ANALISA ALIRAN FLUIDA DALAM PIPA

BAB I

PRE-PROCESSING

• Wizard
• Fluid Subdomain
• Boundary Condition
• Goal
• Cut Plot
• Flow Trajectories
• Velocity
• Pressure
• Temperature
• Density

Sebuah saluran pipa dapat dianalisa fluida yang mengalir di dalamnya maupun diluar dari pipa tersebut. Dalam percobaan kali ini, akan dicontohkan analisa pipa berbentuk K yang diberikan aliran fluida pada bagian dalam pipa dan fluida yang dialirkan adalah Propane (liquids). Pada bagian dalam aliran pipa nantinya dapat dilihat bagaimana fluida yang bergerak di dalam pipa dengan tekanan, temperatur pipa dan juga fluida yang dialirkan, lalu dapat juga dilihat bagaimana viskositas dari fluida yang dialirkan. Semua hal tersebut diperuntukan agar simulasi pada pipa sesungguhnya dapat dilakukan dengan baik tanpa adanya kekurangan, karena apabila simulasi tersebut dilakukan pada software khususnya solidworks, maka simulasi dapat dilakukan tanpa harus menguji kepada benda kerja atau aliran fluida sesungguhnya, karena akan mengeluarkan cost yang cukup besar.

            Langkah-langkah yang akan dilakukan adalah sebagai berikut :

1. Buat pipa berbentuk K, atau dapat juga membuka file yang sebelumnya telah dibuat. Setelah file dibuka, maka akan muncul seperti gambar di atas.
2. Setelah pipa tampak pada lembar kerja, lalu klik section view untuk memotong benda tersebut menjadi 2 searah dengan aliran yang nantinya akan dialirkan.
3. Setelah section view diklik, maka akan muncul kotak dialog pada bagian kiri layar, lalu tapilan benda kerja akan berubah muncul kotak yang membelah benda kerja pada bagian pipa tersebut. Lalu pada kotak dialog tersebut, pilih front plane, lalu klik ceklis pada bagian atas kotak dialog tadi.
4. Setelah perintah sebelumnya dilakukan, maka otomatis bagian pipa akan terbelah menjadi 2 sesuai dengan bagian front plane pada perintah sebelumnya.

Pipa dipotong menjadi dua bagian dimaksudkan agar nantinya pada bagian dalam dari pipa, aliran fluida atau hasil dari analisis dapat terlihat dengan jelas bagian-bagian mana saja yang mengalami perubahan dan bagaimana nantinya hasil dari simulasi aliran fluida tersebut mengalir di dalam pipa.

           

Setelah benda kerja terbelah mengikuti aliran dari fluida yang akan dimasukinya, lalu langkah selanjutnya adalah :

1.      Klik wizard pada ikon toolbar seperti tampak pada gambar di atas.      

2.      Setelah ikon wizard diklik maka nantinya akan muncul kotak dialog seperti pada tampak gambar di atas. Kotak dialog yang pertama muncul kotak yang bertuliskan project name, comment, dll. Pada bagian kotak dialog di atas, isi bagian project name untuk menamai bagian projek yang akan dibuat.

3.      Selanjutnya akan muncul kotak dialog unit system, pada unit system ini kita dapat memilih satuan-satuan untuk nantinya simulasi yang akan dilakukan. Pada unit system ini kita mengubah bagian temperature, yang tadinya memiliki satuan K (Kelvin) menjadi °C (Celcius) karena di sini menggunakan satuan SI.

4.      Setelah unit system, selanjutnya masuk ke kotak dialog analysis type. Pada kotak dialog ini pilih bagian yang bertuliskan internal, dan juga ceklis bagian exclude cavities without flow conditions. Pemilihan internal pada analysis type dipilih karena aliran yang dianilisis adalah aliran dalam yang berada dalam pipa, apabila yang ingin dianalisis adalah aliran luar dari benda kerja maka pilih external. Lalu untuk pilihan exclude cavities without flow conditions adalah supaya aliran di dalam pipa tidak mengalami kavitasi, karena apabila mengalami kavitasi, nantinya aliran di dalam pipa hasil analisanya akan berubah dari yang seharusnya.

5.      Lalu selanjutnya ke kotak dialog default fluid. Pada kotak pertama pilihlah fluida yang akan dianlisa pada bagian dalam dari pipa. Fluida yang tersedia bermacam-macam mulai dari newtonian, non-newtonian, dll. Pada anilsa kali ini karena yang akan dianalisa adalah fluid nitrogen maka pilihlah fluida yang bertuliskan propane (liquids) lalu klik add. Lalu setelah pemilihan fluida, selanjutnya pilih flow type dengan nilainya yaitu laminar only. Pemilihan ini juga hampir sama dengan perintah sebelumnya karena aliran di dalam pipa tersebut terdapat aliran laminer. Lalu setelah itu klik next untuk menuju ke kotak dialog selanjutnya.

6.      Lalu muncul kotak dialog wall condition untuk mengetahui kondisi dari permukaan luar pipa. Pada bagian ini tidak ada bagian yang perlu dirubah. Lalu klik next.

7.      Kotak dialog yang berikutnya adalah initial condition. Pada bagian ini ubah bagian temperatur dimana termperature tersebut merupakan temperature ruangan yang ada, karena simulasi akan dilakukan dengan kondisi lingkungan Indonesia, maka temperature diubah menjadi sebesar 30°C. Untuk pressure tidak perlu dirubah, karena tekanan sebesar 101325 Pa merupakan tekanan 1 atm, yaitu tekanan pada permukaan bumi, apabila tekanan tersebut dirubah, maka dapat dikatakan bahwa simulasi tidak dilakukan dipermukaan bumi.

8.      Selanjutnya adalah kotak dialog result and geometry resolution. Pada kotak dialog ini tidak ada yang perlu dirubah. Lalu klik finish.

Selanjutnya setelah langkah keja wizard terselesaikan, masuk ke tahap fluid subdomain yang berfungsi untuk menentukan bagian pipa mana yang nantinya menjadi titik awal fluida mengalir. Langkah yang dilakukan adalah :

1. Pada bagian kiri layar, muncul Input data yang terdiri dari computational domain, fluid subdomain, boundary condition, dan juga goal. Klik kanan pada fluid subdomain, lalu pilih insert fluid subdomain.
2. Lalu setelah itu, muncul kotak dialog pada sebelah kiri layar, lalu pada kotak dialog ada yang bertuliskan selection, pada bagian tersebut, pilihlah bagian mana yang nantinya akan menjadi titik awal aliran fluida masuk. Klik pada bagian yang telah ditentukan seperti yang ditunjukan pada gambar di atas. Pada gambar tersebut, bagian dalam pipa yang dipilih karena aliran fluida mengalir dari bagian dalam satu ke bagian dalam pipa kedua.
3. Setelah selection dipilih, lalu pada gambar bagian pipa, akan muncul aliran fluida yang berwarna biru, sesuai dengan bentuk dari pipa tersebut, karena pipa berbentuk huruf K maka aliran juga mengikuti dari bentuk pipa tersebut.
4. Lalu klik ceklis pada bagian atas kotak dialog tadi.

Setelah fluid subdomain ditentukan, langkah selanjutnya adalah penentuan boundary condition atau penentuan kondisi batas dari pipa tersebut. Langkah yang dilakukan adalah :

1. Klik kanan pada boundary condition, lalu pilih insert boundary condition.
2. Lalu muncul kotak dialog seperti langkah sebelumnya di fluid subdomain. Lalu seperti langkah sebelumnya, pilih bagian dalam dari pipa sebagai batas awal dari aliran pipa fluida masuk. Pemilihan bagian dalam pipa dapat dilihat seperti tampak pada gambar di atas.
3. Selanjutnya pada type, pilih inlet velocity.
4. Setelah inlet velocity dipilih, maka akan muncul flow parameter pada kotak dialog tersebut pada bagian kotak dialog paling bawah. Kemudian isi kecepatan pada kotak V (velocity) sebesar nilai yang ditentukan untuk dianalisa. Pada percobaan kali ini nilai yang ditentukan adalah sebesar 24 m/s.
5. Setelah nilai kecepatan dimasukan, lalu klik tanda ceklis pada bagian atas kotak dialog boundary condition.

Setelah boundary condition pertama telah ditentukan, masuk ke tahap pemilihan batas kedua, yaitu batas yang berada pada tutup pipa. Batas-batas ini merupakan sebagai pembatasan nilai yang dianalisa pada software solidwoks, karena apabila nilai dari batas tidak ditentukan, maka nantinya software akan eror, karena tidak ada batas nilai yang harus dipenuhi, atau dengan kata lain, pada analisa pipa ini, diperlukan batas masuk dan juga keluar fluida untuk menentukan nilai analisa yang diinginkan. Langkah yang dilakukan adalah sebagi berikut :

1. Seperti langkah pada boundary condition sebelumnya, klik kanan pada boundary condition, lalu klik insert boundary condition.
2.  Lalu berbeda dengan pemilihan boundary condition sebelumnya, kali ini pilih bagian dalam dari pipa, tapi pada ujung pipa pada bagian lain sebagai batas penutup dari pipa, seperti yang terlihat pada gambar di atas.
3. Lalu langkah selanjutnya adalah klik kota dengan simbol yang berbentuk lingkaran pada kotak dialog type. Lalu akan muncul environment pressure, static pressure, dan total pressure. Lalu pilih environment pressure.
4. Setelah langkah tadi telah dilakukan, klik ceklis pada bagian atas kotak dialog.

Setelah boundary condition ditentukan masing-masing dari nilai yang ditentukan, maka dapat langsung menjalankan simulasi pada data yang telah dimasukan. Langkahnya adalah sebagai berikut :

1. Lalu klik run pada toolbar seperti tampak pada gambar di atas.
2. Setelah itu muncul kotak dialog run, kemudia klik run.
3. Setelah langkah sebelumnya dilakukan, tunggu loading dari solver yang sedang mengkalkulasi data.
4. Loading solver selesai.

BAB III

POST PROCESSING

Setelah langkah run telah dilakukan, maka pada kotak dialog di sebelah kiri, nantinya akan muncul result yang berfungsi sebagai hasil dari analisa data fluida yang pada langkah-langkah sebelumnya telah dimasukan. Data yang sebelumnya dimasukan telah diolah oleh software solidworks dan didapatkan hasilnya pada kotak dialog result. Pada pilihan result apabila di -expand, maka nantinya akan ada mesh, cut plot, surface plot, dll. Langkah yang dilakukan untuk mengetahui hasil dari analisa fluida pada pipa berbentuk K ini adalah :

1.      Klik kanan pada pilihan cut plots, kemudia pilih insert.

2.      Lalu muncul kotak dialog cut plots pada sebelah kiri layar, lalu setelah langkah sebelumnya dilakukan, klik pada bagian dalam pipa pada bagian yang akan mengaliri fluida atau awal fluida akan mengalir.

3.      Setelah itu klik ceklis pada kotak dialog cut plots.

4.      Dapat dilihat hasil analisa fluida pada gambar benda kerja di layar.

Setelah langkah cut plots telah dilakukan, maka nantinya tampilan dari benda kerja yang dianalisa akan berubah warnanya. Hasil dari analisa fluida ini dapat dipilih mulai dari pressure, velocity, density, temperature, dll. Hasil dari cut plots selengkapnya dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

Hasil dari pressure

            Hasil dari pressure di atas merupakan hasil yang terjadi pada saat simulasi dijalankan, warna merah menunjukan bagian fluida yang mengalami tekanan tinggi, pada keterangan warna gambar di sampingnya, dinyatakan bahwa tekanan paling tinggi dari fluida tersebut adalah 195587.07 Pa.. Nilai tekanan paling kecil berada pada ujung dari saluran keluar pipa tersebut. Aliran fluida yang menabrak dinding-dinding pipa akan mengurangi kecepatan fluida dan juga akan mengurangi tekanan fluida tersebut, karena hal itu lah yang menyebabkan tekanan dari fluida mengalami penurunan.

Hasil dari temperature

            Suhu normal dari fluida tersebut adalah sekita 29-30 ºC, pada aliran pertama fluida, suhu dari oksigen cair yang dialirkan pada pipa tersebut berada pada keadaan normal, lalu pada persimpangan  pipa K pertama, fluida menabrak dinding-dinding pipa sehingga gesekan antara fluida dan juga dinding dalam pipa menyebabkan kenaikan suhu pada fluida yang dialirkan. Tetapi untuk temperatur ini merupakan gabungan dari temperatur fluida dan juga temperatur dari dinding pipa tersebut, jadi apabila fluida terkena gesekan dengan dinding pipa dapat juga menyebabkan kenaikan suhu.

Hasil dari velocity

            Pada bagian awal persimpangan pada gambar di atas, kecepatan fluida pada simpangan pipa bagian luar mengalami penurunan kecepatan yang drastis, hal itu disebabkan fluida oksigen yang saling bertabrakan dengan fluida lainnya saat mencapai kelokan, tetapi pada kelokan pertama bagian dalam pipa, mengalami penurunan kecepatan yang dratis, dari 24.175 m/s menuju 5.372 m/s pada simpangan yang mengarah ke bawah. Jadi dapat disimpulkan bahwa kelokan yang terlalu banyak menyebaban kerugian kecepatan dari fluida, dan bagian dalam dari kelokan fluida mengalami penurunan kecepatan fluida yang tidak begitu drastis. Kecepatan akhir dari fluida ini adalah sekitar 24.175 m/s.

Hasil dari temperature fluid

Hampir sama dengan temperatur, temperatur fluida menunjukan hasil dari temperatur fluida yang telah dilakukan simulasi dengan data-data yang telah ditentukan. Temperatur awal dari fluida merupakan 30 ºC. Pada kelokan pertama bagian luar, fluida mengalami sedikit peningkatan hingga sebesar 30,05 ºC, hal tersebut dikarenakan pada fluida yang bertabrakan dengan kelokan dinding pipa bagian luar, akan memberikan gesekan antara fluida itu sendiri dan juga antar fluida dengan dinding pipa, oleh karena itu nilai temperatur pada kelokan tersebut sedikit mengalami peningkatan.  Pada kelokan bagian dalam pipa tidak begitu mengalami perubaha suhu yang signifikan dikarenakan, kecepatan fluida pada bagian tersebut cukup cepat jika mengacu kepada hasil kecepatan fluida. Jadi pada temperatur fluida ini didapatkan bahwa, apabila fluida terkena kelokan dinding pipa bagian luar, maka nantinya temperaturnya akan sedikit mengalami kenaikan, tetapi jika terkena kelokan dinding bagian dalam, fluida tidak begitu berpengaruh signifikan terhadap kenaikan suhu. Suhu akhir fluida sekita 29,99 ºC.

Hasil dari density

Setelah langkah cut plots terselesaikan, lanjut ke tahap flow trajectories. Flow trajectories ini merupakan langkah untuk melakukan simulasi aliran yang seperti aliran pada tampak aslinya. Jadi nantinya dapat terlihat aliran dari fluida yang mengarah kemana saja dan juga masing- masing dari aliran dapat dilihat analisanya, jadi bagaimana tekanan, kecepatan aliran, suhu aliran dan lain-lainnya dapat terlihat, misalkan pada bagian kelokan pipa terjadi kenaikan suhu aliran dari fluida. Nantinya hal-hal tersebut dapat dilihat pada simulasi ini.

Langkah yang dilakukan untuk melakukan langkah flow trajectories adalah sebagai berikut :

1. Klik kanan pada kotak dialog yang muncul pada sebelah kiri layar yang bertuliskan flow trajectories, lalu klik insert.
2. Lalu akan muncul kotak dialog starting points yang akan kita isi untuk menetukan simulasi aliran fluidanya. Pertama-tama klik bagian awal dari pipa yang akan menjadi awal aliran dari simulasi fluida nantinya. Pada gambar di atas, bagian yang dipilih merupakan bagian dalam dari pipa pada sebelah kanan atas.
3. Lalu otomatis pada kotak dialog akan muncul tulisan face<1> yang berarti permukaan yang telah dipilih untuk menjadi awal aliran simulasi fluida.
4. Setelah itu, ganti angka yang terletak di bawah tulisan in plane, isi angka tersebut untuk menentukan jumlah dari aliran yang akan terbentuk pada simulasi, pada contoh gambar di atas dicontohkan angka sebesar 200, karena yang diinginkan dengan jumlah aliran yang terlihat jelas, apabila semakin kecil angka yang dimasukan, maka garis-garis simulasi aliran akan semakin sedikit dan kurang jelas, sebaliknya, semakin banyak angka yang dimasukan pada kotak tersebut diisi, maka jumlah garis-garis simulasi aliran fluida makin banyak dan semakin jelas untuk simulasi.
5. Lalu klik tanda centang pada kotak dialog tersebut. Nantinya akan diproses simulasi yang diinginkan. Setelah proses selesai, nantinya gambar akan berubah menjadi garis-garis menyerupai sedotan yang mengalir pada bagian dalam pipa tersebut, itulah aliran yang dialirkan pada keadaan sesungguhnya.