Valve-Ahmad Mohammad Fahmi
BIODATA
Nama : Ahmad Mohammad Fahmi
NPM : 1806181836
Kelas : Sistem Fluida - 03
PERTEMUAN 1
Pada pertemuan ini, kami diajarkan tentang karakteristik aliran pada valve dan menghitung pressure drop yang terjadi.
Fungsi dari valve sendiri antara lain adalah untuk:
1. Membuka atau menutup aliran
2. Mengatur jumlah aliran
3. Menghindari backflow
Sebuah valve harus memiliki pressure drop seminim mungkin.
Setelah menyampaikan materi terkait valve, kami diberikan cara melakukan simulasi untuk menghitung nilai pressure drop menggunakan software CFD. CFD atau Computational Fluid Dynamics sendiri merupakan sebuah software yang dapat digunakan untuk mensimulasikan sebuah aliran fluida dengan menggunakan perhitungan analisis numerik.
Setelah diberikan pengetahuan dasar tentang software CFD, kami diberikan tutorial untuk mensimulasikan aluran pada valve yang terbuka penuh. Tujuan dari analisa ini adalah untuk mengetahui presure drop yang terjadi pada valve tersebut. Berikut adlah tahap-tahap yang kami lakukan untuk mesimulasikan aliran pada valve:
Simulasi Pressure Drop pada Gate Valve
Proses simulasi dibagi menjadi dua tahap, yaitu tahap Set Up menggunakan software CFDSOF untuk menentukan geometri yang digunakan serta data-data fluida yang mengalir dan selanjutnya adalah tahap Post Processing menggunakan software Paraview untuk melakukan perhitungan pada hasil simulasi simulasi CFDSOF. Berikut adalah proses yang dilakukan pada masing-masing tahap:
TAHAP SET UP
- Pertama, buka aplikasi CFDSOF dan buat case baru.
- Kemudian masukkan bentuk geometri valve yang telah dibuat dalam format .stl.
- Cek ukuran geometri apakah sudah sesuai atau belum, ubah skala pada geometri jika ukurannya terlalu besar atau terlalu kecil.
- Pada bagian base mesh, tentukan boundary condition pada box mesh boundaries. Terdapat beberapa pilihan yaitu inlet, outlet, wall, symmetry, dan empty. Inlet dan outlet untuk sisi masuk dan keluar fluida, wall untuk permukaan kotak, dan empty jika tidak ingin dianalisis.
- Pada generate mesh, pastikan titik mesh location berada di dalam saluran valve tersebut, karena kita akan menganalisis aliran internal.
- Kemudian masuk ke geometry mesh dan ubah surface refinement menjadi 3. Fungsinya agar mesh yang dibuat lebih banyak dan hasil simulasi lebih akurat.
- Klik generate mesh dan pastikan mesh sudah baik.
- Pada simulation model, pilih turbulance-RANS dan apply model.
- Kemudian muncul tab turbulance. Pada tab itu pilih turbulance model sst-kω.
- Atur fluid properties.
- Pada boundary condition, inlet dengan tipe velocity inlet sebesar 1 m/s, outlet dengan tipe outflow, dan yang lain stationary wall.
- Pada tab CFD-solve, run dengan 3000 iterasi/perhitungan.
- Tunggu hingga konvergen dan selesai.
POST PROCESSING
- Pada tab post-processing, masuk ke software paraview.
- Apply model sehingga terlihat valvenya. Pastikan ada variabel tekanan, kecepatan, dan turbulen.
- Kecepatan pada paraview merupakan kecepatan kinematik, yaitu kecepatan statik dibagi rho. Kita harus menghitung tekanan statik melalui kalkulator. pstatic=p.1.225.
- Buka kalkulator lagi untuk menghitung magnitude kecepatan untuk mencari p dinamik. magU=sqrt(U_X^2+U_Y^2+U_Z^2).
- Hitung p dinamik. pdynamic=0.5*1.225*magU^2
- Kemudian hitung p total dan klik apply. ptotal=pstatic+pdynamic
- Lalu kita ekstrak surface yang diinginkan, yaitu inlet dan outlet dengan cara filters->alphabetical->extract block->pilih inlet1 dan outlet1
- Kita lihat p total inlet dan outlet dengan integrate variable
- Terakhir, kita menghitung pressure drop dengan cara dp = ptotal inlet- ptotal outlet dengan satuan Pascal.
PERTEMUAN 2
Pada pertemuan ini, Pak Dai menjelaskan tentang segitiga kecepatan yang terdapat pada sebuah sistem fluida. Segitiga kecepatan pada sebuah sistem fluida merupakan sebuah segitiga yang menunjukkan arah dari komponen vektor-vektor kecepatan yang terdapat pada sebuah sistem fluida. Kemudian Pak Dai menjelaskan tentang pengertian dari sistem fluida. Sistem fluida sendiri merupakan sebuah perpaduan atau gabungan dari komponen-komponen atau sub-sistem fluida yang saling bekerja sama untuk mencapai sebuah tujuan yang sama.
Setelah memahami tentang sistem fluida, kami diberikan penjelasan oleh bang Edo mengenai apa gunanya CFD dalam membantu kita untuk mempelajari ataupun menyelesaikan masalah yang berhubungan dengan fluida. Guna CFD adalah untuk memvalidasi dan mengevaluasi hasil perhitungan secara teoritis, terutama untuk perhitungan2 yang kompleks. Selain itu, CFD ini juga dapat mempermudah kita untuk memvisualisasikan bagaimana bentuk aliran yang terjadi dalam sebuah sistem.
Setelah itu, Pak Dai menjelaskan 3 metode analisa sistem fluida:
- Eksperimen=> hasilnya aktual, tapi memerlukan banyak resources.
- Teori=> untuk memverifikasi data perhitungan dalam kondisi ideal, karena eksperimen ada kesalahan data.
- Numerik atau CFD => alternatif untuk perhitungan sistem yang kompleks dapat dilakukan dengan CFD.
Ketiga metode tersebut saling melengkapi, maka dari itu kita harus mengenal ketiga metode ini untuk menyelesaikan masalah terkait sistem fluida.
Pak Dai juga menjelaskan perbedaan antara turbin impuls dan turbin reaksi yang mana, turbin impuls mengubah energi fluida dalam bentuk tekanan dengan mengubah arah aliran fluida ketika terkena bilah rotor. Turbin ini memanfaatkan head yang tinggi, dedesain berbentuk mangkuk agar terjadi perubahan momentum. Sedangkan turbin reaksi mengubah energi fluida dengan reaksi pada bilah rotor, ketika fluida mengalami perubahan momentum. Tekanan di bagian atas kecil sementara tekanan bagian bawah besar sehingga ada gaya lengan atau torsi.
Kemudian, Pak Dai menjelaskan bahwa selain menggunakan sofware CFD, kita juga dapat menggunakan sofware modelica untuk mempermudah proses perhitungan dan belajar sistem fluida. Pak Dai memberikan salah satu contoh simulasi perhitungan yang ada di modelica, yaitu simulasi empty tank. Simulasi ini menunjukkan perubahan volume tangki 1 dan 2 karena perbedaan ketinggian tangki. Pada hasil simulasi grafik volume pada tangki 1 menunjukkan penurunan, sementara grafik volume tangki 2 menunjukkan kenaikan.
TUGAS 2
Pada tugas ini, saya coba mempelajari simulasi pada contoh sistem three tanks seperti gambar di bawah.
Blok system menunjukkan kondisi lingkungan pada sistem ini, tank menunjukkan tangki air, dan pipe sebagai pipa.
Berikut adalah parameter dari masing-masing bagian:
- Tank 1:
- Tank 2:
- Tank 3:
- Pipe 1-2:
- Pipe 3:
Berikut adalah hasil simulasinya berupa grafik volume terhadap waktu:
File yang saya gunakan dapat diunduh di link berikut:
https://drive.google.com/file/d/1hWHQnD7oXFDVKf5TyiXLdoSSzu36Um7X/view?usp=sharing
Pertemuan 3
Pada pertemuan ini, Pak Dai membahas tentang permodelan sistem fluida. Permodelan sistem fluida merupakan sebuah usaha yang digunakan untuk mempermudah atau menyederhanakan sebuah sistem fluida real untuk mempermudah kita menganalisis sistem tersebut. Dalam sebuah permodelan tidak mungkin bisa merepresentasikan dengan sempurna sebuah sistem real, namun permodelan ini dapat mempermudah kita untuk memvariasikan komponen-komponen dari sebuah sistem fluida.
Pendekatan dalam pembuatan permodelan:
- Pendekatan secara fisika (law) => dari penggabungan rumus fisika.
- Pendekatan artifisial (data) => dari hasil atau data yang sudah ada untuk merumuskan sebuah pola variabel.
Selanjutnya, kami diajarkan menggunakan aplikasi OpenModelica oleh Asisten. Kami diminta menganalisa permodelan sistem fluida model Two Tanks yang disimulasikan dengan aspek Thermal berikut ini.
TUGAS 3
JAWAB:
Heating System
1. Deskripsi / uraian fisik berdasarkan bagan yang ada
Sistem ini membahas tentang sistem pemanas dengan aliran tertutup. Pertama fluida pada tangki akan dipompa menuju pipa yang disambungkan dengan pembakar atau pemanas. Sebelum menuju pipa terdapat sensor mass flow rate untuk menghitung aliran massa yang keluar dari pompa. Setelah fluida sudah mencapai pipa pembakar, terjadi perpindahan panas secara konveksi antara pipa pemanas dengan fluida di dalamnya yang kemudian suhu fluida diukur dengan menggunakan sensor suhu. Setelah 2000 detik, valve yang menutup aliran fluida akan terbuka sepenuhnya sehingga fluida dapat mengalir ke pipa tanpa pemanas. Pada pipa tanpa pemanas ini terjadi perpindahan panas secara konveksi antara fluida dalam pipa dan dinding pipa, serta perpindahan panas secara konduksi antara dinding pipa dengan lingkungan. Setelah terjadi perpindahan panas tersebut suhu fluida pipa akan dihitung kembali oleh sensor suhu dan kemudian dialirkan ke tangki lagi.
Komponen yang terdapat pada sistem ini antara lain:
- Tangki berisi fluida yang bersifat thermally isolated sehingga suhu fluida di dalamnya tidak dipengaruhi suhu lingkungan.
- Pompa untuk memompa fluida pada tangki.
- Sensor mass flow rate untuk mendeteksi aliran masa yang keluar dari pompa.
- Pipa pembakar untuk memanaskan fluida di dalam pipa.
- Sensor suhu untuk mengukur suhu fluida dalam pipa.
- Valve yang berfungsi untuk menghambat aliran fluida. Setelah 2000 detik valve ini akan terbuka sepenuhnya.
- Pipa tanpa pemanas yang berfungsi untuk melakukan perpindahan panas antara fluida di dalamnya dengan lingkungan.
2. Prosedur analisa pemodelan
- Setelah membuka file example, saya mengecek dan mengatur parameter dari masing-masing komponen.
- Setelah mengatur parameter masing-masing komponen, saya mensimulasikan sistem ini selama 200 detik.
- Setelah muncul hasil simulasi, saya mulai menganalisa masing-masing perubahan parameter dari tiap komponen dengan cara membandingkannya dengan hukum fisika yang berlaku. Parameter yang diperhatikan dalam sistem ini adalah aliran massa yang keluar dari pompa, suhu fluida pada pipa pemanas, dan suhu fluida pada pipa tanpa pemanas.
3. Analisa dan Interpretasi Hasil Pemodelan
Dari sistem ini, dapat dilakukan beberapa analisa.
- Yang pertama, karena terdapat pompa maka aliran massa fluida yang mengalir akan naik. Kenaikan aliran massa meningkat maka kecepatan aliran fluida juga akan naik.
- Yang kedua, selama 2000 detik fluida berada pada pipa pemanas suhunya akan terus naik sehingga nilai yang terbaca pada sensor suhu akan terus naik pula. Suhu fluida pada pipa pemanas terus naik karena perpindahan panas hanya terjadi antara pipa pemanas dengan fluida secara konveksi saja.
- Yang ketiga, setelah 2000 detik valve yang menghalangi aliran fluida akan terbuka penuh sehingga fluida pada pipa pemanas akan mengalir ke pipa tanpa pemanas. Hal ini menyebabkan adanya penurunan suhu pada fluida. Namun, penurunan suhu fluida pada pipa pemanas dan pipa tanpa pemanas tidaklah sama. Hal ini diakibatkan karena pada pipa pemanas masih terjadi perpindahan panas secara konveksi antara fluida dan pipa pemanas, sedangkan pada pipa tanpa pemanas perpindahan pas yang terjadi adalah perpindahan panas dari fluida ke dinding pipa secara konveksi dan perpindahan panas dari pipa ke lingkungan secara konduksi.
4. Catatan konsep utama hukum fisika yang diimplementasikan dalam pemodelan
Pada sistem ini berlaku beberapa hukum fisika, yaitu:
- Hukum Bernouli
∆P = 0,5ρ(v2^2−v1^2)
dP = perbedaan tekanan masuk dan keluar fluida pada pompa (Pa)
ρ = massa jenis fluida (kg/m^3)
v1 = kecepatan fluida masuk (m/s)
v2 = kecepatan fluida keluar (m/s)
- Mass Flow Rate
Q = A.v
Q = flow (m^3/s)
A = luas permukaan pipa (m^2/s)
v = kecepatan cairan di dalam pipa (m/s)
- Perpindahan panas secara konveksi
Q = h.A.∆T
Q = perpindahan panas (J)
h = koefisien perpindahan panas (W/(m^2.K))
A = luas permukaan perpindahan panas (m^2)
∆T = perbedaan temperatur (K)
- Perpindahan panas secara konduksi
Q.∆t = H = k.A.∆T
Q = perpindahan panas (J)
H = Jumlah kalor merambat setiap detik (J/s)
k = Koefisien konduksi termal (J/msK)
A = luas penampang pada batang (m)
∆T = perbedaan suhu di kedua ujung batang (K)
5. Berikan hasil-hasil simulasi parameter untuk mendukung kesimpulan yang diperoleh
Setelah saya coba mensimulasikan sistem ini, saya selalu mengalami error sehingga tidak dapat melihat kurva hasil simulasi sistem ini.
Three Tanks
1. Deskripsi / uraian fisik berdasarkan bagan yang ada
Sistem ini merupakan sebuah sistem yang menunjukkan 3 buah tangki dengan ukuran yang sama, ketinggian air di dalamnya yang berbeda, serta ketinggian tangki yang berbeda. Sistem ini mensimulasikan perubahan volume air pada tiap tangki terhadap waktu. Berikut adalah parameter dari masing-masing bagian:
- Tank 1:
- Tank 2:
- Tank 3:
- Pipe 1-2:
- Pipe 3:
2. Prosedur analisa pemodelan
- Setelah membuka file example, saya mengecek dan mengatur parameter dari masing-masing komponen.
- Setelah mengatur parameter masing-masing komponen, saya mensimulasikan sistem ini selama 200 detik.
- Setelah muncul hasil simulasi, saya mulai menganalisa masing-masing perubahan parameter dari tiap komponen dengan cara membandingkannya dengan hukum fisika yang berlaku. Parameter yang saya analisa adalah perubahan volume air dalam tiap tangki.
3. Analisa dan Interpretasi Hasil Pemodelan
Jika berdasarkan hukum fisika yang berlaku, volume pada setiap tangki akan tetap jika ketinggian permukaan air pada tiap tangki berada pada level yang sama. Hal ini bisa kita lihat dimana tangki 1 yang memiliki ketinggian air dan ketinggian tangkinya tertinggi lama kelamaan volume airnya terus menurun hingga volumenya sama dengan tangki 2 yang memiliki ketinggian tangki sama dengan tangki 1. Pada tangki 3 volume airnya terus naik melebihi tangki 1 dan 2 karena posisi ketinggian tangkinya lebih rendah dibanding tangki 1 dan 2. Volume air pada tangki ke 3 akan tetap atau tidak berubah lagi saat ketinggian permukaan air pada tangki 3 sudah sama dengan ketinggian tangki 1 dan 2.
4. Catatan konsep utama hukum fisika yang diimplementasikan dalam pemodelan
Hukum fisika yang digunakan dalam menganalisa model ini adalah hukum tekanan hidrostatis yang dapat dirumuskan sebagai berikut:
Ph = ρ.g.h
- Ph = Tekanan Hidrostatis (N/m2 atau Pa) >> 1 atm = 1 Pa
- ρ = Massa jenis (km/m3)
- g = Gaya gravitasi (m/s2)
- h = Kedalaman suatu benda dari permukaan zat cair (m)
- Ph = ρgh + P
- P = Tekanan udara luar (1 atm atau 76 cm Hg)
5. Berikan hasil-hasil simulasi parameter untuk mendukung kesimpulan yang diperoleh
Berikut adalah hasil simulasinya berupa grafik volume terhadap waktu:
PERTEMUAN 4
TUGAS 4
JAWAB:
1.
