Candra Damis Widyawati

Menganalisis Karaktersitik Aliran Fluidisasi di Riser

Aliran fluidisasi adalah aliran multifasa yang terdiri dari udara dan partikel. Udara sebagai fluida penggerak yang menyebabkan partikel berperilaku seperti fluida. Bergeraknya partikel disebabkan oleh transfer momentum udara ke partikel. Jika kecepatan udara dapat menggerakkan partikel, maka dikatakan kecepatan minimum fluidisasi. Pengujian beberapa model turbulen pada aliran multifasa di riser masih diuji oleh peneliti supaya dapat menghasilkan simulasi akurat. Namun demikian sebelum memulai pemilihan model turbulen, harus ditentukan dulu metode perhitungan multifasanya apakah euler-euler atau euler-langran.

Paper berjudul 'An experimental and computational study of multiphase F¯ow behavior in a circulating ¯uidized bed

Turbulen

Turbulen adalah dinamika aliran dominan di industri, oleh karena itu hingga saat ini pengembangan alat baik secara eksperimen maupun numerikal masih terus dikembangkan oleh peneliti untuk menvisualisasikan aliran turbulen. Salah satu ciri aliran turbulen adalah fluktuasi kecepatan dalam waktu singkat. Fluktuasi kecepatan ini meningkatkan stress pada fluida, disebut Reynold Stress. Bilangan Reynold pada aliran fluida merupakan ukuran perbandingan gaya inersia dengan gaya viscous. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa aliran bernilai Reynold rendah, maka fisik alirannya teratur dan lapisan-lapisan juga berubah teratur. Namun sebaliknya, alirannya acak dan lapisan-lapisan juga berubah secara random. Dapat dikatakan pada aliran laminer gaya viskos dominan pada aliran. Fluktuasi kecepatan pada aliran turbulen dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1. Fluktuasi kecepatan pada aliran turbulen

U adalah kecepatan rata-rata kecepatan fluktuasi. u’(t) perubahan kecepatan terhadap waktu. Sehingga u=U+ u’(t).

Karakteristik aliran turbulen lebih lanjut adalah rotasi, atau sering disebut dengan istilah turbulen eddies. Eddies turbulen merupakan karakteristik fisik aliran berpola pusaran. Bagaimana terbentuknya eddies pada aliran turbulen adalah terjadinya suatu kondisi aliran dimana gaya inersia aliran lebih besar dibandingkan gaya viskos. Contoh eddies dalam kehidupan adalah ombak di lautan atau secara ekperimen. Visualisasi ombak dengan CFD dan visualisasi eddies pada pelat datar dapat dilihat pada Gambar 2.

Gambar 2. Visualisasi turbulen eddies pada gelombang

Gambar 3. Hasil eksperimen turbulen eddies pada plat

ALiran turbulen dengan kecepatan awal U dan panjang karakteristik L, terbentuk pusaran besar dan kecil pada aliran tersebut. Karakteristik kecepatan pusaran besar diberi simbol ϑ dan panjang karaktersitik pusaran ini adalah l. Dengan demikian persamaan Reynold number menjadi sbb: REl=ϑl/v

v adalah viskositas kinematik. Namun demikian nilai tersebut tidak berbeda jauh dengan RE=UL/v arakteristik large eddies adalah gaya inersia sangat dominan dan gaya viskos diabaikan. Oleh karena itu pada large eddies dianggap invicid dan terbentuk mometum sudut selama terbentuknya vortex streching. Fenomena ini menyebabkan laju rotasi meningkat dan radius putarannya berkurang. Hal ini membentuk skala karaktersitik pusaran yang lebih pendek begitu pula dengan waktunya. Perenggangan kerja dilakukan oleh aliran pada large eddies dalam periode waktu ini, sehingga dihasilkan energi untuk mempertahankan kondisi turbulen. Pada kondisi ini, rengangan small eddies sangat kuat dengan pusaran yang lebih besar dan lebih lemah dengan aliran rata-rata. Dengan cara ini energi kinetik ditransfer dari pusaran besar ke pusaran semakin kecil dan semakin kecil, dimana proses ini disebut dengan energy cascade. Fluktuasi properti (seperti kecepatan) yang sangat singkat, berisi energi yang dinyatakan frekuensi atau bilangan gelombang(=2πf/U). Energi tersebut dinyatakan sebagai spectral energy E(k) = 2π/λ. Lamda adalah panjag gelombang eddies (, λ =u/f)(panjang gelombangnya??). Definisi spectral energy adalah energi kinetik per satuan massa dan per satuan panjang gelombang fluktuatif disekitar panjang gelombang tersebut dengan satuan m3/s2. Diagram Spektrum energi dapat dilihat pada gambar berikut :

Gambar. Spectral energy

Gambar Spectral energy menunjukkan puncak energi pada jumlah gelombang kecil.Oleh karena itu, spectral energi terbesar adalah pada large eddies. Large eddies memperoleh energi dari interaksi dengan aliran rata-rata. Nilai energy spectral menurun cepat dengan menambahan jumlah gelombang. Oleh karena itu small eddie memiliki kandungan energy spectral yang paling rendah.

Fluktusi kecepatan sangat tinggi pada aliran turbulen sehingga terbentuk pusaran, kemudian pusaran tersebut diwakilkan oleh definisi kecepatan pusaran, frekuensi, dan panjang gelombang. Sehingga munculnya istilah skala pergerakan aliran turbulen. Ilmuwan asal Rusia Kolmogorov menyatakan scala aliran turbulen pada smalest eddies, yaitu Reη=ϑn/v=1. Jadi skala terkecil pada aliran turbulen adalah kondisi dimana besarnya gaya inersia dengan gaya viscos seimbang. Skala ini dikenal dengan Kolmogorov microscales. Aliran small eddies terdisipasi menjadi energi panas dalam. Fenonema disipasi menimbulkan kehilangan energi pada aliran turbulen. Terdapat istilah laju disipasi energi turbulen ε (m2/s3).

Deskripsi aliran turbulen

Properti aliran turbulen φ merupakan penjumlah rata-rata fluktuasi Φ dengan perubahan fluktuasi setiap waktu φ'(t), sehingga φ(t)=Φ+ φ'(t).

Indikator yang digunakan untuk mengetahui sebaran fluktuasi per waktu dengan fluktuasi rata-2 adalah variance dan root mean square seperti persamaan d bawah ini.

Varian fluktuasi kecepatan meliputi

Persamaan energi kinetik rata-rata

Turbulence Intensity (Ti) adalah rata-rata kecepatan rms dibagi dengan kecepatan rata-rata referensi (Uref) dan terkolerasi dengan turbulence kinetic energy k.

Karaktersitik aliran turbulen sederhana

Karakteristik aliran turbulen sederhana adalah perubahan kecepatan sepanjang sumbu x diabaikan. Fluktuasi kecepatan terjadi pada arah lintas aliran (sumbu y).

Contoh aliran turbulen sederhana sebagai berikut :

Free Turbulence Flow such as mixing layers, jet, wake. Boundary layers near solid walls in example : flat plat boundary layer dan pipe flow.

A mixing layer adalah lapisan terbentuknya antar muka dua fluida, yang satu berkecepatan tinggi sedangkan lainnya berkecapatan rendah. Pada aliran jet berkecepatan tinggi dikelilingi oleh fluida dalam kondisi stationer. Wake adalah karaktersitik aliran dibelakang objek.

Pengaruh fluktuasi turbulen terhadap sifat rata-rata aliran.

Pada gambar 3.13 memperlihatkan kontrol volume dua dimensi dengan arah geseran sumbu x dan gradien kecepatan arah sumbu y. Keberadaan eddies menyebabkan pencampuran yang efektif. Aliran acak eddies membawa fluida mendekati boundary. Proses resirkulasi aliran fluida tidak dapat menciptakan atau menghilangkan massa, tetapi elemen fluida pada aliran eddies ini membawa momentum dan energi ke dalam dan keluar control volume.

Hasil akhir adalah pertukaran momentum, karena transporatsi konvektif oleh eddies (pusaran), yang menimbulkan efek kesetimbangan yaitu lapisan fluida yang bergerak lebih cepat melambat dan lapisan yang bergerak lebih lambat dipercepat. Peristiwa ini menyebabkan fluida mengalami penambahan tegangan geser turbulen, fenomena ini disebut dengan Reynold Stresses.