simulasi numerik uji eksperimental profil aliran saluran multi

SIMULASI NUMERIK UJI EKSPERIMENTAL PROFIL ALIRAN
SALURAN MULTI BELOKAN DENGAN VARIASI SUDU PENGARAH
Syukran1* dan Muh. Haiyum2
1,2
Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Lhokseumawe
Jl. Banda Aceh-Medan km. 280 Buketrata – Lhokseumawe
*
E-mail: [email protected]
Abstrak
Teknik multi belokan merupakan salah satu metode yang lazim digunakan
dalam optimasi perpindahan panas pada suatu peralatan termal. Pemakaian
sudu pengarah pada saluran aliran akan memicu terjadinya peningkatan
temperatur aliran. Kaji eksperimen untuk mencari geometri sudu pengarah
yang optimal membutuhkan waktu dan biaya yang besar. Menjawab hal
tersebut, diperlukan kaji secara simulasi dengan pemodelan menggunakan
perangkat lunak. Penelitian ini bertujuan menguji secara simulasi tingkat
kesesuaian hasil simulasi terhadap hasil eksperimental tentang profil aliran
dalam saluran multi belokan dengan vasiasi sudu pengarah. Data pengujian
mengacu pada karya tulis penelitian terdahulu. Pemodelan dilakukan
menggunakan perangkat lunak Gambit 2.2 dan Fluent 6.2.16. Geometri
model terdiri atas 3 tipe, yakni saluran tanpa sudu pengarah, saluran dengan
sudu pengarah 90º, dan saluran dengan sudu pengarah 105º. Validasi hasil
simulasi mengacu pada data eksperimental penelitian terdahulu. Hasil
simulasi menunjukkan bahwa profil temperatur dalam saluran hasil simulasi
cenderung sama dengan data eksperimental. Penyimpangan kecil antara
hasil simulasi terhadap hasil eksperimental disebabkan oleh idealisasi
pendefinisian kasus.
Kata kunci: Sudu pengarah, simulasi, model, multi belokan
Pendahuluan
Teknik multi belokan merupakan salah satu metode yang lazim digunakan dalam
optimasi perpindahan panas pada suatu peralatan termal yang bekerja baik secara
konveksi paksa maupun konveksi alamiah. Pemakaian sudu pengarah (baffle) pada
saluran aliran akan menciptakan belokan-belokan aliran sehingga saluran memilki
profil multi belokan.
Pemanas udara surya merupakan salah satu contoh peralatan termal yang
menggunakan sudu pengarah untuk meningkatkan tranfer perpindahan panas antara
fluida dan bidang penyerap panas. Adanya sudu pengarah akan memperpanjang
daerah aliran fluida antara sisi masuk dan keluar, sehingga waktu kontak antara
fluida dan bidang penyerap panas akan lama. Akibatnya temperatur fluida pada sisi
keluar akan meningkat drastis dibanding temperatur pada sisi masuk.
Meningkatnya transfer panas aliran sangat dipengaruhi oleh posisi sudu pengarah
dalam saluran. Kemiringan dan kelonggaran sudu sangat menentukan perubahan
temperatur yang akan dicapai pada sisi keluar pemanas. Secara eksperimental
saluran fluida pemanas tanpa sudu pengarah jauh berbeda temperatur keluarnya
dibanding pemanas yang menggunakan sudu pengarah.
1
Pengkajian mengenai pemakaian sudu pengarah dalam saluran fluida telah benyak
diteliti oleh para ahli, antara lain Metzger and Sahm [1] telah melakukan penelitian
eksperimental tentang karakteristik perpindahan panas pada saluran multi belokan
dengan geometri yang bervariasi dan menyimpulkan secondary flow di sekitar
daerah belokan diakibatkan oleh gaya sentrifugal. Chyu [2] meneliti perpindahan
panas dalam dua laluan dengan tiga lintasan dan menyimpulkan koefisien
perpindahan massa pada daerah belokan sangat tidak seragam. Astarita [3]
melakukan pengukuran koefisien aliran didekat belokan dengan menggunakan
metode termography infrared dan menyimpulkan adanya pemisahan aliran disekitar
belokan. Penelitian-penelitian sekitar pengaruh sudu pengarah tersebut juga masih
berlangsung sampai saat ini. Haiyum [4], melakukan penelitian optimasi penyerap
panas pada saluran multi belokan dengan variasi sudut kemiringan sudu pengarah
90o dan 105o. Hasil pengujian menunjukkan temperatur maksimum yang dicapai
untuk posisi sudu 90o dan 105o adalah 81oC dan 83oC.
Kendala eksperimental yang dihadapi dalam melakukan optimasi lanjut guna
mencari posisi dan konfigurasi sudu pengarah pada saluran multi belokan adalah
diperlukan pengujian ulang. Modifikasi posisi sudu pengarah secara eksperimental
sangat tidak efektif dan efisien. Selain membutuhkan waktu yang panjang juga
membutuhkan dana yang besar. Peralatan uji membutuhkan banyak instrumen
pengukuran agar dihasilkan hasil uji yang representatif.
Oleh sebab itu diperlukan suatu metode simulasi numerik untuk mengkaji posisi dan
konfigurasi sudu pengarah sehingga dapat dijadikan referensi dalam melakukan
optimasi perancangan pemanas udara termal.
Penelitian ini dilakukan untuk mengkaji secara simulasi numerik profil aliran untuk
pemanas udara surya pada saluran multi belokan dengan variasi sudu pengarah.
Untuk mempermudah simulasi dan validasi hasil, maka data primer yang dijadikan
input dalam simulasi dirujuk pada hasil penelitian yang telah dilakukan sebelumnya
[4]. Simulasi ini diperlukan untuk melihat kesesuaian terhadap hasil eksperimental
sehingga dapat diketahui bahwa tingkat kevalidan hasil simulasi. Dengan demikian,
metode simulasi tersebut dapat dijadikan pedoman dalam memprediksi dan mencari
optimasi kasus dimasa akan datang.
Metode Penelitian
Saluran fluida yang dijadikan model dalam simulasi berdimensi 250 cm (panjang), 85
cm (lebar), dan 12 cm (tinggi) dengan dimensi sisi masuk dan keluar 35cm (panjang)
dan 12 cm (tinggi). Dimensi sudu pengarah 65 cm (panjang) dan 12 cm (lebar). Data
dan geometri yang dijadikan rujukan pemodelan simulasi adalah data geometri
penelitian [4]. Model yang akan dilakukan simulasi terdiri dari 3 model geometri,
yaitu:
1. Saluran tanpa sudu pengarah
2. Saluran dengan sudu pengarah 90o
3. Saluran dengan sudu pengarah 105o
Pemodelan dan simulasi dilakukan dengan menggunakan metode komputasi
dinamika fluida (compuatational fluid dynamics). Seluruh peramater perhitungan
simulasi dilakukan secara iterasi [5].
2
Skematik geometri objek yang dijadikan model ditunjukkan pada Gambar 1.
Tahapan simulasi yang dilakukan pada penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 2.
Input data awal simulasi mengacu pada data temperatur dan laju alir massa udara
pada sisi masukan. Pemodelan dilakukan dengan teknik komputasi fluida dinamik.
Data inlet simulasi :
- Temperatur
: 30oC
- Tekanan
: 1 atm
- Kecepatan aliran : 3 m/s
(a). Saluran tanpa sudu pengarah
(b) Saluran dengan sudu pengarah 90o
(c) Saluran dengan sudu pengarah 105o.
Gambar 1.Geometri model saluran.
Hasil diskritisasi model ditunjukkan pada Gambar 3.a/b/c.
3
Gambar 2. Diagram alir penelitian
(a). Tanpa sudu pengarah
(b). Sudu pengarah 90o
(c). Sudu pengarah 105o
Gambar 3. Hasil Diskritisasi Model
4
Validasi hasil simulasi. Simulasi hasil simulasi dirujuk pada data penelitian
eksperimental [4] terhadap data hasil simulasi. Validasi hanya dilakukan terhadap
data temperatur. Data temperatur hasil eksperimen tersebut ditunjukkan pada
Gambar 4.
(a) Data temperatur aliran tanpa sudu pengarah
(b).Data temperatur aliran dengan sudu pengarah 90º
(c).Data temperatur aliran dengan sudu pengarah 105º
Gambar 4. Data validasi simulasi
5
Hasil dan Pembahasan
Profil Temperatur (oC). Berdasarkan Gambar 5 terlihat pola temperatur yang
berbeda dari setiap bentuk saluran. Untuk saluran tanpa sudu pengarah, kosentrasi
temperatur tertinggi rata-rata pada sisi keluar yang dicapai berkisar antara 55-58oC.
Stagnasi aliran terjadi pada area kiri sisi masuk. Hal ini berkaitan dengan geometri
saluran Di ujung sisi keluar terjadi stagnasi aliran yang relatif kecil sebagai akibat
konfigurasi saluran yang memiliki bentuk sudut antara sisi-sisi saluran.
(a) tanpa sudu pengarah
(b). Dengan sudut pengarah 90o
(c) Profil temperatur sudu pengarah 105o
Gambar 5. Profil temperatur saluran (oC)
Selanjutnya profil temperatur untuk saluran dengan sudu pengarah sudut 90o
(Gambar 4.b) menunjukkan temperatur aliran terus meningkat dengan semakin
panjangnya proses aliran. Hal ini sebagai akibat pengaruh sudu pengarah yang
dipasang pada saluran. Sudu pengarah memicu peningkatan temperatur aliran
sebagai efek dari terjadinya turbulensi aliran dengan adanya sudu tersebut. Indikasi
terjadinya turbulensi tersebut dapat didasarkan pada keterangan simulasi yang
ditunjukan Gambar 6.
Temperatur tertinggi rata-rata yang dicapai pada sisi keluar untuk saluran dengan
sudu pengarah 90o berkisar antara 78 – 88oC.
Profil temperatur aliran untuk saluran dengan sudu pengarah 105o mendekati sama
dengan saluran dengan sudu pengarah 90º. Konfigurasi sudu pengarah dengan
6
sudut 105o menyebabkan area stagnasi aliran yang lebih besar sehingga hambatan
aliran menjadi besar dibanding sudu pengarah 90o. Temperatur aliran pada sisi
keluar berkisar antara 68 – 72oC.
Ditinjau dari segi normalisasi proses aliran, maka posisi sudu pengarah dengan
sudut 90o lebih baik dibanding sudu pengarah sudut 105o. Aliran untuk posisi 90o
cenderung memiliki hambatan yang tidak terlalu besar. Indikasi ini terlihat dari
kecilnya area stagnasi aliran pada saluran.
Vektor kecepatan aliran (m/s). Berdasarkan Gambar 6 di atas dapat dijelaskan
bahwa pemakaian sudu pengarah akan menciptakan aliran turbulen dan stagnasi
aliran pada area tertentu dalam saluran fluida. Gambar 6.a, terlihat perbedaan posisi
kesejajaran sisi masuk dan keluar menyebabkan terjadi stagnasi aliran pada area kiri
sisi masuk. Kecepatan fluida cenderung diam (v=0).
(a) tanpa sudu pengarah
(b) dengan sudu pengarah 90o
(c) dengan sudu pengarah 105o
Gambar 6. Vektor kecepatan aliran
Selanjutnya pada saluran dengan sudu pengarah 90o, turbulensi aliran terjadi pada
area belokan. Kecepatan aliran meningkat secara signifikan pada sisi-sisi panjang
sudu pengarah. Besarnya kecepatan pada daerah tersebut cenderung sama untuk
setiap sudu pengarah. Sedangkan untuk saluran dengan sudu pengarah 105o, terjadi
resirkulasi aliran pada area segitiga antara sudu pengarah. Sirkulasi aliran ini
7
menyebabkan aliran cenderung stagnasi (v=konstan). Kosentrasi kecepatan terjadi
sepanjang sudu pengarah dengan pola yang mendekati sama dengan saluran
dengan sudu pengarah 90o.
Validasi hasil simulasi. Simulasi hasil simulasi dirujuk pada data penelitian
eksperimental [4]. Validasi hanya dilakukan terhadap data temperatur.
Dari Gambar 4 dan 5 di atas dapat disimpulkan bahwa data temperatur aliran dalam
proses aliran mendekati sama antara hasil simulasi terhadap hasil pengujian
eksperimental.
Ketidaksesuaian kecil dari data-data tersebut sebagai efek dari idealisasi kasus
dalam simulasi dan kesalahan tertentu tertentu pada pengujian secara eksperimen.
Namun demikian hasil pengujian dapat dikatakan valid untuk dijadikan rujukan dalam
analisis lanjut tentang profil aliran pada saluran.
Hasil simulasi ini dapat dijadikan referensi dalam melakukan modifikasi sudu
pengarah maupun konfigurasi saluran dalam upaya optimasi termal.
Referensi
[1] D.E. Metzger, and M.K. Sahm, J. Heat Transfer (1986), 500-506.
[2] M.K. Chyu, J. Heat Transfer 113 (1991), 63-70
[3] T. Astarita, G. Cardone and G.M Carlomagno, Heat transfer and surface flow
visualization around a 180 deg turn in a rectangular channel, Heat Transfer in Turbulent
Flows, ASME HTD-318, 1995, 161-168.
[4] M. Haiyum, Optimasi Penyerap Panas memanfaatkan energi matahari dengan teknik
multi belokan tajam, (Thesis Magister, Program Studi Teknik Mesin Universitas Sumatera
Utara, 2008)
[5] Anderson, Computatonal Fluid Dynamics, McGraw-Hill, (1995)
8