Valve-Favian Adyatma

Pertemuan 03: 26 November 2020

Sama dengan kelas sebelumnya, kelas ketiga ini diawali dengan diskusi, yaitu mengenai pengertian CFD (Computational Fluid Dynamics) beserta fungsinya. Pak Dai memimpin diskusi ini, mengawalinya dengan melempar kepada kita masing-masing untuk menyampaikan pendapatnya mengenai definisi dari simulasi aliran sistem fluida menggunakan komputasi (aplikasi). Beberapa orang memberikan opininya dan pada akhirnya tiba pada satu simpulan yang diutarakan oleh Pak Dai.

Sesi kelas dilanjutkan dengan praktek simulasi sistem fluida pada aplikasi CFD OpenModelica yang dipimpin oleh Pak Hario. Beliau adalah asisten dari Pak Dai pada kelas Sistem Fluida 03. Pengajaran dari Pak Hario diawali dengan membuka fitur yang terdapat di OpenModelica.

Berikutnya kami mencoba fitur Tanks, yaitu fitur yang memungkinkan kita melakukan simulasi menggunakan tanki berisi fluida. Pada percobaan simulasi kali ini, simulasinya adalah memindahkan fluida yang berada dalam suatu tangki kepada tangki yang lain. Berikut saya sertakan hasil pengerjaan selama kelas ketiga Sistem Fluida 03.

Tampak saat simulasi aliran pipa horizontal sistem fluida pada saat mengalirkan fluida dari tanki yang lebih tinggi kepada tangki dengan ketinggian yang lebih rendah

Pada gambar di atas, terlihat bahwa aliran fluida terjadi secara horizontal, tetapi fluida tetap dapat mengalir karena kedua tangki memiliki ketinggian air berbeda sehingga energi potensial yang dimiliki fluida tersebut pun berbeda. Tangki pertama memiliki tinggi 0.9 m sedangkan tangki kedua memiliki ketinggian 0.1 m. Maka, ketika kami lakukan simulasi, ketinggian fluida pada kedua tangki memiliki tinggi yang sama, yakni 0.5 m.

Lebih jauh lagi, kami mempelajari bahwa parameter-parameter pada simulasi bisa diatur sesuai yang kita inginkan. Parameter tersebut dapat diganti dengan membuka pilihan parameter. Sehabis menekan option tersebut, kita akan ditampilkan beberapa parameter, seperti tinggi awal, luas penampang, dan lain-lain, yang dapat ditentukan sesuai keinginan (sesuai keadaan di lapangan) untuk kemudian disimulasikan kembali seperti sebelumnya. Hasil dari simulasi ini akan tampil setelah diklik fitur Simulate yang bersimbol tanda panah ke kanan.

Di atas adalah tampak dari option parameter yang dapat kita tentukan sesuai data aktual di lapangan. Kemudian gambar kedua menunjukkan simulasi pada saat kami mengubah parameter sinulasi aliran fluida pipa horizontal hanya mengalir selama 0.5 detik. Maka dari itu, ketinggian fluida pada kedua tangki belum mencapai ketinggian 0.5 m, melainkan 0.554134 m dan 0.445866 m.

Setelah itu kami mencoba sebuah fitur. Fitur tersebut adalah Thermal-->HeatFluidFlow-->Examples. Fitur ini menampilkan sebuah skema pendinginan suatu zat, dimana melibatkan beberapa komponen heat exchanger, seperti heat capacitor, pump, dan thermal conductor.

Simulasi berlanjut kembali dengan percobaan yang lain. Kali ini kami melakukan simulasi dengan fitur EmptyTank. Berikut adalah gambaran mengenai simulasi yang kami lakukan.

Demikianlah simulasi yang telah kami lakukan sepanjang kelas ketiga Sistem Fluida 03 pada tanggal 26 November 2020.

Tugas 03

Tugas diberikan juga sehari setelah kelas usai. Tugas kali ini adalah analisis mengenai dua simulasi, yaitu simulasi HeatingSystem dan ThreeTank. Berikut adalah rincian dari tugas analisa tersebut.

Saya akan mencoba menjawab tugas yang diberikan sesuai dengan nomor tertera di atas.

1. Deskripsi/uraian fisik berdasarkan bagan yang ada

Di atas adalah tampilan awal jika kita melakukan simulasi pada fitur Fluid.Examples.HeatingSystem. Beberapa alat dan mesin sistem fluida terlibat pada sistem tersebut, diantaranya adalah pompa, valve, pembakar, sensor, dan pipa. Sistem ini bertujuan untuk memanaskan fluida melalui sebuah skema sistem fluida dan dipanaskan dengan suatu sistem pemanasan. Nemun, di situ juga terdapat keterlibatan dari komponen-komponen controlling system. Komponen tersebut berfungsi untuk memberikan feedback dan menyesuaikannya dengan temperatur fluida yang kita inginkan

Soal yang kedua adalah simulasi ThreeTank. Tampilan ini muncul setelah kita memasukkan fitur ThreeTank. Tiga tangki yang muncul adalah gambaran dimana terjadi pergerakan fluida diantara ketiga tangki tersebut. Adanya beda ketinggian, baik posisi maupun ketinggian fluida dalam tangki, mengakibatkan adanya perbedaan potensial antara ketiga tangki tersebut. Sebagai akibatnya, akan terjadi aliran fluida dari tempat bertekanan tinggi ke tempat bertekanan rendah. Ketinggian fluida dalam tangki juga dapat di-adjust sesuai dengan yang dikehendaki melalui fitur Parameter.

2. Prosedur analisa pemodelan

Soal HeatingSystem

Analisa dapat dilakukan dengan meninjau dengan mesin fluida yang terlibat, termasuk didalamnya komponen-komponen, seperti valve dan sensor. Seperti kita setiap komponen memiliki cara kalkulasinya tersendiri. Contohnya adalah pompa sentrifugal yang sudah pernah dibahas perhitungan analisisnya pada tengah semester yang lalu.

Selain cara CFD melalui aplikasi OpenModelica, analisa pemodelan ini juga dapat dilakukan dengan dua cara lainnya, yaitu metode teoritis dan eksperimental. Rumus-rumus yang terkait perhitungan simulasi ini dapat dituliskan pada subbahasan berikutnya.

Soal ThreeTank

Simulasi ThreeTank merupakan soal yang erat kaitannya dengan tekanan hidrostatis dan hukum-hukum mekanika fluida. Tekanan hidrostatis dapat dihitung melalui rumus-rumus fisika, sehingga perhitungan cocok dilakukan dengan metode teoritis dan CFD. CFD memudahkan kita jika ingin mengubah parameter-parameter yang ada, tetapi bisa dikatakan cocok dengan metode teoritis karena simulasi ini cukup sederhana.

3. Analisa dan interpretasi hasil pemodelan

Soal HeatingSystem

Sebagaimana tergambar di atas simulasi ini merupakan aliran yang berawal dari sebuah tank yang berada di tempat tertinggi dari sistem, kemudian dipompa menuju section selanjutnya, yaitu burner (pembakar). Pada proses tersebut, sudah terjadi fungsi controlling melalui dua sensor yang sudah dipasang, yakni sensor massa (m_sensor) dan sensor suhu (T_sensor). Kemudian aliran fluida tetap mengalir melalui pipa yang dapat ditentukan aspek-aspeknya dengan Parameter.

Berikutnya, fluida masuk melalui valve (katup) yang dapat dibuka-tutup. Fluida terus mengalir untuk kemudian didinginkan dengan radiator yang memanfaatkan temperatur ambien. Suhu yang dihasilkan juga harus melalui sensor yang ada untuk mengontrol suhu yang diinginkan. Proses yang terjadi ini memungkinkan proses HeatingSystem dapat memenuhi temperatur fluida yang diinginkan

Soal ThreeTank

Dengan melakukan Simulate pada aplikasi OpenModelica, kita akan mendapatkan besaran-besaran dari variabel terikatnya. parameter yang sudah ada sebelumnya tidak saya ganti, yakni dengan ketinggian Tank1 8 m, Tank2 3 m, dan Tank3 3 m serta panjang pipa Tank3 lebih pendek dari kedua tangki yang lain. Apa yang akan menjadi pengamatan di sini adalah terjadinya proses aliran fluida, serta ditinjau juga bagaimana fluida jika mengalir dari ketinggian berbeda dan jika fluida mengalir dari ketinggian yang sama dengan ketinggan tangki yang berbeda. Tentunya kedua perbedaan itu memberikan hasil yang berbeda. Hasil pun menunjukkan volume akhir pada Tank2 dan Tank3 berbeda.

4. Catatan konsep hukum utama fisika yang diimplementasikan dalam pemodelan

Soal HeatingSystem

Simulasi HeatingSystem sebagaimana yang sudah tertera gambarnya di atas merupakan sistem yang memiliki hubungan erat dengan rumus-rumus mekanika fluida dan transfer panas. Transfer kalor sendiri terjadi pada saat reaksi di radiator dan burner (pembakar). Begitu banyak rumus yang terlibat pada HeatingSystem, tetapi apabila dirangkum dapat menjadi seperti berikut.

Rumus pompa sentrifugal:

Pompa sentrifugal memiliki banyak uraian sehingga tidak dapat dimanifestasikan hanya dalam beberapa rumus. Namun, saya akan tetap mencantumkan rumus-rumus serta gambaran penting dalam pembahasan pompa sentrifugal.

Gambar di atas adalah segitiga kecepatan (imajiner) yang sangat umum digunakan pada analisis pompa sentrifugal dalam menentukan properties pompa, seperti head dan kapasitas.

Rumus tekanan jatuh:

Pressure drop tentu akan terjadi selama ada aliran fluida melalui pipa. Rumus umum dari pressure drop adalah sebagai berikut.

Soal ThreeTanks

ThreeTanks tidak menggambarkan suatu analisa sistem dengan rumus yang rumit. Rumus sederhana yang digunakan antara lain rumus pressure drop dan hidrostatis.

Rumus pressure drop:

Pressure drop tentu akan terjadi selama ada aliran fluida melalui pipa.

Rumus hidrostatis:

Hidrostatis juga terjadi pada sistem ini karena ada energi potensial pada ketinggian tangki, dimana fluidanya mengalir pada ketinggian yang rendah.