ta bab iv - personal.its.ac.idpersonal.its.ac.id/files/material/1624-ikhwan-me-materi simulasi...
Post on 07-Mar-2019
226 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Tugas Akhir Konversi Energi 4-1
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
BAB IV
SIMULASI ALIRAN PADA RECTANGULAR BEND
Simulasi aliran pada rectangular bend ini akan dilakukan dengan menggunakan
keempat pemodelan turbulensi yang ada baik Spalart-Allmaras, k-ε, k-ω, maupun
Reynolds Stress Model dengan tujuan agar setiap pemodelan dapat dibandingkan
hasilnya karena masing-masing pemodelan mempunyai beberapa kelemahan dan
keunggulan. Sebagai contoh dalam pemodelan turbulensi k-ε, asumsi yang
digunakan adalah aliran isotropic sehingga hasil simulasi yang didapat tidak akurat
sehingga digunakan pemodelan turbulensi yang lebih baik yaitu dengan
menggunakan pemodelan Reynolds Stress Model, namun belum tentu juga
pemodelan ini akan memberikan hasil yang terbaik dalam menyelesaikan aliran
sekunder pada rectangular bend.
Simulasi ini dilakukan dengan asumsi alirannya berupa aliran incompressible,
steady, viscous dan adiabatic. Simulasi ini bertujuan menguji kemampuan berbagai
model turbulensi dalam memprediksi aliran sekunder pada exit rectangular cross
section- bend. Selain itu juga simulasi ini akan digunakan untuk memprediksi
distribusi tekanan statis di dinding keluaran bend bagian samping dan atas dan juga
distribusi kerugian energi (losses) yang diakibatkan adanya aliran sekunder.
Untuk memvalidasi pemodelan turbulensi ini, hasil simulasi akan disajikan
dalam bentuk grafik tekanan statis (p), grafik aksial velocity ratio (avr), grafik
isolosses, dan grafik ratio kecepatan pada arah y dan arah z. Grafik-grafik ini akan
dibandingkan dengan hasil eksperimen dari Andi dan Eddy (2000).
Tugas Akhir Konversi Energi 4-2
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
4.1 SIMULASI ALIRAN PADA RECTANGULAR BEND 450
Simulasi aliran yang pertama yaitu pada rectangular bend 450. Simulasi ini
menggunakan diskretization scheme second-order, pressure-velocity coupling
SIMPLEC dan menggunakan model turbulensi Spalart-Allmaras, k-ε, k-ω, dan
Reynolds Stress Model (RSM). Wall function yang digunakan adalah Non-
Equilibrium Wall Function. Geometri benda kerja yang sama dengan geometri benda
kerja yang digunakan pada eksperimen Eddy (2000) (Gambar 4.1).
Gambar 4.1 Geometri Rectangular Bend 450
Panjang inlet (L) =120 cm, panjang pitch (W) = 25 cm, panjang span (b) = 15
cm, pada sisi keluaran panjang ke arah axial (x) = 22,5 cm dan sudut defleksi bend
(α) = 45 0. Properti aliran fluida yang digunakan : udara dengan massa jenis (ρ) =
1,225 kg/m3, viskositas (μ) = 1.7894e-05 kg/m.s.
Meshing yang digunakan adalah dengan hexahedral dengan jumlah 109.306
node (gambar 4.2). Boundary condition pada model adalah pada sisi inlet
menggunakan pressure inlet dengan kondisi awal tekanan atmosfer, pada sisi outlet
menggunakan pressure outlet dengan tekanan –280 pascal.
Tugas Akhir Konversi Energi 4-3
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
Gambar 4.2 Struktur Grid Rectangular Bend 450
4.1.1 HASIL SIMULASI TEKANAN STATIS DINDING
Daerah yang akan dianalisa pada exit rectangular cross section- bend untuk
tekanan statis dinding akan dilakukan pada bidang ABJI dan bidang BCKJ seperti
yang digambarkan pada gambar dibawah ini :
Gambar 4.3 Daerah AnalisaTekanan Statis Dinding Outlet Rectangular Bend 450
A
B
C
D
I
J
L
K
Inner Curved Wall
Outer Curved Wall
Arah Aksial
Arah keliling (k) : A→B → C
Outlet
Inlet
Wall
Tugas Akhir Konversi Energi 4-4
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
- 320
- 300
- 280
- 260
- 240
- 220
- 200
0 5 10 15 200
5
10
15
20
25
30
35
40
Posisi (cm)
Ara
h K
elili
ng (c
m)
Sehingga struktur grid pada daerah tersebut dapat digambarkan sebagai berikut :
AB = dinding radius dalam BC = dinding atas k = arah keliling x = arah aksial
Gambar 4.4 Struktur Grid Tekanan Statis Outlet Rectangular Bend 450
Dari hasil simulasi dan eksperimen dapat diperoleh contour isobar dinding exit
rectangular bend seperti pada gambar dibawah ini
(a) (b)
Gambar 4.5 Contour Isobar pada Dinding Outlet Rectangular Cross Section Bend 45o (a) Simulasi Fluent (b) Eksperimen
B J
C
A I
K
A
B
C
J
K
I
k
x
Tugas Akhir Konversi Energi 4-5
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
Pada gambar 4.5 menunjukkan bahwa adanya perbedaan tekanan statis
dinding yang besar antara daerah dinding radius dalam (inner curved wall) dan
dinding radius luar (outer curved wall) yang disebabkan oleh pembelokan aliran
oleh bend. Daerah dekat dinding radius dalam pada exit rectangular cross section
bend memiliki tekanan statis dinding paling kecil sedangkan daerah dekat dinding
radius luar merupakan daerah bertekanan statis paling besar. Bila kita amati daerah
dekat dinding atas (C-B) terdapat penurunan tekanan statis pada arah keliling dari
dinding radius luar menuju dinding radius dalam. Hal ini menyebabkan terjadinya
cross passage flow dari titik C ke titik B, setelah mencapai dinding radius dalam
berdasarkan kontinuitas maka aliran akan kembali ke daerah dinding radius luar.
Aliran seperti inilah yang biasanya disebut dengan aliran sekunder. Pada arah aksial
x = 0 (garis C-B-A) tekanan statisnya tampak bervariasi yang ditunjukkan dengan
adanya semua warna colorbar, hal ini mengindikasikan adanya vortex yang kuat
sedangkan pada arah aksial sekitar x = 22,5 cm (garis K-J-I) tekanan statisnya sudah
tidak lagi bervariasi sehingga mengartikan vortex yang terjadi melemah. Bila
digambarkan secara umum, distribusi tekanan yang terjadi pada suatu bend dapat
digambarkan seperti gambar berikut ini :
Gambar 4.6 Distribusi Tekanan pada Bend
Tugas Akhir Konversi Energi 4-6
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
Dari gambar 4.6 diatas menunjukkan bahwa radial pressure gradient akan
berkembang melintasi potongan bend dengan tekanan tertinggi di dekat radius terluar
dinding bend (Chang et al. , 1983).
Bila kita bandingkan hasil antara simulasi FLUENT (gambar 4.5-a) dengan
hasil eksperimen (gambar 4.5-b) tampak adanya perbedaan. Hal ini bisa disebabkan
karena adanya perbedaan dalam jumlah titik pengambilan datanya. Dimana grid yang
dibuat dalam simulasi FLUENT lebih banyak dibandingkan dengan yang ada pada
eksperimen. Prediksi tekanan statis dinding outlet rectangular bend untuk berbagai
macam pemodelan turbulensi ditunjukkan dengan grafik tekanan statis pada berbagai
letak posisi arah aksial seperti dibawah ini :
Grafik 4.1 : Prediksi Tekanan Statis Dinding Outlet Rectangular Bend 450 Menggunakan Berbagai Macam Pemodelan Turbulensi
Tugas Akhir Konversi Energi 4-7
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
Grafik diatas menunjukkan hasil prediksi ketujuh model turbulensi mulai dari
pemodelan Spalart-Allmaras, k-ε Standart, k-ε RNG, k-ε Realizable, k-ω Standart,
k-ω SST, dan RSM pada posisi arah aksial x = 5 cm, x = 10 cm, dan x = 20 cm yang
hasilnya dibandingkan dengan eksperimen yang dilakukan Eddy (2000). Bila
dibandingkan antara ketiga posisi pada arah aksial, prediksi yang paling baik adalah
pada posisi arah aksial x = 20 cm karena pada posisi ini aliran sekunder yang terjadi
semakin melemah. Pada tabel dibawah ini diberikan persentase error masing-masing
pemodelan turbulensi sebagai pembanding terhadap hasil eksperimen. Contoh error
yang diambil sebagai pembanding terhadap eksperimen disini adalah error data pada
posisi arah aksial x = 5 cm.
Tabel 4.1 Error dalam Memprediksi Tekanan Statis Rectangular Bend 450 pada
Masing-masing Pemodelan Turbulensi
No Hasil Eksperimen / Simulasi % Error
1 Eksperimen (Eddy,2000) ---
2 Spalart-Allmaras 4,22
3 k-ε Standart 4,25
4 k-ε RNG 3,97
5 k-ε Realizable 3,81
6 k-ω Standart 4,55
7 k-ω SST 4,65
8 RSM 3,47
Dari ketujuh pemodelan turbulensi, pemodelan turbulensi yang baik dalam
memprediksi tekanan statis dinding adalah pemodelan RSM yaitu sekitar 3,47 persen
dibandingkan dengan hasil ekperimen (Eddy, 2000). Prediksi tekanan statis pada
Tugas Akhir Konversi Energi 4-8
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
model Spalart-Allmaras memberikan hasil yang hampir sama dengan model k-ε
Standart. Diantara ketiga pemodelan k-ε, pemodelan dengan k-ε Realizable
memberikan hasil yang paling baik yaitu sekitar 3,81 persen.
Error-error yang terjadi pada pemodelan turbulensi akan selalu terjadi.
Namun error tersebut masih dapat diterima karena error yang terjadi masih disekitar
5 persen dibandingkan dengan hasil eksperimen, hal ini dikarenakan pada pemodelan
turbulensi tidak adanya solusi yang exact dalam menyelesaikan aliran turbulen.
4.1.2 HASIL SIMULASI AXIAL VELOCITY RATIO (AVR)
Daerah yang akan dianalisa untuk mendapatkan axial velocity ratio adalah
daerah sisi keluaran rectangular bend seperti ditunjukkan pada gambar dibawah ini
Gambar 4.7 Struktur Grid Bidang Pengukuran Axial Velocity Ratio
Rectangular Bend 45o
Dari hasil simulasi FLUENT dan eksperimen diperoleh hasil kontur axial
velocity ratio sebagai berikut :
A y
z
W =25 cm
C
D
AB = dinding radius dalam CD = dinding radius luar z = arah span x = arah pitch
B
b =15 cm
Tugas Akhir Konversi Energi 4-9
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
Gambar 4.8 Contour Axial Velocity Ratio Exit Rectangular Cross-Section Bend 45o
Pada gambar 4.8 diatas menunjukkan perbandingan kontur axial velocity
ratio pada daerah exit rectangular cross section bend 45o dimana pada gambar
bagian atas merupakan hasil dari eksperimen yang telah dilakukan Eddy (2000)
sedangkan pada gambar bagian bawah merupakan hasil dari simulasi FLUENT.
Kecepatan aksial pada daerah dekat dinding radius luar (C-F-D) mempunyai harga
lebih rendah dibandingkan dengan kecepatan aksial daerah dekat dinding radius
dalam (B-E-A). Daerah berkecepatan aksial paling rendah adalah daerah didekat
sudut C yaitu sudut pertemuan antara dinding radius luar (C-F-D) dengan dinding
atas (B-C) dan didekat sudut D yaitu sudut pertemuan antara dinding radius luar (C-
F-D) dengan dinding atas (A-D), hal ini disebabkan oleh adanya blockage effect
yang ditandai penurunan harga axial velocity ratio pada daerah tersebut yang
mempunyai harga mendekati nol.
Antara hasil eksperimen dengan hasil simulasi FLUENT perbedaan yang
terjadi tidak begitu besar. Untuk memprediksi axial velocity ratio pada berbagai
y
z
B
A
C
D
Eksperimen
Simulasi FLUENT
F E
Tugas Akhir Konversi Energi 4-10
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
macam pemodelan turbulensi ditunjukkan pada grafik dibawah ini, dimana hasil
yang didapat dibandingkan dengan hasil eksperimen.
Grafik 4.2: Prediksi Axial Velocity Ratio Rectangular Bend 450 Menggunakan Berbagai Macam Pemodelan Turbulensi
Pada grafik diatas ditunjukkan hasil prediksi ketujuh pemodelan turbulensi
yang diambil pada posisi arah span z = 2 cm dan z = 5 cm dimana tengah-tengah
span terletak pada posisi z = 0 cm.
Diantara pemodelan-pemodelan turbulensi, pemodelan turbulensi yang baik
dalam memprediksi axial velocity ratio adalah pemodelan RSM. Prediksi axial
velocity ratio pada model Spalart-Allmaras memberikan hasil yang hampir sama
Tugas Akhir Konversi Energi 4-11
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
dengan model k-ε dan k-ω. Tetapi dari semua pemodelan turbulensi ternyata belum
mampu memberikan prediksi axial velocity ratio dengan baik yang diindikasikan
dengan masih besarnya error yang terjadi. Hal ini bisa disebabkan karena model-
model turbulensi tersebut menggunakan Boussinesq Analogy yang hanya mampu
menyelesaikan aliran turbulen yang isotropic, sedangkan untuk aliran pada
rectangular bend dengan adanya aliran sekunder akibat belokan menyebabkan aliran
turbulen sudah bersifat anisotropic sehingga dalam memprediksi kecepatan, model-
model tersebut tidak lagi mampu memberikan prediksi yang akurat.
4.1.3 HASIL SIMULASI DISTRIBUSI ALIRAN SEKUNDER
Daerah pengukuran untuk menentukan distribusi aliran sekunder adalah sama
seperti gambar 4.7 yaitu daerah exit cross-section bend (bidang ABCD). Hasil yang
telah diperoleh baik dari eksperimen ataupun dari simulasi FLUENT seperti tampak
pada gambar dibawah ini :
Gambar 4.9 Distribusi Aliran Sekunder Exit Rectangular Cross-Section
Bend 45o
B C
y
z
Eksperimen
F E
A D Simulasi FLUENT
Tugas Akhir Konversi Energi 4-12
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
Distribusi aliran sekunder pada gambar 4.9 diatas menunjukkan adanya
vortex flow. Pada bidang ABCD terdapat dua buah vortex yang simetri yaitu terletah
di bidang EBCF dan bidang AEFD. Pusat vortex yang pertama terletak didekat sudut
B yaitu titik pertemuan antara dinding radius dalam dengan dinding atas (B-C)
dengan arah berlawanan dengan arah jarum jam sedangkan vortex yang kedua
terletak di sudut A yaitu titik pertemuan antara dinding radius dalam dengan dinding
bawah (A-D) dengan arah searah dengan arah jarum jam. Pada posisi paling dekat
dengan dinding atas (B-C) dan dinding bawah (A-D), arah aliran sekundernya adalah
dari dinding radius luar (C-D) menuju ke dinding radius dalam (.B-A), inilah yang
merupakan karakter terpenting pada setiap aliran sekunder. Daerah tengah span
merupakan daerah yang jauh dari pusat vortex sehingga menunjukkan bahwa pada
daerah tengah span tidak begitu terpengaruh oleh lapisan batas dinding (dinding atas
atau dinding bawah) dengan lapisan batas dinding radius luar dan lapisan batas
dinding radius dalam hal ini ditunjukkan oleh kecilnya perubahan arah vektor
kecepatan. Pada daerah sudut pertemuan antara dinding atas (B-C) dan dinding
dinding radius dalam (B-E), dapat dilihat adanya aliran sekunder yang begitu kuat
yang ditandai dengan adanya vektor kecepatan yang secara tiba-tiba berputar
menuju dinding radius dalam dan kemudian ke tengah span.
Untuk dapat membandingkan antara setiap pemodelan turbulensi dengan
hasil eksperimen dapat dibuat dalam bentuk grafik posisi arah dari tengah span ke
dinding atas sebagai fungsi Vy/U dan fungsi Vz/U sebagai berikut :
Tugas Akhir Konversi Energi 4-13
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
(a)
(b)
Grafik 4.3: Prediksi Ratio Kecepatan Arah y dan Arah z Outlet Rectangular Bend 450 Menggunakan Berbagai Macam Pemodelan Turbulensi (a) Ratio Kecepatan
Arah y (Vy/U) (b) Ratio Kecepatan Arah z (Vz/U)
Tugas Akhir Konversi Energi 4-14
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
Grafik 4.3-a merupakan grafik ratio kecepatan arah y, Vy/U dan grafik 4.3-b
merupakan grafik ratio kecepatan arah z, Vz/U. Dari ketujuh pemodelan turbulensi,
dalam memprediksi ratio kecepatan arah y terlihat masih kurang akurat terutama
pada daerah tengah pitch. Dari grafik 4.3-a terlihat pada daerah sekitar 0,1 < y/W <
0,7 terjadi error yang cukup besar dibandingkan daerah dekat dinding radius dalam
dan dinding radius luar. Untuk prediksi ratio kecepatan arah z, pada grafik 4.3-b
terlihat bahwa pemodelan yang paling akurat adalah pemodelan k-ε dan RSM
sedangkan untuk pemodelan Spalart-Allmaras dan k-ω masih terjadi penyimpangan
yang cukup besar.
4.1.4 HASIL SIMULASI ISOLOSSES
Daerah pengukuran untuk menentukan isolosses adalah sama seperti gambar
4.7 yaitu daerah exit cross-section bend (bidang ABCD). Hasil yang telah diperoleh
baik dari eksperimen ataupun dari simulasi FLUENT seperti tampak pada gambar
dibawah ini :
Gambar 4.10 Kontur Isolosses Exit Rectangular Cross-Section Bend 45o
Bila kita lihat gambar 4.10 diatas, losses yang besar terjadi didaerah dekat
B
A
C
D
y
z
Eksperimen
Simulasi FLUENT
F E
Tugas Akhir Konversi Energi 4-15
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
dinding, dinding radius luar, dan dinding radius dalam. Losses yang terjadi didaerah
dekat dinding radius dalam lebih besar dibandingkan dengan daerah dekat dinding
radius luar karena pada daerah ini terjadi separasi, hal ini ditunjukkan oleh adanya
vektor kecepatan tangensial yang bergerak meninggalkan dinding radius dalam.
Losses terbesar terjadi di daerah sekitar titik A dan titik B yaitu sudut pertemuan
antara sisi dinding radius dalam dengan dinding atas dan bawah. Losses besar ini
terjadi dikarenakan pada daerah tersebut terdapat vortex yang kuat dan terjadi
tumbukan antara aliran yang menuju dinding radius dalam dengan aliran yang
terseparasi (gambar 4.9).
Untuk lebih jelas, pada grafik dibawah ini akan ditampilkan prediksi tentang
isolosses dengan menggunakan berbagai macam pemodelan turbulensi yang hasilnya
dibandingkan dengan eksperimen
Tugas Akhir Konversi Energi 4-16
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
Grafik 4.4: Prediksi Isolosses Outlet Rectangular Bend 450 Menggunakan Berbagai Macam Pemodelan Turbulensi
Dari grafik juga terlihat bahwa isolosses terbesar terletak dekat dinding radius
dalam dengan harga maksimum sekitar 1,5 karena sudah dijelaskan sebelumnya,
didaerah ini terjadi separasi yang kuat. Sedangkan pada daerah 0,2 < y/W < 0,8 atau
daerah tengah-tengah pitch, isolosses yang terjadi sangat kecil dikarenakan pada
daerah ini jauh dari pengaruh dinding dan jauh dari pusat vortex
Pada ketujuh pemodelan turbulensi menunjukkan prediksi yang hampir sama
tetapi setiap pemodelan mempunyai error yang berbeda-beda. Prediksi yang paling
akurat terletak di posisi z = 2 cm dari tengah span tetapi ketika mendekati dinding
atas yaitu posisi z = 5 cm dari tengah span, prediksi isolosses menjadi kurang akurat
Tugas Akhir Konversi Energi 4-17
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
hal ini bisa disebabkan pemodelan turbulensi kurang akurat dalam memprediksi
aliran dekat dinding.
4.2 SIMULASI ALIRAN PADA RECTANGULAR BEND 900
Sama seperti simulasi aliran yang pertama yaitu pada rectangular bend 450,
simulasi pada rectangular bend ini menggunakan diskretization dengan pressure-
velocity coupling SIMPLEC dan menggunakan model turbulensi Spalart-Allmaras,
k-ε, k-ω, dan Reynolds Stress Model (RSM). Wall function yang digunakan adalah
Non-Equilibrium Wall Function. Geometri benda kerja yang sama dengan geometri
benda kerja yang digunakan pada eksperimen Eddy (2000) seperti pada gambar
dibawah ini :
Gambar 4.11 Geometri Rectangular Bend 900
Panjang inlet (L) =120 cm, panjang pitch (W) = 25 cm, panjang span (b) = 15
cm, pada sisi keluaran panjang ke arah axial (x) = 22,5 cm dan sudut defleksi bend
(α) = 90 0. Properti aliran fluida yang digunakan : udara dengan massa jenis (ρ) =
1,225 kg/m3, viskositas (μ) = 1.7894e-05 kg/m.s.
120 cm22,5 cm
15 cm
25 cm
Tugas Akhir Konversi Energi 4-18
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
Meshing yang digunakan adalah dengan hexahedral dengan jumlah 109.306
node. Boundary condition pada model adalah pada sisi inlet menggunakan pressure
inlet dengan kondisi awal tekanan atmosfer, pada sisi outlet menggunakan pressure
outlet dengan tekanan –280 pascal.
4.2.1 HASIL SIMULASI TEKANAN STATIS DINDING
Daerah yang akan dianalisa pada exit rectangular cross section- bend untuk
tekanan statis dinding akan dilakukan pada bidang ABJI dan bidang BCKJ seperti
yang digambarkan pada gambar dibawah ini :
Gambar 4.12 Daerah AnalisaTekanan Statis Dinding Outlet Rectangular Bend 450
Sehingga struktur grid pada daerah tersebut dapat digambarkan sebagai berikut :
A
B
C
D
I
J
L
K
Inner Curved Wall
Outer Curved Wall
Arah Aksial
Arah keliling (k) : A→B → C
Tugas Akhir Konversi Energi 4-19
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
AB = dinding radius dalam BC = dinding atas k = arah keliling x = arah aksial
Gambar 4.13 Struktur Grid Tekanan Statis Outlet Rectangular Bend 450
Dari hasil simulasi dan eksperimen dapat diperoleh contour isobar dinding exit
rectangular bend seperti pada gambar dibawah ini
(a) (b)
Gambar 4.14 Contour Isobar pada Dinding Outlet Rectangular Cross Section Bend 90o (a) Simulasi Fluent (b) Eksperimen
Seperti pada hasil simulasi tekanan statis rectangular bend 45o, tekanan statis
pada gambar 4.14 diatas juga menunjukkan adanya perbedaan tekanan statis dinding
yang besar antara daerah dinding radius dalam dan dinding radius luar yang
A
B
C
J
K
I
k
x
A
B
C K
J
I
Tugas Akhir Konversi Energi 4-20
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
disebabkan oleh pembelokan aliran oleh bend. Daerah dekat dinding radius dalam
pada exit rectangular cross section bend memiliki tekanan statis dinding paling kecil
sedangkan daerah dekat dinding radius luar merupakan daerah bertekanan statis
paling besar.
Bila kita amati pada daerah ABJI terlihat adanya pola tonjolan yang tajam ,
ini mengindikasikan terjadinya vortex yang kuat di daerah tersebut. Bila kita
bandingkan dengan kontur isobar pada rectangular bend 45o, intensitas vortex pada
rectangular bend 45o tidak terlalu besar bila dibandingkan dengan rectangular bend
90o . Pada arah aksial x = 0 (garis C-B-A) tekanan statisnya tampak bervariasi yang
ditunjukkan dengan adanya semua warna colorbar, hal ini mengindikasikan adanya
vortex yang kuat begitu juga pada arah aksial sekitar x = 22,5 cm (garis K-J-I),
tekanan statisnya masih bervariasi sehingga pada daerah ini masih terdapat vortex
yang kuat.
Prediksi tekanan statis dinding outlet rectangular bend untuk berbagai
macam pemodelan turbulensi ditunjukkan dengan grafik tekanan statis pada posisi
arah aksial x =5 cm, x=10 cm dan x = 20 cm sebagai berikut :
Tugas Akhir Konversi Energi 4-21
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
Grafik 4.5 : Prediksi Tekanan Statis Dinding Outlet Rectangular Bend 900 Menggunakan Berbagai Macam Pemodelan Turbulensi
Bila kita bandingkan grafik 4.5 diatas dengan grafik 4.1 yaitu grafik tekanan
statis dinding rectangular bend 450 maka terlihat bahwa hasil prediksi tekanan statis
pada grafik diatas memperlihatkan hasil yang kurang akurat dibandingkan dengan
hasil prediksi pada grafik 4.1. Hal ini disebabkan karena pada rectangular bend 900,
aliran sekunder yang terjadi lebih besar dibandingkan pada rectangular bend 450
sehingga aliran turbulensinya bersifat unisotropy. Oleh karena itu pemodelan
turbulensinya kurang dapat memprediksi dengan baik.
Tugas Akhir Konversi Energi 4-22
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
Pada tabel dibawah ini diberikan persentase error masing-masing pemodelan
turbulensi sebagai pembanding terhadap hasil eksperimen. Contoh error yang
diambil sebagai pembanding terhadap eksperimen disini adalah error data pada posisi
arah aksial x = 5 cm.
Tabel 4.2 Error dalam Memprediksi Tekanan Statis Rectangular Bend 900 pada
Masing-masing Pemodelan Turbulensi
No Hasil Eksperimen / Simulasi % Error
1 Eksperimen (Eddy,2000) ---
2 Spalart-Allmaras 6,81
3 k-ε Standart 4,87
4 k-ε RNG 8,65
5 k-ε Realizable 4,66
6 k-ω Standart 6,7
7 k-ω SST 6,38
8 RSM 5
Dari ketujuh pemodelan turbulensi diatas baik Spalart-Allmaras, k-ε Standart,
k-ε RNG, k-ε Realizable, k-ω Standart, k-ω SST, dan RSM, pemodelan turbulensi
yang baik dalam memprediksi tekanan statis dinding adalah pemodelan k-ε
Realizable. Sedangkan pemodelan yang paling tidak akurat adalah pemodelan
Spalart-Allmaras.
4.2.2 HASIL SIMULASI AXIAL VELOCITY RATIO (AVR)
Daerah yang akan dianalisa untuk mendapatkan axial velocity ratio adalah
Tugas Akhir Konversi Energi 4-23
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
daerah sisi keluaran rectangular bend seperti ditunjukkan pada gambar struktur grid
dibawah ini :
Gambar 4.15 Struktur Grid Bidang Pengukuran Axial Velocity Ratio Rectangular Bend 90o
Dari hasil simulasi FLUENT dan eksperimen diperoleh hasil kontur axial
vel1ocity ratio sebagai berikut :
Gambar 4.16 Contour Axial Velocity Ratio Exit Rectangular Cross-Section Bend 90o
Pada gambar 4.16 diatas menunjukkan perbandingan kontur axial velocity ratio pada
daerah exit rectangular cross section bend 900 antara hasil eksperimen dengan hasil
simulasi FLUENT. Bila kita bandingkan gambar diatas dengan gambar kontur axial
B
A
C
D
Eksperimen
Simulasi FLUENT
F E y
z
A y
z
W =25 cm
C
D
AB = dinding radius dalam CD = dinding radius luar
h
B
b =15 cm
Tugas Akhir Konversi Energi 4-24
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
velocity ratio rectangular bend 450 (gambar 4.8), pada gambar diatas terlihat adanya
axial velocity ratio yang sangat rendah pada daerah dinding radius dalam (B-E-A)
yang tepat ditengah span pada sisi dinding radius dalam. Hal ini menujukkan adanya
blockage effect yang tinggi didaerah tersebut yang ditandai dengan harga axial
velocity ratio bertanda negatif . Blockage effect yang tinggi di daerah dinding radius
dalam pada bend 900 diakibatkan karena aliran dibelokkan secara tiba-tiba untuk
mengikuti kontur sehingga aliran tersebut terseparasi. Contoh kasus seperti ini dapat
dilihat seperi pada gambar 4.17 dibawah ini.
Gambar 4.17 Separasi pada Circular Bend 900
Keadaan seperti ini berbeda pada rectangular bend 450, karena pada sisi
dinding radius dalam bend 450 aliran dapat dengan mudah mengikuti kontur sehingga
tidak terjadi separasi seperti pada rectangular bend 900. Daerah berkecepatan aksial
paling tinggi adalah daerah didekat sudut antara dinding radius dalam dan dinding
atas atau dinding bawah serta daerah tengah pitch.
Tugas Akhir Konversi Energi 4-25
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
Untuk memprediksi axial velocity ratio rectangular bend 90 pada berbagai
macam pemodelan turbulensi ditunjukkan pada grafik dibawah ini, dimana hasil
yang didapat dibandingkan dengan hasil eksperimen.
Grafik 4.6: Prediksi Axial Velocity Ratio Rectangular Bend 900 Menggunakan Berbagai Macam Pemodelan Turbulensi
Pada grafik diatas adalah hasil prediksi ketujuh pemodelan turbulensi mulai
dari pemodelan Spalart-Allmaras, k-ε Standart, k-ε RNG, k-ε Realizable, k-ω
Standart, k-ω SST, dan RSM yang diambil pada posisi arah span z = 2 cm dan z = 5
cm dimana tengah-tengah span terletak pada posisi z = 0 cm.
Tugas Akhir Konversi Energi 4-26
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
Dari grafik tersebut untuk z = 2 cm terlihat bahwa daerah yang terjadi
blockage effect yang tinggi adalah pada daerah sekitar 0 < y/W < 0,1 atau daerah
dekat dinding radius dalam di tengah-tengah span yang ditandai dengan harga axial
velocity ratio mendekati nol sedangkan pada posisi z = 5 cm, blockage effect sudah
hampir tidak terjadi.
Diantara ketujuh pemodelan turbulensi, pemodelan RSM memberikan hasil
prediksi yang paling baik meskipun masih terdapat error.
4.2.3 HASIL SIMULASI DISTRIBUSI ALIRAN SEKUNDER
Daerah pengukuran untuk menentukan distribusi aliran sekunder adalah sama
seperti gambar 4.15 yaitu daerah exit cross-section bend (bidang ABCD). Hasil yang
telah diperoleh baik dari eksperimen ataupun dari simulasi FLUENT seperti tampak
pada gambar dibawah ini :
Gambar 4.18 Distribusi Aliran Sekunder Exit Rectangular Cross-Section
Bend 90o
B C
y
z
Eksperimen
F E
A D Simulasi FLUENT
Tugas Akhir Konversi Energi 4-27
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
Distribusi aliran sekunder pada gambar 4.18 diatas menunjukkan adanya
vortex flow. Pada bidang ABCD terdapat dua buah vortex yang simetri yaitu terletak
di bidang EBCF dan bidang AEFD. Pusat vortex yang pertama terletak didekat sudut
B yaitu titik pertemuan antara dinding radius dalam dengan dinding atas (B-C)
dengan arah berlawanan dengan arah jarum jam sedangkan vortex yang kedua
terletak di sudut A yaitu titik pertemuan antara dinding radius dalam dengan dinding
bawah (A-D) dengan arah searah dengan arah jarum jam
Daerah tengah span merupakan daerah yang jauh dari pusat vortex sehingga
menunjukkan bahwa pada daerah tengah span tidak begitu terpengaruh oleh lapisan
batas dinding (dinding atas atau dinding bawah) dengan lapisan batas dinding radius
luar dan lapisan batas dinding radius dalam hal ini ditunjukkan oleh kecilnya
perubahan arah vektor kecepatan. Bila kita bandingkan dengan aliran sekunder pada
rectangular bend 450, pada daerah sudut pertemuan antara dinding bawah (A-D) dan
dan dinding dinding radius dalam (B-E) dapat terlihat bahwa aliran sekunder yang
terjadi disini lebih besar dibandingkan dengan aliran sekunder yang terjadi pada
rectangular bend 450 , yang ditandai dengan besarnya vektor kecepatan pada arah
tangensial.
Untuk dapat membandingkan antara setiap pemodelan turbulensi dengan
hasil eksperimen dapat dibuat dalam bentuk grafik posisi arah dari tengah span ke
dinding atas sebagai fungsi Vy/U dan fungsi Vz/U seperti grafik dibawah ini dimana
Vy/U adalah perbandingan antara kecepatan arah y terhadap kecepatan masuk inlet
dan Vz/U adalah perbandingan antara kecepatan arah z terhadap kecepatan masuk
inlet
Tugas Akhir Konversi Energi 4-28
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
(a)
(b)
Grafik 4.7: Prediksi Ratio Kecepatan Arah y dan Arah z Outlet Rectangular Bend 900 Menggunakan Berbagai Macam Pemodelan Turbulensi Turbulensi (a) Ratio
Kecepatan Arah y (Vy/U) (b) Ratio Kecepatan Arah z (Vz/U)
Tugas Akhir Konversi Energi 4-29
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
Grafik 4.7-a merupakan grafik ratio kecepatan arah y, Vy/U dan grafik 4.7-b
merupakan grafik ratio kecepatan arah z, Vz/U. Dari ketujuh pemodelan turbulensi,
dalam memprediksi ratio kecepatan arah y terlihat masih kurang akurat terutama
pada daerah tengah pitch. Dari grafik 4.6-a terlihat pada daerah sekitar 0,1 < y/W <
0,7 terjadi error yang cukup besar dibandingkan daerah dekat dinding radius dalam
dan dinding radius luar.
Untuk prediksi ratio kecepatan arah z, pada grafik 4.7-b terlihat bahwa
pemodelan yang paling akurat adalah pemodelan k-ε dan RSM sedangkan untuk
pemodelan Spalart-Allmaras dan k-ω masih terjadi penyimpangan yang cukup besar.
4.2.4 HASIL SIMULASI ISOLOSSES
Daerah pengukuran untuk menentukan isolosses adalah sama seperti gambar
4.5 yaitu daerah exit cross-section bend (bidang ABCD). Hasil yang telah diperoleh
baik dari eksperimen maupun dari simulasi FLUENT seperti tampak pada gambar
dibawah ini :
Gambar 4.19 Kontur Isolosses Exit Rectangular Cross-Section Bend 90o
Eksperimen
y
z
B
A
C
D Simulasi FLUENT
F E
Tugas Akhir Konversi Energi 4-30
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
Pada gambar 4.19 terlihat bahwa losses terbesar besar terjadi didaerah dekat dinding
dinding radius dalam tengah-tengah span. karena pada daerah ini terjadi separasi, hal
ini ditunjukkan oleh adanya vektor kecepatan tangensial yang bergerak
meninggalkan dinding radius dalam. Dari gambar terlihat adanya perbedaan antara
hasil eksperimen dengan hasil simulasi dimana daerah isolosses yang terjadi pada
daerah sekitar titik E lebih luas yaitu hampir ke tengah pitch bila dibandingkan
dengan hasil simulasi, hal ini dikarenakan pada simulasi pengaruh kekasaran
permukaan diabaikan sehingga isolosses pada hasil simulasi lebih kecil.
Pada grafik dibawah ini akan ditampilkan prediksi tentang isolosses dengan
menggunakan berbagai macam pemodelan turbulensi yang hasilnya dibandingkan
dengan eksperimen
Grafik 4.8 : Prediksi Isolosses Outlet Rectangular Bend 900 Menggunakan Berbagai Macam Pemodelan Turbulensi
Tugas Akhir Konversi Energi 4-31
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
Seperti dijelaskan diatas, dari grafik juga terlihat bahwa isolosses terbesar
terletak dekat dinding radius dalam dengan harga maksimum sekitar 2 karena sudah
dijelaskan sebelumnya, didaerah ini terjadi separasi yang kuat. Sedangkan pada
daerah 0,2 < y/W < 0,8 atau daerah tengah-tengah pitch, isolosses yang terjadi sangat
kecil dikarenakan pada daerah ini jauh dari pengaruh dinding dan jauh dari pusat
vortex Bila kita amati grafik diatas dan kita bandingkan dengan hasil grafik isolosses
pada rectangular bend 450, isolosses yang terjadi disini lebih besar karena tidak
terjadi hanya pada daerah sudut dan dinding dinding radius dalam saja tetapi meluas
ke arah pitch yaitu sekitar daerah 0 < y/W < 1,5. Selain itu juga bila kita bandingkan
harga isolosses pada daerah dinding radius dalam terjadi peningkatan sekitar 0,5.
Pada ketujuh pemodelan turbulensi menunjukkan prediksi yang hampir sama
tetapi setiap pemodelan mempunyai error yang berbeda-beda. Prediksi yang paling
akurat terletak di posisi z = 5 cm dari tengah span sedangkan pada posisi z = 2 cm
hasil yang didapat kurang begitu akurat.
4.3 SIMULASI ALIRAN PADA RECTANGULAR BEND 900 PANJANG
SPAN 7,5 CM.
Sama seperti simulasi aliran yang pada rectangular bend 450 dan rectangular
bend 900, simulasi pada rectangular bend ini menggunakan diskretization dengan
pressure-velocity coupling SIMPLEC dan menggunakan model turbulensi Spalart-
Allmaras, k-ε, k-ω, dan Reynolds Stress Model (RSM). Wall function yang
digunakan adalah Non-Equilibrium Wall Function. Geometri benda kerja yang yang
digunakan hampir sama dengan geometri benda kerja pada rectangular bend 900
Tugas Akhir Konversi Energi 4-32
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
tetapi pada pemodelan ini dilakukan variasi terhadap panjang span yaitu 7,5 cm yang
tampak pada gambar dibawah ini.
Gambar 4.20 Geometri Rectangular Bend 900 Span 7,5 cm
Panjang inlet (L) =120 cm, panjang pitch (W) = 25 cm, panjang span (b) = 7,5
cm, pada sisi keluaran panjang ke arah axial (x) = 22,5 cm dan sudut defleksi bend
(α) = 90 0. Properti aliran fluida yang digunakan : udara dengan massa jenis (ρ) =
1,225 kg/m3, viskositas (μ) = 1.7894e-05 kg/m.s.
Meshing yang digunakan adalah dengan hexahedral dengan jumlah 109.306
node. Boundary condition pada model adalah pada sisi inlet menggunakan pressure
inlet dengan kondisi awal tekanan atmosfer, pada sisi outlet menggunakan pressure
outlet dengan tekanan –270 pascal.
4.3.1 HASIL SIMULASI TEKANAN STATIS DINDING
Daerah yang akan dianalisa pada exit rectangular cross section- bend untuk
tekanan statis dinding akan dilakukan pada bidang ABJI dan bidang BCKJ seperti
yang digambarkan pada gambar dibawah ini :
120 cm
22,5 cm 7,5 cm
25 cm
Tugas Akhir Konversi Energi 4-33
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
Gambar 4.21 Daerah AnalisaTekanan Statis Dinding Outlet Rectangular Bend 900 Span 7,5 cm
Struktur grid pada daerah tersebut dapat digambarkan sebagai berikut :
AB = dinding radius dalam BC = dinding atas k = arah keliling x = arah aksial
Gambar 4.22 Struktur Grid Tekanan Statis Outlet Rectangular Bend 900 Span 7,5 cm
Kalau digambarkan dalam bentuk kontur tekanan statis dinding pada daerah
tersebut, dari hasil eksperimen dan simulasi didapatkan gambar sebagai berikut.
A
B
C
D
I
J
L
K
Inner Curved Wall
Outer Curved Wall
Arah Aksial
Arah keliling (k) : A→B → C
B
C
J
K
I
k
x A
Tugas Akhir Konversi Energi 4-34
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
(a) (b)
Gambar 4.23 Contour Isobar pada Dinding Outlet Rectangular Cross Section Bend 90o Span 7,5 cm (a) Simulasi Fluent (b) Eksperimen
Seperti pada hasil simulasi tekanan statis rectangular bend 45o dan
rectangular bend 90o , tekanan statis pada gambar 4.23 diatas juga menunjukkan
adanya perbedaan tekanan statis dinding yang besar antara daerah dinding radius
dalam dan dinding radius luar yang disebabkan oleh pembelokan aliran oleh bend.
Daerah dekat dinding radius dalam pada exit rectangular cross section bend
memiliki tekanan statis dinding paling kecil sedangkan daerah dekat dinding radius
luar merupakan daerah bertekanan statis paling besar.
Bila kita amati pada daerah ABJI terlihat adanya pola tonjolan yang tajam
dan agak berhimpit , ini mengindikasikan terjadinya vortex yang kuat di daerah
tersebut. Pada arah aksial tekanan statisnya semakin dekat dengan sisi outletnya akan
semakin besar, hal ini disebabkan karena tekanan hisap dari fan dan juga alirannya
sudah kembali normal.
Untuk mengetahui kemampuan keakuratan berbagai macam pemodelan
turbulensi dalam memprediksi tekanan statis dinding outlet rectangular bend akan
A
B
C K
J
I
Tugas Akhir Konversi Energi 4-35
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
ditunjukkan dengan grafik tekanan statis pada posisi arah aksial x =5 cm, x=10 cm
dan x = 20 cm sebagai berikut :
Grafik 4.9 : Prediksi Tekanan Statis Dinding Outlet Rectangular Bend 900
Span 7,5 cm Menggunakan Berbagai Macam Pemodelan Turbulensi
Grafik diatas menunjukkan hasil prediksi ketujuh model turbulensi dimana
prediksi tekanan statis dinding dari ketujuh pemodelan turbulensi yang memberikan
hasil yang paling akurat adalah pemodelan k-ε RNG dan pemodelan RSM. Bila kita
bandingkan antara prediksi pada ketiga posisi pada arah aksial, pada posisi x = 2 cm
memberikan hasil prediksi yang paling tidak akurat karena pada posisi ini aliran
sekunder masih kuat sehingga kemampuan pemodelan turbulensi khususnya
Tugas Akhir Konversi Energi 4-36
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
pemodelan Spalart-Allmaras, k-ε Standart, k-ε RNG, k-ω Standart, dan k-ω SST
dalam memprediksi aliran sekunder kurang begitu akurat. Sedangkan pada posisi x =
10 cm dan x = 20 cm, errornya semakin kecil dikarenakan pada posisi ini aliran
sekundernya melemah.
Pada tabel dibawah ini diberikan persentase error masing-masing pemodelan
turbulensi sebagai pembanding terhadap hasil eksperimen. Contoh error yang
diambil sebagai pembanding terhadap eksperimen disini adalah error data pada posisi
arah aksial x = 5 cm.
Tabel 4.3 Error dalam Memprediksi Tekanan Statis Rectangular Bend 900 Span
7,5 cm pada Masing-masing Pemodelan Turbulensi
No Hasil Eksperimen / Simulasi % Error
1 Eksperimen (Eddy,2000) ---
2 Spalart-Allmaras 7,53
3 k-ε Standart 4,52
4 k-ε RNG 4,66
5 k-ε Realizable 4,39
6 k-ω Standart 5,76
7 k-ω SST 4,99
8 RSM 4,44
4.3.2 HASIL SIMULASI AXIAL VELOCITY RATIO (AVR)
Daerah yang akan dianalisa untuk mendapatkan axial velocity ratio adalah
daerah sisi keluaran rectangular bend seperti ditunjukkan pada gambar struktur grid
dibawah ini :
Tugas Akhir Konversi Energi 4-37
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
B
Gambar 4.24 Struktur Grid Bidang Pengukuran Axial Velocity Ratio Rectangular Bend 90o Span 7,5 cm
Dari hasil simulasi FLUENT diperoleh hasil kontur axial velocity ratio
sebagai berikut :
Gambar 4.25 Contour Axial Velocity Ratio Exit Rectangular Cross-Section Bend 90o Span 7,5 cm
Pada gambar 4.25 diatas menunjukkan perbandingan kontur axial velocity
ratio pada daerah exit rectangular cross section bend 900 Span 7,5 cm. Bila kita
bandingkan gambar diatas dengan gambar kontur axial velocity ratio rectangular
bend 900 (gambar 4.16), menunjukkan hasil yang sama yaitu axial velocity ratio
yang sangat rendah pada daerah dinding radius dalam (B-E-A) yang tepat ditengah
span pada sisi dinding radius dalam. Hal ini menujukkan adanya blockage effect
yang tinggi didaerah tersebut yang ditandai dengan harga axial velocity ratio
bertanda negatif.
y
z
A W =25 cm
C
D
AB = dinding radius dalam CD = dinding radius luar
h
B
b = 7,5 cm
A
C
D
Eksperimen
Simulasi FLUENT
F E y
z
Tugas Akhir Konversi Energi 4-38
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
Simulasi FLUENT
4.3.3 HASIL SIMULASI DISTRIBUSI ALIRAN SEKUNDER
Daerah pengukuran untuk menentukan distribusi aliran sekunder adalah sama
seperti gambar 4.24 yaitu daerah exit cross-section bend (bidang ABCD). Hasil yang
telah diperoleh baik dari eksperimen ataupun dari simulasi FLUENT seperti tampak
pada gambar dibawah ini :
Gambar 4.26 Distribusi Aliran Sekunder Exit Rectangular Cross-Section
Bend 90o Span 7,5 cm
Distribusi aliran sekunder pada gambar 4.26 diatas menunjukkan pada bidang
ABCD terdapat dua buah vortex yang simetri yaitu terletak di bidang EBCF dan
bidang AEFD. Pusat vortex yang pertama dan kedua terletak sangat berdekatan yaitu
terletak didekat titik E yaitu titik pada tengah-tengah span, hal ini disebabkan karena
jarak antara dinding atas dan dinding bawah sangat dekat. Bila kita bandingkan
dengan rectangular bend 90o span 15 cm pada pemodelan yang kedua, aliran
sekunder yang terjadi disini lebih besar yang ditunjukkan oleh besarnya vector
kecepatan arah y maupun arah z.
4.3.4 HASIL SIMULASI ISOLOSSES
Daerah pengukuran untuk menentukan isolosses adalah sama seperti gambar
B C
y
z
Eksperimen
F E
A D
Tugas Akhir Konversi Energi 4-39
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
4.24 yaitu daerah exit cross-section bend (bidang ABCD). Hasil yang telah diperoleh
baik dari eksperimen maupun dari simulasi FLUENT seperti tampak pada gambar
dibawah ini :
Gambar 4.27 Kontur Isolosses Exit Rectangular Cross-Section Bend 90o Span 7,5 cm
Pada gambar 4.27 terlihat bahwa losses terbesar terjadi didaerah dekat
dinding dinding radius dalam tengah-tengah span. karena pada daerah ini terjadi
separasi, hal ini ditunjukkan oleh adanya vektor kecepatan tangensial yang bergerak
meninggalkan dinding radius dalam. Losses yang besar terjadi pula di daerah sekitar
titik A dan titik B yaitu sudut pertemuan antara sisi dinding radius dalam dengan
dinding atas dan bawah. Losses ini terjadi dikarenakan pada daerah tersebut terdapat
vortex yang kuat dan terjadi tumbukan antara aliran yang menuju dinding radius
dalam dengan aliran yang terseparasi (gambar 4.26).
4.4 SIMULASI ALIRAN PADA RECTANGULAR BEND 900 PANJANG
SPAN 10,5 CM.
Untuk pemodelan dengan geometri benda kerja kali ini sama seperti simulasi
y
z B
A
C
D
Eksperimen
Simulasi FLUENT
F E
Tugas Akhir Konversi Energi 4-40
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
aliran sebelumnya, simulasi pada rectangular bend ini menggunakan diskretization
dengan pressure-velocity coupling SIMPLEC dan menggunakan model turbulensi
Spalart-Allmaras, k-ε, k-ω, dan Reynolds Stress Model (RSM). Wall function yang
digunakan adalah Non-Equilibrium Wall Function. Geometri benda kerja yang
digunakan hampir sama dengan geometri benda kerja pada rectangular bend 900
span 7,5 cm tetapi pada pemodelan ini panjang span yang semula 7,5 cm diubah
menjadi 10,5 cm seperti yang tampak pada gambar dibawah ini.
Gambar 4.28 Geometri Rectangular Bend 900 Span 10,5 cm
Panjang inlet (L) =120 cm, panjang pitch (W) = 25 cm, panjang span (b) =
10,5 cm, pada sisi keluaran panjang ke arah axial (x) = 22,5 cm dan sudut defleksi
bend (α) = 90 0. Properti aliran fluida yang digunakan : udara dengan massa jenis (ρ)
= 1,225 kg/m3, viskositas (μ) = 1.7894e-05 kg/m.s.
Meshing yang digunakan adalah dengan hexahedral dengan jumlah 109.306
node. Boundary condition pada model adalah pada sisi inlet menggunakan pressure
inlet dengan kondisi awal tekanan atmosfer, pada sisi outlet menggunakan pressure
outlet dengan tekanan –270 pascal.
120 cm
22,5 cm
10,5 cm
25 cm
Tugas Akhir Konversi Energi 4-41
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
4.4.1 HASIL SIMULASI TEKANAN STATIS DINDING
Daerah yang akan dianalisa pada exit rectangular cross section- bend untuk
tekanan statis dinding akan dilakukan pada bidang ABJI dan bidang BCKJ seperti
yang digambarkan pada gambar dibawah ini :
Gambar 4.29 Daerah AnalisaTekanan Statis Dinding Outlet Rectangular Bend 900 Span 10,5 cm
Struktur grid pada daerah tersebut dapat digambarkan sebagai berikut :
AB = dinding radius dalam BC = dinding atas k = arah keliling x = arah aksial
Gambar 4.30 Struktur Grid Tekanan Statis Outlet Rectangular Bend 900 Span 10,5 cm
A
B
C
D
I
J
L
K
Inner Curved Wall
Outer Curved Wall
Arah Aksial
Arah keliling (k) : A→B → C
B
C
J
K
I
k
x A
Tugas Akhir Konversi Energi 4-42
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
Dari hasil eksperimen dan hasil simulasi didapat kontur tekanan statis dinding
sebagai berikut :
(a) (b)
Gambar 4.31 Contour Isobar pada Dinding Outlet Rectangular Cross Section
Bend 90o Span 10,5 cm (a) Simulasi Fluent (b) Eksperimen
Seperti pada hasil simulasi tekanan statis rectangular bend 45o dan
rectangular bend 90o span 7,5 cm , tekanan statis pada gambar 4.31 diatas juga
menunjukkan adanya perbedaan tekanan statis dinding yang besar antara daerah
dinding radius dalam dan dinding radius luar yang disebabkan oleh pembelokan
aliran oleh bend. Daerah dekat dinding radius dalam pada exit rectangular cross
section bend memiliki tekanan statis dinding paling kecil sedangkan daerah dekat
dinding radius luar merupakan daerah bertekanan statis paling besar.
Untuk mengetahui kemampuan keakuratan berbagai macam pemodelan
turbulensi dalam memprediksi tekanan statis dinding outlet rectangular bend akan
ditunjukkan dengan grafik tekanan statis pada posisi arah aksial x =5 cm, x=10 cm
dan x = 20 cm sebagai berikut :
A
B
C K
J
I
Tugas Akhir Konversi Energi 4-43
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
Grafik 4.10 : Prediksi Tekanan Statis Dinding Outlet Rectangular Bend 900
Span 10,5 cm Menggunakan Berbagai Macam Pemodelan Turbulensi
Grafik diatas menunjukkan hasil prediksi ketujuh model turbulensi dimana
prediksi tekanan statis dinding dari ketujuh pemodelan turbulensi memberikan hasil
yang hampir sama. Bila kita bandingkan dengan prediksi pada outlet rectangular
bend 900 Span 7,5 cm, dari grafik diatas terlihat bahwa prediksi pada rectangular
bend 900 Span 10,5 cm memberikan hasil yang lebih baik dibandingkan dengan
rectangular bend 900 Span 7,5 cm hal ini dikarenakan pemodelan turbulensi kurang
begitu akurat diterapkan pada aliran pada rectangular bend dengan lebar Span yang
sempit dimana aliran sekunder yang terjadi sangat kuat.
Tugas Akhir Konversi Energi 4-44
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
Pada tabel dibawah ini diberikan persentase error masing-masing pemodelan
turbulensi sebagai pembanding terhadap hasil eksperimen. Contoh error yang
diambil sebagai pembanding terhadap eksperimen disini adalah error data pada posisi
arah aksial x = 5 cm.
Tabel 4.4 Error dalam Memprediksi Tekanan Statis Rectangular Bend 900 Span ,5
cm pada Masing-masing Pemodelan Turbulensi
No Hasil Eksperimen / Simulasi % Error
1 Eksperimen (Eddy,2000) ---
2 Spalart-Allmaras 4.3
3 k-ε Standart 3,7
4 k-ε RNG 4,87
5 k-ε Realizable 3,72
6 k-ω Standart 3,97
7 k-ω SST 3,96
8 RSM 4
4.4.2 HASIL SIMULASI AXIAL VELOCITY RATIO (AVR)
Daerah yang akan dianalisa untuk mendapatkan axial velocity ratio adalah
daerah sisi keluaran rectangular bend seperti ditunjukkan pada gambar struktur grid
dibawah ini :
Tugas Akhir Konversi Energi 4-45
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
Gambar 4.32 Struktur Grid Bidang Pengukuran Axial Velocity Ratio Rectangular Bend 90o Span 10,5 cm
Karena pada eksperimen untuk rectangular bend 900 span 10,5 cm tidak ada
data pendukungnya maka yang ditampilkan pada gambar kontur axial velocity ratio
dibawah ini hanya dari hasil simulasi FLUENT saja
Gambar 4.33 Contour Axial Velocity Ratio Exit Rectangular Cross-Section Bend 90o Span 10,5 cm
Pada gambar 4.33 diatas menunjukkan persamaan dengan kontur axial
velocity ratio pada daerah exit rectangular cross section bend 900 Span 7,5 cm.
Hanya saja terjadi perbedaan pada luasan daerah yang terjadi separasi dimana pada
model ini daerah yang terjadi separasi sangat kecil dibandingkan dengan rectangular
bend 900 span 7,5 cm.
y
z
A W =25 cm
C
D
AB = dinding radius dalam CD = dinding radius luar
h
B
b = 10,5 cm
Simulasi FLUENTA
C
D
F E
B
Tugas Akhir Konversi Energi 4-46
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
4.4.3 HASIL SIMULASI DISTRIBUSI ALIRAN SEKUNDER
Daerah pengukuran untuk menentukan distribusi aliran sekunder adalah sama
seperti gambar 4.32 Hasil yang telah diperoleh dari simulasi FLUENT seperti
tampak pada gambar dibawah ini :
Gambar 4.34 Distribusi Aliran Sekunder Exit Rectangular Cross-Section Bend 90o Span 10,5 cm
Bila dibandingkan dengan distribusi aliran sekunder pada rectangular bend
900 span 7,5 cm distribusi aliran sekunder pada gambar 4.34 diatas menunjukkan
pusat vortex yang pertama dan kedua sudah agak menjauh dari tengah span atau
daerah dekat titik E selain itu juga aliran sekunder yang terjadi tidak sehebat pada
rectangular bend 900 span 7,5 cm.
4.4.4 HASIL SIMULASI ISOLOSSES
Hasil yang telah diperoleh dari simulasi FLUENT untuk kontur isolosses
seperti tampak pada gambar dibawah ini :
B C
y
z
F E
A D Simulasi FLUENT
Tugas Akhir Konversi Energi 4-47
Jurusan Teknik Mesin - FTI - ITS
Gambar 4.35 Kontur Isolosses Exit Rectangular Cross-Section Bend 90o Span 10,5 cm
Sama seperti pada rectangular bend 900 span 7,5 cm, pada gambar 4.35
terlihat bahwa losses terbesar terjadi didaerah dekat dinding dinding radius dalam
tengah-tengah span. karena pada daerah ini terjadi separasi, hal ini ditunjukkan oleh
adanya vektor kecepatan tangensial yang bergerak meninggalkan dinding radius
dalam. Tetapi losses yang terjadi disini lebih kecil dibandingkan dengan losses pada
rectangular bend 900 span 7,5 cm.
Simulasi FLUENTA
C
D
F E
B
top related