secara utuhnya adalah sebagai berikut :

maka karena aliran tersebut simetris, maka kita hanya menganalisis setengah dari jarak antara 2 pelat, sehingga 

Jadi dapat dikatakan aliran yang secara utuh di antara 2 pelat sejajar merupakan cerminan dari aliran yang kita simulasikan saat ini. Hal itu dimungkinkan karena apabila aliran kita potong tepat pada sumbu arah x, maka bagian di atas sumbu dan di bawah sumbu adalah simetris.