Gaya hambatan pada aliran bluff body (Aplikasi CFD)

Aliran fluida yang melewati bluff body akan mengalami hambatan yang besar karena bentuk geometri yang tidak streamline. Fenomena ini dapat diaplikasikan ke dalam berbagai bidang kehidupan, salah satunya adalah dalam merancang suatu bangunan pencakar langit. Aliran fluida dalam hal ini -angin- akan mengalami hambatan saat melewati bangunan. Tekanan akibat gaya hambatan angin ini harus diperhitungkan di dalam tahap perancangan suatu bangunan. 

Pada kesempatan ini kita akan mencoba mensimulasikan gaya hambatan pada aliran bluff body. Ada pun langkah-langkah di dalam software CFDSOF sebagai berikut :

1. Pertama-tama kita alokasikan memori dan tentukan daerah domain yang menjadi daerah kerja. Kita tentukan p x t = 13 x 5 meter dengan jumlah cell adalah 39 cell i x 15 cell j.

Alokasi memori

Domain

2. Menentukan model simulasi. Kita tetapkan bahwa aliran adalah turbulen dengan metode K-Epsilon. Aliran terikat waktu per satuan 1 detik.

Model

3. Input cell berdasarkan jenis-jenisnya.

Input cell

4. Menentukan kondisi sempadan inlet sebagai velocity inlet. Kecepatan u kita tetapkan 1 m/s. 

Kondisi sempadan

5. Menentukan konstanta fisikal fluida. Densitas dan viskositas fluida adalah 1 kg/m3 dan 1E-5 kg/ms.

Konstanta fisikal 

6. Setelah melakukan iterasi kita dapatkan hasil grafik kontur kecepatan dan tekanan pada saat 1 detik.

Kontur kecepatan saat 1 detik

Kontur tekanan saat 1 detik

7. Kita menuju menu lihat alfa - integrasi variabel -tekanan total absolut (1 detik). Kita akan lihat hasil integrasi variabel tekanan total absolut untuk masing-masing sisi pada bluff body.

Tekanan total absolut sisi depan

Tekanan total absolut sisi atas

Tekanan total absolut sisi bawah

Tekanan total absolut sisi belakan

8. Kita lakukan iterasi lagi untuk keadaan saat 2 detik. Hasil kontur kecepatan dan tekanan adalah seperti gambar di bawah.

Kontur kecepatan saat 2 detik

Kontur tekanan saat 2 detik

9. Integrasi variabel untuk tekanan total absolut pada masing-masing sisi bluff body adalah seperti gambar di bawah

Tekanan total absolut sisi depan

Tekanan total absolut sisi atas

Tekanan total absolut sisi bawah

Tekanan total absolut sisi belakang

Menghitung pressure drop dan ketinggian h pada aliran (Aplikasi CFD)

Soal dari Buku Munson 8.20 berkaitan dengan bagaimana mencari pressure drop dan ketinggian h pada aliran. Fenomena Pressure drop atau lebih dikenal dengan penurunan tekanan disebabkan adanya gesekan antara partikel fluida tersebut dengan permukaan benda atau adanya gesekan fluida dengan bidang batas.

Diketahui dari soal di atas adalah:

Spesifik weight minyak = 8900 N/m3, densitas (rho) minyak = 890 kg/m3, viskositas minyak = 0,10 N.s/m2, diameter pipa = 23 mm = 0.023 m, panjang pipa = 0,5 m.Berapakah pressure drop dan range dari h bila aliran minyak adalah laminar?

Bilangan Reynolds untuk aliran laminar adalah < 2100 sehingga persamaan bilangan Reynolds adalah

Kita mengacu pada persamaan Bernoulli

JIka kita asumsikan z1 = z2  serta  v1 = v2 dan karena aliran yang terjadi berupa aliran viskos laminar, maka persamaan yang berlaku berupa persamaan dengan adanya penambahan faktor gesek sehingga  persamaan akan menjadi :

Persamaan pressure drop adalah

Karena di asumsikan aliran yang terjadi adalah laminar maka dicari dahulu nilai dari f (friction) dengan menggunakan persamaan berikut :

Untuk mencari ketinggian manometer dapat digunakan persamaan sebagai berikut :

Sehingga nilai ketinggian manometer menjadi :

Momen gaya tiang turbin angin di tengah laut (Komputasi Teknik)

Pada kesempatan ini, saya akan mencoba membuat program di Visual Basic untuk menghitung resultan gaya dan momen yang diderita penyangga tiang turbin angin berada di dasar laut.
Seperti kita ketahui bersama, pengembangan energi terbarukan sedang mengalami perkembangan yang pesat dan salah satunya adalah turbin angin.
Gambar berikut adalah contoh turbin angin yang berada di tengah laut.

Gaya yang bekerja pada tiang turbin angin diakibatkan aliran dari angin dan air laut. Gaya-gaya yang bekerja pada tiang turbin angin adalah sebagai berikut:

1. Gaya hidrostatik
w = rho x gravitasi x panjang batang x luas penampang

ρ = massa jenis air, 1000 kg/m3
g = gaya gravitasi, 9.8 m/s2
l = ketinggian per meter, 1 m
A = 1 m2 dengan menganggap gaya diukur per satuan luas.
sehingga w = ρ g h A = 1000 x 9.8 x 1 x 1 = 9800 N/m

Untuk momen yang bekerja pada gaya hidrostatik berdasarkan tabel momen bending maka didapatkan
M resultan = (wl)l/3
Asumsi panjang L = 20 m.
M = (9800 x 20 x 20 ) / 3 = 1306666.67 Nm

2.Gaya akibat tekanan air laut

Tekanan arus air laut sebesar 1 kg/cm2 per 10 meter, sehingga gaya akibat arus air laut adalah

w = 1 x 9.8 x 100000 / 10 = 9800 Nm

Panjang L=20 m , maka didapatkan momen sebesar

M = (9800 x 20 x 20 ) / 2 = 1960000 Nm

3. Gaya akibat angin laut

Kecepatan angin diketahui 7 knots, sehingga kecepatan dalam satuan SI adalah
v = 10 x 0.5144 m/s = 5.144 m/s
dengan massa udara 1 kg, maka gaya akibat angin laut adalah

F= (1 x 5.144)/1 = 5.14 N

M angin = F x l
= 5.14 x 60
= 308.4 Nm

M total = M1 + M2 + M3.

Berikut adalah coding untuk program menghitung momen gaya pada penyangga tiang turbin angin di dasar laut.

 

Kemudian setelah kita jalankan programnya maka akan muncul seperti gambar di bawah ini

Drag Coefficient di dalam aliran laminar (Aplikasi CFD)

Drag coefficient adalah koefisien yang menyatakan suatu hambatan fluida terhadap suatu benda di dalam suatu aliran. Semakin rendah nilai drag coefficient, maka hambatan aerodinamik maupun hidrodinamiknya semakin kecil sehingga hambatan udara maupun hambatan airnya menjadi kecil dan fluida dapat dengan lancar melewati benda tersebut.

Persamaan untuk mengitung drag coefficient adalah

Drag coefficient dipengaruhi oleh gaya, densitas, kecepatan dan luas area benda yang dilalui. Pada kesempatan kali ini, kita akan membahas drag coefficient pada benda kotak seperti gambar di bawah ini.

 Kita bagi benda kotak di atas ke dalam 3 kategori dan kemudian kita simulasikan di dalam CFD.

• a/b = 1
• a/b < 1
• a/b > 1

Simulasi dan perhitungan drag coefficeient Cd (a/b =1)

1. Menentukan domain p x l x t=1 x 0.5x 1 m. Jumlah cell i x cell j = 50i x 20j.

2. Mengatur daerah inlet, outlet, simetri dan wall (benda).

3. Menentukan kondisi sempadan inlet berupa velocity inlet. Kecepatan didapat dari perhitungan persamaan bilangan Reynolds. 

Pada kasus ini kita menginginkan aliran laminar sehingga kita tetapkan bilangan Reynolds Re adalah 2000. Fluida yang mengalir adalah udara dengan massa jenis 1.2 kg/m3 dan viskositas 10e-5.
2000 = ( 1.2 x v x 0.5 ) / ( 10e-5 ) didapatkan nilai v = 0.03 m/s

4. Memasukkan konstanta fisikal. Fluida yang mengalir adalah udara dengan massa jenis 1.2 kg/m3 dan viskositas 10e-5. 

Hasil simulasi CFD adalah seperti gambar di bawah

5. Pada menu lihat alfa untuk melihat gaya yang bekerja pada wall.

Gaya yang mengakibatkan drag (hambatan) adalah gaya shear stress pada arah aliran fluida arah-x. Drag coefficient Cd pada wall adalah sebagai berikut :

Dari  hasil simulasi di atas maka hasil simulasi drag cukup signifikan pada wall 3 dan 4 yaitu pada sisi atas dan bawah benda penghalang yaitu sebesar 0.034. Apabila dilandingkan dengan teoritis, terdapat perbedaan dimana Cd teoritis untuk cube sebesar 1.15. 

Simulasi dan perhitungan drag coefficeient Cd (a/b <1)

1. Domain yang dipakai sama dengan kondisi di atas.

2. Mengatur daerah inlet, outlet, simetri dan wall (benda).

3. Menentukan kondisi sempadan inlet berupa velocity inlet. Nilai kecepatan sama dengan kondisi sebelumnya v = 0.03 m/s.

4. Memasukkan konstanta fisikal. Fluida yang mengalir adalah udara dengan massa jenis 1.2 kg/m3 dan viskositas 10e-5. 

Hasil simulasi CFD adalah seperti gambar di bawah

5. Pada menu lihat alfa untuk melihat gaya yang bekerja pada wall.

Gaya yang mengakibatkan drag (hambatan) adalah gaya shear stress pada arah aliran fluida arah-x. Drag coefficient Cd pada wall adalah sebagai berikut :

Dari  hasil simulasi di atas maka hasil simulasi drag cukup signifikan pada wall 3 dan 4 yaitu pada sisi atas dan bawah benda penghalang yaitu sebesar 0.023. Apabila dilandingkan dengan teoritis, terdapat perbedaan dimana Cd teoritis untuk cube sebesar 1.05. 

Simulasi dan perhitungan drag coefficeient Cd (a/b>1)

1. Domain yang dipakai sama dengan kondisi di atas.

2. Mengatur daerah inlet, outlet, simetri dan wall (benda).

3. Menentukan kondisi sempadan inlet berupa velocity inlet. Nilai kecepatan sama dengan kondisi sebelumnya v = 0.03 m/s.

4. Memasukkan konstanta fisikal. Fluida yang mengalir adalah udara dengan massa jenis 1.2 kg/m3 dan viskositas 10e-5. 

Hasil simulasi CFD adalah seperti gambar di bawah

5. Pada menu lihat alfa untuk melihat gaya yang bekerja pada wall.

Gaya yang mengakibatkan drag (hambatan) adalah gaya shear stress pada arah aliran fluida arah-x. Drag coefficient Cd pada wall adalah sebagai berikut :

Dari  hasil simulasi di atas maka hasil simulasi drag cukup signifikan pada wall 3 dan 4 yaitu pada sisi atas dan bawah benda penghalang yaitu sebesar 0.046. Apabila dilandingkan dengan teoritis, terdapat perbedaan dimana Cd teoritis untuk cube sebesar 0.82.