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.