Kasus Aliran Antara 2 Plat Sejajar Dengan Perbedaan Jumlah Cell

Pada posting ini akan membahas tentang bagaimana efek dari perbedaan viskositas dan kecepatan pada 2 palat yang sejajar. Fluida yang mengalir diantara 2 buah plat sejajar akan membentuk suatu profil kecepatan. Profil kecepatan ini yang nantinya akan ditinjau. Gambar disebelah kanan  merupakan ilustrasi penggambaran keadaan tersebut:

Adapun parameter keadaan yaitu :

     (*) Panjang plat 1 m

     (*) ketinggian plat 0.1 m

Sebelum kita mensimulasikan keadaan yang terjadi pada 2 plat tersebut alangkah baiknya kita mencoba sedikit mengetahui tentang bilangan Reynold. Dalam mekanika fluida, bilangan Reynolds adalah  rasio antara gaya inersia (vsρ) terhadap gaya viskos (μ/L) yang mengkuantifikasikan hubungan kedua gaya tersebut dengan suatu kondisi aliran tertentu. Bilangan ini digunakan untuk mengidentikasikan jenis aliran yang berbeda, misalnya laminar dan turbulen. Bilangan Reynold merupakan salah satu bilangan tak berdimensi yang paling penting dalam mekanika fluida dan digunakan, seperti halnya dengan bilangan tak berdimensi lain, untuk memberikan kriteria untuk menentukan dynamic similitude. Jika dua pola aliran yang mirip secara geometris, mungkin pada fluida yang berbeda dan laju alir yang berbeda pula, memiliki nilai bilangan tak berdimensi yang relevan, keduanya disebut memiliki kemiripan dinamis.

Rumus bilangan Reynolds umumnya diberikan sebagai berikut:

dengan:

• v_s - kecepatan fluida,
• L - panjang karakteristik,
• μ - viskositas absolut fluida dinamis,
• ν - viskositas kinematik fluida:

Aliran fluida dalam pipa, berrdasarkan besarnya bilangan reynold dibedakan menjadi aliran laminar, aliran transisi, dan aliran turbulen. Dalam hal ini jika nilai Re kecil aliran akan meluncur diatas lapisan lain yang dikenal dengan aliran laminar sedangkan jika aliran-aliran tadi terdapat garis edar tertentu yang dapat dilihat, aliran ini disebut aliran turbulen.

Kasus 1
     Kecepatan inlet, u_in = 0.01 m/s
     Viskositas dinamik= 4 x 10^-5 kg/m.s
Kasus 2
     Kecepatan inlet, u_in = 0.01 m/s
     Viskositas dinamik = 1x 10^-5 kg/m.
Kasus  3
      Kecepatan inlet, u_in = 0.04 m/s
      Viskositas dinamik = 4 x 10^-5 kg/m.s

3 Kasus diatas nantinya akan saya coba simulasikan di 2 daerah cell yang berbeda yaitu 50 x 10 dan 200 x 20.

Langkah-langkah untuk mensimulasikan kasus di atas adalah :

1.      Masukkan parameter domain, ukuran domain dan jumlah cell. Ukuran domain  adalah 1 x 0.1 m dengan jumlah cell awal 50 x 10

2.      Masuk ke toolbar cell dan setting daerah inlet dan outlet

3.      Setting nilai konstanta fisikal, dengan memasukkan parameter densitas r=1,2 kg/m³ Viskositas dinamik= 4 x 10^-5 kg/m.s

4.      Setting nilai konstanta sempadan dengan memasukkan Kecepatan inlet, u_in = 0.01 m/s

5.      Iterasi

6.       Perlihatkan hasil kontur kecepatan dan plot nilai XY

7.      Ulangi langkah 3 kembali dengan membedakan nilai Viskositas dinamik = 1x 10^-5 kg/m dengan density dan kecepatan yang sama

8.      Setelah berhasil menghasilkan kontur dan plot XY, kembali lagi ke langkah 3 dengan memberikan  Viskositas dinamik= 4 x 10^-5 kg/m.s, densitas r=1,2 kg/m^{3 ,} Kecepatan inlet, u_in = 0.04  m/s

9.      Coba bandingkan 3 gambar hasil kontur dan plot XY

10.   9 Langkah diatas merupakan untuk jumlah cell 50 x 10, nah untuk selanjutnya coba ganti jumlah cell menjadi 200 x 20 dan ikuti langkah-langkah di atas.

Berikut hasil tampilan dari simulasi yang telah dijalankan

(a) Domain 1 x 0.01 dengan jumlah cell 50 x 10
     Case I. ku = 0.01 m/s dengan viskositas 4 x 10-5

Case II. ku = 0.01 m/s dengan viskositas 1 x 10-5

 Case III. ku = 0.04 m/s dengan viskositas 4 x 10-5

 (b) Domain 1 x 0.01 dengan jumlah cell 200 x 20
      Case I. ku = 0.01 m/s dengan viskositas 4 x 10-5

 Case II. ku = 0.01 m/s dengan viskositas 1 x 10-5

  Case III. ku = 0.04 m/s dengan viskositas 4 x 10-5

Perbandingah hasil daerah kontur  dengan JC 50 x 10 :

Perbandingah hasil daerah kontur  dengan JC 200 x 20 :

 Analisa :

Dari gambar daerah kontur dapat dilihat secara keseluruhan dengan melakukan perbedaan nilai dari viskositas dan kecepatan akan sangat mempengaruihi dari  daerah  fluida yang fully developed flow. nah sebelum membahas tentnang lebih lanjut tentang fully developed flow region alangkah lebih baik lagi kita kembali ke persamaan Reynold. Nanti saya akan memcoba memperlihatkan hubungan bilangan Reynold dengan fully developed flow region.
 

dengan:

• v_s - kecepatan fluida,
• L - panjang karakteristik,
• μ - viskositas absolut fluida dinamis,
• ν - viskositas kinematik fluida:

Untuk kasus 1 dan kasus 2 dengan parameter kecepatan fluida konstan/tetap dan di variasikan nilai dari viskositas absolut fluida dinamis, maka dari persamaan rumus reynold dengan bertambahnya nilai viskositas maka nilai bilangan reynold yang dihasilkan akan semakin kecil. Dengan nilai dari bilangan Reynold yang semakin kecil maka aliran yang terbentuk menjadi laminar. Semakin laminar suatu aliran maka distribusi alirannya menjadi mudah seragam sehinggga etrance regionnya menjadi kecil dan Fully developed flow cepat terbentuk. Nah sebaliknya dengan rendahnya nilai viskositas maka bilangan reynold yang dihasilkan akan semain besar. Yang mengakibatkan aliran menjadi turbulen, dengan aliran yang turbulence mengakibatkan gerakan molekur yang semakin acak sehingga untuk menjadi mengakibatkan entrance regionnya semakin lama dan Fully developed flownya semakin lama.

Untuk Kasus 1 dan kasus 3 dengan parameter kecepatan fuida yang di variasikan dan viskositas absolut fluida dinamis yang dijaga tetap atau konstan. Makin besar kecepatan fluida yang diberikan maka bilangan Reynold yang dihasilkan akan semakin besar sehingga terbentuknya aliran turbulen semakin mudah sehingga untuk mencapai Fully Developed Flow akan semakin lama. Sebaliknya dengan semakin rendah kecepatan fluida maka bilangan Reynold yang dihasilkan semakin rendah sehingga mudahnya terbentuknya aliran laminar dan Fully Developed Flow semakin mudah dan entrance Regionnya semakin kecil.
Jika dibandingkan gambar kontur untuk JC 50x10 dan 200x20 secara umum fenomena yang terbentuk sama tetapi tingkat keakuran fenomena yang terjadi sangat terlihat di JC 200x10 sehingga dengan bertambahnya JC akan mengakibatkan fenomena yang terjadi bisa dilihat lebih jelas daripada JC yang rendah.