Kuliah CFD M. Hilman Gumelar Syafei

Bismillahirrahmanirrahim

Ini adalah page berisi catatan perkuliaha mata kuliah Computation Fluid Dynamics yang ditulis oleh M. Hilman Gumelar Syafei, mahasiswa S2 Teknik Mesin Universitas Indonesia. Segala tulisan yang ada disini tidak terjamin terhindar dari adanya kesalahan, baik dari segi tulisan, ataupun pemahaman konsep. Penulis berharap semoga catatan kecil ini dapat menjadi catatan yang bermanfaat, khususnya bagi penulis sendiri.

Review Fisika Aliran

Revew Fisika Aliran

Fluida

Fluida merupakan suatu zat atau senyawa yang akan berdeformasi secara kontinyu ketika menerima tegangan geser. Hal ini dapat di gambarkan melalui gambar dibawah berikut:

Gambar 1 Ilustrasi Fluida yang berdeformasi secara kontinyu Gambar 1 diatas menunjukkan adanya deformasi yang terjadi secara kontinyu ketika plat pada sisi atas diberikan gaya sebesar P dan bergerak dengan kecepatan U ke arah kanan. Dapat diketahui bahwa fluida yang ada diantara dua plat tersebut akan megnalami deformasi secara kontinyu (selama plat diatas terus bergerak). Hal ini lah yang menjadi perbedaan mendasar antara fluida dengan benda padat atau solid. Secara umum, setiap fluida mempunyai laju deformasi yang berbeda-beda terhadap suatu buah tegangan geser tertentu (gaya terhadap suatu luasan area geser). Hubungan antara besarnya laju deformasi terhadap tegangan geser dapat direpresentasikan melalui persamaan berikut:

Hal tersebut menunjukkan adanya sebuah parameter penting yang menggambarkan tingkat laju deformasi dari fluida tersebut terhadap suatu gaa geser tertentu. Hal tersebut adalah viskositas. Viskositas fluida dapat merepresentasikan tingkat laju deformasi fluida terhadap suatu tegangan geser. Bahasa awamnya, viskositas itu berkaitan dengan kekentalan fluida. Apabila fluida semakin viskos, atau viskositas suatu fluida, maka fluida tersebut akan semakin kental dan semakin rendah laju deformasinya terhadap suatu tegangan geser tertentu. Sebaliknya, ketika viskositas suatu fluida semakin rendah, maka fludia tersebut semakin tinggi laju deformasinya terhadap suatu tegangan geser tertentu. Fluida memiliki propery-property dasar sebagai berikut:

Densitas / massa jenis: yaitu kerapatan dari suatu zat fluida. Densitas dpat didefiknisikan pula sebagai nilai masa per satuan volume dari fludia tersebut. Berbagai jenis fludia memiliki nilai densitas yang berbeda-beda. Namun, hal yang perlu digaris bawahi adalah untuk fluida liquid (cair), tekanan dan temperatur hanya memberikan sedikit pengaruh terhadap nilai densitas. Namun demikian. Namun sebaliknya, untuk fluida gas, masa jenis sangat dipengauruhi oleh temperatur dan tekanan. Berkebalikan dari densitas, volume spesifik adalah jumlah volume per satuan massa fluida. Atau berbanding terbalik dengan nilai densitansya. Berat Spesifik; yaitu didefinsikan sebagai massa jenis dikali dengan percapatan gravitasinya.

Viskositas; merupakan salah satu property fluida yang sangat penting. Viskositas dari suatu fluida dapat mempengaruhi aliran dari fluida ketika mengalir di suatu objek ataupuan di suatu saaluran tertentu. Secara awam, viskositas ini dikenal dengan tingkat kekentalan suatu fluida. Viskositas dari fluida ini juga merepresentasikan gesekan yang terjadi pada fluida, serta berhubungan erat dengan besar pressure drop yang terjadi. Viskositas pada fluida liquid diakibatkan oleh adanya gaya-gaya intermolekul dari partikel-partikel fluida. Apabila temperatur suatu fluida cari semakin tinggi, maka gaya intramolekul nya akan semakin rendah dan jarak antar partikel-partikel fluida akan semakin merenggang. Sehingga, viskositas dari suatu fluida cair akan semakin rendah.

Adapun pada fluida gas, viskositas diakibatkan oleh adanya tumbukan dari partikel-partikel gas yang sangat acak. Ketika temperatur semakin tinggi, justru partikel-partikel gas tersebut akan semakin acak dan pergerakan partikelnya semakin cepat, sehingga viskositasnya justru akan semakin tinggi. Secara umum, suatu zat fluida akan mengalami deformasi secara kontiyu ketika diberikan tegangan geser, dan sifatnya adalah linier, antara tegangan geser dan laju geseran akibat deformasi nya. Fluida ini diseubut juga fluida Newtonian. Namun, ada beberapa fluida yang tidak mengalami deformasi secara kontinyu apabila tegangan geser ataupuna gaya eksternal yang diberikan terlalu kecil, hingga zat tersebut baru akan berdeformasi secara kontinyu ketika fluida tersebut diberikan tegangan geser yang cukup. Fludia tersebut dinamakan fluida Non-Newtonian.

Fluida compressible dan fluida incompressible

Berdasarkan sifat dari fluida mengenai kemampunnya untuk dimampatkan atau dikompres, terbagi menjadi fluida compresible dan fluida incompressible. Fluida incompressible merupakan fluida yang hampir tidak bisa dikompres atau dimampatkan. Dengan kata lain, massa jenis dari fluida incompressible tidak dapat dikurangi dengan menekan fluida atau mengurangi volume fludia tersebut. Adapun fluida compressible adalah fluida yang dapat dimampatkan atau dikompesi, sehingga massa jenisnya dapat dengan sangat mudah berubah ketika fludia tersebut ditekan atau dikompres.

Fluida Statis dan Fluida Dinamis

Fluida dapat dikalsifikasn menjadi fluida statis dan fluida dinamis. Suatu fludia dikatakan sebagai fluida statis apabila tidak terdapat adanya gerak relatif antar partikel fluida dan juga tidak terdapat adanya variasi tengan geser di setiap titik pada fluida tersebut.

Melalui analisis hukum 2 newton, diperoleh lah persamaan diatas. Persaman tersebut menunjukkan bahwa tekanan pada fluida statis tidak berubah terhadap arah x dan arah y, akan tetapi hanya berubaha terhadap arah sumbu z (vertikal), sebagaiana dtunjukan pada gambar dibawah:

Gambar 2 Analisis gaya suatu titik pada fluida yang diam ( Adapun fluida dinamis adalah kondisi ketika terdapat adanya gerak relatif antar apartikel fluidanya. Contoh sederhana fluida statis adalah ketika fluida tersebut ditampung pada suatu bejana yang diam. Adapun Fluida dinamis contohnya adalah aliran fluida pada suatu pipa atau saluran. Fluida dinamis ini merupakan fluida yang terdapat gerak relatif antar partikelnya (maka timbulah adanya tegangan geser), sehingga, tekanan ada suatu titik di dalam fluida tidak lah sama ke segala arah. Hal ini membutuhkan analisi yang lebih kompleks.

Prinsip Dasar Fluida Dinamis dan Persamaan Bernouli

Pada dasarnya, fluida dinamis menunjukkan bahwa adanya patikel fluida yang bergerak. Pergerakan partikel fluida ini tentu akan menghasilkan hasil analisis yang berbeda dengan analisis pada fluida statis. Karakteristik dan aliran fluida dinamis ini dapat ditinjau melalui cara-cara yang sederhana terlebih dahulu., diantaranya:

->melakukan analisis gerakan sebuah partikel fluida di sebuah stream line dengan menggunakan hukum 2 Newton.

->Selain itu, fluida dianggap inviscid, artinya viskositas nya 0. Hal ini demikian karena kebanyakan pada kasus aliran yang ditemui dikehidupan sehari-hari, efek viskos atau gesekan pada fluida memiliki pengaurh yang sangat kecil.

->Fluida dianggap mengalir dalam keadaan tunak atau steadystate, yang berarti bahwa di suatu lokasi atau titik tertentu, tidak terdapat adanya perubahan terhadap waktu.

->Lalu, diasumsikan pula bahwa partikel fluida mengalir pada streamlinenya masing-masing tanpa ada yang berpindah ke streamline partikel fluida yang lain.

->Fluida juga diasumsikan tidak beubah masa jenisnya (bahkan untuk fluida gas yang kecepatannya rendah)

Dengan menggunakan perhitungan analitis melalui point-point diatas, diperolehlah sebuah persamaan dasar yang disebut sebagai persamaan bernouli. Persamaan ini dapat didedifinisika sebagai berikut:

Aliran Viskos Internal

Aliran viskos internal merupakan bahasan mengenai fluida dinamis. Telah dibahas sebelumnya bahwa melalui persaaman bernouli, diasumsikan bahwa fluida dinggap inviscid. Padahal, sejatinya, tidak ada satupun fluida yang inviscid, itu hanyalah pengidealan saja. Oleh karena itu, efek viscous pada suatu aliran perlu diperhatikan, karena efek viscous ini berkaitan erat dengan karakteristik suatu aliran. Selain itu, efek viskos juga sangat berpengaruh terhadap pressure drop yang terjadi. Karakteristik aliran viskos dapat dibagi menjadi 3 regime, yaitu regime aliran laminar, aliran transisi, dan aliran turbulen. Untuk memahami dengan lebih gamblang, aliran laminar, transisi, dan aliran turbulen dapat digambarkan melalui percobaan yang dilakukan oleh Osborn Reynolds, dengan mengobservasi sebuah aliran menggunakan bantuan pewarna sebagai berikut:

Gambar 3 Ilustrasi Transisi aliran laminar menjadi aliran turbulen Dapat diperoleh bahwa aliran laminar merupakan aliran yang sangat uniform, hampir tidak terjadi adanya perubahan profile kecepatan di sepanjang pipa tidak berubah. Adapun untuk aliran turbulen dan transisional, terdapat adnaya perubahan profil aliran disepnajang pipa. Untuk lebih jelasnya, aliran turbulen adalah aliran yang memiliki keacakan dari gerakan yang terus berubah, perubahannya sangat acak dan sangat cepat, oleh karenanya, aliran turbulen memerlukan bantuan statistik untuk mempelajarinya. Karakteristik aliran turbulen maupun laminar dapat direresentasikan melalui parameter tak berdimensi, yang dikenal dengan Reynolds Number. Reynolds Number didefinsikan sebagai rasio antara gaya inersia fludia terhadap gaya viskousnya. Aliran laminar merupakan aliran yang memiliki nilai Reynolds Number yang rendah. Adapun aliran turbulen memiliki nilai bilangan Reynold yang tinggi. Pada kasus aliran internal di dalam pipa, Reynolds Number dapat dituliska sebagai berikut: Re=ρVD/μ Untuk kasus aliran dalam pipa, aliran laminar berada pada nilai Re<2100 . Adapun aliran turbulen terjadi ketika Re>4000. Tetapi, nilai tersebut tidak berlaku untuk kasus aliran yang lain, misalkan untuk aliran pada saluran yang tidak berbentuk bulat, atau di aliran eksternal. Fully Developed Flow Ketika aliran fluida mengalir masuk melalui dinding, maka akan ada interaksi antara partikel fluida dengan dinding. Daerah dimana partikel fluida dipengaruhi oleh adnaya efek viskos antara fluida dengan dinding disebut dengan Boundary Layer. Suatu alirna disebut juga dengan Fully Developed Flow apabila seluruh daerah pada suatu penampang aliran di dalam pipa seluruhnya telah terpengaruh oleh adnaya efek viscous dari dinding. Pada kondisi fully developed flow ini lah analisis akan lebih mudah dilakukan. Misalkan, pada aliran laminar, profil kecepatan pada kondisi aliran fully developed flow akan ebrbentuk parabolic. Lalu muncul pertanyaan, kapankah kondisi aliran tidak fully developed flow? Kondisi tersebut akan ditemui salah satunya ketika sebuah alran baru saja memasuki sebuah pipa. Sebagaimana ditunjukan pada gambaer berikut:

Aliran pada daerah masuk, ketika belum tercapai fully developed flow disebut juga dengan Entrance Region. Pada zonani aliran fluida sangat kompleks dan sulit untuk di modelkan secara analitis.

Aliran Laminar Fully Developed

Aliran laminar fully developed didalam suatu pipa memiliki profil parabolic, sebagaimana dapat dilihat pada gambar berikut:

Pada aliran laminar fully developed, efek viskos akibat adanya gesekan antara fluida dengan dinding mengakibatkan adannya kerugian. Kerugian ini akan mengakibatkan adanya pressure drop. Interaksi antara tegangan geser dinding dan penurunan tekanan dapat dianalisis dengan megnanalisa sebuah lemtnfluida seperti pada gambar diatas yang berwarna hijau, dan seara detail dapat ditunjukan pada gabar berikut:

Dapat dilihat pada element fluida diatas bahwa terdapat interaksi, yaitu interaksi gaya gesek yang menghambat fluida, dan juga gaya tekan yang mendorong aliran fluida. Berdasarkan analisis matematis, dapat diperoleh bahwa terdapat keseimbangan antara gaya yang diakibatkan oleh perbedaan tekanan diantara kedua titik pada element fluida (antara titik hulu dan hilir) dengan gaya gesek fluida dengan dinding. Hal ini menunjukkan bahwa pada aliran laminar fully developed bahwa aliran tidak mengalami percepatan. Sekarang timbul pertanyaan, ‘bagaimana cara menghitung jumlah kerugian yang hilang akibat efek viskos tersebut?’. Untuk meghitung pressure drop akibat efek viskos pada aliran laminar fully developed, dapat menggunakan beberapa pendekata, seperti melalui pendekatan hukum 2 newton, pendekatan analisis dimensional, dan penurunan dari persamaan Navier-Stokes. Yang paling umum dikenal adalah rumus yang dihasilkan dari hukum 2 newton, yang kemudian memenuhi hasil eksperimental yang dilakukan oleh Hagen-Poiseuille, dan dikenal dengan hukum Poiseuille yang dapat dituliskan sebagai berikut:

Persamaan pressure drop juga dapat dihasilkan dari analisis penuruna rumus Navier-Stokes sebagai berikut:

f adalah bilangan tak berdimensi yang disebut juga dengan faktor gesek. Persamaan yang dihasilkan dari penurun Navier-Stokes ini bersifat lebih umum, dan dapat digunakan untuk mengistimesi pressure drop untuk aliran laminar maupun tubrbulen, berbeda dengan persamaan dari hukum Poiseuille yang hanya berlaku pada kondisi aliran laminar saja. Namun, yang membedakan antara aliran laminar dan aliran turbulen adalah pada nilai f nya.

Aliran Turbulen Fully Developed

Aliran turbulen fuly developed adalah kondisi aliran turbulen yang mana nilai Reynold Numbernya sudah tinggi, melebihi suatu nilai tertentu, misalkan pada aliran pipa, nilai Re>4000.  Apabila kita menggunakan definisi Reynols Number, dapat disimpulkna bahwa alirant turbulen berarti didominas oleh gaya inersia fluida dibandingkan dengan gaya viskosnya. Jauh berbeda dengan aliran laminar, aliran turbulen ini sangat acak. Tingkat keacakan dari suatu aliran turbulen dapat dipresentasikan melalui nilai intensitas turbulennya yang dapat digambarkan sebagia berikut:

Intensitas turbulen merperentasikan tingkat keacakan suatu aliran. Apabila semakin acak, maka intensitas turbulennya semakin tinggi. Hal lain yang sangat membedakan adalah tegangan geser pada aliran turbulen. Telah dibahas sebelumnya bahwa pada aliran laminar, aliran dengan nilai Re yang rendah, menunjukkan bahwa gaya viskos antara fludia dengan dinding lebih dominan dari pada gaya inersia dari fluida. Oleh karenanya, gesekan yang terjadi pada aliran laminar hanya diakibatkan oleh adanya gesekan antara fluida dengan dinding, yang tentu dipengrauhi oleh viskostias dari fluida itu sendiri. Adapun pada aliran turbulen, aliran didominasi oleh gaya inersia dibandingkan dengan gaya viskos, sehingga pressure drop atau kerugian yang terjadi bukan hanya diakibatkan eh gesekan antara dinding dengan fluida. Bahkan, pengaruh gaya viskos pada aliran turbulen hanya berlaku pada daerah sub-layer, yaitu daerah tipis dekat dengan dinding. Adapun daerah yang jauh dengan dinding, maka tegangan geser bukan didominasi oleh gaya viskos antara fluida dengan dinding, tetapi melainkan karena adnaya gerakan partikel yang acak dan saling bertumbukan, sehingga seolah-olah ada tegangan geser akibat dari gearakan acak tersebut.

Konsep-konsep tersebut sebenrnya masih merupakan teori. Adapun hingga saat ini, para peneliti masih belum dapat memberikan persamaan yang secara spesifik dan eksplisit dapat memodelkan alitan turbulen secara akurat. Aliran eksternal Aliran eksternal merupakan aliran yang hampir kita temui di kehiduapn sehari-sehari. Pada aliran eksternal, aliran mengalir melalui objek solid, atau dikenal juga dengan aliran benda terendam (Flow through imeersed body). Contoh nyatanyanya adalah aliran udara pada pesawat terbang, aliran udara melalui profil penampang sayap, mobil, dan lain-lain.

Konsep penting dari aliran eksternal ini terletak pada boundary layer atau lapisan batas , yaitu daerah fludia yang mengalami efek viskos akiabt adanya gesekan dengan benda solid yang dilewati fluida. Untuk dapat memahaminya, dapat diliat contoh aliran udara yang melewati sebuah plat datar sebagai berikut:

Dapat diamati pada gambar diatas bahwa dibagian bawah berwarna abu-abu, adalah daerah fluida yang terkena efek viskos. Awalnya, fluida mengalir dengan kecepatan yang uniform. Kemudian, pada daerah hulu (x=0) yaitu dibagian tepat ketika fluida kontak dengan plat, maka mulai terbentuk adanya lapisan batas (boundary layer), daerah diluar boundary layer ini merupakan aliran frees stream, yaitu aliran yang tidak terpengaruh oleh efek viskos, dan kecepatannya masih sama dengan nilai kecepatan pada awalnya. Semakin menuju ke hilir, maka efek viskos akan semakin besar, dan akan semakin mempengaruhi fludia yang ada diatasnya, sehingga lapisan batas akan terus berkembang dan membesar, sebagaimana ditunjukan pada gmabar diatas. Dapat diketahui pula bahwa apabila plat yang dialiri fluida tersebut cukup panjang maka akan ada titik dimana terjadi transisi aliran dari laminar menuju turbulen. Hal ini dapat dipahami, apabila kita melihat persamaan Reynols Number nya sebagai berikut: Re=ρUx/μ. Dapat diapahami bahwa Reynolds Number pada kasus aliran eksternal melwati plat adalah fungsi terhadap jarak X. Sehingga, dengan semakin besarnya X, maka nilai Reynols Number akan semakin tinggi, hingga sampai terjadinya transisi dari aliran laminra menjadi aliran turbulen. Analisis lapisan batas ini sangat penting, terutama untuk menganalisis adanya gaya drag, ataupun gaya angkat yang diakibatkan dari aliran fluida di sekitara benda solid tersebut.

11/17/2020 - Aliran External: Turbin VAWT

Kasus aliran eksternal merupakan salah satu kasus aliran yang banyak ditemukan pada aplikasi engineering, diantaranya yaitu turbomachinery. Ilmu CFD dapat dimanfaatkan untuk menganalisis kasus aliran eksternal pada turbomachiner. Pertemuan kali ini akan membahas mengenai kasus simulasi turbin angin jenis Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) yang akan disimulasikan dengan menggunakan software CFDSOF.

Yang menarik, kali ini, kita tidak akan menggunakan software melalui GUI (Graphic User Interface), melainkan kita akan mencoba menjalankan simulasi melalui Text Editor Enginer Software ya secara langsung.

Deskripsi Aliran kasus

Aliran dimodelkan dengan aliran dua dimensi. Hal ini dimaksudkan agar simulasi dapat berjalan dengan waktu simulasi yang relatif lebih cepat.

Kemudian, dapat dilihat bahwa pada gambar ditengah, terdapat dua area mesh, yaitu mesh yang bergerak dan mesh yang statis. Hal ini demikian karena pada kasus ini, nantinya geometri turbin yang dialiri oleh angin akan berputar. Oleh karena itu, berputarnya geometri turbin tersebut memerlukan pembagian area mesh yang berputar dan mesh yang statis atau diam. Mesh yang berputar mencangkup geometri yang berputar. Adapaun mesh yang statis mencangkup domain fluida aliran angin yang diaam. Hasil dari pergerakan turbin akibat adanya aliran angin dapat dilihat ada gambar berikut:

Distribusi tekanan pada aliran di sekitar blade juga dapat diamati melalui gambar diatas. Melalui distribusi tekanan, kita dapat melihat bahwa perbedaan tekanan diantara kedua sisi di setiap blade mengakibatkan adanya gaya yang akan memutar turbin.

11/17/2020 - Lanjutan simulasi Turbin VAWT, modifikasi massa

Kelanjuta dari latihan simulasi Turbin VAWT adalah mempelajari konsep 6DoF. Kemudian, diminta juga setiap mahasiswa untuk memvariasikan atau mengubah-ngubah parameter yang ada di dictionary Dynamic Mesh yang ada di library bernama DynamicMeshDict :

Kemudian dari beberapa parameter yang terdapat di dictionary tersebut, parameter yang dipilih untuk divariasikan adalah massa dari geometrinya seperti berikut:

11/25/2020 - Aliran External: Turbin VAWT

Pada pertemuan kali ini, kasus aliran yang akan dibahas adalah simulasi multifasa,yaitu campuran fase gas dan paritikel. Kasus yang akan dibahas adalah Cycloe separator. Bentuk geometri dari cyclone separator dapat dilihat pada gambar berikut:

Diantara fungsi utama cyclone adalah untuk memisahkan antara gas dengan partikel-partikel. Campuran gas dan partikel masuk mealu saluran inlet. Lalu, karena bentuk geometri nya yang demikian, aliran tersebut akan berputar menngikuti bentuk cyclone. Adapun partikel, yang lebih berat akan kehilangan energi karena menumbuk dinding, kemudian berputar dan mengalami gayasenrifugal akibat alirannya yang berputar. Sehingga, nantinya partikel akan jatuh ke bawah. Adapun Gas yang reatif ebih ringan akan mengair ke atas.

Simulasi dilakukandengan menggunakan software CFDSOF. Geometry cyclone dibuat menggunakan SolidWorks dan kemudian dimesh menggunakan CFDSOF. Base mesh yang digunakan adalah sebagai berikut:

Kemudian, pada daerah dinding, dilakukan surface refinement leve 1. Sehingga, Mesh yang dihasilkan adaah sebagai berikut:

Seting simulasi nya dapat dijelaskan sebagai berikut:

Model Simulasi aliran:

Mode simulasi alirannya diset sebagai berikut  : ->Simulasi aliran turbulen dengan Large Edy Simuation(LES) ->Transient -> Aliran dimodelkan incompressible -> terdapat percapa gravitasi sebesar 9.81 -> model aliran multifasa Eularian-Lagrangian

properties partikel:

->Bullk Density = 2400 kg/m3

-> void fraction = 0.6

-> particle size = 90-130 micrometer

Gas properties:

-> density = 0.363 kg/m3

-> viscosity= 7.47e-5 kg/m3

Boundary condition:

di sisi inlet:

->velocity inlet gas =7.89 m/s

-> velocity inlet partikel di injeks sebesar 0.1 m/s

-> partikel diinjeksi mulai dari detik ke 0.

-> Jumah parcel per detik = 10000

di sisi wall:

-> wall dimodelkan sebagai no-slip condition

di sisi outlet:

-> dimodelkan dengan tipe outflow, dengan nilai tekanan total sebeasr 0 Pa (atmosferic)

Simulation Time:

-> simulasi diset dengan time inrement sebesar 1e-3 sekon

-> simulasi dilakukan untuk durasi 10 detik.

Perhitungan dari simulasi cukup stabi, hal ini dapat terihat dari grafik residual yang terus mengalami penuruan sebagai berikut:

Result and Discussion

Hasil simulasi dapat ditampilkan melaui Software Opensource bernama paraview. Pertama, hasil dari aliran distribusi airan partikel dapat dilihat melalui cuplikan video berikut:

Kemudian, distribusi tekanan dan kecepatan dapat diihat pada gambar berikut:

SINOPSIS TUGAS BESAR

Fluid Catalytic Cracking (FCC) is an advanced technology for converting heavy hydrocarbon into lighter hydro carbon, such as gasoline, kerosene, etc. Nowadays, most of the fuel production in the worldwide relies on this technology. Some study shows that FCC could also be utilized as an alternative ways to producing biofuel. It implies that FCC could provide promising opportunity for a country with a large bio-oil resources. Indonesia is the country with largest amount of palm oil production. With the plenty of palm oil resources, FCC could give a big opportunity in Indonesia to produce a large amount of biofuel. FCC system consist of various components. The main component of FCC are reactor and regenerator. Reactor is the place where the catalytic cracking reaction takes place. To ensure that the reaction occured in the reactor runs optimally, the temperature in the reactor should be maintained on its optimum conditions. Furtuhermore, the temperature in the reactor is also responsible to evaporate the feed. Hence, the temperature distribution along the reactor shoul be set appropriately. The temperatur distribution along the reactor could be estimated with 1 Dimensional Finite Volume Method analysis along the riser, by solving the energy conservation equation at each control volume. However, in order to solve the energy equation, the rate of velocity along the riser should be determined. Therefore this study will dicsuss the use of the CFD to determine the velocity distribution along the reactor and evaporation phenomena of the feed in the riser.

1. Introduction

In general, there are two methods that can be done to increase the heat transfer rate, namely through active and passive (Paneliya et al. 2020). The increase in the heat transfer rate through the active method is carried out by utilizing external energy such as forced convection using the aid of a fan. Meanwhile, increasing heat transfer through passive methods does not require external energy, including by using twisted insert tapes (Paneliya et al. 2020). The use of twisted insert tapes can increase the heat transfer rate of a passive stream. The twisted tapes insert is shaped like a ribbon that is twisted and placed in the middle of the pipe as can be seen in Figure 2.

Twisted-tape inserts are beginning to be applied in a wide variety of areas due to their ability to improve heat transfer performance at a low cost (Paneliya et al. 2020). Basically, the presence of twisted insert tapes functions as a swirl generator and will modify the flow, especially in areas close to pipe walls (Martemianov and Okulov 2004; Paneliya et al. 2020; Smithberg and Landis 1964; Webb, Narayanamurthy, and Thors 2000). The swirl flow will increase the normal velocity gradient on the pipe and result in a reduction in the thickness of the thermal boundary layer, so that the heat transfer will be higher (Shinde, Patil, and Dange n.d.). Meanwhile, the use of twisted insert tapes has a consequence of increasing pressure drop in the flow and will have an impact on higher energy requirements to overcome this pressure drop (Paneliya et al. 2020). Therefore, increasing the heat transfer rate using twisted insert tapes needs to be considered so as not to produce too high a pressure drop.

Research and studies on the use of twisted insert tapes have been carried out by many researchers. Wang and Sunden, (2002) conducted a study on the heat transfer coefficient through the flow of water flowing in a tube equipped with a twisted insert tape. And it was found that there was a 3x and 3.5x increase in laminar and turbulent flow, respectively, to the water flow in the tube without inserts. Then, Agarwal and Rao, (1996) and Sarma et al., (2005), made a correlation between pressure drop and heat transfer on a tube using a conventional fitting model. From these studies, it was found that the presence of a tape insert would inhibit the transition jump from laminar to turbulent. However, because it causes a continuous fluctuation in turbulent flow, the heat transfer will be drastically decreased.

In addition to using inserts, finally various shapes and configurations to increase the heat transfer rate were studied further, such as twisted tape, corrugated / grooved tubes, and combination of turbulators (Paneliya et al. 2020). Sivashanmugam et al., (2008) conducted a study on the heat transfer and friction factor characteristics of circular tubes equipped with helical screw tape inserts. It was found that the helical twisted tapes produced better performance than the previously reported twisted tapes. Promvonge (2008) conducted an experiment using a wire coil connected to a twisted tape to increase the heat transfer rate and showed that the combination of wire coil and twisted tape produced better heat transfer, compared to only wire coil or twisted tapes. Piriyarungrod et al. (2015) conducted a study on the effect of twisted tapes with the shape of the tapper and the angle of the tapper on the heat transfer rate. From this research, it was found that the twisted tape in the form of a tapper will increase the heat transfer performance, friction loss, and thermal performance factor by increasing the angle of the tapper. He et al. (2018) have also conducted a study on the heat transfer characteristics of tubes equipped with cross hollow twisted tape inserts. However, the mechanism for increasing heat transfer with cross hollow insert tape is quite complex. Sarviya and Fuskele, (2018) conducted an experimental study on increasing heat transfer with circular tubes with a twisted tape insert that has a continuous cut edge. The result is the same: a reduction in the twist ratio will increase the heat transfer rate, but also increase the pressure drop.

After finding the fact that the use of insert tapes can increase the heat transfer rate, several other researchers conducted further studies, namely the effect of variations in the geometry of insert tapes on the heat transfer rate. Bhuiya et al., (2016) conducted an experimental study of several helix-shaped tape inserts that had different pitch ratios and were applied to turbulent flow. This study shows that if the pitch ratio value gets smaller, the heat transfer coefficient and pressure drop will increase. However, the increase in heat transfer is more significant than the increase in pressure drop, so the energy used will be more efficient. Garcia et al., () Studied three different wire coil inserts and three different twsited insert tapes for applications in solar collectors and found that there was an increase in heat transfer and a decrease in temperature on the walls. Then, Yadav et al., () Performed CFD simulations on applications of twisted tapes that have different lengths, namely the full length (from upstream to downstream), only half the length on the upstream side, and only half the length on the upstream side. downstream side. It was found that the full length twisted tape insert provided the highest heat transfer rates. Meanwhile, twisted tape inserts that are only half long on the downstream side have better performance than those that are only half long on the upstream side. Bhuyan et al., () Conducted a numerical investigation regarding the comparison of heat transfer characteristics between twisted tapes inserts with full length and short ones under transient laminar flow conditions in U-loop shaped pipes. It was found that the highest exit temperature was generated in U-loop shaped pipelines with twisted insert tapes of full length and then followed by U-loop pipelines with short twisted insert tapes. Both result in higher outlet temperatures compared to ordinary pipes (plaint tubes). Another CFD simulation study on twisted inser tapes was carried out by Piriyarangroj et al., (). This study showed that twiter insert tapes with clearance ratio with value of 0.05 produced the highest performance compared to other clearance ratio values.

Based on a review conducted by Yousif, A.H. and Khudhair M.R. (2018), and also from some literature that the author has explored, until now there has been no study that discusses the use of insert tapes for use in evaporation applications. Referring to the results of studies that have been carried out, it is hoped that the use of insert tapes can also increase the rate of evaporation.