Profil Temperatur dan Koefisien Pindah Panas dari Aliran Laminar di atas Sebuah Plat (Take Home UTS Komputasi Teknik)

Teori tentang profil temperatur dan kefisien pindah panas dapat dibaca di dalam posting saya sebelumnya (silahkan klik di sini).


Simulasi CFD pada software CFDSOF
Langkah-langkah simulasi CFD di dalam Software CFDSOF adalah sbb:
1. Menentukan daerah domain p x l x t = 1 x 0.1 x 1m. Dengan jumlah cell 50i x 20 j

2. Menentukkan daerah inlet 1 (i1,j2 sampai i1,j19), daerah inlet 2 (i50,j2 sampai i50,j19), daerah wall 1 (i1,j1 sampai i50,j1),daerah wall 2 (i2,j2 sampai i49,j2),  dan daerah simetri (i1,j20 sampai i50,j20)

3. Menentukkan model untuk simulasi. Di dalam konteks pindah panas, kita mengaktifkan hitung temperatur, KS fluks panas, pindah panas eksternal, wall konduktif, dan konveksi wall konduktif.

4. Menentukkan kondisi sempadan wall 1 dan 2. Untuk wall1 kita tetapkan sebagai tipe wall konveksi dengan koefisien pindah panas 1000 W/m2/K dan temperatur eksternal 400 K. Pada wall 2 kita tetapkan sebagai conducting wall dengan konduktifitas termal 1000 W/m/K, densitas wall 1000 kg/m3, Panas jenis 1000 J/Kg/K.

 

5. Kita lakukan iterasi untuk mendapatkan hasil distribusi temperatur dan profil temperatur.

Kontur temperatur

Distribusi temperatur

Distribusi temperatur

Membuat Program Profil Temperatur di Visual Basic

Setelah mendapatkan data dari hasil simulasi CFD, kemudian kita membuat program di dalam VBA untuk mendapatkan hasil profil temperatur.

Karena profil temperatur dan kecepatan adalah identik, maka 

Profil temperatur adalah

Setelah itu,kita membuat coding pada VBA. Langkah pertama adalah kita memasukkan hasil temperatur  di setiap titik nodal pada worksheet yang tersedia. Data yang akan kita cari adalah T-Tw/T∞-Tw, y/δt, y, dan δt. Titik nodal yang akan kita amati adalah pada i=1,5,9,13,17,21,25,29,33,37,41,45,dan 49. Kita cantumkan juga tombol perintah untuk melakukan perhitungan.

Coding pada VBA adalah seperti gambar berikut di bawah.

Coding terus berulang dari titik nodal i=1 sampai i=49. Setelah selesai membuat coding, kemudian kita tekan tombol perintah "Hitung". Dan kita dapatkan hasil data-data seperti gambar di bawah ini.

Kita plot hasil profil temperatur ke dalam grafik.

Koefisien Perpindahan Panas

Didapat dari persamaan profil kecepatan, yaitu Rex adalah

Sehingga untuk mencari koefisien pindah panas (h) didapat dari persamaan

Jadi didapatkan koefisien pindah panas untuk kondisi di atas adalah 11.063 E+3 W/m2K. 

Unsteady/Transient Flow Case (Aplikasi CFD)

Kondisi awal temperatur seragam sebuah batang logam p x t x l = 1 x 0.1 x 1 m adalah 200oC. Pada waktu tertentu t=0 temperatur sisi sebelah timur batang tersebut tiba-tiba berkurang sampai 0oC. Permukaan yang lain diinsulasi. Simulasikan distribusi temperatur di dalam CFD untuk langkah-langkah waktu tertent. Kondukstivitas termal k=10W/m/K. dan ρc=10x10⁶ J/m3/K.


Diskusi
Persamaan konduksi panas unsteady satu dimensi adalah

variabel c adalah panas jenis material (J/Kg/K).
Karena sumber panas tidak ada maka S=0. Persamaannya menjadi

 

Kondisi awal adalah 

T=200 pada t=0

Langkah-langkah di dalam software CFDSOF adalah sbb:

1. Menentukan daerah domain. Seperti kondisi di atas p x t x l = 1 x 0.1 x 1 m. Jumlah cell 10i x 3j.

2. Memasukkan tipe cell. Daerah simetri pada i1,j1 sampai i10,j1 dan i1,j3 sampai i10,j3. Daerah wall1 pada titik i1,j2. Wall 2 pada titik i10,j2. Sedangkan wall 3 pada daerah i2,j2 sampai i9,j2.

  

 
3. Menentukan model. Kita aktifkan pada perpindahan panas yaitu hitung temperatur, KS fluks panas, dan wall konduiktif. Kemudian kita tentukan aliran terikat waktu dengan step 1 s.

4. Memasukkan temperatur tempel pada daerah i2,j2 sampai i9,j2 sebesar 473 K.

5. Kemudian kita lakukan iterasi pada setiap interval waktu yang kita ingin lihat hasilnya. Kita dapat melihat distribusi panas konduksi pada t=300 s, 500 s , dan 1000 s.

Kontur temperatur pada 300 s

Kontur temperatur pada 500 s

Kontur temperatur pada 1000 s

Noise dan Aliran Turbulence (Aplikasi CFD)

Di dalam mekanika fluida, turbulence mengarah kepada gangguan di dalam sebuah aliran. Gangguan-gangguan ini menyebabkan efek pada aliran tersebut, serta pada elemen yang terkandung. Akhirnya gangguan-gangguan ini memiliki sifat bermanfaat di dalam berbagai bidang, dan sifat berbahaya di dalam bidang lainnya. Sebagai contoh, turbulence meningkatkan proses-proses yang melibatkan mixing, pertukaran panas, dsb. Namun ini menuntut enegi yang lebih besar dari kipas dan pompa, mengurangi efisiensi turbin dan mengakibatkan noise di dalam katup dan meningkatkan getaran dan ketidakstabilan pada pipa, dan elemen lainnya.

Persamaan aliran fluida yang digunakan secara umum adalah persamaan Navier-Stokes

Dimana ui adalah komponen-komponen kecepatan pada setiap titik dan pada setiap momen waktu. v adalah viskositas, p adalah tekanan pada setiap titik dan setiap momen waktu, dan fi mengarah kepada gaya eksternal pada setiap titik dan setiap momen waktu. Dengan meniadakan viskositas dan efek-efeknya kita mendapatkan persamaan aliran fluida Euler.

Sebagai tambahan di dalam penyerdehanaan, jika kita membuat fluida stasioner, sehingga

Kita mendapatkan teorema Bernoulli

Persamaan-persamaan di atas adalah persamaan-persamaan yang mengatur pergerakan fluida. Di dalam kondisi-kondisi tertentu, persamaan-persamaan di atas tidak mewakili keadaan realitas, hanya penyelesaian numerikal yang akurat yang dapat mewakili fenomena ini. 

Osborne Reynolds menemukan parameter yang memprediksi atau mengantisipasi kekacauan dan turbulensi dari fluida: Bilangan Reynolds.

Untuk Re<2000, aliran fluida adalah laminar, 2000<Re<4000 aliran fluida dalam transisi, dan Re>4000 aliran fluida adalah turbulence.

Aliran turbulence mengalami tiga fase atau keadaan pengembangan yaitu:

1. Pertumbuhan vortices koheren dua dimensi

2. Penggabungan vortices

3. Pemisahan vortices dan keadaan turbulence dalam 3D

Fluid Induced Noise (FIN) 

Untuk kasus-kasus khusus dari noise yang dihasilkan dari aliran turbulence, hal yang perlu diperhatikan adalah tekanan dan densitas.

Di mana Tij adalah tensor tegangan turbulence. Jika fluida dapat dikompres, variasi tekanan disertai dengan variasi densitas, persamaannya adalah

Merujuk pada tensor tegangan turbulence, aliran turbulence menghasilkan variasi tekanan dan densitas. Persamaan pertama menyebabkan noise, dan dengan demikian dianggap sebagai sumber noise.

Ada banyak aplikasi dari analisa turbulence yang menghasilkan noise adalah:

1. Penentuan kebocoran melalui dudukan safety relief valve dari sisi luar dengan cara teknik non-intrusif

2. Elemen kerusakan karenan resonansi frekuensi

Simulasi Turbulence pada Software CFDSOF

Ada sebuah pipa dilalui suatu aliran fluida turbulence. Kecepatan fluida pada sisi inlet v = 0.001 m/s. Diameter dalam pipa adalah d= 5 cm.

Langkah-langkah di dalam Software CFDSOF adalah sebagai berikut:

1. Menentukan daerah domain yaitu p x l x t = 1 x 0.025 x 1 m. Jumlah cell 50i x 20j. Diamater kita tentukan 0.025 m karena kita mengaktifkan aksissimetri.

2. Mengatur cell. Sebagai daerah inlet kita tentukan daerah di i1,j2 sampai i1,j19. Daerah outlet kita tentukan dari  i50,j2 sampai i50,j19. Dari i1,j1 sampai i50,j1 sebagai wall. Dan daerah simetri dari  i1,j20 sampai i50,j20.

3. Mengatur model. Pada konteks turbulensi, kita tentukan model K-Epsilon.

4. Kita tetapkan kondisi sempadan untuk inlet 1 sebagai velocity inlet. Kita masukkan kecepatan u (arah sumbu x) sebesar 0.1 m/s. Parameter turbulence yaitu intensity turbulence 10% dan Panjang character 0.05m.

5. Kita plot residu untuk tekanan, kecepatan u, kecepatan v, turbulence energy, dan dissipation. 

6. Kita tampilkan kontur energi kinetik turbulence dan vektor kecepatan.

kontur energi kinetik turbulence

vektor kecepatan

Sumber : 

Dr. Carlos Gavilan Moreno. Turbulence, Vibrations, Noise, and Fluid Instabilities. Practical Approach

Sinopsis Tugas Besar CFD dan Komputasi Teknik

Kalkulasi Beban Pendinginan di Tempat Tinggal

1. Latar Belakang

Sumber energi di dunia masih bergantung kepada sumber energi fosil. Dampak yang dapat dirasakan dari penggunaan sumber energi fosil yang berlebihan adalah pemanasan temperatur bumi. 

Kita dapat berkontribusi mengurangi dampak pemanasan global dengan cara mengurangi konsumsi energi. Konsumsi energi yang cerdas dapat dimulai dari tempat tinggal. Tempat tinggal rendah energi akan menyediakan kenyamanan, hidup sehat, penurunan biaya hidup, dan kepuasan.

Tempat tinggal rendah energi dapat dicapai dari beberapa segi, yaitu: 

    1. Desain tempat tinggal rendah energi

    2. Konsep tempat tinggal Zero-carbon

    3. Penggunaan sumber energi terbarukan

    4. Tempat tinggal dengan teknologi rendah energi

Tempat tinggal di negara-negara dengan iklim tropis banyak digunakan sistem penyejuk udara untuk mengurangi panas di dalam ruangan. Kalkulasi beban pendinginan diperlukan agar konsumsi energi dapat optimal sehingga pada akhirnya berdampak pada pengurangan biaya hidup dan pemanasan global.

2. Tujuan

Kalkulasi beban pendinginan dapat digunakan untuk mencapai tujuan-tujuan sebagai berikut:

    1. Menyediakan informasi untuk pemilihan peralatan, ukuran dan perancangan system.

    2. Menyediakan data untuk mengevaluasi kemungkinan optimum untuk pengurangan beban.

    3. Memungkinkan analisa beban-beban parsial yang dibutuhkan untuk perancangan, operasi, dan control system.

3. Terminologi

Ketentuan dan definisi refrigerasi menurut standard ASHRAE 12-75 :

Cooling Load Temperature Difference (CLTD)/Perbedaan Temperatur Beban Pendinginan: Perbedaan temperature setara digunakan untuk menghitung beban pendinginan sesaat eksternal melalui atap atau dinding.

Sensible Heat Gain/Perolehan Panas Sensible: Energi yang ditambahkan ke ruangan dengan konduksi, konveksi, dan/atau radiasi.

Latent Heat Gain/Perolehan Panas Laten: Energi yang ditambahkan ke ruangan ketika kelembaban ditambahkan ke ruangan melalui uap yang dipancarkan oleh penghuni, yang dihasilkan oleh proses atau melalui infiltrasi udara dari luar atau area berdekatan.

Radiant Heat Gain/Perolehan Panas Radian: Tingkat di mana panas yang diserap adalah permukaan yang menutupi ruangan dan obyek dalam ruangan.

Space Heat Gain/Perolehan Panas Ruangan: Tingkat di mana panas masuk ke dalam dan/atau dihasilkan dalam ruangan berpendingin selama interval waktu tertentu.

Space Cooling Load/Beban Pendinginan Ruangan: Tingkat di mana energy harus dikeluarkan dari ruangan untuk memelihara temperature udara yang konstan.

Space Heat Extration Rate/Tingkat Ekstrasi Panas Ruangan: Tingkat di mana panas dipindahkan dari ruangan berpendingin dan sama dengan beban pendinginan ruangan jika temperature tetap.

4. Ukuran Sistem Pendingin Udara

Dasar dan konsep ukuran system pendingin udara didasarkan pada perolehan panas, dan/atau pengeluaran panas. Perolehan dan pengeluaran panas sama dengan keseimbangan pengeluaran panas, dan penambahan, untuk mendapatkan kenyamanan ruangan yang kita inginkan.

Perolehan dan pengeluaran panas di tempat tinggal bergantung pada:
1. Perbedaan temperature antara di luar ruangan dan temperature yang diinginkan
2. Tipe konstruksi dan jumlah insulasi di dalam dinding dan langit-langit.
3. Besar ruangan
4. Penghuni, peralatan rumah tangga, dan lampu-lampu.

5. Perolehan Panas

Perolehan panas digolongkan menjadi:

1. Radiasi matahari melalui permukaan transparan melalui jendela

2. Konduksi panas melalui dinding bagian luar dan atap

3. Konduksi panas melalui partisi interior, plafon, dan lantai

4. Pembangkitan panas di dalam ruangan oleh penghuni, lampu, dan peralatan

5. Beban sebagai hasil ventilasi dan infiltrasi

Panas sensible adalah panas yang diserap suatu zat, saat temperaturnya naik, keadaan zat tersebut tidak berubah. Beban panas sensible adalah total dari:

1. Panas yang dipancarkan melalui lantai, plafon, dan dinding

2. Panas tubuh penghuni

3. Panas peralatan dan lampu

4. Panas matahari melalui kaca

5. infiltrasi udara luar

6. Udara karena ventilasi

Beban panas laten adalah perolehan panas ketika embun ditambahkan ke dalam ruangan baik dari sumber-sumber internal atau dari luar. Beban panas laten adalah total dari:

1. Embun yang dimuat udara luar dari infiltrasi dan ventilasi

2. Pernapasan dan aktivitas penghuni

3. Embun dari peralatan

6. Komponen Beban Pendinginan

Beban pendinginan bangunan total terdiri dari panas yang ditransfer melalui selubung bangunan (dinding, atap, jendela, pintu, dll) dan panas yang dihasilkan oleh penghuni, peralatan, dan lampu. Beban akibat perpindahan panas melalui selubung disebut sebagai beban eksternal sedangkan beban lainnya disebut sebagai beban internal. Presentase beban eksternal dan internal bervariasi dengan tipe bangunan, iklim, dan disain bangunan. Beban pendinginan total terdiri dari komponen beban sensible dan laten. Beban sensible mempengaruhi temperatur dry-bulb, sedangkan beban laten mempengaruhi kandungan embun ruangan penyejuk udara.

6.1 Beban pendinginan karena perolehan panas melalui struktur

Beban pendingin sensible karena perolehan panas melalui dinding, lantai, dan plafon dihitung menggunakan CLTD dan faktor U (koefisien perpindahan panas). Menurut ASHRAE Fundamental Handbooks, tabel CLTD seperti di bawah ini (tabel 1).

6.2. Beban pendinginan karena perolehan panas melalui jendela

Glass load factor (GLF) dimodifikasi untuk perhitungan beban pendinginan tempat tinggal keluarga tunggal dan apartment. Di dalam aplikasinya, luas setiap jendela dikalikan dengan GLF (tabel 3). Tabel 5 berisi daftar shading coefficient (SC) dan faktor U yang digunakan bergabung dengan tabel 3.Shade line factor (SLF) adalah rasio jarak bayangan jatuh di bawah ujung serambi ke lebar serambi (tabel 6).  Efek-efek alat peneduh luar ruangan permanen harus dipertimbangkan terpisah dalam menentukan beban pendinginan. Kaca teduh dipertimbangkan serupa dengan kaca menghadap utara. 

6.3. Infiltrasi dan ventilasi
Data di dalam tabel 7 dan 8 menunjukkan perubahan udara ruangan per jam (ACH) untuk tempat tinggal keluarga tunggal maupun apartment. Tight (rapat) berarti konstruksi apartment yang baik dengan pemasangan pintu dan jendela yang rapat. Medium (menengah) berarti tempat tinggal dengan pemasangan pintu dan jendela yang rata-rata baik. Loose (longgar) berarti tempat tinggal yang dibangun dengan tidak baik dengan pemasangan pintu dan jendela yang tidak rapat.
Sistem penyejuk udara tempat tinggal dapat memasukkan udara luar. Ketika ventilasi positif berarti memasukkan udara luar.

6.4. Penghunian
Perolehan panas sensible tiap penghuni diasumsikan 67 W. Untuk mencegah pengukuran yang berlebih, jumlah penghuni harus dipertimbangkan.


6.5. Peralatan rumah tangga
Beban peralatan rumah tangga terpusat sebagian besar di dalam dapur dan area binatu. Berdasarkan kondisi di dalam tempat tinggal keluarga tunggal, beban sensible 470 W harus dibagi antara dapur dan/atau binatu dan kamar-kamar yang berbatasan.


6.6. Sumber-sumber panas laten
Beban pendinginan laten mempunyai tiga sumber utama yaitu udara luar, penghuni, dan beraneka sumber seperti memasak, binatu, dan mandi.

Secara ringkas prosedur untuk kalkulasi beban pendinginan tempat tinggal menurut ASHRAE Fundamental Handbooks 2001 adalah seperti tabel 9.

Diperlukan data-data tambahan untuk melakukan perhitungan beban pendinginan seperti faktor U atap dan dinding, beban lampu dan peralatan komputer. Kita mengacu pada Bab 29 ASHRAE Fundamental Handbooks 2001.

Sumber:
2001 ASHRAE Fundamental Handbooks (SI). Chapter 28. Residential cooling and heating load calculations