Pengaruh Flux Panas pada plat dan aliran fluida : UTS 3

Jika bagian bawah pelat (soal no 1) diberikan fluks panas, tentukan, secara numerik, fungsi profil temperatur pada lapisan batas termal. Bandingkan dengan hasil analitis. Jelaskan jawaban saudara

Dari hasil simulai penambahan flux panas dapat dilihat mampu merubah distribusi temperature dan kecepatan, dengan penambahan panas, maka fluida diatas plat akan mempunyai viskositas yang lebih rendah, sehingga proses pergerakan fluida lebih cepat, hal ini menyebabkan pergeseran kecepatan, nilai kecepatan lebih tinggi dibandingkan tanpa memakai panas, hambatan pelatpun menjadi lebih kecil, dan perpindahan bentuk aliran dari laminer ke turbulent juga semakin cepat bila dibandingkan dengan kasus 1.

Cara Numerik

langkah-langkah untuk mencari persamaan kecepatan fluida secara numerik adalah
1. melakukan simulasi dengan CFD, detail langkah simulasi
2. Mengambil data nilai kecepatan dan nilai y
3. menghitung regresi linier, dengan program regresi linier yang dibuat sebelumnya, akan didapatkan nilai persamaan ax2+bx+c

untuk mencari persamaan distribusi suhu pada plat, untuk sumbu y dapat dilakukan dengan memasukkan nilai suhu, dan nomor cell arah y, sehingga dengan cara numerik akan didapatkan persamaan distribusi suhu

Proses Simulasi
Langkah per langkah simulasi, hasil serta data yang digunakan dapat dilihat pada file presentasi dibawah ini, saya sengaja menjadikan satu printscreen file simulasi CFDSOFT untuk mempermudahkan pembelajaran selanjutnya, file ini juga bisa didwonload maupun di share, agar file berikut terlihat jelas, disarankan untuk mengklik tombol full view pada kanan bawah



Hasil yang Patut diperhatikan adalah
1. Distribusi Temperature
dapat dilihat terjadi pergeseran bila dibandingkan dengan tanpa adanya penambahan panas pada plat, suhu akan semakin rendah menjauhi dengan permukaan kontak, namun seiring dengan perubahan kecepatan aliran suhu pada x terjauh juga meningkat.

2.Heat Flux, bagian plat yang dekat dengan aliran panas akan mendapatkan heat flux yang lebih besar jika dibandingkan dengan bagian yang jauh dari permukaan, karena pada daerah permukaan kontak terjadi berbegai macam jenis perubahan fisika, pada daerah ini disarankan untuk mengatur jumlah cell sebanyak mungkin agar distribusi perubahan fisika yang terjadi dapat terekam dengan baik,

 Mendapatkan Fungsi Temperature

cara untuk mendapatkan fungsi temperature sama dengan cara mendapatkan fungsi pada kecepatan, lihat lebih jelas di
http://bloghasnan.blogspot.com/2012/04/fungsi-profil-kecepatan-aliran-laminar.html
hanya saja yang data yang dimasukkan berbeda, yaitu data temperature dan data arah y, dari dua data tersebut akan didapatkan hubungan regresi polinomialnya
saya ambil contoh untuk node ke 6, dengan data sebagai berikut

setelah node ke 25 ke atas, nilai suhunya adalah konstan, saya hanya mengambil data sampai dengan node 25, lalu untuk mempermudahkan perhitungan program yang sudah ada, saya modif sebagai berikut
----------
dim A As Double
    Dim b, c, d, e, f, a0, b0, c3, c4, c5, j3, j4, j5 As Double
    For i = 1 To 25
        A = A + Cells(1 + i, 10) ' jumlah total x
        b = b + Cells(1 + i, 11) ' jumlah total y
        c = Cells(1 + i, 10) ^ 2 ' menulis pangkat
-------
sehingga program tersebut hanya membaca sampai dengan data ke 25

Next
        Cells(27, 10) = A
        Cells(27, 11) = b
        Cells(27, 12) = d
        Cells(27, 13) = j3
        Cells(27, 14) = j4
        Cells(27, 15) = f
        Cells(27, 16) = j5
untuk memperdah pembacaah hasil, jumlah dari masing-masing nilai x2,x3,x4,xy, x2y, x dan y saya tampilkan pada baris ke 27 semua, sehingga setelah dilakukan proses perhitungan regresi hasilnya seperti berikut

dari data diatas langkah selanjutnya adalah menyusun matrix 3x3, seperti pada gambar dibawah ini

dengan mengklik tombol "hitung koeffisien matrix" akan muncul form seperti berikut, form ini digunakan untuk mencari nilai a,b,c sebagai fungsi polynomial

matrix A, adalah matrix nilai koeffisien, sedangkan Matrix B adalah matrix nilai hasil
selanjutnya nilai a,b,c akan dihitung, Hasilanya adalah

dari hasil perhitungan menggunakan program numerik yang dibuat, dan dibandingkan dengan nilai regresi polynomial excel didapatkan bahwa hasilnya sangat serupa, sehingga program ini digunakan untuk menghitung nilai regresi node lainya,

Cara Analitis

1. Diagram tegangan geser adanya heat flux, hambatan aliran menjadi boundary layer

2. Diagram langkah analisa setelah diberi heat flux (Ts), thermal boundary layer dijadikan sebagai boundary layer

dari dua diagram diatas, dapat diambil kesimpulan, saat ditambahkan proses perpindahan panas, maka proses analisa yang seharunya digunakan adalah
1. Perpindahan kalor
Heat flux menyentuh wall1 diteruskan secara konduksi ke fluida, lalu pada saat Du/dy = 0 transfer panas berlangsung konveksi ke fluida.
Sehingga Proses Perpindahan kalor adalah 
kalor yang diberikan = kalor yang diterima

Q(heat fluk) = Q (konduksi fluida)
Q (konduksi fluida) = kAdeltaT/x
Q (konduksi fluida) = Q (konveksi)
Q (konveksi) = hAdeltaT
kAdeltaT/x =hAdeltaT
Nu = k /x h
Pr = prandlt number adalah perbandingan hidrostatik boundary layer dengan thermal boundary layer
Pr = v / a

Kesimpulan

hasil plot distribusi temperature pada node x dan arah y menunjukkan, bahwa hasil simulasi yang dihitung dengan numerik, sama dengan hasil analitis (lihat diagram).
 
dari Node 6 sampai Node 18, semakin besar arah X maka semakin besar pula suhu yang dihasilkan, hal ini terjadi karena ada kecepatan fluida yang mengarah ke arah x, sehingga semakin besar x maka nilai suhu yang dihasilkan juga semakin besar, begitu juga dengan arah Y, dekat dengan sumber panas (1-7) maka suhu yang dihasilkan juga tinggi, semakin mejauhi lapisan kontak, semakin kecil suhu yang terjadi hingga akhirnya suhu yang dihasilkan konstan.

Posted in: Flux Panas, Pemrograman, UTS Komtek