Ahmad Mohammad Fahmi
Biodata Diri
Nama : Ahmad Mohammad Fahmi
NPM : 1806181836
Program studi : S1 Teknik Mesin Paralel
Pertemuan 1
Pada pertemuan pertama dilaksanakan dengan sistem pembelajaran jarak jauh (PJJ) melalui aplikasi Zoom. Kegiatan pada pertemuan pertama ini membahas tentang aliran viskos dan cara mensimulasikan analisis laminer flow menggunakan software CFDSOF.
Aliran Viskos pada Pipa
Aliran pada fluida dibagi menjadi dua macam, yaitu:
1. Aliran Invicid, merupakan aliran yang kekentalan fluidanya dianggap nol sehingga dikatakan sebagai aliran yang ideal.
2. Aliran Viscous, merupakan aliran yang dipengaruhi oleh kekentalan fluida atau dikatakan sebagai aliran yang real.
Viskositas
Viskositas menjelaskan ketahanan internal fluida untuk mengalir dan mungkin dapat dipikirkan sebagai pengukuran dari pergeseran fluida. Seluruh fluida (kecuali superfluida) memiliki ketahanan dari tekanan dan oleh karena itu disebut kental, tetapi fluida yang tidak memiliki ketahanan tekanan dan tegangan disebut fluide ideal.
Reynolds Number
Reynold number atau bilangan reynold adalah perbandingan antara gaya inersia (Vsp) terhadap gaya viskositas (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 reynold pada pipa dapat dituliskan dengan persamaan:
Re = V.D.ρ/μ
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)
Pada aliran laminer, bilangan reynold (Re) < 2100. Sementara untuk aliran turbulen, bilangan reynold (Re) > 4000. Aliran dengan bilangan reynold diantara aliran laminer dan turbulen disebut sebagai aliran transisi.
Analisis Laminer Flow menggunakan CFDSOF
Langkah-langkah yang dilakukan untuk melakukan analisis laminer flow dengan CFDSOF:
1. Membuka software CFDSOF dan membuat case.
2. Buat base mesh yang akan dibuat. Terdapat dua pilihan, yaitu box dan cylinder (pada pertemuan ini menggunakan box).
3. Atur dimensi box mesh sebagai tempat fluida mengalir, serta atur jumlah grading agar grid pada kotak proporsional.
4. Atur grading pada mesh properties agar menghasilkan analisis yang lebih detail pada bagian tersebut.
5. Tentukan boundary condition pada box.
6. Generate mesh.
7. Check mesh dan pada report akan tertulis ""Mesh OK".
8. Pilih Simulation Model dan klik apply model jika sudah.
9. Atur fluida properties.
10. 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.
11. Klik run solver.
12. Pindah tab ke CFD-Post, lalu klik post processing with Third Party Tools untuk pindah ke aplikasi paraview.
13. 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. Pada aplikasi ini juga bisa melihat kurva tekanan dan kecepatan.
Pertanyaan
1. Apa yang dimaksud dengan entrance region?
Entrance region adalah wilayah atau daerah yang berada didekat dengan tempat masuknya fluida ke pipa sebelum mencapai kondisi fully developed flow atau aliran yang berkembang sempurna.
2. Apa yang dimaksud dengan entrance length?
Entrance length adalah panjang suatu aliran dari awal masuk pipa hingga mencapai kondisi dimana fully developed flow atau aliran yang berkembang sempurna. Bisa dikatakan juga sebagai panjang dari entrance region.
3. Apa yang dimaksud dengan fully developed flow?
Fully developed flow adalah kondisi dimana profil kecepatan fluida akan menjadi tetap besarnya.
4. Apa pengaruh viskositas terhadap pressure drop?
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. Apa rumus untuk menentukan pressure drop?
Pertemuan 2
Pada pertemuan kedua kelas mekanika fluida, kami diajarkan tentang tiga hukum dasar dalam perhitungan mekanika fluida. Ketiga hukum dasara tersebut adalah:
1. Hukum Konservasi Energi
de/dt = W + Q
2. Hukum Konservasi Massa
dm/dt = 0
3. Hukum Konservasi Momentum
m dv/dt = ∑ F
Selain itu, kami juga diajarkan tentang:
1. Entrance region => Suatu jarak dari saluran masuk hingga profil aliran tidak berubah dalam suatu aliran fluida.
2. Fully developed flow => Suatu daerah setelah melewati entrance region, dimana kecepatan aliran konstan.
3. Entrance length => Suatu area yang mengikuti jalur masuk pipa dimana efek dari dinding interior berpengaruh pada aliran sebagai boundary layer yang semakin meluas.
4. Pressure Drop => Suatu perbedaan tekanan yang terjadi dalam aliran fluida saat memasuki entrance region.
Selain diberikan materi, kami juga diajarkan juga menggunakan CFDSOF untuk mevisualisasikan contoh kasus yang diberikan serta diberi tahu tentang pengaruh jumlah mesh dan cara menggunakan kalkulator pada ParaView untuk mencari tekanan pada case yang kita buat.
Pertemuan 3
Pada pertemuan kali ini, Pak Dai menjelaskan tentang analytical solution for laminar flow, pembahasan soal, serta governing equation pada aliran fluida. Governing Equation merupakan sebuah persamaan batas yang digunakan untuk mengamati gerak laku fluida. Contoh dari Governing Equation pada fluida adalah:
δu/δt + u δu/δx + v δu/δy = -1 δp/ρδx + v δ^2p/δx^2 + νδ^2u/δy^2
Pada pertemuan ini juga diberikan hubungan atau pengaruh dari viskositas dan inersia terhadap fully developed flow dan entrance length, yaitu:
1. Semakin besar viskositas fluida, maka kondisi fully developed akan semakin cepat dan entrance lenght akan semakin pendek.
2. Semakin besar inersia, maka kondisi fully developed akan semakin lambat dan entrance length akan semakin panjang.
Diberikan soal pada Example 8.2 untuk dikerjakan dalam CFDSOF dan solusi analytic yang sudah disampaikan.
Pertemuan 4
Pada pertemuan kali ini, Pak Dai menjelaskan tentang aliran serta pengaruh Reynolds number terhadap jenis aliran fluida. Pada reynolds number yang rendah (<2100), gerakan partikel fluida akan lebih teratur dan tidak saling bergesekan satu sama lain atau biasa disebut sebagai aliran laminer. Pada reynolds number sedang (2100-4000), gerakan fluida mulai berosilasi secara teratur dengan kecepatan berubah setiap waktunya atau biasa disebut sebagai aliran transisi. Pada bilangan reynolds yang tinggi (>4000), alirannya akan bergerak secara tidak terati serta terjadi perubahan kecepatannya akan berubah secara cepat atau biasa disebut sebagai aliran turbulen.
Pada pertemuan ini Pak Dai juga membahas soal example 8.4 tentang turbulent pipe flow properties.
Pertemuan 5
Pada pertemuan ini, Pak Dai memberikan quiz yaitu membuat artikel mengenai pembahasan dan diskusi pada [1] nomor 1 sampai 6
1. Governing Equation pada Fluida
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.
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.
2. Hubungan Kecepatan Masuk dan Viskositas Fluida pada Aliran Pipa
Konsep mekanika fluida pada soal ini adalah dimana jika kecepatan masuk dinaikan maka, aliran pada pipa akan cenderung lebih turbulen yang mengakibatkan panjang entrance region lebih panjang. Sebaliknya jika viskositas fluida yang dinaikan maka aliran akan cenderung lebih laminar sehingga entrance region lebih pendek. Hal ini berhubungan dengan bilangan reynold, yaitu Re = V.D.ρ/μ . Hal ini juga berhubungan dengan kerugian energi serta pressure drop pada aliran yang mana jika aliran lebih turbulen maka kerugian energi dan pressure drop juga semakin besar.
Aplikasinya adalah pada pemasangan pompa, kita dapat mengatur kerugian energi serta pressure drop akibat gesekan antar fluida dengan mengatur besarnya viskositas fluida maupun kecepatan masuk.
3. Menentukan Jenis Aliran Fluida
Konsep mekanika fluida yang digunakan dalam soal ini adalah tentang jenis aliran fluida. Aliran pada fluida dibagi menjadi 3, yaitu:
Aliran Laminer => merupakan aliran yang setiap partikelnya bergerak secara teratur atau tidak saling bergesekan. Hal ini mengakibatkan tegangan yang dialaminya relatif kecil yang mana tegangan diakibatkan oleh viskositas fluida tersebut.
Aliran Transisi => merupakan aliran yang gerakan partikelnya semi teratur atau sebagian partikel fluidanya bergerak secara teratur dan sebagiannya lagi bergerak secara tidak teratur atau bergesekan. Hal ini menyebabkan tegangan pada aliran transisi lebih besar karena adanya tegangan akibat viskositas fluida serta tegangan dari sebagian partikel fluida yang bergesekan. Tegangan yang diakibatkan oleh gesekan antar partikel ini juga akan menimbulkan kerugian energi berupa panas serta dapat menimbulkan pressure drop.
Aliran Turbulen => merupakan aliran yang pergerakan seluruh partikelnya tidak teratur atau saling bergesekan. Hal ini menyebabkan tegangan pada aliran turbulen relatif besar karena tegangan ditimbulkan oleh voskositas dari fluida serta ditimbulkan oleh seluruh partikelnya yang saling bergesekan sehingga kerugian yang dialami juga akan semakin besar. Untuk menentukan jenis alira fluida, kita dapat menentukannya dengan mencari bilangan reynold terlebih dahulu dengan rumus: Re = V.D.ρ/μ atau Re = V.dv/v
Pada aliran laminer, nilai bilangan reynold <2100, aliran turbulen bernilai >4000, dan aliran transisi memiliki nilai diantara aliran laminer dan turbulen.
Aplikasi dari konsep ini adalah untuk mengurangi sifat turbulen pada aliran di pipa agar mengurangi kerusakan pipa akibat kerugian energi yang akan menimbulkan panas serta pressure drop yang lebih besar.
4. Pengaruh Kemiringan Pipa terhadap Pressure Drop pada Pipa
Konsep yang digunakan pada soal ini adalah tentang pengaruh kemiringan pipa terhadap pressure drop dalam aliran pada pipa. Pressure drop merupakan sebuah peristiwa turunnya tekanan pada aliran fluida dari satu titik ke titik yang lain akibat beberapa faktor. 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.
5. Pengaruh Sub-Layer Viskos Terhadap Aliran pada Pipa
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 tingg 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.
6. Pengaruh Aliran Laminer dan Turbulen terhadap Pressure Drop pada Aliran Fluida
Konsep yang digunakan pada soal ini adalah pengaruh dari aliran laminer dan turbulen terhadap pressure drop. Aliran laminer merupakan aliran teratur yang mana setiap partikel fluidanya tidak terjadi gesekan sehingga tegangan yang ditimbulkan hanya diakibatkan oleh viskositasnya. Sedangkan aliran turbulen merupakan aliran yang tidak teratur yang mana setiap partikel fluidanya saling bergesekan sehingga tegangan yang terjadi pada aliran ini ditimbulkan selain oleh viskositasnya, diakibatkan juga akibat gesekan antar partikelnya. Pada fluida sendiri terdapat 3 jenis tekanan, 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 pernyataan-pernyataan di atas dapat kita simpulkan bahwa pressure drop pada aliran turbulen akan lebih besar dibandingkan dengan pada aliran laminer. Hal ini dapat kita lihat dari tegangan yang terjadi pada kedua aliran tersebut. Pada aliran laminer hanya terjadi tegangan viskos, sedangkan pada aliran turbulen terjadi tegangan viskos dan tegangan gesek partikel sehingga tegangan yang terjadi pada aliran turbulen akan lebih besar dibanding tegangan pada aliran laminer. Tegangan pada kedua aliran tersebut dapat menyebabkan penurunan kecepan dari partikelnya sehingga tekanan dinamis pada aliran fluidanya akan turun dam penurunan tekanan dinamis ini akan lebih besar terjadi pada aliran turbulen.
Aplikasi dari konsep ini adalah, dalam perancangan pemasangan pipa kita dapat merekayasa aliran dalan pipa tersebut dengan menurunkan tingkat turbulensinya sehingga pompa yang dibutuhkan dapat lebih murah.
