Raditya Aryaputra Adityawarman
Contents
Biodata Diri
Nama : Raditya Aryaputra Adityawarman
NPM : 1806181691
Program studi : S1 Teknik Mesin Paralel
Pertemuan 1 : 31 Maret 2020
Pertemuan pertama dilakukan dengan pembelajaran jarak jauh (PJJ) melalui aplikasi Zoom dengan asisten dosen Pak Dai yaitu bang Edo. Materi pada pertemuan ini yaitu aliran viskos pada pipa dan analisis laminer flow menggunakan CFDSOF.
Viskos pada Pipa
Aliran inviscid adalah aliran yang tidak mempunyai kekentalan, atau aliran ideal. Pada kenyataannya, hampir tidak mungkin ada aliran yang inviscid . Aliran tersebut dinamakan aliran viscous. Efek aliran viskos dalam pipa adalah profil penampang aliran dalam pipa tidak sama.
Viskositas
Viskositas adalah ukuran ketahanan sebuah fluida terhadap deformasi atau perubahan bentuk. Bila suatu fluida mengalami geseran, ia mulai bergerak dengan laju regangan yang berbanding terbalik dengan suatu besaran yang disebut dengan koefisien kekentalan dinamik.
Reynolds Number
Reynolds number atau bilangan Reynolds adalah perbandingan rasio antara gaya inersia dengan gaya Viskos pada fluida. Bilangan reynolds bisa dituliskan dalam rumus:
Re = V.D.ρ / µ atau Re = V.d / v
Dimana :
Re = bilangan Reynold
V = Kecepatan rata-rata fluida yanga mengalir (m/s)
D = diameter dalam pipa (m)
ρ = massa jenis fluida (kg/m³)
μ = viskositas dinamik fluida (kg/m.s)
untuk aliran laminer Re < 2100. Sementara untuk aliran turbulen Re > 4000. Aliran dengan bilangan reynold di antara kedua aliran tersebut dinamakan aliran transisi.
Analisis Laminer Flow menggunakan CFDSOF
Berikut adalah urutan pengerjaan yang dilakukan untuk menganalisis menggunakan CFDSOF
1. Buka aplikasi CFDSOF.
2. Membuat case name.
3. Pada base mesh terdapat dua pilihan, yaitu box dan cylinder. Pada pertemuan kali ini, kita ingin menganalisis fluida dengan dua dimensi, maka dipilih box.
4. Lalu mengatur dimensi pada box mesh. Kotak ini adalah tempat di mana fluida mengalir. Setelah itu mengatur jumlah grading agar grid pada kotak tersebut proporsional.
5. Kemudian atur grading pada mesh properties. Grading ini berfungsi agar menghasilkan analisis yang lebih detail pada wilayah tersebut.
6. Setelah itu menentukan boundary condition pada box mesh boundaries. Terdapat beberapa pilihan yaitu inlet, outlet, wall, symmetry, dan empty. Inlet dan outlet untuk keluar dan masuknya fluida, wall untuk permukaan kotak, dan empty jika tidak ingin dianalisis.
7. Generate mesh ketika dimensi dan lainnya sudah benar. Perbedaaan warna menunjukkan jenis dari boundary condition.
8. Check mesh, bila pada report terlihat Mesh OK. lanjut ke step berikutnya.
9. Kemudian pilih Simulation Model. Terdapat beberapa pilihan, tergantung kondisi fluida yang ingin dianalisis. Jika sudah benar, maka klik appply model.
10. Klik fluid properties jika ingin mengubah properties dari fluida.
11. Pindah tab ke CFD Solve, kemudian ke Run solver dan Data control. Pada bagian itu ada dua pilihan, yaitu time step dan run time. Pilih salah satu. Untuk kondisi steady-state kita pilih runtime 1000 kali, sama dengan number of iterations.
12. Klik run solver, maka kita tahu berapa kali dijalankan hingga konvergen.
13. Pindah tab ke CFD-Post. Klik post processing with Third Party Tools, yaitu pindah aplikasi ke paraview.
14. Dari aplikasi tersebut kita bisa melihat penyebaran tekanan dan kecepatan fluida tersebut. Merah menunjukkan angka yang paling besar sementara biru menunjukkan angka terkecil. Pada outlet terlihat tekanan kecil karena adanya pressure drop dan kecepatan pada dekat wall tidak konstan karena entrance region.
15. Aplikasi ini juga bisa melihat kurva tekanan dan kecepatan.
Lampiran
Pertanyaan
1. Apa itu entrance region/aliran masuk?
Entrance region atau aliran masuk adalah wilayah yang dialiri fluida setelah memasuki pipa sebelum mencapai kondisi fully developed flow atau aliran yang berkembang sempurna.
2. Apa itu fully developed flow/aliran berkembang sempurna?
Fully developed flow atau aliran berkembang sempurna adalah kondisi fluida saat profil kecepatan tidak berubah lagi
3. Apa itu entrance length?
Entrance length adalah jarak dari aliran masuk pipa hingga aliran berkembang sempurna atau fully developed flow.
4. Apa pengaruh viskositas dan pengaruh pressure drop dalam pipa?
Pressure drop adalah penurunan tekanan yang terjadi akibat 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. Bagaimana cara menghitung pressure drop suatu aliran dalam laminer/turbulen?
Cara mengukur pressure drop adalah selisih antara tekanan total fluida masuk dan tekanan total fluida keluar
Ptot = Ps + Pd
Ps = tekanan statis
Pd = tekanan dinamis = 1/2 ρV^2
Pressure drop:
ΔP = Ptot in - Ptot out
Pressure drop dalam aliran laminer:
ΔP = f l/2D ρV^2
f= 64/Re
Pressure drop dalam aliran turbulen:
ΔP = λ l/2D ρV^2
f= 8𝜏/ρV^2
Dimana ΔP = pressure drop (Pa)
l = panjang pipa (m)
D = diameter pipa (m)
V = kecepatan aliran fluida (m/s^2)
Re = bilangan Reynolds
f = friction factors
Pertemuan 2 : 1 April 2020
Pertemuan kedua membahas mengenai 3 rumusan dasar dalam mekanika fluida, yaitu hukun konservasi. Hukum konservasi terdiri dari konservasi massa, konservasi momentum, dan konservasi energi.
Konservasi Massa
Massa sistem akan selalu konstan dari waktu ke waktu. Rumusnya:
dm/dt = 0
Konservasi Momentum
Hukum Newton II, yaitu suatu sistem mengalami percepatan bila ada gaya netto atau jumlah gaya tidak sama dengan nol. Rumusnya:
m dV/dt = ΣF
Konservasi Energi
Apabia sistem energi mengalami perubahan total harus diikuti perubahan dalam bentuk kerja dan panas. Rumusnya:
dE/dt = W + Q
Pertemuan ini juga membahas mengenai konsep aliran pada pipa. Berikut definisi dari konsep tersebut:
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.
2) Entrance Length adalah panjang suatu aliran dari awal masuk pipa hingga mencapai kondisi dimana fully developed flow atau aliran yang berkembang sempurna.
3) Fully Develeoped Flow adalah kondisi dimana profil kecepatan fluida tidak lagi berubah terhadap koordinat.
Tugas
Kami diberikan tugas yang dikerjakan dengan software CFDSOF untuk mencari perubahan kecepatan pada entrance region.
Data dari soal tersebut adalah:
Dari data tersebut, buat calculator dengan memperhitungkan p static, p dynamic, dan p total sehingga didapatkan hasil:
1.A dengan μ = 4E-5; u = 0.01
1.B dengan μ = 1E-5; u = 0.01
2.A dengan μ = 4E-5; u = 0.01
2.B dengan μ = 4E-5; u = 0.04
Pertemuan 3 : 7 April 2020
Pada pertemuan ketiga membahas mengenai analytic solution for laminar flow. Pak Dai juga menjawab soal dan diskusi mengenai persoalan pada materi ini. Selain itu, kami juga membahas mengenai Governing Equation.
Governing Equation adalah persamaan yang mengatur gerak laku fluida. Contoh dari governing equation ada pada soal yaitu:
δu/δt + u δu/δx + v δu/δy = -1 δp/ρδx + v δ^2p/δx^2 + νδ^2u/δy^2
Kami juga membahas mengenai pengaruh dari viskositas dan inersia terhadap fully developed flow dan entrance length. Semakin viscous suatu aliran maka fully developednya lebih cepat dan entrance length lebih pendek. Bila aliran lebih encer maka fully developednya lebih lambat dan entrance length lebih panjang.
Pada inersia, semakin besar inersia maka lebih lambat terbentuk fully developed, dan semakin kecil inersia maka lebih cepat terbentuk fully developed.
Diberikan soal pada Example 8.2 untuk dikerjakan dalam CFDSOF dan solusi analytic yang sudah disampaikan.
Pertemuan 4 : 8 April 2020
Pada pertemuan ini, Pak Dai memberikan materi mengenai aliran dan pengaruh Reynolds number terhadap jenis aliran, yaitu aliran laminer, transisi, dan turbulen. Pada reynolds number yang rendah, aliran teratur dan kecepatan tetap terhadap waktu. Aliran ini disebut aliran laminer. Ketika reynolds numbernya semakin tinggi, maka lapisan berosilasi tetapi masih teratur, kecepatan setiap waktu berubah. Aliran ini disebut aliran laminer. Saat reynolds numbernya tinggi, aliran tidak teratur dan kecepatan berubah secara cepat atau rapid.
Pak Dai juga membahas soal pada example 8.4, mengenai turbulent pipe flow properties.
Pertemuan 5 : 14 April 2020
Pada pertemuan ini Pak Dai memberikan quiz yaitu membuat artikel mengenai pembahasan dan diskusi pada Soal Jawab Mekanika Fluida dari nomor 1 sampai 6.
1. Governing Equation pada Aliran
Soal tersebut membahas mengenai governing equation. Governing Equation adalah persamaan yang mengatur gerak laku fluida, bisa juga disebut persamaan atur. Ada tiga persamaan mengenai semua pergerakan aliran fluida yang ada di alam. Persamaan itu diantaranya konservasi massa, konservasi momentum, dan konservasi energi.
A. Konservasi massa adalah Massa sistem akan selalu konstan dari waktu ke waktu. Rumusnya: dm/dt = 0. Contoh sederhananya adalah pipa dengan luas yang kecil kecepatannya lebih besar dibanding pipa dengan luas yang lebih besar. Alasannya karena massa harus konstan, sehingga pada pipa dengan luas yang lebih kecil, aliran terdorong lebih cepat.
B. Hukum kekekalan momentum adalah kekalnya momentum pada sepanjang aliran, bisa berubah ke bentuk gaya ataupun sebaliknya. Hukum kekekalan momentum merupakan turunan dari hukum newton 2, rumusnya: m dV/dt = ΣF. Ada tiga gaya yang mempengaruhi gerakan fluida, yaitu gaya karena perbedaan tekanan, gaya gravitasi, dan gaya akibat gesekan fluida.
C. Konservasi energi membahas apabila sistem energi mengalami perubahan total harus diikuti perubahan dalam bentuk kerja dan panas. Rumusnya: dE/dt = W + Q
Aplikasi dari governing equation bisa diaplikasikan pada berbagai perhitungan mekanika fluida, karena setiap bahan mempunyai hasil yang berbeda-beda terhadap gaya dan enrgi yang diterapkan. Misalnya memprediksi aliran udara di sekitar pesawat atau mobil agar menimbulkan drag yang sedikit sehingga lebih hemat dalam bahan bakar. Contoh lainnya adalah penyusutan plastik pada proses injeksi molding. Proses tersebut perlu diperhitungkan prediksi alirannya.
2. Pengaruh Viskositas dan Kecepatan Inlet Fluida terhadap Aliran
Viskositas berpengaruh terhadap aliran suatu fluida. Pada pipa, semakin kental viskositas pada fluida, maka entrance region lebih pendek, sehingga lebih cepat terbentuk fully developed flow. Aliran ini cenderung laminer. Begitu pula sebaliknya.
Selain itu, kecepatan inlet juga mempengaruhi aliran suatu fluida. Bila kecepatan pada inlet diperbesar, maka aliran pada pipa akan menjadi turbulen. Hal ini sesuai dengan bilangan Reynolds, yaitu perbandingan antara gaya inersia terhadap gaya viscous (Re = V.D.ρ/μ).
Aplikasi pada artikel ini adalah pemasangan drainase. Reynolds number yang diperlukan harus diminimalisir sehingga aliran menjadi hampir laminer, sehingga energi yang dikeluarkan tidak besar. Contoh lainnya adalah pada industri makanan. Makanan dialirkan melalu pipa. Pipa tersebut harus dimiringkan beberapa derajat agar makanan dapat mengalir dengan lancar. Karena makanan memiliki viskositas sertentu, aliran harus diperhitungkan agar laju tidak terhambat karena adanya luapan.
3. Observasi Jenis Aliran Fluida.
Aliran terbagi menjadi tiga, yaitu aliran laminer, aliran transasi, dan aliran turbulen.
A. Aliran laminer adalah aliran yang memiliki lapisan fluida paralel dan tidak bertabrakan satu dengan yang lain. Aliran ini mempunyai kecepatan konstan. Bilangan reynolds pada aliran ini < 2100
B. Aliran transisi adalah peralihan antara aliran laminer dan turbulen. Lapisan ini berosilasi dan kadang saling berpotongan tetapi masih teratur.
C. Aliran turbulen adalah aliran yang lapisan fluidanya sudah tidak teratur dan mengakibatkan terjadinya potongan antar lapisa. Kecepatan pada fluida ini berubah sangat cepat. Bilangan reynolds pada aliran ini > 4000
Kita bisa menentukan jenis aliran dengan menghitung bilangan Reynolds dengan cara mencari data terkait aliran tersebut dan memasukkannya pada rumus: Re = V.D.ρ/μ.
Aplikasi observasi jenis aliran fluida adalah analisis kerusakan pada sambungan pipa. Pada aliran yang turbulen menghasilkan pressure drop, sehingga terjadi head losses. Head losses adalah kerugian karena adanya gesekan pada permukaan pipa. Aliran fluida turbulen pada belokan pipa akan mengakibatkan terjadinya vorteks, yaitu parikel pada fluida yang bergerak berputar. Kemudian, aliran turbulen menyebabkan getaran yang mengakibatkan crack kecil dan merambat sehingga merusak pipa. Selain itu aliran turbulen akan mengakibatkan kavitasi yaitu timbulnya gelembung-gelembung pada aliran karena tekanan menurun. Saat gelembung mulai pecah, maka fluida akan masuk ke dalam ruang kosong yang ditimbulkan gelombang. Cairan tersebut akan menghantam cairan lainnya sehingga menimbulkan gelombang kejut, yang berpotensi merusak permukaan pipa. Permukaan dinding pipa akan berlubang karena adanya kavitasi. Untuk itu, diperlukan perhitungan untuk menentukan apakah aliran pada pipa merupakan aliran laminer atau turbulen.
4. Pengaruh Kemiringan Pipa terhadap Pressure Drop Aliran
Pressure drop adalah penurunan tekanan aliran yang terjadi akibat beberapa faktor. Pada kasus ini, tekanan dapat berubah karena perubahan ketinggian pada pipa. Pada pipa dengan fluida yang mengalir ke atas fluida semakin lama akan bertambah ketinggiannya. Pada titik tertinggi, beban fluida diatas fluida tersebut berkurang, karena fluida di atasnya lebih sedikit. Terjadilah pressure drop saat fluida naik. Sebaliknya, fluida yang berada di bawah mendapatkan beban dari fluida di atasnya, sehingga fluida terdorong ke bawah. Pada titik ini, tekanan bertambah. Oleh karena itu, pipa dengan fluida yang mengalir ke bawah akan mendapatkan tekanan. Hal tersebut dinamakan tekanan hidrostatik.
Salah satu aplikasi perhitungan kemiringan pipa adalah penempatan ketinggian tangki air untuk sistem irigasi. Dalam hal ini, harus ditentukan berapa tekanan yang diperlukan untuk mengaliri sistem irigasi. Dalam beberapa kasus, kadang sumber air tidak selalu berada lebih tinggi dengan wilayah yang diirigasi, oleh karena itu, perlu mengurangi pressure drop yang disebabkan kenaikan ketinggian. Hal ini bisa diaatasi dengan analisis pressure drop, juga penambahan pompa pada pipa.
5. Viscous Sublayer
Pada struktur aliran turbulen, ada beberapa lapisan yang dibedakan berdasarkan jarak daerah dari dinding pipa. Salah satunya adalah viscous sublayer. Viscous sublayer adalah lapisan yang sangat tipis dan paling dekat dengan dinding pipa. Pada lapisan ini, tegangan geser viscous lebih dominan dibandingkan dengan turbulen dan kecepatan aliran sangat kecil sehingga aliran laminer. Semakin besar viskositas fluida, maka semakin besar viscous sublayernya, semakin besar kecepatan aliran maka viscous sublayernya semakin tipis.
Sifat dari viscous sublayer berpengaruh dari kekasaran. dinding pipa. Bila kekasaran pipa kebih kecil dibenading tebal dari viscous sublayer, maka kekasaran terendam oleh viskositas sehingga tidak terlalu berpengaruh. Situasi ini dinamakan hydraulically smooth flow. Jika kekasaran pipa lebih besar dari tebal viscous sublayer, bisa menyebabkan gangguan aliran dan pressure drop. Situasi ini dinamakan hydraulically rough flow.
Viscous sublayer ini juga bisa menyebabkan disturbansi jika batas aliran laminer pada dekat dinding dan aliran turbulen tidak rata. Aliran yang cepat ketika menyentuh dinding, akan berdeformasi dari kecil hingga seluruh permukaan saling bertabrakan dan menyebabkan turbulansi.
Aplikasi pada perhitungan viscous sublayer adalah pada sayap pesawat. Pada sayap, tidak semua permukaan halus. Ada beberapa fin diatas sayap pada area tertentu yang digunakan untuk membuat vorteks yang dinamakan vortex generator. Pada umumnya, vorteks akan menyebabkan drag pada pesawat. Namun, pada kasus ini vortex generator sengaja membuat vorteks untuk menghasilkan energi. Karena ada energi tambahan pada viscous sublayer, maka aliran tidak akan terpisah sehingga angle of attack pada pesawat bisa diperbesar dan menambah lift pada pesawat itu.
6. Pengaruh Jenis Aliran terhadap Pressure Drop
Pressure drop adalah penurunan tekanan yang terjadi akibat adanya gesekan pada fluida yang mengalir. Pressure drop akan menyebabkan panas, karena energi tekanan berubah menjadi panas. Pressure drop didapatkan dari selisih antar tekanan total inlet dan tekanan total outlet.
Pressure drop pada aliran turbulen akan lebih besar dibandingkan dengan aliran laminer. Hal itu disebabkan karena aliran laminer hanya ada tegangan viscous, sementara aliran turbulen ada tegangan viscous dan tegangan gesek antar partikel. Tegangan gesek ini akan menyebabkan penurunan kecepatan aliran, sehingga tekanan dinamisnya berkurang.
Pressure drop juga dipengaruhi oleh gravitasi, yaitu saat perubahan ketinggian pipa. Selain, pressure drop dipengaruhi oleh arah pipa dan katup. Sambungan pipa dengan arah yang berbeda dan katup akan menghasilkan gesekan dan menyebabkan pressure drop. Ukuran diameter pipa juga berpengaruh. Bila diameter pipa besar maka pressure drop kecil. Faktor tersebut selalu ada secara konstan. Ada faktor yang semakin memburuk seiring berjalannya umur pipa, yaitu kekasaran pipa dan korosi yang menyebabkan gesekan semakin besar.
Aplikasi dari konsep pressure drop adalah analisis aliran dalam pemasangan pipa. Dari analisis tersebut kita dapat memprediksi pressure drop aliran, sehingga dapat dilakukan pemilihan bentuk dan material pipa yang paling efektif untuk aliran tersebut sehingga lebih hemat untuk jangka waktu yang panjang dan meminimalisir kerusakan pipa karena aliran turbulen.
Pertemuan 6 : 15 April 2020
Pada pertemuan ini, pak Dai memberikan penjelasan mengenai loss antara inlet dan outlet. Ada dua losses yaitu major losses dan minor losses. Major losses disebabkan oleh gesekan wall dan viskositas. Energi berkurang akibat adanya disipasi energi. Major losses ini bisa dihitung dengan friction factor yang didapatkan dari Moody chart atau the Colebrook equation.
Berbeda dengan major losses yang terjadi pada pipa lurus, minor losses dapat terjadi pada bagian pipa yang tidak lurus, seperti valves, bends, tees, dan lain-lain. Contoh lainnya yaitu pada pipa divergen ataupun konvergen. Kita bisa menentukan berapa besarnya head loss(hl) dan pressure drop(Δp) dengan menghitung loss coefficient(Kl). Head loss adalah penurunan tekanan pada fluida mengalir. Rumusnya adalah:
Selanjutnya kami diberikan tugas dari pak Dai mengenai simulasi aliran dengan membuktikan adanya minor losses. Pipa yang dipilih bebas, boleh diperbesar, diperkecil, sudden, ataupun gradual.
Tugas
Berikut adalah model pipa sepanjang 200 mm :
Berikut adalah hasil simulasi dengan slice pada jarak 0.01 mm
Slice 2 dilakukan pada perbedaan diameter yaitu 100 mm
Slice 3 pada jarak 199 mm
Berikut tekanan tiap slice:
Pertemuan 7 : 21 April 2020
Pada pertemuan ini pak Dai mempersilahkan bang Agil M'16 untuk mempresentasikan hasil risetnya yang membahas mengenai perubahan energi air menjadi energi mekanik pada roda air.
Pertemuan 8 : 22 April 2020
Pada pertemuan ini tiap mahasiswa dipersilahkan menunjukkan kontribusinya di wikipage air.eng.ui.ac.id ini dan mempresentasikan salah satu materi yang palik menarik dan paling dipahami. Urutan presentasi ini sesuai abjad, dimulai dari A hingga terakhir E untuk pertemuan ini, karena waktunya sudah habis.
Pak Dai juga memberikan ringkasan mengenai materi pasca UTS, yaitu flow dynamics. Flow dynamics dibagi dua, internal flow dan external flow.
Internal flow adalah aliran yang dibatasi dinding
External flow adalah aliran yang boundarynya tidak dibatasi benda padat atu dinding.
Pak Dai juga memberi tugas besar yaitu melakukan simulasi internal flow atau external flow tentang medan aliran fluida untuk aplikasi di bidang engineering. Output tugas ini adalah membuat makalah dengan deadline satu minggu sebelum UAS.
