Fauzi Makarim
Contents
Data Diri
Nama : Fauzi Makarim
NPM : 1406607312
Program Studi : S1 Teknik Mesin Paralel
Kelas Mekanika Fluida Dasar-02 2020
Bagian wiki ini akan merangkum seluruh pembelajaran mata kuliah Mekanika Fluida Dasar pada kelas Mekanika Fluida Dasar-02 semester genap tahun ajaran 2019/2020. Kelas ini diampu oleh dua dosen yakni bapak Prof. Dr. Ir. Budiarso, M.Eng serta Dr. Ir. Ahmad Indra Siswantara.
Pertemuan 31 Maret 2020
Pertemuan ini merupakan kuliah perdana kelas Mekanika Fluida Dasar 02 2020 yang dilakukan secara daring atau pendidikan jarak jauh (PJJ). Pada kuliah ini materi yang diberikan telah memasuki bab Aliran Viscous dalam Pipa. Studi mengenai bab ini dilakukan menggunakan perangkat lunak yang cukup sering digunakan dalam dunia teknik yakni Computational Fluid Dynamics atau CFD di mana pada kuliah ini menyimulasikan suatu aliran viscous pada suatu pipa menggunakan perangkat lunak CFDSOF-NG.
Sekilas mengenai CFD, CFD adalah salah satu pendekatan numerik untuk menganalisis aliran suatu fluida dengan bantuan komputer untuk melaksanakan operasi-operasi numerik dalam analisis tersebut. Operasi-operasi numerik tersebut merupakan persamaan dan formula yang mewakili aliran fluida yang diterjemahkan menjadi sebuah permodelan matematika yang selanjutnya akan diolah menggunakan metode numerik untuk menampilkan hasil simulasi analisis aliran fluida tersebut. Rangkuman dari langkah-langkahnya adalah:
- Mendefinisikan masalah dalam analisis aliran fluida
- Mendefinisikan parameter-parameter numerik dalam analisis aliran fluida
- Menganalisis visualisasi data hasil simulasi aliran fluida
Sebagai contoh, gambar berikut adalah ilustrasi suatu aliran viscous pada pipa:
Berdasarkan contoh kasus di samping, simplifikasi desain model aliran dalam CFD dapat dibatasi menjadi hanya di domain dua dimensi. Merancang model aliran dimulai dengan merancang geometri mesh yang semirip mungkin seperti kondisi aliran pada contoh. Lalu setelah mesh sudah jadi, properti fisis dari aliran dapat diinput pada bagian model. Sampai sini seluruh masalah telah terdefinisi ke dalam CFD. Selanjutnya perlu ada nilai-nilai untuk membatasi pengolahan numerik sebelum data pada contoh masalah dapat diolah. Nilai-nilai tersebut merupakan parameter-parameter untuk diskritisasi ruang dan waktu, pengaturan algoritma penyelesaian dan kriteria konvergensi. Bila nilai-nilai tersebut telah ditentukan, maka proses metode numerik untuk menghasilkan visualisasi data persamaan-persamaan dari aliran dapat dilakukan. Jika sudah selesai, visualisasi data tersebut dapat diakses di perangkat lunak lain yakni ParaView. Di sana dapat dilihat visualisasi tekanan dan laju aliran fluida berdasarkan data-data dari contoh kasus dan model yang sudah dibuat di awal. Di tahap ini, visualisasi data dapat diverifikasi dan evaluasi apakah sudah tepat seperti contoh kasus atau tidak. Jika tidak sesuai, kemungkinan besar terjadi satu atau beberapa kesalahan atau ketidakpastian pada tahap-tahap CFD yang sudah dilakukan.
Pertemuan 1 April 2020
Pertemuan ini berfokus untuk membahas konsep dasar dalam mekanika fluida. Mekanika fluida yang merupakan salah satu cabang ilmu mekanika kontinum membahas mekanika pada materi yang berupa cairan, gas dan plasma. Mekanika kontinum memodelkan materi sebagai massa yang bersifat kontinum, bukan sebagai partikel-partikel diskrit. Hal yang sama dilakukan pada mekanika fluida. Asumsi permanen dapat dilakukan pada suatu volume kontrol yang terdiri dari sekumpulan materi fluida untuk memudahkan permodelannya menjadi persamaan-persamaan matematika. Asumsi tersebut terbagi menjadi tiga, yakni:
- 1. Konservasi massa:
- di mana M adalah total massa dalam volume kontrol (kg) dan t adalah waktu (s).
- 2. Konservasi momentum:
- di mana v adalah kecepatan dari dari materi fluida di dalam volume kontrol (m/s).
- 3. Konservasi energi.
- di mana E adalah total energi (J), W adalah energi kerja (J) dan Q adalah energi kalor (J).
Selain itu, suatu fluida lekit yang mengalir pada pipa akan terbagi menjadi bagian-bagian berdasarkan profil laju alirannya. Sesaat memasuki pipa, profil laju aliran belum berkembang sempurna sehingga daerah tersebut dapat dinamakan enterance region flow atau daerah aliran masuk. Setelah melaju dengan jarak sekian, profil laju aliran akan berkembang sempurna sehingga daerah tesebut dinamakan fully developed flow atau aliran berkembang sempurna di mana laju alirannya cenderung lebih stabil. Ketika ada pembelokan atau perubahan luas penampang pada pipa, profil laju aliran akan terusik karena adanya perubahan vektor laju aliran sehingga laju yang sudah berkembang sempurna akan kembali berkembang. Daerah tersebut dinamakan developing flow atau aliran berkembang. Ilustrasi aliran-aliran tersebut dapat dilihat pada gambar berikut:
Dalam setiap daerah tersebut, besar tekanan dinamis untuk setiap daerah penampang di setiap titik pada pipa akan terus berkurang yang disebut sebagai pressure drop atau tekanan jatuh. Tekanan jatuh terjadi karena munculnya tekanan geseer akibat gaya gesek antara fluida dan dinding-dinding pipa serta viskositas atau ketahanan fluida akan deformasi pada tingkat tertentu.
Pertemuan 7 April 2020
Perkembangan suatu fluida lekit mengalir dalam pipa menjadi daerah jenis-jenis profil laju aliran yang sudah dijelaskan di atas dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain adalah viskositas, lapisan batas atau boundary layer dan bilangan Reynolds.
- 1. Viskositas: seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya bahwa viskositas adalah ketahanan suatu materi fluida akan deformasi pada tingkat tertentu. Viskositas dapat dikonsepkan sebagai jumlah gaya gesek internal yang menyebabkan tegangan geser antar lapisan-lapisan fluida yang mengalir. Semakin tinggi nilai viskositas maka pembentukan aliran berkembang sempurna membutuhkan jarak yang lebih pendek, begitu juga dengan sebaliknya. Hubungannya dengan laju awal aliran ketika memasuki pipa adalah jika laju alirannya semakin besar maka pembentukan aliran berkembang sempurna membutuhkan jarak yang lebih panjang. Tegangan geser dari suatu aliran fluida dapat direpresentasikan melalui persamaan berikut:
- di mana τ adalah tekanan geser (Pa), μ adalah viskositas kinematis dari fluida (Pa.s) dan du/dy adalah laju geser atau turunan dari laju aliran fluida pada arah tegak lurus dari sumbu penampang pipa.
- 2. Lapisan batas adalah lapisan fluida yang terbentuk antara aliran fluida dan permukaan dinding pipa efek viskositas dari fluida berperan. Lapisan batas akan terbentuk di daerah sekitar dinding-dinding pipa dan akan berkembang terus lapis demi lapis hingga ke sumbu tengah dari pipa. Ketika lapisan batas sudah mencapai sumbu ini, maka aliran sudah bisa dikatakan sebagai aliran berkembang sempurna. Gambar berikut menggambarkan perkembangan lapisan batas pada daerah aliran masuk fluida:
- 3. Bilangan Reynolds adalah bilangan tak berdimensi yang merupakan rasio antara besar gaya inersia terhadap gaya lekit pada suatu aliran fluida. Perbandingan ini dapat diperlihatkan dengan persamaan:
- di mana Re adalah bilangan Reynolds, D adalah diameter pipa (m) dan u adalah laju aliran (m/s).
Pertemuan 8 April 2020
Berdasarkan besar dari bilangan Reynolds, jenis aliran dapat dikategorikan sebagai:
- Aliran laminar: terjadi pada saat bilangan Reynoldsnya rendah di mana gaya lekitnya lebih dominan dan bisa dideskripsikan dengan gerakannya yang mulus dan konstan.
- Aliran turbulen: terjadi pada saat bilangan Reynoldsnya tinggi di mana gaya inersianya lebih dominan yang berakibat kemungkinan terbentuknya pusaran, vorteks dan aliran yang tidak stabil.
Pada aliran fluida di dalam pipa, jika nilai Re < 2200, maka aliran dapat dikategorikan sebagai aliran laminar sedangkan jika nilai 2200 < Re < 4000, maka aliran dapat dikategorikan sebagai aliran turbulen.
Tugas Besar: Analisis Tekanan Jatuh yang Tejadi pada Komponen Nosel Mesin 3D Printer
Teknologi fabrikasi selama 10 tahun terakhir telah beralih dari manufaktur subtraktif menjadi manufaktur aditif. 3D printing yang dapat dikategorikan sebagai manufaktur aditif sangat populer karena dari segi aksesibilitas dan ketersediaannya jauh lebih tinggi dibandingkan dengan manufaktur substraktif yang konvensional seperti membubut dan membor. Selain itu manufaktur subtraktuf jauh lebih besar kerugiannya dibanding manufaktur aditif karena manufaktur subtraktif memproses komponen yang ingin dibentuk membuang material dari komponen di mana manufaktur aditif membangun komponen dengan menambah material lapis demi lapis menjadi bentuk yang diinginkan.
Metode 3D printing yang paling murah dan paling populer sekarang adalah metode Fused Deposition Modelling (FDM) di mana metode ini memanfaatkan material polimer dalam bentuk filamen yang selanjutnya dilelehkan untuk diekstrusi sesuai bentuk dari model komponen. Proses ekstrusi terjadi pada komponen extruder head atau kepala ekstrusi dari mesin 3D printer. Filamen material digigit oleh mekanisme dua buah roda dan pegas yang digerakkan oleh motor stepper. Mekanisme ini akan mendorong filamen material ke dalam rakitan kepala ekstrusi di mana filamen material akan dipanaskan hingga titik lelehnya dan berubah fase menjadi cairan.
Pada komponen nosel, ujung dari kepala ekstrusi, cairan material akan diekstrusi dari yang asalnya padat berdiameter penampang 1,75 mm menjadi cairan yang hanya berdiameter penampang 0,4 mm. Pada bagian dalam pipa nosel, cairan material yang melewatinya akan mengalami tekanan jatuh. Besar tekanan jatuh perlu diketahui agar laju cetak dapat ditentukan dan kemudian laju feed material yang di ekstrusi dapat diturunkan dengan menentukan total torsi dari motor stepper. Mencari tekanan jatuh yang terjadi pada cairan material di dalam pipa nosel dapat disimulasikan dengan CFD. Jenis nosel yang digunakan adalah nosel MK8 berdiameter outlet 0,4 mm.
