UTS CFD Aliran Diantara 2 Pelat Datar

Depok, 15 April 2012

Fluida merupakan suatu zat yang dapat mengalir dari suatu titik menuju titik lain. Fluida merupakan suatu zat yang memiliki karakteristik tersendiri. Ada sifat-sifat serta perilaku fluida yang membutuhkan analisis lebih mendalam. Fluida selalu bergerak, akibatnya fluida memiliki sifat mekanik. Fluida pun memiliki wujud sehingga memiliki karakteristik fisik. Aliran fluida dalam suatu pipa merupakan contoh paling jamak yang ering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari, khususnya pada bidang engineering. 

Pada kasus ini, kita akan coba mendalami mengenai proses aliran diantara 2 pelat datar. Berikut adalah kasus yang akan kita teliti :

Pada aliran di atas, lebar dari masing-masing pelat adalal sangat panjang, akibatnya aliran hanya memiliki pengaruh sepanjang sumbu x dari panjang pelat L. Jarak diantara 2 pelat adalah H. Panjang pelat (L) adalah 1 meter dan jarak diantara 2 pelat (H) adalah 0.1 meter. Aliran diantara 2 pelat tersebut adalah aliran udara dengan densitas 1.2 kg/m3. Dengan melihat pola aliran diantara 2 pelat tersebut, maka perilaku aliran mendekati aliran di dalam pipa. Oleh karena itu pendekatan aliran di dalam pipa dipilih untuk menyelesaikan permasalahan aliran diantara 2 pelat.

Aliran fluida di dalam pipa mengikuti hukum persamaan Navier Stoke yaitu :

Persamaan Navier-Stoke merupakan persamaan aliran fluida yang berasal dari hukum kekekalan momentum. Dari persamaan diatas, maka dapat disederhanakan menjadi

Pada prinsipnya, suatu fluida akan mengalir apabila terjadi perbedaan tekanan. Oleh karena itu, dengan membuat suatu perbedaan tekanan antara 2 titik, maka aliran fluida akan terjadi sehingga distribusi tekanan di sepanjang ruang antara 2 pelat dapat diketahui. dengan menggunakan rumus di atas, maka besarnya kecepatan aliran di sepanjang ruangan diantara 2 pelat dapat diketahui.

Dari konsep di atas, maka sekarang marilah kita lakukan simulasi CFD. Berikut adalah langkah-langkahnya

1. Buka CFDSOF untuk melakukan simulasi CFD

2. Klik Input lalu lakukan atur domain untuk mengatur ukuran dan jumlah cell. Ukuran dari bidang uji adalah L = 1 m dan H = 0.1 m. Adapun jumlah cell yang digunakan adalah untuk panjang L = 100 cell dan untuk tinggi H adalah 10 cell.

3. Klik Input kembali dan lakukan pengaturan cell, dimana sekeliling cell adalah wall dan bagian tengah adalah live.

4. Buatlah Inlet di sebelah kanan dan kiri dari sistem lalu setting input sebelah kiri sebagai inlet 1 dan sebelah kanan sebagai inlet 2. Buatlah perbedaan tekanan dengan cara klik Input, atur KS dan buatlah tekanan pada inlet 1 lebih besar dari inlet 2, dalam hal ini perbedaan tekanan dibuat sebesar 5 Pa.

5. Lakukan pembagian segmen dengan Inisialisasi Segmen, bagi segmen sumbu x menjadi 2 segmen dengan segmen pertama titik 0 sampai titik 0.5 dan segmen kedua adalah antara titik 0.5 sampai titik 1. Adapun jumlah cell pada segmen pertama berjumlah 50 cell, serta segmen kedua adalah 48 cell.

6. Lakukan pembagian segmen dengan Inisialisasi Segmen, bagi segmen sumbu y menjadi 2 segmen dengan segmen pertama titik 0 sampai titik 0.05 dan segmen kedua adalah antara titik 0.05 sampai titik 0.1. Adapun jumlah cell pada segmen pertama berjumlah 4 cell, serta segmen kedua adalah 4 cell.

7. Lakukan modifikasi untuk mengatur grid. untuk sumbu x, segmen 1 grid dibuat lebih rapat sebelah kiri dengan perbandingan 1 : 4, adapun untuk segmen 2 grid dibuat lebih rapat kanan dengan perbandingan 1 : 4. langkah-langkahnya adalah sebagai berikut

8. Begitupun dengan langkah yang sama, lakukan pengaturan grid untuk sumbu y, dimana untuk segmen 1, grid dibuat lebih rapat di sebelah bawah dengan perbandingan 1 : 4 serta untuk segmen 2 grid dibuat lebih rapat sebelah atas dengan perbandingan 1 : 4

  
9. Atur koefisien konstanta dengan mengetik kf lalu isi inputan jenis fluida. Fluida yang digunakan adalah udara dengan densitas 1 kg/m3 dan viskositas 1 kg/ms.

Berikut adalah hasilnya setelah pengaturan :

Setelah semua input telah dimasukkan, maka lakukan iterasi untuk mulai melakukan simulasi. hasil simulasi adalah sebagai berikut :

Grafik untuk melihat berbagai kecepatan di sepanjang aliran adalah sebagai berikut

Semakin ke tengah dari sumbu x, maka aliran semakin membentuk pola full developed dimana di saat itu aliran telah dalam keadaan laminar. Ketika aliran masuk ke dalam zona antara 2 pelat, zona tersebut membuat aliran fluida bergejolak. Zona ini disebut Entrance Zone. Dari gejolak ini, fluida kemungkinan berada pada fase turbulen. Seiring mengalirnya fluida, maka lambat laun fluida akan mencari fase laminar secara alamiah. Pada fase ini aliran menjadi lebih tenang yang ditandai dengan berkurangnya nilai Reynolds Number. Zona ini disebut Fully Developed Zone. Pada zona ini kecepatan pada bagian tengah memiliki kecepatan yang paling tinggi diantara titik lainnya. Pada bagian bawah dan bagian atas, kecepatan semakin berkurang dan menjadi nol pada bidang batas fluida-pelat.

Kemudian dari hasil simulasi di atas, kita dapat mengetahui distribusi tekanan di sepanjang aliran

Setelah dilakukan simulasi, maka kita dapat menganalisis mengenai fenomena yang terjadi berdasarkan hasil simulasi. Kita juga harus kritis apakah hasil simulasi memang telah sesuai dengan teori yang berlaku atau tidak. Kita ketahui bahwa tegangan geser dari fluida yang mengalir menganut persamaan

dengan nilai "thao" adalah dp/dx sehingga persamaan menjadi

Sekarang kita masukkan nilai tekanan p, jarak antar grid pada sumbu x dan jarak antar grid antar sumbu y. Kita ketahui pada sumbu x dibagi menjadi 100 grid, karena panjang pelat sepanjang sumbu x adalah 1 m, maka panjang x untuk satu grid adalah

x = 1 / 100 = 0.01 m

sedangkan untuk nilai h, karena sepanjang sumbu y dibagi menjadi 10 grid dengan tinggi h adalah 0.1 m sehingga panjang h untuk satu grid adalah

y = 0.1/10 = 0.01 m

misal kita ambil nilai tekanan pada komponen I 1, J 1 sebesar 0 Pa dan pada I 2, J 1 dengan 1 Pa sehingga perbedaan tekanan adalah 1 Pa. 

Jadi dari persamaan di atas, kita mampu mengetahui kecepatan yang terjadi di sepanjang aliran dengan memasukkan nilai perbedaan tekanan p, jarak antara 2 titik untuk sumbu x dan h.