Rizki Ramadhan Siregar
بِسْمِ اللهِ الرَّحْمَنِ الرَّحِيْمِ
السَّلاَمُ عَلَيْكُمْ وَرَحْمَةُ اللهِ وَبَرَكَاتُ
Contents
Biografi
Nama : Rizki Ramadhan Siregar
NPM : 1806233240
Tempat & Tanggal Lahir : Bengkulu, 4 Desember 2000
Jurusan : Teknik Mesin
Perkenalkan saya Rizki Ramadhan dari kota Bengkulu. Saat ini saya berkuliah di Universitas Indonesia Jurusan Teknik Mesin angkatan 2018. Saya memiliki ketertarikan yang tinggi terhadap perkembangan teknologi dan berorientasi terhadap masa depan. Berbekal Pengalaman dan pelajaran dalam dunia perkuliahan yang saya jalani saat ini, Insha Allah akan memberikan sebuah makna baru untuk kehidupan kedepan dan berguna bagi nusa dan bangsa (Aamiin)
Konsep Dasar
Pengertian Bilangan Reynolds
Bilangan Reynolds adalah perbandingan antara gaya inersia fluida dan gaya viskos yang terjadi pada fluida tersebut.Bilangan Reynolds merupakan bilangan tak berdimensi yang dapat membedakan suatu aliran itu dinamakan laminar, transisi atau turbulen.
Re = VD ρ/µ
Dimana :
V kecepatan (rata-rata) fluida yang mengalir (m/s)
D adalah diameter dalam pipa (m)
ρ adalah masa jenis fluida (kg/m3)
µ adalah viskositas dinamik fluida (kg/m.s) atau (N. det/ m2)
Viskositas
Viskositas fluida merupakan ukuran ketahanan sebuah fluida terhadap deformasi atau perubahan bentuk. Viskositas dipengaruhi oleh temperatur, tekanan, kohesi dan laju perpindahan momentum molekularnya. Viskositas zat cair cenderung menurun dengan seiring bertambahnya kenaikan temperatur hal ini disebabkan gaya – gaya kohesi pada zat cair bila dipanaskan akan mengalami penurunan dengan semakin bertambahnya temperatur pada zat cair yang menyebabkan berturunya viskositas dari zat cair tersebut.
Jenis Aliran pada Fluida
Terdapat setidaknya tiga jenis aliran pada fluida yaitu : 1.Laminar ; 2. Turbulen; 3. Transisi
1.Aliran Laminar
Aliran fulida dikatakan laminar jika memiliki Re(Reynolds Number)< 2100.Dalam aliran laminar ini viskositas berfungsi untuk meredam kecendrungan terjadinya gerakan relatif antara lapisan. Sehingga aliran laminar memenuhi hukum viskositas Newton
yaitu :
τ = µ du/dy
2.Aliran Turbulen
Aliran dimana pergerakan dari partikel – partikel fluida sangat tidak menentu karena mengalami percampuran serta putaran partikel antar lapisan, yang
mengakibatkan saling tukar momentum dari satu bagian fluida kebagian fluida yang lain dalam skala yang besar. Dalam keadaan aliran turbulen maka turbulensi yang terjadi membangkitkan tegangan geser yang merata diseluruh fluida sehingga menghasilkan kerugian – kerugian aliran.Pada Aliran ini biasanya memiliki Re > 4000.
3.Aliran Transisi
Aliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran turbulen.Memiliki Re: 2100-4000.
Pertemuan 1 (31/03/2020) : Analisis Laminar Flow menggunakan CFDSOF
Analisis yang dilakukan pada CFDSOF kali ini adalah analisis kecepatan(u) dan tekanan(p) fluida pada pipa sepanjang 1 meter dengan asumsi-asumsi yaitu: Inviscid , Incompressible, Steady-State,dan aliran Laminar.
Pertama-tama, menentukan kecepatan fluida(u) agar diperoleh aliran yang laminar. Pada perhitungan ini, Pak Edo sebagai pemateri sudah memberi excel yang sudah jadi sehingga kita dapat langsung memasukkan kecepatan yang kita inginkan. Diperoleh kecepatan fluida 0,01 m/s yang termasuk kedalam aliran laminar karena memiliki Re < 2100.
Kedua, memulai analisis menggunakan software CFD dengan membuat proyek dan case baru.Setelah itu memasukkan bentuk,dimensi,basis serta jumlah mesh yang akan dianalisis.Sumbu Z diabaikan karena analisis ini hanya untuk 2 Dimensi. Langkah ini dipandu oleh pak Edo sebagai pemateri
Ketiga,memasukkan data simulasi seperti properties dari fluida serta asumsi fluida dimana Inviscid , Incompressible, Steady-State, Laminar serta Subsonic
Keempat,Jalankan CFD Solver .Setelah dijalankan, akan muncul grafik momentum residual terhadap waktu dimana diperoleh 65 iterasi
Kelima, Buka Paraview untuk melihat distribusi kecepatan(u) dan tekanan(p) sepanjang pipa.
Terlihat Kecepatan fluida yang mengalir pada pipa secara umum homogen disepanjang pipa.Kecepatan maksimal berada pada sumbu dari pipa dan bernilai nol pada fluida yang bersentuhan dengan permukaan pipa.Namun terdapat perbedaan pada Inlet dikarenakan Profile belum terbentuk sempurna pada Entrance Region
Pada distribusi tekanan terlihat bahwa semakin jauh dari titik inletnya,maka tekanan akan semakin berkurang. Hal ini disebabkan oleh terjadinya head loss atau penurunan tekanan fluida karena adanya gesekan antara permukaan pipa dengan fluida.
Keenam, Untuk mengetahui bentuk profil didapatkan dengan cara melakukan plot pada aliran yang telah sempurna terbentuk (Fully Develop) yaitu berada pada x=0,8 m dari titik (0,0,0). Angka ini didapatkan dari perhitungan Enterance Length yang menunjukkan pada jarak ke berapa profil sudah terbentuk dengan sempurna(Fully Developed).
Materi Tambahan Aliran Viskositas
Pertemuan hari ini terdapat beberapa pertanyaan tambahan mengenai aliran viskos yang diberikan sebagai berikut.
Pertanyaan:
1. Apa itu entrance region/aliran masuk?
2. Apa itu fully developed flow/aliran berkembang sempurna?
3. Apa itu entrance length?
4. Apa pengaruh viskositas? dan pengaruh pressure drop dalam pipa?
5. Bagaimana cara menghitung pressure drop suatu aliran dalam laminar/turbulen?
Jawaban
1.Entrance Region adalah suatu wilayah atau daerah yang berada didekat dengan tempat masuknya fluida ke pipa. Atau bagian awal dari suatu empat aliran yang masuk dari suatu sumber. Contohnya Furnace.
2.Fully Develeoped Flow adalah kondisi dimana profil kecepatan fluida akan menjadi tetap besarnya.
3.Entrance Length adalah panjang suatu aliran dari awal masuk pipa hingga mencapai kondisi dimana fully developed flow atau aliran yang berkembang sempurna.
4.Pressure Drop drop didefinisikan sebagai penurunan tekanan yang terjadi karena adanya gesekan pada fluida yang mengalir. Pressure drop akan semakin tinggi dan berbanding lurus dengan gesekan pada fluida. Sedangkan besarnya gesekan dipengaruhi oleh viskositas dari suatu fluida.
5.Cara menghitung Pressure Drop penurunan tekanan fluida pada pipa dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut:
Pertemuan 2 (01/04/2020): Menghitung Pressure Drop pada Pipa
Assallammualaikum wr.wb.
Pada pertemuan kedua. Dijelaskan dalam pengaplikasian mekanika fluida. Ada 3 tahapan konservasi yang harus dipahami terlebih dahulu. Ketiga konservasi tersebut adalah sebagai berikut:
1. Konservasi Massa
2. Konservasi Momentum
3. Konservasi Energi
Setelah itu dijelaskan kembali terkait konsep entrance region, entrance length dan fully develop flow pada aliran pipa seperti pada gambar dibawah ini.
Lalu kita diberikan tutorial tentang bagaimana mencari pressure drop menggunakan CFD. Menggunakan kalkulator dalam CFD serta melakukan latihan soal seperti pada gambar dibawah ini.
Menghitung Pressure Drop menggunakan CFDSOF
1. Langkah pertama yang terpenting pada perhitungan adalah asumsi.Aliran perlu diasumsikan agar dapat dilakukan perhitungan. Asumsinya yaitu fluida bersifat laminar, subsonic, steady state dan incompressible.
2. Setelah itu,jabarkan parameter yang diketahui dalam soal dan parameter lain yang dibutuhkan dalam melakukan simulasi di CFD. Berikut ini adalah parameter yang diketahui dalam soal dan parameter yang diperlukan untuk simulasi:
- Lalu jalankan CFD, buat mesh dan masukan parameter yang sudah didapat ke CFD dan akan diperoleh hasilnya.
- Lalu buka hasil simulasi CFD menggunakan paraview.
3. Ketiga yaitu membuat simulasi Calculator yang berfungsi dalam perhitungan
- Calculator 1: p_static = p*1.2 lalu pilih cell data pada attribute mode
- Calculator 2: p_dynamic = 0.5*1.2*((U_X^2+U_Y^2)^0.5)^2 lalu pilih cell data pada attribute mode
- Calculator 3: p_total = p_static+p_dynamic lalu pilih cell data pada attribute mode
4. Setelah itu lakukan slice. Lakukan slice pada 3 tempat yaitu pada saat sebelum mencapai entrance length, tepat di entrance length dan setelah entrance length.
- Setiap melakukan slice pada setiap titik, lakukan integrated variable dengan cara Filter > Alphabetical > Integrated Variable > Apply
- Lalu tampilkan masing - masing integrated variable di setiap titik slice.
- Pada Integrated variabel pilih cell data. Maka akan didapatkan hasil seperti berikut.
Untuk soal a1
Untuk soal a2
Untuk soal b1
untuk soal b2
- Lalu lakukan plot overline untuk melihat profil kecepatan di setiap titik yang di slice.
Berikut ini adalah hasilnya.
Untuk soal a1
Untuk soal a2
Untuk soal b1
untuk soal b2
Kesimpulan
Semakin jauh dari inlet maka akan semakin besar tekanan yang hilang atau head lost atau pressure drop. Yang paling signifikan yang menyebabkan head lost/ pressure drop adalah static pressure atau tekanan static. Karena tekanan dinamik tidak akan berubah secara signifikan, hal ini dikarenakan kecepatan setelah fully develop flow cenderung stabil dan sama. Hal ini dibuktikan dari profil kecepatan yang menunjukan grafik hampir sepenuhnya berimpit setelah fully develop flow. Oleh sebab itu jika dilihat pada dunia nyata atau dunia perindustrian, penyaluran suatu fluida dipipa yang sangat panjang maka disetiap titik akan ditambahkan pompa agar menstabilkan tekanan, agar fluida dapat mengalir secara kontinu.
QUIZ 1
Artikel 1 : Governing Equation
Konsep mekanika fluida pada soal ini adalah tentang governing equation. Gover Equation adalah sebuah persamaan yang mengatur gerak laku dari fluida atau persamaan atur. Ada 3 governing equation pada fluida, yaitu:
● Hukum Konservasi Energi (de/dt = W + Q) => energi yang masuk pada sistem akan sama dengan yang keluar, dengan energi yang keluar dapat berupa kerja atau panas.
● Hukum Konservasi Massa (dm/dt = 0) => massa yang masuk pada sistem akan sama dengan massa yang keluar atau tidak adanya perubahan massa terhadap waktu. Konsep utama dalam hal ini adalah bahwa kenaikan laju aliran massa pada volume kontrol adalah sama dengan laju aliran massa netto yang melewati pada bagian saluran masuk dan saluran keluar. dalam hal ini M adalah massa yang tersimpan didalam elemen fluida dan ṁ adalah laju aliran massa yang melewati permukaan dari elemen tersebut.
● Hukum Konservasi Momentum (m dv/dt = ∑ F) => jika pada sistem diberikan sebuah gaya, maka akan terjadi perubahan kecepatan partikelnya terhadap waktu atau dapat menimbulkan percepatan.
Aplikasinya ketiga rumus tersebut adalah, dapat dijadikan acuan dasar dalam perhitungan mekanika fluida.
Artikel 2 : Laminar Parallel plate flow
Aliran Viskos adalah aliran yang mempertimbangkan kekentalan dalam pertimbangannya. Pada aliran ini timbul tegangan geser pada aliran sehingga terjadi profil kecepatan yang berbeda pada setiap titiknya Karena adanya tegangan geser ini pun,pada saat aliran awal masuk ke saluran, kecepatan masih belum konstan atau belum terbentuk secara menyeluruh(belum Fully-developed) hingga pada suatu titik,kecepatan mulai konstan dan pada saat inilah aliran sudah memasuki fase fully developed. Pada kasus ini dapat diaplikasikan hokum Reynolds dimana hokum ini membandingkan gaya inersia dengan viskositas fluida sehingg akan dihasilkan satuan berupa Reynolds Number.Dari sana dapat dikembangkan untuk mengetahui berapa panjang hydrodynamic entry length. Pada saat aliran awal memasuki inlet. Kecepatan di semua titik ketinggiannya sama,dan profil mulai berubah di area developing flow .Ini terjadi karena aliran mulai dipengaruhi oleh gaya geser dari dinding. Saat sudah memasuki area fully developed,profil kecepatan akan tetap sepanjang pipa.
Artikel 3 = Pengaruh sudut kemiringan pipa terhadap Rugi Tekanan
Pressure drop merupakan sebuah peristiwa turunnya tekanan pada aliran fluida dari satu titik ke titik yang lain akibat beberapa faktor. Dari soal-jawab ini, saya mendapatkan informasi terkait nilai dari pressure drop dapat dipengaruhi juga oleh adanya kemiringan dari yang mengakibatkan adanya ‘pergantian’ energi yang hilang akibat adanya gesekan antara fluida dengan pipa yang menyebabkan rugi tekanan. Hal ini dapat terjadi akibat dari perbedaan potensial (ketinggian) dari masing2 posisi fluida sepanjang sumbu x, yang mana adanya perbedaan potensial (ketinggian) inilah yang memberikan energi dari gravitasi terhadap fluida yang dapat menambal energi yang hilang akibat adanya gesekan antara fluida dengan dinding pipa.
Ini berarti, pada untuk mendesain suatu aliran yang melewati pipa dengan posisi memilii sudut kemiringan terhadap sumbu horizontal, kemiringannya perlu untuk dijadikan parameter dalam perhitungan karena dapat mempengaruhi rugi tekanan dan energi dalam aliran. Tekanan pada aliran fluida sendiri dapat dibedakan menjadi 3, yaitu:
● Tekanan Statik => tekanan yang diberikan oleh partikel fluida saat dalam kondisi diam atau statis ke segala arah.
● Tekanan Dinamis => tekanan yang diakibatkan oleh pergerakan dari partikel fluida yang dipengaruhi oleh kecepatan dari partikel fluida itu sendiri.
● Tekanan Hydrostatik => tekanan yang diakibatkan dari ketinggian fluida dari fluida terhadap titik steady statenya.
Dari ketiga hal ini dapat kita simpulkan bahwa peristiwa pressure drop dapat diakibatkan dari penurunan kecepatan partikel fluida serta perubahan ketinggiannya. Penurunan kecepatan pada partikel fluida dapat diakibatkan oleh perlambatan akibat adanya tegangan-tegangan pada partikel dari fluida tersebut akibat viskositas dan turbulensinya. Perubahan ketinggian pada fluida dapat mempengaruhi nilai tekanan hidrostatik sehingga jika pipa aliran fluida diberikan kemiringan ke atas maka arah kecepatan partikel fluida akan melawan gravitasi sehingga terjadilah penurunan kecepatan yang akan menurunkan tekanan, sementara jika diberikan kemiringan ke bawah akan membuat kecepatan partikel searah dengan gravitasi sehingga kecepan akan bertambah dan akan menaikan tekanannya.
Aplikasi dari konsep ini adalah, dalam melakukan perancangan pada pipa kita dapat merekayasa pressure drop yang terjadi pada pipa dengan mengatur kemiringan dari pipa yang dapat menutupi energi yang hilang akibat tegangan pada fluida.
Artikel 4 = Perbedaan aliran turbulen dan laminar
Dengan menggunakan CFDsof untuk memvisualisasikan perbedaan antara aliran laminar dan turbulen, sebelumnya perlu diketahui bahwa secara matematis, perbedaan antara aliran aliran dan turbulen terdapat pada bilangan Reynolds-nya di mana pada aliran turbulen yang memiliki bilangan Reynolds yang lebih besar, gaya inersia lebih dominan pada aliran ini. Saat sudah mencapai fully developed flow, profil kecepatan pada aliran laminar lebih rapih membentuk suatu parabola dengan puncaknya terdapat pada titik terjauh dari plat pipa. Untuk aliran turbulen, pada bagian tengah aliran, profil kecepatannya terlihat sedikit lebih mendatar dibandingkan dengan aliran laminar yang lebih seragam. Pada bagian dekat dengan dinding pipa, energi kinetik pada fluida tinggi namun tidak setinggi disipasinya sehingga profil keceptan aliran bisa sangatlah kecil hingga=0. Untuk bagian tengah pipa, energi kinetic dari aliran lebih besar dibandingkan dengan dissipasinya, sehingga profil kecepatan pada titik ini terlihat lebih besar.
Artikel 5 = Pengaruh Sub-layer viskos terhadap aliran pada pipa
Viskos sub-layer adalah lapisan tipis yang menempel pada dinding saluran.Pada aliran turbulen,sub-layer inilah yang menghasilkan gaya gesek(juga dipengaruhi oleh koefisien gesek dinding) danpada kasus ini energi turbulen ini bertransformasimenjadi energi panas. Konsep mekanika fluida yang digunakan dalam soal ini adalah tentang sub-lapisan viskos. Sub-lapisan viskos sendiri merupakan sebuah lapisan tipis pada aliran yang lebih didominasi oleh tegangan laminer dibanding tegangan turbulen. Dari pernyataan tersebut dapat diasumsikan bahwa sub-lapisan viskos ini merupakan lapisan dengan tegangan turbulen sangat kecil yang mana tegangan turbulen nantinya akan menimbulkan panas dan pressure drop yang tinggi yang bersifat merugikan. Aplikasi dari konsep ini adalah pada saat mendesain pipa, kita dapat merekayasa ketebalan dari sub-layer viskos ini untuk mengurangi kerugian yang ditimbulkan oleh tegangan turbulen.
Artikel 6 = Pengaruh Gaya inersia dan gaya gesek dinding terhadap pressure drop '
Pressure drop merupakan rugi tekanan yang diakibatkan adanya gesekan fluida dengan dinding-dinding pipa sehingga energi yang dihasilkan oleh tekanan masuk akan diserap oleh dinding pipa menjadi energi panas. Pressure drop ini sangat penting untuk mendesain pipa-pipa pada gas untuk merancang seberapa besar tekanan yang harus diberikan saat masuk agar sampai pada tempat yang diinginkan. Pada pressure drop ini erat kaitannya dengan gaya inersia. Bilangan reynold adalah perbandingan antara gaya inersia terhadap gaya viscous pada fluida, semakin besar gaya inersia yang dialami oleh fluida maka akan semakin besar bilangan reynold yang dihasilkan. Pada aliran laminar gaya inersia yang dialami lebih kecil dibandingkan pada aliran turbulen.
Di sisi lain, adanya pressure drop adalah akibat dari gesekan antara fluida dengan dinding pipa yang menimbulkan gaya hambat/gaya inersia yang 'mengganggu' keseragaman vektor kecepatan aliran. Sehingga dapat ditarik kesimpulan bahwa gaya inersia disini mengambil peranan penting terhadap rugi tekanan yang terjadi. Apabila bilangan reynold nya besar, gaya inersia nya besar, maka pressure drop yang dialami oleh aliran juga semakin besar diakibatkan gaya gesek fluida dengan dinding yang besar.