Simulasi Numerik digunakan untuk melihat fenomena aliran melintasi tee duct dengan menggunakan viscous turbulence model Reliazible k-epsilon. Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah dengan menggunakan simulasi numerik untuk mengkaji karakteristik aliran melintasi tee duct berukuran sisi inlet 1 meter, panjang sisi keluar 1 meter dan ukuran duct 0,15 m x 0,15 m. Pada studi ini, akan dipasang obstacle pada tee duct dengan penambahan variasi tinggi obstacle (t/D) pada sisi tee duct t/D = 0,5 dan 1 dengan menggunakan asumsi dalam keadaan steady flow, incompressible flow. Prosedur simulasi numerik mengacu dari ten element policy. Simulasi numerik dengan menggunakan viscous turbulence model tipe Realizable k-e (RKE) yang sesuai untuk melihat fenomena reattachment dan diskritisasi menggunakan Second Order Upwind. Hasil menunjukkan bahwa reattachment length semakin menurun dengan meningkatkanya ketinggian obstacle yaitu pada t/D = 1 dibanding tanpa obstacle. Kata kunci  -  tee duct, obstacle, k-ε turbulence model, second order upwin

Setiawan, P. A. (Priyo)

Subekti, A. (Arief)

Simulasi Numerik digunakan untuk melihat fenomena aliran melintasi tee duct dengan menggunakan viscous turbulence model Reliazible k-epsilon. Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah dengan menggunakan simulasi numerik untuk mengkaji karakteristik aliran melintasi tee duct berukuran sisi inlet 1 meter, panjang sisi keluar 1 meter dan ukuran duct 0,15 m x 0,15 m. Pada studi ini, akan dipasang obstacle pada tee duct dengan penambahan variasi tinggi obstacle (t/D) pada sisi tee duct t/D = 0,5 dan 1 dengan menggunakan asumsi dalam keadaan steady flow, incompressible flow. Prosedur simulasi numerik mengacu dari ten element policy. Simulasi numerik dengan menggunakan viscous turbulence model tipe Realizable k-e (RKE) yang sesuai untuk melihat fenomena reattachment dan diskritisasi menggunakan Second Order Upwind. Hasil menunjukkan bahwa reattachment length semakin menurun dengan meningkatkanya ketinggian obstacle yaitu pada t/D = 1 dibanding tanpa obstacle. Kata kunci  -  tee duct, obstacle, k-ε turbulence model, second order upwind                        

Setiawan, Priyo Agus

Subekti, Arief

Portal E-Journal Politeknik Negeri Bengkalis

JURNAL INOVTEK POLBENG, VOL. 07, NO. 2, NOVEMBER 2017 ISSN 2088-6225E-ISSN 2580-2798188SIMULASI NUMERIK TERBENTUKNYA REATTACHMENTLENGTH TERHADAP PERUBAHAN TINGGI OBSTACLE PADATEE DUCTPriyo Agus Setiawan1, Arief Subekti21,2Jurusan Teknik Mesin Perkapalan Politeknik Perkapalan Negeri  SurabayaJl. Teknik Kimia Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya.E-mail1 : priyo.as@ppns.ac.idAbstrakSimulasi Numerik digunakan untuk melihat fenomena aliran melintasi tee duct dengan menggunakan viscous turbulence model Reliazible k-epsilon.Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah dengan menggunakan simulasi numerik untuk mengkaji karakteristik aliran melintasi tee duct berukuransisi inlet 1 meter, panjang sisi keluar 1 meter dan ukuran duct 0,15 m x 0,15 m. Pada studi ini, akan dipasang obstacle pada tee duct dengan penambahanvariasi tinggi obstacle (t/D) pada sisi tee duct t/D = 0,5 dan 1 dengan menggunakan asumsi dalam keadaan steady flow, incompressible flow. Prosedursimulasi numerik mengacu dari ten element policy. Simulasi numerik dengan menggunakan viscous turbulence model tipe Realizable k- (RKE) yangsesuai untuk melihat fenomena reattachment dan diskritisasi menggunakan Second Order Upwind. Hasil menunjukkan bahwa reattachment length semakinmenurun dengan meningkatkanya ketinggian obstacle yaitu pada t/D = 1 dibanding tanpa obstacle.Kata kunci - tee duct, obstacle, k-ε turbulence model, second order upwindAbstractNumerical simulation is used to view flow phenomena across the tee duct by using the viscous turbulence model Reliazible k-epsilon. The method used inthis research is to use numerical simulation to study the flow characteristics across the tee duct measuring the inlet side of 1 meter, the outlet length of 1meter and the duct size 0.15 m x 0.15 m. In this study, obstacle will be placed on the tee duct by adding a high variation of obstacle (t / D) on the tee duct t/ D = 0,5 and 1 by assuming steady flow, incompressible flow. Numerical simulation procedure refers to ten element policy. Numerical simulation usingviscous turbulence model Realizable k- (RKE) type is suitable for viewing reattachment and discrete phenomena using Second Order Upwind. Theresults show that the reattachment length decreases with increasing the height of the obstacle at t / D = 1 compared without obstacle.Keywords - tee duct, obstacle, k-ε turbulence model, second order upwind1. PENDAHULUANPada bidang perpipaan mengalamiperkembangan teknologi yang begitu pesat.Bentuk penampang persegi disebut dengan duct.Salah satu usaha dalam memperbaiki performansibidang perpipaan telah banyak dilakukan.Penelitian tentang backward facing step yangmemiliki bentuk geometri yang sederhana danpopuler digunakan untuk mengevaluasi modelturbulen aliran yang terseparasi. Penelitiantentang Backward facing step telah dilakukansecara eksperimen[1]. Perbandingkan prediksihasil simulasi numerik dengan berbagai jenisturbulence model terhadap data eksperimen[3].Penerapan backward facing step pada wall, yangdihubungkan dengan aliran turbulen secara umumseperti pada pipa, kanal, bodi dan sayap pesawatserta bidang perkapalan[3].Studi numerik mengenai Standard wallfunction didasarkan pada proposal of Launderand Spalding[4]. Penelitian sebelumnya yangdilakukan adalah secara eksperimen denganmengukur coefficient pressure (Cp), skinfriction (Cf), profil kecepatan dan vektorkecepatan di daerah recirculation flow namunpengembangan penelitian Driver andseegmiller sebagai pembanding hasil simulasinumerik dan ekperimen terhadap aliran yangmelewati backward facing step[3]. Metodenumerik yang digunakan pada penelitianadalah model viscous dasar persamaanReynolds Average Navier Stoke [6] yangdikomparasikan terhadap hasil eksperimen.Kajian simulasi numerik yang dilakukandengan menggunakan near wall treatmentmethods dan berbagai viscous turbulencemodels terhadap coefficient pressure, skinJURNAL INOVTEK POLBENG, VOL. 07, NO. 2, NOVEMBER 2017 ISSN 2088-6225E-ISSN 2580-2798189friction, profil kecepatan dan distribusi vektorkecepatan di daerah corner[3].Studi ini akan melakukan investigasi dalambentuk konfigurasi geometri obstacle diletakkanpada tee duct terhadap fenomena aliran yangmelintasi tee duct dengan metode simulasinumerik yang menggunakan viscous turbulencemodel realizable kepsilon dengan standard wallfunction. Salah satu sistem perpipaan yang sangatbanyak digunakan adalah tee duct. Padapenelitian ini adan dilakukan modifikasi denganmeletakkan obstacle pada sisi tee duct. Obstacleyang terpasang pada sisi tee merupakan salah satujenis deflector dengan tujuan agar dapatmembantu aliran menuju outlet sehinggamengurangi stagnasi yang diakibatkan oleh tee.Pemasangan obstacle pada sisi tee duct sebelumdaerah recirculation flow atau inlet pada tee ductdiharapkan mampu membuat aliran terarah.Perubahan tinggi obstacle (t/D) yang dipasangpada tee duct, diduga mampu meningkatkanaliran menjadi lebih terarah dan mengurangialiran yang berhenti mendadak pada tee ductsehingga mampu mempersempit daerahrecirculation flow, dengan melihat lokasi danreattachment length.Dari latar belakang tersebut, tee duct memilikireattachment length yang besar akibat belokanyang mendadak dan terjadinya stagnasi pada teeduct. Tujuan dari studi ini adalah untukmengurangi reattachment length denganmenambahkan obstacle pada tee duct agar aliranakan diarahkan menuju outlet. Pada studi ini akandiamati kinerja tee duct akibat perubahandiameter tinggi obstacle (t/D) 0,5 dan 1.Penelitian ini menggunakan simulasi numerikdengan tipe turbulence model Realizable kepsilon(RKE) dan diskritisasi menggunakan SecondOrder Upwind.2. METODEFreitas membahas mengenai isu ketidakpastianmengenai numerik sehingga menghasilkansebuah pedoman kebijakan dalam melakukanpentahapan simulasi numerik. Conferencemenghasilkan ten element policy yaitu:a. Penjelasan metode yang digunakan.b. Minimal second order.c. Artificial viscosity seperti ReynoldsAverage Navier Stoke (RANS), LES (LargeEdy Simulation) dan lain-lain.d. Grid independence.e. Iterative convergence.f. Untuk kalkulasi transient, kesalahandinilai dan diminimumkan.g. Boundary dan initial conditionh. Jenis turbulence model yang digunakani. Bencmark solutionj. Validasi dengan eksperimenPenelitian Driver and seegmiller, menelititentang Backward facing step yang memilikigeometri yang sangat sederhana danmerupakan geometri yang sangat populerdigunakan untuk mengevaluasi model turbulenuntuk aliran yang terseparasi. Backward facingstep telah diteliti secara eksperimen[1].Prediksi hasil simulasi turbulence modelterhadap data eksperimen. Aplikasi backwardfacing step pada wall yang dihubungkandengan aliran turbulen umumnya seperti padapipa, kanal dan melintasi bodi dan sayappesawat dan sekitar kapal[1][3].Gambar 1. Back ward Facing Step[1]Pada Gambar 1 menujukan penelitian [3]tentang terbentuknya reattachment pointterhadap perubahan sudut kemiringan pada sisiatas secara 2 dimensi[3]. Melakukan variasikemiringan sisi atas pada sudut kemiringan 0odan 6o. Terbentuknya recirculation zone terjadiakibat aliran melintasi area yang semakinmembesar secara tiba-tiba dan aliran akanJURNAL INOVTEK POLBENG, VOL. 07, NO. 2, NOVEMBER 2017 ISSN 2088-6225E-ISSN 2580-2798190kembali ke kontur yang disebut denganreattachment point.Gambar 2. Velocity proﬁles pada x/H = 10 danx/H = 20Profil kecepatan diprediksi dengan metodenear-wall treatment, menunjukkan pada Gambar2 untuk 0o wall-angle, hampir identik denganyang lainya dan dengan pengukuran secaraeksperimen. Profil kecepatan di inlet diasumsikanfully developed dengan kecepatan 44.2 m/s.Untuk perbandingan, dalam eksperimen dari[1],kondisi inlet adalah dengan kecepatan sebesar44.2 m/s and diameter sebesar 0.019 m. PadaGambar 2 menunjukkan velocity vectors dicorner dengan 0o wall-angle. Seperti yangditunjukkan pada Gambar, recirculation diamatidalam eksperimen yang dicapture denganmenggunakan metode near-wall treatment. SKE,RNG dan RKE models telah gagal untukmenampilkan recirculation ketika dikomputasidengan wall functions. Namun dengan SKW andSST models dikomputasi dengan mesh untuk wallfunctions mampu menampilkan recirculation.Tabel 1. Komparasi reattachment lengthTabel 1 menunjukan hasil riset simulasinumerik kim dkk, 2005 yang melakukankomparasi terhadap eksperimen yangdilakukan seegmiller, 1985.Prediksi reattachment lengths yangditunjukkan dengan menggunakan turbulencemodels dan near-wall treatment methods yangdiukur dengan nilai[1]. Pada tabel 1 diperolehprediksi reattachment lengths dengan standardwall functions pada keadaan under-predicted7.3–28% tanpa memperhatikan penerapanturbulence model untuk 0o dan 6o wall-angles.Untuk kasus pengerjaan non-equilibrium wallfunctions, RNG dan RKE models diprediksireattachment lengths dalam 2.4% daripengukuran untuk 0o dan 6o wall-angles.Namun, SKE dan RSM models denga non-equilibrium wall functions dalam kondisireattachment underpredicted untuk kedua wallangle dengan 7.3–22%. two-layer modeldengan kondisi reattachment length yangdibawah prediksi (under-predicted) untukkasus dengan SKE dan RSM 8.1– 16% untuk0o dan 6o wall-angles. Untuk RNG dan RKEdengan two layer model, reattachment lengthsdiatas prediksi pengukuran (over-predicted)dengan nilai 3.0– 7.8% untuk kedua wall-angles.SKW model dikomputasi dengan mesh wallfunctions menghasilkan diatas prediksi (over-predicted) dengan 8.6 –14% untuk 0o dan 6owall-angles. Namun, SST model dikomputasidengan mesh wall functions dipredisireattachment length sekitar 2.4% untuk keduawall-angle. ketika SKW model dikomputasidengan mesh two-layer model, hasil darireattachment length terjadi diatas prediksi(over-predicted) dengan 21% untuk keduawall-angle. SST model yang dikomputasidengan mesh untuk two-layer modelmenghasilkan over-predicted dengan 4.6 –16% untuk kedua wall-angle.2.1 Geometri tee ductPenelitian ini akan dilakukan variasiobstacle yaitu tanpa obstacle, obstacle t/Dsebesar 0,5 dan 1. Obstacle ditempatkan padatee duct seperti pada Gambar 3.JURNAL INOVTEK POLBENG, VOL. 07, NO. 2, NOVEMBER 2017 ISSN 2088-6225E-ISSN 2580-2798191a)b) c) d)Gambar 3. a) tee duct, b) tanpa duct, c) obstacle t= 7,5 cm dan d) obstacle t = 15 cm.2.2 Simulasi numericDomain simulasi numerik pada tee duct yaituinlet (velocity inlet), outlet (pressure outlet), teeduct (wall) seperti yang ditunjukkan padaGambar 4. Diameter hidraulic pada duct ukuran15 cm x 15 cm dihitung dengan persamaansebagai berikut;Inputan simulasi pada program Ansys untukinlet dan outlet dengan menggunakan nilaiTurbulence Intensity (TI) sebesar 0,1% danDiameter hidraulic (Dh) sebesar 0,15 m denganaliran yang steady flow.Gambar 4. Domain Simulasi3. HASIL  DAN  PEMBAHASANPenelitian dengan mengggunakan studinumerik, dimana fluida melintasi pipa ductberukuran 0,15 m x 0,15 m dengan kecepatanfluida 2 m/s dan 4 m/s pada Reynolds numbers(Re) 1,913×104 - 5,74×104. Aliran pada ductadalah turbulen dengan dimensi panjang inletpada domain simulasi sebesar 1 m dan panjangoulet simulasi sebesar 1 m. Fluida udaramemiliki density (ρ) 1,2647 kg/m3 dan dynamicviscosity (µ) 1,983 x 10-5 kg/m-s. Studi inidengan menambahkan sirkular bump pada pipainlet dengan temperatur kerja sebesar 300K.Penelitian ini menginvestigasiperkembangan terbentuknya reattachmentlength secara kualitatif dengan melihat velocitycontour pada tee duct yang dipasang obstacledengan tinggi (t/D) sebesar 0,5 dan 1. Hasilperkembangan pembentukan reattachmentlength pada kecepatan 2 m/s ditunjukkanseperti pada Gambar 5 dan pada kecepatan 4m/s yang ditunjukkan pada Gambar 6.Inlet (Velocityinlet)Outlet (outflow)Outlet (outflow)0,1 m0,15 m0,1 m0,1 mduct (wall)JURNAL INOVTEK POLBENG, VOL. 07, NO. 2, NOVEMBER 2017 ISSN 2088-6225E-ISSN 2580-2798192a)b)c)Gambar 4. Velocity contour pada tee duct a)tanpa obstacle, b) obstacle t/D = 0,5 dan c)obstacle t/D = 1 pada kecepatan angin 2 m/s.Perkembangan pembentukan reattachmentlength pada tanpa obstacle menunjukkanterjadinya titik stagnasi pada tee duct dan alirandari inlet menabrak tee duct sehingga akanmenyebabkan timbulnya recirculation padasetelah belokan tajam pada tee duct. Titikstagnasi ditandai dengan kecepatan rendahyang mendekati nol dan secara kualitatifterlihat warna biru pada posisi tepan pada teeduct. Aliran yang melintasi setelah tee ductmengalami recirculation zone seperti yangditunjukkan pada gambar. Kembalinya lintasanfluida ke kontur dinding duct disebut denganreattachment. Pada Gambar 4 untuk kecepataninlet sebesar 2 m/s, menunjukkan bahwareattachment length semakin pendek denganmemasang obstacle pada tee. Optimum teeduct terjadi pada t/D obstacle sebesar 1.Pada Gambar 5 menunjukkanperkembangan pembentukan reattachmentlength pada kecepatan 4 m/s. Fenomena aliranmelintasi tee duct sama dengan kecepatan 2m/s, dimana hasil yang mampu menurunkanreattachment length terjadi pada ketinggianobstacle t/D sebesar 1.a)TitikstagnasiRecirculationzoneReattachmentpointJURNAL INOVTEK POLBENG, VOL. 07, NO. 2, NOVEMBER 2017 ISSN 2088-6225E-ISSN 2580-2798193b)c)Gambar 5. Velocity contour pada tee duct a)tanpa obstacle, b) obstacle t/D = 0,5 dan c)obstacle t/D = 1 pada kecepatan angin 4 m/s.4. KESIMPULANHasil studi numerik menunjukkan bahwareattachment length semakin menurun denganmeningkatkanya ketinggian obstacle yaitu padat/D = 1 dibanding tanpa obstacle.UCAPAN TERIMA KASIHUcapan terima kasih saya berikan kepada2Jurusan Teknik Mesin Perkapalan PoliteknikPerkapalan Negeri  Surabaya yang sudahmemberikan dukungan. Kepada sumber-sumber referensi yang mendukung dalampenulisan jurnal ini.DAFTAR PUSTAKA[1] Driver, D.M and seegmiller, H., L.,Backward-facing step withinclined opposite wall-experiments by driver andseegmiller, 1985a,www.URLhttp://cfd.me.umist.ac.uk/ercoftac [2003, Jan 31].[2] Freitas, C. J, “The issue of numericaluncertainty”, SecondInternasional Conference on CFDin the Minerals and ProsesIndustries CSIRO, Melbourne,Australia. 6-8 Desember 1999.[3] Kim. J., Y, Ghajar .A.J, Tang. C andFoutch.G.L, ‘Comparison of near-wall treatment methods for highReynolds number backward-facing step flow”, InternationalJournal of Computational FluidDynamics, Vol. 19, No. 7,October 2005, 493–500.[4] Launder BE and spalding, DB, Thenumerical computation ofturbulent flows. Comp. Meth.Apll. Mech. Eng., 1974,3, 269-289.[5] Tuakia. F. 2008. Dasar-dasarComputational Fluid Dynamics(CFD) menggunakan Fluent,Informatika Bandung.[6] Veesteeg, H.,K, Malalasekera. W, AnIntroduction to ComputationalFluid Dynamics, Longmansciences & technical, 1995.

SIMULASI NUMERIK TERBENTUKNYA REATTACHMENT LENGTH TERHADAP PERUBAHAN TINGGI OBSTACLE PADA TEE DUCT

Neliti

Simulasi Numerik Terbentuknya Reattachment Length Terhadap Perubahan Tinggi Obstacle Pada Tee Duct

http://ejournal.polbeng.ac.id/index.php/IP/article/download/221/199

Simulasi Numerik Terbentuknya Reattachment Length Terhadap Perubahan Tinggi Obstacle Pada Tee Duct

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Portal E-Journal Politeknik Negeri Bengkalis

Neliti