Seminar Hasil Penelitian

Studi Computational Fluid Dynamics Karakteristik Aliran dan Torsi pada Aliran Taylor-Couette-Poiseuille

Yogyakarta, 6 Februari 2014

Budi Nugraha 09/290989/PTK/05955

Latar belakang

• Pada aliran Taylor-Couette ditemui fenomena aliran transisi berjenjang berupa pola aliran vortex laminar, vortex bergelombang, hingga vortex turbulen.

• Adanya vortex diketahui memberi efek positif pada proses pemisahan/separasi, percampuran (mixing), reaksi, transfer massa maupun kalor.

Sumber gambar: http://www.scholarpedia.org

Latar belakang (beberapa aplikasi)

Annular Centrufugal Extractor

Pompa plasma darah

Rotating filter RO

Disinfection fotokatalitik

• Penambahan aliran aksial pada aliran Taylor-Couette akan menunda instabilitas pertama dan juga mempengaruhi torsi.

– Bagaimana karakteristik pola aliran Taylor-Couette-Poiseuille atas pengaruh aliran aksial

– Bagaimana pengaruh aliran aksial terhadap kebutuhan torsi aliran Taylor-Couette-Poiseuille

Perumusan masalah

• Mengetahui pengaruh aliran aksial terhadap karakteristik pola aliran Taylor-Couette-Poiseuille

• Mengetahui pengaruh aliran aksial terhadap torsi pada aliran Taylor-Couette-Poiseuille

Tujuan penelitian

• Fluida kerja merupakan campuran air dan glycerin bersifat Newtonian dengan sifat fisik yang homogen dan konstan;

• Kondisi operasi isotermal pada temperatur 20oC; • Aliran aksial pada kondisi steady state; • Kecepatan putar silinder konstan ada nilai yang

diberikan; • Efek endwall, inlet dan outlet tidak

diperhitungkan; • Kondisi aliran massa periodik pada arah aksial.

Batasan masalah

Tinjauan pustaka

Peralatan penelitian

Dekstop PC Lab. Simulasi dan Komputasi Jurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM Software Gambit

untuk proses pembuatan domain komputasi dan pembuatan mesh Software Fluent untuk

solver proses CFD

Desain parameter penelitian

Skema Komputasi dan Kondisi batas

Kriteria Konvergensi: 1. Residual mencapai 10-3

2. Monitoring torsi pada silinder menunjukkan nilai mendekati konstan tiap timestep

Mesh Independence Test

Parameter Hasil

Komputasi

Mesh A (8x80x40)

Mesh B (12x120x60)

Selisih Nilai Parameter

Mesh A dan B

Mesh C (18x180x90)

Selisih Nilai Parameter

Mesh B dan C

Torsi (N.m) 0,00112 0,00124 -11% 0,00125 -1%

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

VƟ

D

Rez = 0

Rez = 8

Rez = 16

Rez = 32

Rez = 63

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Vz

D

Rez = 8

Rez = 16

Rez = 32

Rez = 63

Case Reω = 49 (Laminar)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

VƟ

D

Rez = 0

Rez = 8

Rez = 16

Rez = 32

Rez = 63

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Vz

D

Rez = 8

Rez = 16

Rez = 32

Rez = 63

Case Reω = 393

Vortex melingkar Vortex helix

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

VƟ

D

Rez = 0

Rez = 8

Rez = 16

Rez = 32

Rez = 63

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Vz

D

Rez = 8

Rez = 16

Rez = 32

Rez = 63

Case Reω = 786

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

VƟ

D

Rez = 0

Rez = 8

Rez = 16

Rez = 32

Rez = 63

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Vz

D

Rez = 8

Rez = 16

Rez = 32

Rez = 63

Case Reω = 1572

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

VƟ

D

Rez = 0

Rez = 8

Rez = 16

Rez = 32

Rez = 63

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Vz

D

Rez = 8

Rez = 16

Rez = 32

Rez = 63

Case Reω = 3144

0.0

1.0

2.0

3.0

100 1000 10000

λ/d

Re ω

Panjang Gelombang Aksial (λ) pada Variasi Reω dan Rez

Rez = 0

Rez = 8

Rez = 16

Rez = 32

Rez = 63

Panjang gelombang aksial

Perambatan vortex (case Reω = 393)

0

1

2

1 10 100 1000

v v

ort

ex /

Vm

Reω / Rez

Kecepatan perambatan vortex pada variasi Reω / Rez

Rez = 8

Rez =16

Rez = 32

Rez = 63

Perambatan vortex (all case)

0

10

20

30

40

50

60

70

10 100 1000 10000

Bila

nga

n R

eyn

old

s A

ksia

l

Bilangan Reynolds Melingkar

Laminar Couette-Poiseuille

Taylor Vortex Merambat

Helical Vortex Merambat

Helical Vortex Diam

Taylor Vortex Diam

Peta pola aliran

1.E-05

1.E-04

1.E-03

1.E-02

1.E+01 1.E+02 1.E+03

Tors

i (N

.m)

Re ω

Torsi pada Variasi Re ω dan Rez

Rez = 0

Rez = 8

Rez = 16

Rez = 32

Rez = 63

Pengaruh aliran aksial terhadap torsi

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+01 1.E+02 1.E+03

CM

Re ω

Koefisien Gesek Tangensial pada Variasi Re ω dan Rez

Rez = 8

Rez = 16

Rez = 32

Rez = 63

Pengaruh aliran aksial terhadap CM

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E-03 1.E-02 1.E-01

CM

Pre

dik

si

CM Komputasi

Analisa regresi multilinear pada data hasil komputasi mendapatkan persamaan korelasi: CM = 0,22Reω

-0,44Rez-0,18

Berlaku pada rentang 200<Reω<3200 dan 8<Rez<63 untuk η = 0,714 dan Γ = 10

Koefisien korelasi 0,97 dan kesalahan rerata 11%

Analisa Regresi data CM

• Aliran Taylor-Couette-Poiseuille akan membentuk pola aliran Couette-Poiseuille laminar, Taylor vortex merambat, helical vortex merambat, Taylor vortex diam, helical vortex diam.

• Panjang gelombang aksial cenderung bertambah seiring dengan peningkatan bilangan Reynolds aksialnya.

• Karakteristik torsi pada aliran Taylor-Couette-Poiseuille dalam parameter koefisien gesek tangensial dapat dinyatakan dengan persamaan korelasi:

CM = 0,22Reω-0,44Rez

-0,18

yang berlaku pada rentang 200<Reω<3200 dan 8<Rez<63 untuk η = 0,714 dan Γ = 10.

Kesimpulan

• Untuk menghasilkan simulasi aliran transisi Taylor-Couette-Poiseuille dengan metode CFD yang lebih akurat dapat dilakukan dengan model turbulensi RSM (Reynolds Stress Model) maupun Large Eddy Simulation (LES) namun membutuhkan performa komputer dan kapasitas hard disc drive yang lebih baik.

Saran Perbaikan

T e r i m a k a s i h