Study Case for CFD Aplication in Engineering

Heat Recovery System on Furnance Steam Generator (Boiler), using Heat Exchanger Shell and Tube type.

Heat, Panas yang di bangkitkan dengan membakar sejumlah bahan bakar dalam tungku pembakaran dalam boiler di sebuah pembangkit listrik, merupakan reaksi kimia pembakaran yang akan di gunakan untuk merubah fasa air menjadi uap yang nantinya akan digunakan untuk memutar turbin yang dihubungkan dengan generator yang membangkitkan listrik. setelah di gunakan untuk memanaskan air hingga menjadi uap, panas yang di gunakan ini dibuang begitu saja ke lingkungan sekitar sistem (lingkungan luar tungku, melalui saluran buang). Panas yang terbuang ini bisa saja di manfaatkan untuk tujuan penghematan energi yang digunakan untuk membangkitkan panas, biasa di sebut pre-heater dan economizer. Pemanfaatan limbah panas ini tentu saja berguna untuk menghemat penggunaan / konsumsi bahan bakar yang di gunakan untuk memanaskan air, karena sebelum masuk ke dalam tungku pemanas (boiler) air sudah terlebih dahulu di panaskan, sehingga energi yang di perlukan untuk merubah fasa air menjadi uap lebih sedikit karena suhu nya sudah naik akibat panas dari saluran buang tungku pembakaran ditransfer ke air.

menentukan arah mata angin dengan bantuan alam

kalian tersesat? tak tahu arah? bagamana sih cara tahu barat dimana, timur dimana, utara dimana, selatan dimana? sedangkan kita tidak membawa kompas.

ada macam-macam cara untuk menentukan arah mata angin.

Dengan bantuan Matahari.

Sebagaimana telah kita ketahui, bahwa matahari akan terlihat seolah bergerak dari timur ke barat. Hal yang terjadi akibat adanya rotasi bumi yang berputar dari barat ke timur, membuat seolah matahari bergerak dari timur ke barat. Dengan melihat matahari, kita dapat memperkirakan jam berapa, dan 4 arah mata angin, loh.. kok cuma 4? iya untuk awal pembacaan arah mata angin, yang pertama kali harus kita ketaui adalah minimal 1 arah mata angin. selanjutnya 4 arah mata angin pokok. yaitu Utara, Timur, Selatan, dan Barat. sisanya? tinggal menyesuaikan.

ya, jika menggunakan matahari dalam menentukan arah, berarti kita harus tahu, di belahan bumi mana kita berada (di negara mana) yang bisa menjadi panduan awal. karena jika kita berada di antartika atau greenland, di bulan desember, berarti matahari bisa jadi tidak akan terlihat disana. dan juga dapat membaca jam matahari, karna bisa saja kita melihat matahari senja, dan menyangka bahwa itu adalah matahari pagi..

Dengan bantuan lumut

lumut biasa hidup di daerah yang minim mendapatkan cahaya matahari, oleh karena itu kebanyakan lumut akan hidup di daerah yang menghadap ke arah barat. Kecuali di daerah tersebut mayoritas hidup tumbuhan lumut dalam luasan yang luas.

Persamaan yang mengatur fluida (governing equations)

sekarang kita bicarakan yuk.. kalau di buku - buku yang tebalnya gak kira kira.,, padahal bahas 1 bahan, dan itu pun banyak asumsi, yang sebenarnya masih dapat disempurnakan. tapi ya kita manusia, tidak akan bisa mencapai kesempurnaan. Begitu juga dengan para pakar-pakar fluida yang terdahulu.., mereka tidaklah dapat membuat sebuah / sesuatu yang sempurna, karena masih mengambil asumsi-asumsi dari kehidupan nyata yang dapat di dekatkan dengan "asumsi". Namun, dari "asumsi" inilah saat ini dapat kita lihat berbagai penemuan yang dapat membantu manusia.

persamaan - persamaan yang terbentuk dengan asumsi-asumsi yang ditentukan melalui parameter-parameter yang berkaitan ternyata tidak semuanya dapat diselesaikan secara matematis eksakta, yaitu dihitung dengan kalkulus dan kalkulator. maka dari itu setelah perangkat komputer berkembang, muncul lah metode numerik, yang mendekati hasil dari perhitungan yang "tidak" dapat dihitung manual oleh kalkulus. namun, sebelum itu kita lihat dulu yuk apa saja yang harus dipelajari lebih awal.

Introductory Remarks.

Dalam membuat prediksi tentang aliran fluida, gaya-gaya dan momen yang terjadi pada aliran fluida, sangat penting untuk dapat menggambarkan pola dari aliran disekitar benda/objek. Hasil dari pola aliran yang terjadi bergantung dari bentuk objek yang dilewati oleh fluida. Dasar hukum yang digunakan untuk menyelesaikan pergerakan fluida yang umum adalah :

1. hukum kekekalan massa ( atau continuity equation)
2. hukum kekekalan momentum linier
3. hukum kekekalan energi

sebelum memasuki tentang gerakan fluida di ruang dimensi 3,  (fluid in motion). Kita tinjau dulu yang berhubungan dengan gerakan fluida, yaitu temperatur, tekanan, densitas, viskositas, kecepatan suara, dan Atmosfer.

Temperatur.
suhu, temperatur, kita semua sudah tidak asing lagi dengan temperatur. sesuatu yang panas atau dingin jika dirasakan oleh indra manusia. namun, secara kuantitas, temperatur sulit untuk di definisikan, maka dari itu temperatur di definisikan dengan kualitas

Tekanan

Dalam fisika, tekanan di artikan sebagai gaya yang bekerja pada permukaan bidang objek, dari hukum ke2 Newton gaya yang bekerja pada permukaan sama dengan laju perubahan terhadap waktu dari momentum dari molekul yang kembali memantul. Tekanan adalah besarnya ini gaya per satuan luas. sejak fluida yang pada saat diam tidak dapat mempertahankan kekuatan tangensialnya, tekanan pada permukaan akan bertindak dalam arah tegak lurus ke permukaan itu. Selanjutnya, tekanan bertindak pada suatu titik dalam cairan saat diam, akan sama di segala arah. Tekanan standar untuk atmosfer terdefinisikan tekanan yang mendorong kolom dari merkuri (raksa) 760mm panjangnya dengan densitas dari merkuri adalah 13.5951 g/cm³ dan dengan akselerasi kecepatan gravitasi nilai standart. standart tekanan atmosfer yaitu 1.01325 x 10^{5 N/}m²

Densitas
Densitas dari fluida 

densitas untuk gas sempurna (for thermally perfect gas; R = 287.05 N m/kg K

Viskositas
di semua fluida nyata, bergesernya perubahan bentuk disebabkan karena tegangan geser

viskositas udara di temperature berbeda dibawah 3000 K

Speed of Sound

The Continuity Equation

integral volume dapat menjadi integral permukaan dengan menggunakan teorema Gauss, menjadi:

Kekekalan Momentum Linier


(...... writing)

Referensi :

1. Shaw, C. T. "Using Computational Fluid Dynamics".
2. Bertin, John J & Michael L. Smith. "Aerodynamics Engineers". Prentice-Hall,Inc., Englewood Cliffs, New Jersey  07632. 1979

aliran laminar di antara 2 pelat datar (software study)

ya.. kawan kawan, teman teman semua. kembali lagi kita belajar dengan CFD, sebuah software yang sangat membantu di era modern kini. dimana kita dapat mensimulasikan kejadian kejadian fisika yang terjadi di sekitar kita. salah satu contohnya, aliran "laminar" di antara 2 buah pelat datar. dengan anggapan pelat memiliki dimensi yang sangat panjang, sehingga kita modelkan sebagai gambar 2 dimensi yang tampak seperti 2 buah garis / dinding, yakni sisi atas dan sisi bawah.

software yang digunakan disini adalah software CFDsof, yuk lihat langkah-langkahnya....

pertama, pastinya login dulu.. setelah login ke softwarenya, buat alokasi memori untuk menginput data-data yang kita perlukan. sudah? kalau sudah, kita buat yuk dimensi nya..

seperti yang terlihat pada gambar.. saya membuat dimensi ruang antara pelat nya berjarak 20 cm, (0.2 m). setelah itu kita tentukan dimana nih inlet dan outletnya.. 

 terlihatkah?? pada gambar, saya memilih inlet di sisi kiri (yang berwarna biru) dan outlet di sisi kanan (yang berwarna merah).

wah sudah sampai disini nih, lanjut lagi ya, kita lanjut untuk mengeset kondisi dari fluida yang mengalir ini. apakah viskositasnya tinggi atau rendah, begitu juga densitas dari fluida yang akan mengalir.

 terlihat pada gambar. saya mencoba untuk mensimulasikan fluida yang bermassa jenis 1,26 kg/m3, dan memiliki viskositas dengan nilai 14.

sudah di tentukan kondisi fiskalnya, kita lanjut untuk mengkondisikan kecepatan fluida yang mengalir ini. yaitu sebesar 2m/s. lalu di iterasi deh. jikalau kita menggunakan metode analitik, bisa memakan waktu yang cukup lama untuk melakukan iterasi.. beruntunglah software sudah canggih, jadi biar komputer yang melakukan perhitungan sulitnya. ketika sudah selesai di iterasi. mau dong kita lihat hasilnya.

dari gambar hasil simulasi, kita lihat profil kecepatan paling tinggi berada di tengah-tengah dari jarak antara 2 pelat tersebut. sedangkan untuk profil tekanan. semakin lama, semakin berkurang, dapat dilihat dari kontur warna yang semakin rendah. biasa di sebut (pressure drop). disetiap gambar di sebelah kiri terdapat nilai - nilai di setiap warna yang tampil.

wah.. sudah semakin mudah ya sekarang untuk mengetahui bagaimana profil kecepatan dan tekanan yang terjadi di antara dua pelat datar yang sejajar.

referensi :

1. Shaw. C.T., "Using Computational Fluid Dynamics".
2. CFDSOF software oleh: Ahmad Indrasiswantara Research