Elvin - 1706036381

Profile
	Nama	Elvin
	NPM	1706036381
	Jurusan	Teknik Mesin

Governing Equation

Pada suatu aliran fluida, terdapat persamaan-persamaan matematis yang mewakili hukum konservasi dari fisika aliran itu sendiri. Persamaan-persamaan tersebut adalah sebagai berikut.

• Persamaan Kontinuitas - Konservasi Massa

Persamaan ini pada dasarnya menjelaskan bahwa perubahan massa terhadap waktu pada suatu volume konstan sama dengan perbedaan perbedaan net total masuk aliran massa dan net total aliran keluar massa terhadap waktu ke volume tersebut. komponen ∂ρ/∂t menjelaskan perubahan massa jenis yang dapat terjadi yang dapat pada volume tersebut yang dapat mengubah massa fluida secara langsung. Sedangkan komponen div(ρU) menjelaskan perbedaan aliran yang dapat masuk dan keluar dari ketiga sumbu x, y, dan z pada suatu volume konstan.

• Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan ini menjelaskan bahwa laju perubahan momentum dari suatu partikel fluida yang sama dengan net total gaya yang bekerja pada partikel fluida tersebut. Gaya-gaya yang dapat mempengaruhi partikel fluida tersebut terbagi atas 2 jenis, yaitu gaya luar dan gaya dalam. Gaya luar pada umumnya sendiri mencakupi gaya tekanan, gaya viskositas, dan gaya gravitasi dari berbagai sumber yang bekerja pada fluida. Sedangkan, gaya dalam membahas gaya sentrifugal, gaya koriolis, serta gaya elektromagnetik yang terjadi di dalam partikel fluida itu sendiri.

• Persamaan Konservasi Energi

Persamaan konservasi energi ini didapatkan dari hukum I. termodinamika yang menyatakan bahwa perubahan energi pada suatu sistem sama dengan net total kalor yang masuk ke sistem dan net total kerja dilakukan pada sistem tersebut. Hal tersebut dapat dilihat pada persamaan energi dibawah yang melibatkan komponen-komponen seperti kerja pada permukaan partikel fluida, energi dalam, energi thermal, dan sumber lain-lainnya.

• Equations of State

Keadaan suatu fluida dapat berubah-ubah tergantung dengan nilai massa jenis, tekanan, energi dalam, dan suhu yang dialaminya. equations of state ini menjelaskan hubungan antara variabel-variabel tersebut dimana suatu benda terdapat pada keseimbangan termodinamik.

Finite Volume Method

Finite volume method merupakan metode yang digunakan dalam bidang CFD untuk menghasilkan solusi dari suatu model studi kasus dengan mengintegrasi persamaan-persamaan atur seperti persamaan kontinuitas, momentum, energi, transpor, dan lain-lainnya untuk mendapatkan persamaan diskrit yang kemudian dapat digunakan untuk menghasilkan solusi.

Proses pada metode ini terbagi atas 3 tahap umum, yaitu:

• Grid Generation

Langkah pertama dalam proses finite volume method adalah membagi suatu geometri/domain menjadi control volume diskrit. masing-masing control volume ini akan terletak satu sama lain dengan node ditengah sel.

• Discretization

governing equation untuk setiap studi kasus yang akan dilakukan studi kemudian akan diintegrasikan terhadap control volume yang sudah dikembangkan melalui grid generation. tahap ini akan memberikan persamaan diskrit yang kemudian dapat digunakan untuk memberi solusi dari studi

• Solution of Equations

persamaan diskrit yang sudah didapatkan kemudian akan menyelesaikan masalah berdasarkan posisi node yang ada di secara internal atau dengan suatu boundary. persamaan-persamaan aljabar linier yang timbul akan kemudian diselesaikan secara matriks.

Video Penjelasan Finite Volume Method & Pengerjaan Koding

Discretization Schemes

Central Differencing Scheme

Skema ini menggunakan pendekatan interpolasi linier untuk menghitung nilai pada permukaan domain pada suku convective di Steady Convection-Diffusion Equation. interpolasi linier ini memperhitungankan nilai pada suatu node berdasarkan nilai di dinding control volume sekitarnya.

Upwind Differencing Scheme

Skema ini digunakan untuk memperhitungkan pengaruh arah aliran konveksi dimana nilai pada permukaan suatu domain seharusnya mengalami pengaruh lebih besar pada nodal yang mendahuluinya.

Hybrid Differencing Scheme

Skema yang menggunakan kedua prinsip central differencing dan upwind differencing berdasarkan besar peclet number. Peclet number merupakan nilai rasio antara besar konveksi dan difusi. Dimana nilai Peclet yang mendekati 0 menyatakan tidak adanya konveksi dan sepenuhnya difusi, sedangkan nilai Peclet yang mendekati tak hingga menyatakan adanya konveksi dan tidak adanya difusi.

Central Differencing scheme digunakan untuk peclet number Pe < 2 dan upwind differencing scheme digunakan untuk peclet number Pe > 2. Dengan dapat menyesuaikan skema terhadap besar peclet number, hasil yang didapatkan bisa menjadi lebih akurat.

Solution Algorithm

Dalam suatu studi pressure-velocity, diperlukan suatu metode yang dapat digunakan untuk mengkalkulasikan keseluruhan flow field dibandingkan metode-metode biasa yang mengasumsi keberadaan flow field tersebut. Hal ini dapat dilakukan dengan mengimplementasikan governing equation momentum serta kontinuitas ke suatu algoritma yang dapat memproseskannya.

SIMPLE Algorithm

Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations (SIMPLE) merupakan metode guess dan koreksi yang digunakan untuk menghitung tekanan yang terdapat pada suatu staggered grid seperti berikut. pada staggered grid ini, nilai pressure tetap dikalkulasi pada nodal tengah sedangkan untuk nilai velocity dikalkulasi pada dinding kedua control volume yang bersampingan. Hal ini dilakukan untuk menghindari penghasilan nilai yang tidak akurat bila nilai velocity juga dihitung pada nodal tengah.

Untuk melaksanakan algoritma SIMPLE, tebakan nilai tekanan dan kecepatan pada sumbu x dan y diinput terlebih dahulu. nilai tebakan tersebut akan digunakan untuk menyelesaikan persamaan diskrit momentum yang kemudian hasilnya akan digunakan untuk menyelesaikan persamaan tekanan. Setelah kedua persamaan ini diselesaikan, nilai tekanan dan kecepatan yang benar akan didapatkan dan dapat digunakan untuk menyelesaikan nilai lainnya seperti suhu. Akhirnya, akan dicek konvergensi pada algoritma ini, jika nilai sudah konvergen maka proses selesai. Sebaliknya, jika nilai belum konvergen, maka nilai-nilai akhir tekanan, kecepatan dan lainnya akan digunakan sebagai tebakan untuk iterasi baru.

Algoritma lengkap yang digunakan SIMPLE adalah sebagai berikut

66DOF dan Dynamic Mesh

Materi hari ini memperkenalkan 6DOF dan dynamic mesh serta contoh penggunaannya dalam suatu studi kasus. Six Degree of Freedom (6DOF) merupakan jumlah total gerak yang dapat dilakukan dari suatu objek secara 3D dari titik pusat Center of Gravity-nya (CoG). beberapa gerak ini termasuk Translasi serta Rotasi pada ketiga axis X, Y, dan Z seperti pada gambar berikut.

Untuk governing equation yang digunakan pada 6DOF sendiri, terdapat 2 persamaan utama untuk gerakan translasi dan gerakan rotasi.

• Translasi : vdot = 1/m * Sigma F

dimana vdot adalah gerakan tranlasi dari CoG, m sebagai massa, dan F adalah vektor gaya oleh gravitasi.

• Rotasi : Wdbdot = L^-1 * (sigma Mb - Wb x Lwb)

L adalah tensor inersia, Mb sebagai vektor momen dari objek, dan Wb adalah vektor angular dari rigid body objek.

Kedua persamaan ini kemudian dapat digunakan untuk mengkalkulasi suatu objek yang begerak melalui aplikasi dynamic mesh. Dynamic mesh merupakan mesh yang digunakan sebagai suatu control volume yang terus bergerak untuk menyesuaikan terhadap objek yang juga bergerak. sehingga bisa mendapatkan kalkulasi untuk suatu kasus tertentu.

Contoh

Kita diberikan sebuah objek studi yaitu dynamic mesh vertical air wind turbine (VAWT) yang dapat disolve tanpa menggunakan Graphical User Interface (GUI).

dapat dilihat pada post-processing CFD diatas bahwa terdapat dynamic mesh yang mengelilingi objek VAWT yang diuji. Dengan adanya dynamic mesh ini, kita dapat mengobservasi pengaruh rotasi, orientasi airfoil pada VAWT, terhadap flow yang dihasilkan.

Simulasi Economizer w/o Hopper

Simulasi CFD Economizer dengan/tanpa Hopper

Materi pembelajaran pada tanggal 19 November 2020 difokuskan pada simulasi CFD dengan aliran multifasa. Untuk mempelajari aliran tersebut, studi kasus yang diuji merupakan economizer yang terdapat pada pembangkit listrik uap pada umumnya yang terdapat pembakaran batubara. Pembakaran batubara yang menghasilkan fly ash berpotensi berdampak buruk pada operasional dan juga kesehatan jika tidak ditindaklanjuti. Dengan demikian, 2 Konfigurasi Economizer yang dengan hopper dan tanpa hopper akan diuji untuk mengobservasi aliran yang terjadi.

• 
• 

  Economizer dengan Hopper

• 

  Economizer tanpa Hopper

Pre-Processing

Masing-masing konfigurasi simulasi dengan/tanpa hopper dilakukan dengan pertama mengimpor geometri untuk masing-masing hopper. Geometri yang diimpor kemudian akan diberikan setelan surface refinement pada bagian hopper agar mesh dapat lebih dioptimalkan. Base mesh kemudian akan dibuat untuk memberi boundary pada geometri yang akan diuji dan juga menentukan aliran internal yang terjadi. Setelah Base mesh dibuat dan dihasilkan, meshing tersebut akan diperiksa terlebih dahulu kualitasnya. Setelah output mesh yang didapatkan sudah bagus, dilanjutkan pada penyetelan model simulasi.

• 

  Pembuatan Base Mesh

• 

  Hasil Meshing

• 

  Mesh Check

Model Simulasi disetel menjadi transient, incompressible, subsonic, turbulence large eddy simulation, dan multiphase lagrangian. Konfigurasi pada sifat fluida, turbulence serta sifat, injeksi, dan model partikel diskrit disetel pada bagian yang berkaitan sesuai dengan studi kasus. kemudian, boundary untuk masing-masing inlet dan outlet disesuaikan dengan geometri yang diuji.

Solving

Pada bagian ini, waktu simulasi dijalankan dari 0 hingga 10 detik dengan ΔT 0.05s dan data write interval (simulation time) 0.2 detik. Setelah sesuai, simulasi tersebut akan dijalankan.

Post-Processing

Post-processing dijalankan untuk melihat hasil solving simulasi yang sudah dibuat. Pertama-tama, opacity geometri direndahkan terlebih dahulu untuk dapat melihat aliran yang terjadi didalam.

Dapat dilihat bahwa video berikut bahwa partikel-partikel dengan diameter yang besar tersaring oleh hopper tersebut, sehingga hanya partikel kecil yang dapat keluar ke outlet. Sedangkan pada konfigurasi tanpa hopper menunjukkan bahwa partikel dengan diameter yang besar dapat langsung melalui economizer.

Verifikasi dan Validasi

Pada suatu simulasi CFD, diperlukan suatu kredibilitas ataupun hasil yang akurat dari program CFD itu sendiri agar solusi yang didapatkan dari suatu solving simulasi dapat digunakan/diaplikasikan dalam studi lanjut. Berdasarkan defnisi yang diberikan oleh AIAA,

• Verifikasi

Proses yang menentukan bahwa model yang digunakan secara akurat mewakili deskripsi dari model secara konseptual dan hasil solusi pada model tersebut [1], atau lebih singkatnya dideskripsikan dengan menyelesaikan persamaan yang digunakan pada kasus tersebut secara tepat melalui proses yang ditetapkan.

• Validasi

Proses yang menentukan bahwa suatu model merupakan perwakilan akurat dari dunia nyata dari perspektif penggunaan seharusnya model tersebut [2]. atau juga dinyatakan sebagai menggunakan persamaan-persamaan (model) yang sesuai untuk kasus tersebut.

Simulasi Cyclone Seperator

Aliran multifasa Gas-Solid pada cyclone seperator

Cyclone Seperator adalah sebuah alat filter atau pemisah partikel yang memanfaatkan gerak inersia suatu fluida untuk memisahkan partikulat udara dari aliran fluida. Cyclone seperator terutama digunakan pada sistem-sistem pengontrolan polusi udara contohnya seperti flue gas hasil pembakaran.

Cara kerja cyclone seperator adalah mengalirkan aliran gas kotor yang konstan melalui inletnya yang kemudian akan mengalir berputar di dalamnya menghasilkan vortex. Perbedaan massa jenis antara gas dengan partikulat memungkinkan pemisahan dimana gas yang memiliki massa jenis lebih rendah akan dengan mudah naik ke atas vortex dan keluar. Sedangkan partikulat dengan massa jenis yang lebih tinggi akan tetap jatuh kebawah outlet.

Simulasi CFD

Simulasi dilaksanakan dengan pertama mengimpor geometri yang ada ke software CFDSOF untuk diproses. geometri ini kemudian akan diberikan surface refinement 1 untuk meningkatkan kualitas meshing serta memasang box mesh yang bersinggungan dengan inlet dan outlet geometri. Meshing kemudian dihasilkan sebagai berikut.

Model simulasi kemudian ditetapkan sesuai kasus studi yaitu,

• Transient
• Incompressible
• Subsonic
• Large Eddy Simulation Turbulence
• Gravity - On
• Multiphase Eulerian - Lagrangian

sifat-sifat partikel-partikel diskrit dan fluida sistem kemudian diinput sesuai yang distudi yang ingin diselesaikan. pada tahap solver, Simulasi berjalan sepanjang 10 s dengan nilai ΔT diinput 0.002 untuk memperlihatkan aliran yang terjadi secara detil.

Dapat terlihat pada gambar hasil simulasi diatas bahwa terdapat aliran cyclone yang membawa partikulat timbul didalam geometri yang nampak dari vektor aliran. Aliran ini berputar sebanyak 3π dan kemudian jatuh langsung kebawah outlet.

Pada distribusi tekanan dalam cyclone, terlihat bahwa terdapat peningkatan atau tekanan stagnan didepan inlet saat aliran menabrak dinding menghasilkan penurunan kecepatan aliran. Tekanan kemudian menurun seiring berpindah dari daerah stagnan mengelilingi cyclone dimana terdapat peningkatan angular velocity seiring penurunan radius geometri.

Tugas Besar

Desain dan Analisis implementasi Geometri Tesla Valve yang Termodifikasi pada Filter Chamber

Design and Analysis of Modified Tesla Valve Geometry Implementation in a Filter Chamber

Sinopsis

Particulates are usually filtered from the air through use of various methods such as use of inertial filtering, fabric filtering, wet scrubbing, and precipitators. Inertial seperators which mainly use forces from changes in fluid flow to filter particulates tend to be low cost and low maintenance for implementation. The Tesla Valve is a fixed-geometry passive check valve which allows one-direction flow without use of any moving parts. As it allows unimpeded flow from one direction, flow is obstructed from other direction with use of its cavity design which involves baffles, recesses, and cross section area change. This research focuses on finding the feasibility of using a modified tesla valve geometry in inertial seperation to capture particulates. Research is carried out in CFD simulation to figure out efficiency of filtering with variable number of conduit segments.

Design and Analysis of Modified Tesla Valve Geometry Implementation in a Filter Chamber