User:Edward.joshua81

Edward Joshua, Mahasiswa Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Indonesia

Nama Lengkap: Edward Joshua Patrianus Mendrofa

Nama Panggilan: Edo

NPM: 1806233354

Program Studi: S1 Teknik Mesin Paralel

Pertemuan Mekanika Fluida-02

Pertemuan 1, Selasa, 31 Maret 2020

Pada pertemuan pertama berbasis Pembelajaran Jarak Jauh ini, kami menggunakan perangkat lunak Zoom untuk melaksanakan kegiatan pembelajaran kami. Kelas online kali ini kami dipandu oleh Asisten Dosen Mekanika Fluida, Bang Edo Syafei, dalam memahami perangkat lunak CFDSOF yang akan digunakan dalam mata kuliah ini.

Bang Edo memberikan materi Aliran Viskos melalui presentasi powerpoint yang di 'sharescreen' dengan mahasiswa, serta tutorial CFDSOF dalam membuat simulasi aliran udara dalam pipa pada bidang 2 dimensi.

Konsep Dasar

Aliran fluida dapat diklasifikasikan menjadi 2 jenis, yaitu:

1. Aliran Inviscid: aliran fluida yang tidak memiliki viskositas. tegangan geser yang dialami fluida inviscid ini memiliki viskositas yang sangat kecil sehingga dapat diabaikan.

2. Aliran Viscous: aliran fluida yang memiliki tegangan geser terhadap dinding atau batas padat fluida, atau disebut viskositas/kekentalan.

Aliran Viscous dibagi menjadi 3 macam, yaitu:

1. Aliran Laminar: aliran fluida dimana partikel fluida bergerak dalam bentuk lurus dan sejajar. Memiliki Reynolds Number dibawah 2300

2. Aliran Turbulen: aliran fluida dimana partikel fluida bergerak tidak beraturan dan tidak stabil. Memiliki Reynolds Number diatas 4000

3. Aliran Transisi: peralihan aliran fluida dari aliran laminar ke aliran turbulen. Memiliki Reynolds Number antara 2300-4000

Reynolds Number

Reynolds Number atau Bilangan Reynolds adalah rasio antara gaya inersia (vsρ) terhadap gaya viskos (μ/L) yang mengkuantifikasikan hubungan kedua gaya tersebut dengan suatu kondisi aliran tertentu. Bilangan ini digunakan untuk mengidentikasikan jenis aliran yang berbeda, misalnya laminar dan turbulen. Bilangan Reynolds dapat ditulis sebagai berikut:

Dimana: Re–bilangan renolds

U – kecepatan fluida,

d – diameter pipa,

μ – viskositas absolut fluida dinamis,

ν – viskositas kinematik fluida: ν = μ / ρ,

ρ – kerapatan (densitas) fluida.

Simulasi Aliran Fluida Dalam Pipa

Berikut adalah hasil simulasi aliran udara dalam pipa menggunakan perangkat lunak CFDSOF:

Bang Edo juga memberikan beberapa pertanyaan yang dijadikan PR, yaitu:

1. Apa itu entrance region/aliran masuk?

2. Apa itu aliran berkembang sempurna?

3. Apa pengaruh viskositas dan pengaruh pressure drop dalam pipa?

4. Bagaimana cara menghitung pressure drop suatu aliran dalam laminar/turbulen?

5. Apa itu entrance length?

Jawaban dari PR tersebut adalah:

1. Entrance region adalah daerah aliran fluida dari fluida masuk hingga mencapai kondisi kecepatan aliran fluida yang seragam.

2. Aliran berkembang sempurna atau Fully Developed Flow adalah kondisi aliran fluida dimana profil kecepatan fluida tersebut sudah seragam

3. Pressure Drop adalah istilah yang digunakan untuk menggambarkan penurunan tekanan dari satu titik dalam pipa ke hilir titik. Penurunan tekanan merupakan hasil dari gaya gesek pada fluida ketika mengalir melalui pipa yang disebabkan oleh resistensi terhadap aliran. Semakin besar gaya gesek pada fluida maka akan menghsilkan penurunan tekanan (pressure drop) yang besar juga. Salah satu penentu utama resistensi terhadap aliran fluida adalah viskositas fluida.

4. Pressure drop dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Bernoulli, yaitu:

untuk aliran pipa dengan diameter yang seragam dan ketinggian yang sama, persamaan pressure drop tersebut adalah:

sedangkan untuk aliran pipa dengan diameter seragam dan ketinggian yang berbeda, persamaan pressure drop menjadi:

5. Entrance length merupakan jarak antara lokasi masuknya fluida dengan titik awal fully developed flow. Entrance Length untuk aliran laminar pada pipa dapat dihitung dengan rumus berikut:

Pertemuan 2, Rabu, 1 April 2020

Pada pertemuan kedua Mekanika Fluida, materi yang dibahas adalah rumus dasar pada Mekanika Fluida. Rumus pada mekanika fluida berasal dari 3 hukum dasar yaitu:

1. Konservasi Massa

Hukum konservasi massa dapat didefinisikan sebagai perubahan massa terhadap waktu sama dengan 0, tidak ada yang dibuat dan tidak ada yang dihilangkan.

2. Konservasi Momentum

Hukum konservasi momentum dapat didefinisikan sebagai gaya netto sama dengan massa dikali laju perubahan kecepatan

3. Konservasi Energi

Hukum konservasi energi dapat didefinisikan sebagai laju perubahan energi harus diikuti dengan perubahan dalam bentuk kerja(work) dan panas (heat)

Setelah membahas mengenai hukum dasar yang membentuk rumus-rumus dalam mekanika fluida, pembahasan berikutnya adalah pembahasan dari pertanyaan - pertanyaan pada pertemuan 1, yaitu Entrance Region, Entrance Length, dan Fully Develop Flow. Gambar berikut merepresentasikan ketiga hal tersebut

pembahasan selanjutnya adalah profile kecepatan aliran laminar pada pipa. Pada bagian dinding didapat kecepatan aliran adalah 0. Hal ini disebabkan oleh adanya gaya tangensial yang disebabkan oleh viskositas aliran sehingga menyebabkan pressure drop di dinding pipa.

Tugas:

1. Setelah melakukan simulasi CFD menggunakan perangkat lunak CFDSOF, didapat hasil berupa grafik yang didapat dengan menggunakan "Plot Over Line" dan ilustrasi vektor kecepatan dengan menggunakan "Glyph".

Berikut terlampir grafik kecepatan aliran fluida terhadap tinggi pipa serta gambar yang menunjukkan vektor profil kecepatan pada pipa pada entrance region.

Grafik v-y pada pipa dari x=0m hingga x=0,5m

Vektor profil kecepatan aliran fluida pada entrance region

Dari gambar tersebut, terlihat bahwa terjadi perubahan profil kecepatan aliran fluida antara 0m sampai sekitar 0,15m dari mulut pipa. Setelah sekitar 0,15m, profil kecepatan aliran fluida sudah seragam. kondisi ini disebut dengan aliran berkembang sempurna atau fully developed flow.

Berdasarkan rumus yang telah dipelajari, didapat bilangan reynolds pada aliran tersebut sebesar 30. dapat disimpulkan bahwa aliran tersebut merupakan aliran laminar

dengan menggunakan rumus entrance length untuk aliran laminar pada pipa, didapat Entrance Length sekitar 0,15m dari mulut pipa

Pertemuan 3, Selasa, 7 April 2020

Pada pertemuan 3 Mata Kuliah Mekanika Fluida Dasar, kami membahas kembali soal minggu lalu mengenai laminar flow pada plat paralel oleh Pak Indra. Setelah itu, beliau menjelaskan governing equation, yaitu sebuah formula general yang digunakan dalam menganalisis aliran dalma fluida. Governing equation ditulis sebagai berikut:

Dalam kasus seperti di soal laminar flow pada plat paralel, kita hanya menganalisis dalam 2 dimensi, sehingga governing equation tersebut hanya dianalisa pada 1 bidang saja.

Kemudian Pak Indra menjelaskan mengenai visualisasi profil kecepatan aliran fluida pada kasus laminar flow pada plat paralel dan membandingkannya di setiap kenaikan panjang pipa. Visualisasi tersebut menggunakan grafik kecepatan terhadap panjang (diameter), seperti pada gambar yang saya upload pada pertemuan sebelumnya.

Setelah mendapat materi dari Pak Indra, Bang Edo kemudian menjelaskan langkah-langkah dalam menganalisis kasus aliran fluida dalam pipa. Kasus ini dapat dilihat pada buku Fundamentals of Fluid Dynamics karya Munson, Problem 8.2. Berikut terlampir gambar untuk memvisualisasikan solusi dari problem 8.2 tersebut

Visualisasi Solusi Problem 8.2a

Proses analisis Problem 8.2b menggunakan CFDSOF

Visualisasi Solusi Problem 8.2b

Visualisasi Solusi Problem 8.2c

Pada Problem 8.2a, dapat dilihat bahwa perbedaan tekanan pada inlet dan outflow adalah sekitar 0.20-0.32kPa. Hasil tersebut tidak beda jauh dengan hasil yang dilakukan dengan perhitungan teoritis.

Pada Problem 8.2b, dapat dilihat bahwa perbedaan tekanan pada inlet dan outflow pada pipa dengan inklanasi sebesar -13.34° adalah sekitar 0.2kPa. Sedikit berbeda dengan hasil perhitungan, yaitu 0kPa.

Pada Problem 8.2c, dapat dilihat bahwa tekanan pada tengah panjang pipa adalah 0.1kPa. Berbeda dengan hasil perhitungan pada soal yaitu 200kPa.

Namun terdapat beberapa catatan. Pada simulasi yang dilakukan, terdapat beberapa modifikasi terhadap model pipa yang dibuat. Hal ini dilakukan karena model pipa pada problem 8.2 tidaklah kecil dan perangkat untuk melakukan simulasi dengan ukuran pipa sebesar itu tidak memadai. Maka dari itu dilakukan modifikasi yang disesuaikan dengan jawaban (diameter pipa=0.2m, panjang pipa=1m).

Sehingga untuk Problem 8.2c, diketahui bahwa tidak ada perbedaan tekanan antara inlet dan outlet, maka p1=p2=p3. Tekanan pada tengah panjang pipa adalah 0.1kPa sedangkan tekanan pada inlet pipa adalah 0.2kPa. Tidak beda jauh dengan teori yang dipelajari.

Pertemuan 5

Pertemuan ke-5 Kelas Mekanika Fluida Dasar ini membahas tentang Kuis yang diberikan oleh Pak Indra. Kuis tersebut berupa artikel mengenai pemahaman kami mengenai soal-jawab mekanika fluida yang ada di wiki. Berikut adalah artikel mengenai pemahaman saya terhadap soal-jawab mekanika fluida.

1. Analytical solution of laminar flow through the parallel-plate

Hubungan Hukum Konservasi Momentum Terhadap Analytical Solution of Laminar Flow Terdapat tiga hukum dasar yang digunakan dalam menurunkan rumus-rumus dalam mekanika fluida. Hukum konservasi energi, hukum konservasi momentum, hukum konservasi massa. Konservasi Energi didefinisikan sebagai laju perubahan energi harus diikuti dengan perubahan dalam bentuk kerja(work) dan panas (heat), Hukum konservasi massa dapat didefinisikan sebagai perubahan massa terhadap waktu sama dengan 0, tidak ada yang dibuat dan tidak ada yang dihilangkan, sedangkan Hukum konservasi momentum dapat didefinisikan sebagai gaya netto sama dengan massa dikali laju perubahan kecepatan. Untuk analisis studi kasus tersebut, digunakan hukum konservasi momentum untuk menganalisis kecepatan fluida pada aliran laminar dalam plat parallel. Momentum Equation tersebut dapat ditulis sebagai berikut: Namun karena aliran laminar tersebut diasumsikan bergerak halus pada satu sumbu, maka komponen y dan z dapat diabaikan. Sehingga dapat dilihat bahwa factor-faktor yang mempengaruhi aliran laminar fluida ada 3 yaitu, gaya akibat tekanan, gaya akibar gravitasi, dan gaya viskos.

2. Laminar Parallel Plate Flow – CFD Simulation

Konsep Bilangan Reynolds dan Hubungannya dengan Sifat Aliran Fluida Pada studi kasus ini, kita diperkenalkan dengan konsep Reynolds Number, yaitu suatu unit tak berdimensi yang mengindikasikan aliran fluida tersebut laminar atau turbulen. Reynolds Number secara definisi adalah rasio antara Gaya Inersia dengan Gaya Viskos (Friction Force). Bilangan Reynolds yang berbeda-beda akan menujukan profil kecepatan fluida yang berbeda-beda pula. Apabila bilangan Reynolds tersebut rendah, maka gaya viskos lebih dominan dibanding gaya inersianya, akibatnya fluida mengalir secara halus atau laminar. Apabila bilangan Reynolds tersebut tinggi, maka gaya inersia lebih dominan dibanding gaya viskosnya, akibatnya aliran tersebut kacau dan tidak teratur atau turbulen. Bilangan Reynolds ini dapat digunakan untuk memprediksi Entrance Length (Le) dari aliran laminar fluida, pada kasus ini aliran tersebut berada pada dua pelat paralel. Entrance Length adalah daerah antara titik masuk fluida dengan titik terbentuknya profil kecepatan fluida yang seragam. Semakin tinggi Bilangan Reynolds, atau semakin cenderung turbulen aliran fluida tersebut, maka semakin lama juga terbentuknya profil kecepatan aliran fluida yang seragam. Akibatnya, Entrance Lengthnya semakin panjang.

3. Turbulent Parallel Plate Flow – CFD Simulation

Hubungan Tegangan Geser dengan Aliran Turbulen Perbedaan yang membedakan antara aliran laminar dengan aliran turbulen adalah parameter kecacauan dan sifat yang acak. Aliran laminar dimodelkan sebagai fluida yang mengalir secara halus sepanjang lapisan, sedangkan aliran turbuleng dimodelkan sebagai fluida yang mengalir secara acak, kacau, dan tidak dapat diprediksi. Seringkali pendekatan aliran laminar mengenai tegangan geser digunakan untuk melakukan analisis terhadap aliran turbulen. Namun secara eksperimen, pendekatan tersebut tidak benar. Dalam analisis tegangan geser pada aliran turbulen, terdapat faktor lain yakni tegangan geser turbulen atau τturb dengan besaran τturb= -ρu̅’v̅’, sehingga tegangan geser pada aliran turbulen lebih besar dibanding tegangan geser pada aliran laminar. Bentuk alternative dari tegangan geser untuk aliran turbulen menggunakan istilah eddy viscousity,η, dimana τ= η.du̅/dy.

4. Soal jawab mekanika fluida, munson, example 8.2 laminar pipe flow

Hukum II Newton sebagai Pendekatan Analisis Fully Developed Flow pada Aliran Laminar Fluida Studi kasus ini menunjukkan salah satu kasus real yaitu aliran fluida laminar melalui pipa. Terdapat beberapa pendekatan yang berkaitan dengan fully developed flow pada aliran laminar, Hukum II Newton, Navier-Stokes Equation, dan analisis dimensional. Namun pada example 8.2, pendekatan yang digunakan adalah pendekatan Hukum II Newton, karena yang dianalisis merupakan gaya-gaya yang bekerja pada pipa. Dengan menggunakan rumus F=m.a, kita mengetahui terdapat gaya-gaya yang berlaku pada fluida yaitu gaya akibat tekanan awal (p1), gaya akibat tekanan akhir (p2=p1-Δp), dan tegangan geser (2πrlτ). Dengan mengabaikan efek gravitasi sehingga tidak ada akselerasi, maka didapat rumus perbedaan tekanan akibat debit fluida seperti pada soal.

5. Turbulent Pipe Flow Properties, Example 8.4, FFM, Munson et. Al

Hubungan Tegangan Geser Terhadap Viscous Sublayer pada Aliran Turbulen Dalam aliran turbulen yang fully developed, terdapat tiga daerah yaitu: viscous sublayer, daerah overlap, dan lapisan turbulen luar. Pada viscous sublayer, tegangan geser viskos lebih dominan dibanding turbulent stress. Viscous sublayer itu sendiri merupakan besaran tak berdimensi, dapat ditulis sebagai yu*/v, dimana y adalah jarak dari dinding, v adalah kinematic viscousity, dan u* adalah kecepatan friksi. Satuan u* adalah m/s, namun sebenarnya kecepatan friksi ini bukanlah kecepatan pada umumnya. Kecepatan friksi ini adalah sebuah satuan yang kebetulan mempunyai dimensi yang sama dengan kecepatan. Rumusnya adalah (τw/ρ)^0.5. Dari definisi kecepatan friksi, terdapat hubungan antara tegangan geser dengan viscous sublayer. Semakin besar tegangan fluida pada dinding, semakin besar juga viscous sublayer yang terbentuk. Secara teoritis, nilai viscous sublayer sangat sulit didapatkan. Maka kebanyakan nilai viscous sublayer didapat dari hasil eksperimen.

6. Comparison of Laminar or Turbulent Pressure Drop

Pendekatan Analisis Dimensional terhadap Penurunan Tekanan pada Aliran Turbulen Example 8.5 membahas mengenai perbandingan pressure drop pada aliran laminar dengan aliran turbulen. Pada kasus tersebut, aliran terjadi merupakan aliran turbulen. Pada kasus sebelumnya, digunakan pendekatan dengan Hukum II Newton untuk menganalisis aliran laminar fluida. Namun, jika pendekatan ini diterapkan pada aliran turbulen, perhitungan menjadi sangat sulit, bahkan tidak mungkin. Maka untuk menganalisis aliran turbulen, dapat digunakan Analisis Dimensional (Dimensional Analysis). Dengan pendekatan analisis dimensional, kita dapat mengukur perubahan tekanan pada aliran fluida dalam sebuah pipa, baik itu aliran laminar ataupun aliran turbulen. Perhitungan dengan menggunakan analisis dimensional bergantung dengnan friction factor atau faktor friksi, dinotasikan dengan f, yaitu sebuah konstanta yang dependen pada bilangan Reynold dan/atau kekasaran relatif (relative roughness). Untuk aliran laminar, nilai f adalah 64/Re, independen terhadap kekasaran relatif. Sedangkan untuk aliran turbulen, nilai f tidak dapat dihitung secara teoritis, namun dengan menggunakan tabel yaitu moody chart, yaitu tabel yang menunjukkan nilai f berdasarkan bilangan Reynolds dan kekasaran relatif. Nilai dari tabel ini didapat melalui hasil eksperimen, bukan melalui perhitungan teoritis. Selain Moody Chart, metode alternative untuk mendapatkan nilai f adalah dengan menggunakan Colebrook Formula. Selain itu, untuk aliran turbulen pada pipa halus dengan bilangan Reynolds dibawah 100 000, dapat digunakan Blasius Formula untuk memperoleh nilai f.

Pertemuan 6, 15 April 2020

Pertemuan ke-6 Mekanika Fluida Dasar kali ini membahas mengenai Minor Losses. Pada aliran fluida dalam pipa, terdapat penurunan tekanan sepanjang yang disebut juga dengan Head Loss. Head Loss ini dibagi menjadi 2 macam yaitu Major Head Loss, dan Minor Head Loss. Penurunan tekanan akibat gaya viskos disebut dengan Major Head Loss. Sedangkan penurunan tekanan akibat bentuk pipa (elbow, tee, valve, dll.) disebut dengan Minor Head Loss. Salah satu metode dalam menentukan adalah dengan menemukan nilai koefisien lossnya, yang didefinisikan sebagai:

Selain itu, Pak Indra menjelaskan mengenai peristiwa separated flow dan solusi untuk mencegah separated flow pada pipa berbelok. Separated flow dapat dicegah dengan menggunakan guided vanes, seperti gambar berikut:

Setelah pemaparan materi, Pak Indra memberikan beberapa tugas untuk berdiskusi tentang materi minor losses dan soal-jawab, serta simulasi mengenai secondary flow pada fittings seperti valve, elbow, tees, dll. untuk mempermudah pemahaman kami terhadap materi minor losses.

Berikut adalah hasil simulasi mengenai secondar flow:

Simulasi CFD untuk melihat sifat fluida akibat bentuk pipa serta data untuk perhitungan Minor Losses

Pertemuan 7, 21 April 2020

Pada petemuan ke-7, Pak Indra memberi kesempatan kepada Bang Agil, Mahasiswa Teknik Mesin 2016, untuk menjelaskan materi skripsinya yang berkaitan dengan materi yang sedang kami pelajari. Materi skripsi yang beliau sampaikan adalah mengenai konversi energi air ke energi mekanikal. Konsep tersebut menjelaskan bahwa gaya yang ditimbulkan oleh air menyebabkan gerakan bilah turbin air akibat perubahan momentum. Dengan energi kinetik menyebabkan perubahan momentum dan energi potensial terjadi karena perbedaan ketinggian.

Pertemuan 8, 22 April 2020

Pada pertemuan ke-8, Pak Indra ingin melihat kontribusi kami pada situs air.eng.ui.ac.id dan memberi kami kesempatan untuk menjelaskan pemahaman kami mengenai materi yang sudah dipelajari. Materi yang disampaikan cukup materi yang paling dikuasai oleh kami.

Saya menjelaskan mengenai konsep bilangan Reynolds, yaitu rasio tak berdimensi antara gaya inersia terhadap gaya viskositas. Bilangan ini akan menunjukan sifat aliran fluida apakah aliran tersebut laminar atau turbulen. Pada umumnya, aliran turbulen lebih sering ditemui dibanding aliran laminar. Bilangan Reynolds dibawah 2300 akan membentuk aliran laminar, Bilangan Reynolds antara 2300 hingga 4000 akan membentuk aliran transisi, dan Bilangan Reynolds lebih dari 4000 akan membentuk aliran turbulen.

Tugas Besar - Analisa Drag Coefficient pada Desain Gedung Taipei 101

Sebuah penampakan yang biasa jika kita melihat gedung pencakar langit. Harga tanah yang tinggi mengakibatkan insinyur untuk berpikir bagaimana cara memaksimalkan fungsi tanah tersebut. Salah satu tantangan yang dihadapi oleh insinyur ketika merancang desain bangunan pencakar langit adalah angin. Kecepatan angin sangat beragam dan tidak dapat diprediksi, dari kecepatan 10km/j bahkan hingga 200km/j. Selain itu, angin juga dapat menyebabkan fenomena vortex shedding dimana terdapat perbedaan tekanan antar sisi bangunan akibat aliran angin kencang yang melalui bangunan tersebut. Vortex shedding ini dapat menyebabkan gedung pencakar langit untuk bergoyang. Apabila goyangan ini sangat besar, maka bangunan pencakar langit ini sangat rentan untuk rubuh. Maka dari itu terdapat beberapa solusi yang dilakukan oleh insinyur untuk meredam goyangan gedung pencakar langit.

Denah Gedung Taipei 101

Gedung pencakar langit Taipei 101

Taipei 101 adalah salah satu gedung pencakar langit tertinggi di dunia yang terletak di Taiwan. Gedung dengan ketinggian 500m tentunya sangat rentan mengalami vortex shedding— apalagi gedung ini adalah satu-satunya gedung tertinggi di daerah Taipei. Beberapa cara dilakukan untuk meredam efek angin ini, salah satunya adalah desain struktural gedungnya. Jika dilihat dari denah gedung Taipei 101, bentuk gedung tersebut berbentuk persegi yang disetiap sudutnya terdapat potongan kecil (sawtooth corner). Dengan bentuk gedung yang lebih bulat, maka efek vortex shedding ini dapat dikurangi.