STUDI NUMERIK PENGARUH VARIASI REYNOLDS NUMBER DAN RICHARDSON NUMBER PADA KARAKTERISTIK ALIRAN FLUIDA MELEWATI SILINDER TUNGGAL YANG DIPANASKAN (HEATED CYLINDER) oleh : Ahmad Nurdian Syah NRP. 2112105028 Dosen Pembimbing : Vivien Suphandani Djanali, S.T., ME., Ph.D
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2014
LATAR BELAKANG PERKEMBANGAN ZAMAN
• Literatur unheated cylinder banyak diteliti akurat • Eksperimen heated cylinder oleh H. Hu and M. M. Koochesfahani, 2011
RUMUSANRUMUSAN MASALAH Penelitian silinder tanpa dipanaskan
MASALAH
Karakteristik Aliran
Silinder dipanaskan variasi Re dan Ri
TUJUAN PENELITIAN pengaruh variasi Reynold number dan Richardson number pada karakteristik aliran yang melewati heated cylinder
BATASAN MASALAH •
aliran incompressible
• Benda kerja yang disimulasikan adalah silinder isothermal yang dipasang horisontal pada water chanel. • Reynolds number yang digunakan adalah 100 ,135 dan 200. • Richardson number yang digunakan adalah 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1
PENELITIAN TERDAHULU 1. Oleh H. Hu and M. M. Koochesfahani (2011) •
Esperimen tentang pengaruh thermal terhadap wake pada heated cylinder dengan konveksi campuran
•
Re= 135 ; T∞ =24 0C ; Ri= 0 sampai 1.04
•
Dipakai sebagai acuan penelitian ini
Profil kecepatan streamewise sepanjang wake pada centreline
Wake clousure length(Lc) vs Bilangan Richarson
PENELITIAN TERDAHULU 1. Oleh H. Hu and M. M. Koochesfahani (2011)
• Ri • Wake
koefisien drag vs Bilangan Richarson (Ri)
Cd Cd
PENELITIAN TERDAHULU
• Ri
Rata-rata bilangan Nuselt vs Bilangan Richarson(Ri)
Nu
PENELITIAN TERDAHULU 2. Oleh Aswathy Nair et al (2013) •
Studi niumerik tentang pengaruh Prandtl Number dalam perpindahan panas pada aliran melintasi silinder
•
Re= 25 ; Ri = 0.5 dan 2.00 ; Pr= 0.5, 5, 50
Peningkatan Pr menyebabkan boundary layer thickness mengecil
kontur isotherm untuk Re=25 dengan variasi nilai Ri dan Pr
METODE PENELITIAN 1. Tahapan Penelitian • Menentukan parameter-parameter yang mempengaruhi dengan cara analisa dimensi. • Membuat geometri set-up dari silinder yang dipanaskan yang diletakkan horizontal pada water channel dengan metode Computational Fluid Dynamic ( CFD ). • Analisis hasil pemodelan dan visualisasi aliran serta komparasi dengan hasil eksperimen yang telah dilakukan sebelumnya.
METODE PENELITIAN
2. Geometri
3D Dinding atas dan bawah Dinding samping silinder inlet outlet
Boundary condition Wall Periodic Wall Velocity inlet outflow
2D Dinding atas dan bawah silinder inlet outlet
Boundary condition Wall Wall Velocity inlet outflow
METODE PENELITIAN 3. Parameter Pemodelan Variasi kasus
Tw (oC)
T∞ (oC)
Re
Gr
Ri
U∞ (m/s)
1
24
24
100
0
0
0.0193
2
30.97
24
100
2500
0.25
0.0193
3
37.9
24
100
5000
0.50
0.0193
4
44.9
24
100
7500
0.75
0.0193
5
51
24
100
10000
1.00
0.0193
6
24
24
135
0
0
0.026
7
38
24
135
4556.25
0.25
0.026
8
53
24
135
9112.5
0.50
0.026
9
67.8
24
135
13668.42
0.75
0.026
10
84.5
24
135
18225
1.00
0.026
11
24
24
200
0
0
0.0359
12
51,89
24
200
10000
0.25
0.0359
13
79.78
24
200
20000
0.50
0.0359
14
107.67
24
200
30000
0.75
0.0359
15
135.56
24
200
40000
1.00
0.0359
Gr =
𝑔β 𝑇∞−𝑇𝑠 𝐷3 𝑣2
Re =
𝜌𝑉𝐷 𝜇 𝐺𝑟
Ri = 𝑅𝑒 2
METODE PENELITIAN 4. Langkah-Langkah Penggunaan Metode Komputasi Fluida (CFD) PRE – PROCESSING a. Membuat model b. Membuat mesh elemen hingga c. Menentukan daerah analis
3D
2D
METODE PENELITIAN SOLVING
MODELS
MATERIALS
OPERATING CONDITIONS
Water Liquid
K-ω SST unsteady
Percepatan gravitasi ke arah x
SOLUTION
BOUNDARY CONDITIONS inlet = velocity inlet
Pressure = second order momentum , turbulent kinetic energy & turbulent dissipation rate = second order upwind
Outlet = outflow silinder & dinding water chanel = wall
INITIALIZE
RESIDUAL
Inlet
Kriteria konvergensi 10−6
ITERASI
METODE PENELITIAN POSTPROCESSING DATA KUANTITATIF • Kecepatan pada wake centerline • Koefisien drag • Strouhal number • Average Nusselt number
DATA KUALITATIF • Grid display • Plot kontur kecepatan • Plot kontur temperatur
5. Diagram Alir metodologi penelitian(Flow Chart)
6. Diagram Alir Simulasi
.
Analisa dan Pembahasan Grid Independence Turbulensi model k-ω SST Data acuan pada exp Cd = 1.5 Model Mesh
Cells
Y+
Cd
Error Cd (%)
Mesh A
13249
1.576
1,2603
15,98
Mesh B
22365
1.351
1,375
8,33333333
Mesh C
27500
1.178
1,439
4,06666667
Mesh D
32564
1.154
1,4420
3,86666667
Cd k-ω SST
FD 1 U 2 A 2 Y plus ≤ 5
1,5
Drag Coefficient
1,45 1,4 1,35 1,3 1,25
Digunakan meshing C untuk melakukan simulasi numerik
1,2 1,15 Mesh A
Mesh B
Mesh C
Model meshing
Mesh D
Analisa dan Pembahasan Menentukan time step size
𝑓𝐷 𝑆𝑡 = 𝑈∞ Exp 0.171
Re
f
Time step size
0.005 m
100
0.66006
0.0628
0.0193 m/s 0.026 m/s 0.0359 m/s
135
0.8892
0.04498
200
0.03257
0.03257
1
t=𝑓 Time step size =
𝑡 𝑚𝑎𝑥 𝑖𝑡𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑝𝑒𝑟 𝑡𝑖𝑚𝑒 𝑠𝑡𝑒𝑝
Analisa dan Pembahasan Pemilihan domain
1
0,8 0,6 0,4
2D exp Hu etal ,2011
0,2
3D
0 -0,2
𝑚𝑒𝑎𝑛 𝑠𝑞𝑢𝑎𝑟𝑒 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 2D = 0.143 3D = 0.152 Digunakan Model 2D
-0,4 1,5
2,5
3,5
4,5
5,5
6,5
7,5
8,5
9,5
Analisa dan Pembahasan Reynolds Number 135 Kecepatan Pada Wake Centerline
1,2 1
Ri 0
0,8
Ri 0.25
U/U∞
0,6
Ri 0.5
0,4
Ri 0.75
0,2
Ri 1
0
exp Ri 0
-0,2 exp Ri 0.5 -0,4 exp Ri 1.04 -0,6 1,5
2,5
3,5
4,5
5,5
6,5
X/D
dibandingkan dengan hasil eksperimen Hu etal 2011.
7,5
8,5
9,5
Ri
X/D X/D(exp)
0
3,4
0,25
3,4
0,5
6,1
0,75
7,9
1
8,6
3.4
7.5
9.5
Analisa dan Pembahasan Ri
X/D
Lc/D
Ri(exp)
0
3,4
2,9
0
3,03951
0,25
3,4
2,9
0,19
2,5
0,5
6,1
5,6
0,5
7,26444
0,75
7,9
7,4
0,72
8,41945
1
8,6
8,1
1,04
9,14894
8
6 Numerik 4
Hu etal 2011(exp)
Lc/D (exp) Error(%) 4,589885
22,91216
11,46515
2
gaya buoyancy akan semakin besar bertindak sabagai penghambat aliran dan mendorong daerah resirkulasi semakin ke belakang.
0 0
0,25
0,5
0,75
1
Richardson Number (Ri)
Re 135 4 3,5 Coefficient drag(Cd)
wake closure length (Lc/D)
10
3 2,5
Exp (Hu et al, 2011)
2
Numerik
1,5 1
0
0,25
0,5
0,75
1
Richardson number (Ri)
1,25
Ri 0
Cd 1,43955
0,25
1,4944
0,5
1,94121
Ri(exp) Cd(exp) Error (%) 0 1,5 4,03 0,5
2,11198
10,6024
1,04
3,5
6,020815
0,75 2,66168 1
3,33333
Wake yang besar menyebabkan pressure drop tinggi sehingga Cd tinggi
0,18 0,17 0,15 0,14 0,13
Hu et al,2011 (exp)
0,12
Numerik
0,11
0,1 0,09 0,08
0
0,25
0,5
0,75
1
1,25
Richardson number
Ri
St
Ri(exp)
St(exp)
Error (%)
0
0.17116
0
0.171
0.14
0,25
0.164
0,19
0.161
0,5
0.121
0,5
0.118
0,75
0.119
0,72
0.105
1
0.110
1,04
0.103
12.6
6.6
gaya buoyance besar, menyebabkan frekuensi terbentuknya vortex shedding akan semakin kecil dan waktu terbentuknya vortex shedding akan semakin lama.
Re 135 12
Average Nu
Strouhal number
0,16
10
Ri 0.25
8
0.5 0.75
6
Exp (Hu et al, 2011)
4
Numerik
2 0
0
0,25
0,5
0,75
1
Richardson number (Ri)
1,25
1
𝑁𝑢
Ri(exp)
𝑁𝑢 (exp)
Error (%)
10,1356 6,9136
0.5
6,43575
7,424931
2,81564
26,41247
5,3 3,55932
1.04
Analisa dan Pembahasan Pengaruh Reynolds number pada Wake closure length (Lc), Drag Coefficient (Cd) dan Average Nusselt number Wake closure length 10
Wake Closure length(Lc/D)
9 8 7 6 Re 100 5
Re 135
4
Re 200
3 2 1
0
0,25
0,5 Richardson Number (Ri)
0,75
1
Re tinggi maka momentum yang dimiliki aliran kuat untuk mengatasi adverse pressure gradient dan gaya buoyancy, sehingga wake closure length (Lc) akan semakin kecil.
Analisa dan Pembahasan Coefficient Drag (Cd) 4
Drag Coefficient (Cd)
3,5 3 2,5
Re 100 Re 135
2
Re 200
1,5 1 0
0,25
0,5
0,75
1
Richardson Number (Ri)
Seiring meningkatnya Re pada masing-masing nilai Ri maka daerah wake akan semakin kecil sehingga Cd kecil.
Analisa dan Pembahasan Average Nu 14
Average Nu
12 10 8
Re 100 Re135
6
Re 200
4 2 0,25
0,5
0,75
1
Richardson Number (Ri)
Semakin cepat kecepatan pendinginan maka koefisien konveksi akan tinggi dan mengakibatkan nilai 𝑁𝑢 akan tinggi.
Analisa dan Pembahasan Kontur kecepatan pada Re 100 pada saat t = 32 s a. Ri 0 b. Ri 0.5 c. Ri 1
Kontur temperatur pada Re 100 pada saat t = 32 s a. Ri 0.25 b. Ri 0.5 c. Ri 1
Analisa dan Pembahasan Kontur kecepatan pada Re 135 pada saat t = 32 s a. Ri 0 b. Ri 0.5 c. Ri 1
Kontur temperatur pada Re 135 pada saat t = 32 s a. Ri 0.25 b. Ri 0.5 c. Ri 1
Analisa dan Pembahasan Kontur kecepatan pada Re 200 pada saat t = 32 s a. Ri 0 b. Ri 0.5 c. Ri 1
Kontur temperatur pada Re 200 pada saat t = 32 s a. Ri 0.25 b. Ri 0.5 c. Ri 1
Kesimpulan • Wake closure length (Lc) akan semakin panjang dengan ditingkatkannya Richardson number • Koefisien drag akan semakin besar seiring ditingkatkannya nilai Ri • Terbentuknya vortex shedding akan semakin kecil dan waktu terbentuknya semakin lama dengan ditingkatkannya nilai Ri. • Nusselt number rata-rata akan menurun seiring bertambahnya nilai Ri. • Dengan semakin tingginya nilai Re maka wake closure length akan kecil dan nilai koefisien drag semakin kecil • Semakin tinggi Re maka Nusselt number rata-rata akan meningkat
TERIMA KASIH Mohon masukan dan saran
