Validasi Program Simulasi Konveksi Alami Plat Datar Vertikal Panas

BAB IV DATA DAN ANALISIS

4.1 Validasi Program

Sebagai validasi program pada penelitian ini, digunakan penelitian yang dilakukan oleh Rolando A. Chavez untuk fluida superkritis. Kondisi batas yang digunakan adalah : u = 0 T = T ∞ u = 0 v = 0 T = T w y x u = 0 T = T ∞ Gambar 4.1 Kondisi batas penelitian Rolando A. Chavez Grid yang digunakan adalah grid dengan ∆x tidak seragam yang rapat di bagian bawah dan lebih renggang di bagian atas. Sedangkan grid ∆y konstan, seperti pada gambar 4.2. Y X j = 1 j = ny . i = 1 . i = nx . y . x Gambar 4.2 Grid penelitian Rolando A. Chavez

4.2 Simulasi Konveksi Alami Plat Datar Vertikal Panas

Simulasi kasus konveksi alami pada plat datar vertikal ditampilkan dengan kondisi : a. Data ditentukan : - Angka Prandtl, Pr = 0.7 - Temperatur Plat, T w = 50 o C - Temperatur udara, T ∞ = 10 o C - Panjang plat, PL = 3 cm b. Data perhitungan : - Temperatur film, 2 ∞ + = T T T w f = 30 o C - Viskositas kinematik pada temperatur film, υ = 16 x 10 -6 m 2 s - Konduktivitas termal pada T f , k = 26.38 x 10 -3 Wm o C - Koefisien ekspansivitas termal, f T 1 = β - Angka Rayleigh, 2 3 Pr . . υ β PL T T g Ra w ∞ − = Kondisi batas yang digunakan adalah sebagai berikut : Untuk y = 0 : u = 0, v = 0 dan T = T w Untuk y = ∞ : u = 0 dan T = T ∞ Untuk x = 0 : u = 0 dan T = T ∞ Gambar 4.3 menunjukkan profil kecepatan dari penelitian Rolando A. chavez pada kasus konveksi alami plat datar vertikal dengan fluida air untuk ekspansivitas termal konstan dan ekspansivitas bervariasi. Nilai u diukur pada x = 0.02176 m dengan Pr = 1.05. Gambar 4.3 Profil kecepatan hasil penelitian Rolando A. Chavez 0,0012; 0,347 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 y m u m s Gambar 4.4 Profil kecepatan udara hasil penelitian Gambar 4.4 menunjukkan profil kecepatan udara pada plat datar vertikal konveksi alami. Nilai u di ukur pada x = 0.03 m dengan Pr = 0.7 dan T f = 30 o C. Temperatur plat, T w = 50 o C, temperatur udara T ∞ = 10 o C dan Ra = 9.66 x 10 5 angka Rayleigh total yang dihitung dengan menggunakan persamaan 2.13 dengan panjang plat, PL = 0.03 m. Angka Rayleigh yang dihasilkan lebih kecil dari 10 9 , menandakan bahwa aliran tersebut adalah laminar Ra 10 9 . Kecepatan fluida meningkat dari u = 0, di y = 0, hingga mencapai u maksimum pada u = 0.347 ms di y = 1.2 x 10 -3 m, kemudian secara bertahap turun hingga mencapai 0 pada lapis batas kecepatan. Secara kualitatif hasil yang diperoleh menunjukkan kesesuaian dengan hasil penelitian Rolando A. Chavez pada gambar 4.3. Gambar 4.5 Profil temperatur hasil penelitian Rolando A. Chavez Gambar 4.5 menunjukkan profil temperatur dari penelitian Rolando A. Chavez yang dihitung dengan kondisi yang sama dengan gambar 4.3. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 y m T e m p er atu r C Gambar 4.6 Profil temperatur udara hasil penelitian Gambar 4.6 menunjukkan profil temperatur udara pada kondisi yang sama dengan gambar 4.4. Semakin besar y, temperatur udara semakin mengecil dari 50 o C pada plat sampai mencapai temperatur konstan 10 o C pada daerah lapis batas. Hal ini terjadi karena pada daerah lapis batas sudah tidak terjadi transfer panas, dimana efek panas yang ditimbulkan plat sudah tidak ada. Sehingga temperaturnya menjadi sama dengan temperatur arus bebas free stream, yaitu 10 o C. Secara kualitatif, grafik gambar 4.6 menunjukkan kesesuian dengan hasil penelitian Rolando A. Chavez pada gambar 4.5. Gambar 4.7 Distribusi kecepatan hasil penelitian Rolando A. Chavez Gambar 4.7 menunjukkan plot kontur kecepatan dari penelitian Rolando A. Chavez untuk fluida superkritis air dengan Pr = 1.05. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 x 10 -3 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 y m x m 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 VELU Gambar 4.8 Distribusi kecepatan udara hasil penelitian Gambar 4.8 menunjukkan kontur kecepatan udara yang di visualisasikan dengan perangkat lunak Matlab R13. Kecepatan diplot dengan domain 0.01 m sepanjang plat 0.03 m. Warna merah tua pada kontur menunjukkan nilai tertinggi dari kecepatan dan warna biru tua menunjukkan besar kecepatan sama dengan nol. Di daerah sekitar plat, kecepatan fluida sama dengan nol. Kemudian naik hingga mencapai suatu titik maksimum dan turun kembali mencapai nol pada batas domain. Hasil yang didapat menunjukkan kesesuian dengan teori yang ada. Dimana pada dinding, kecepatannya adalah nol karena terdapat kondisi tanpa gelincir no- slip condition. Kecepatan bertambah sampai mencapai suatu nilai maksimum, kemudian turun secara bertahap mencapai nol pada tepi lapis batas Ozisik, 1988. Secara kualitatif kontur gambar 4.8 menunjukkan kesesuaian dengan hasil penelitian Rolando A. Chavez pada gambar 4.7. Gambar 4.9 Distribusi temperatur hasil penelitian Rolando A. Chavez Gambar 4.9 menunjukkan plot kontur temperatur dari penelitian Rolando A. Chavez untuk fluida superkritis air dengan Pr = 1.05. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 x 10 -3 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 y m x m 10 15 20 25 30 35 40 45 TEMPERATUR Gambar 4.10 Distribusi temperatur udara hasil penelitian Gambar 4.10 adalah kontur temperatur udara yang diplot dengan kondisi yang sama dengan gambar 4.8. Warna merah tua menunjukkan temperatur udara tertinggi dan warna biru tua menunjukkan temperatur udara terendah. Temperatur udara yang bersentuhan dengan plat adalah 50 o C. Semakin jauh dari plat temperatur udara turun sampai mencapai 10 o C. Temperatur ini sama dengan temperatur arus bebas free stream. Hasil ini menunjukkan kesesuaian dengan teori yang ada bahwa pada aliran konveksi alami, temperatur udara dekat plat adalah yang tertinggi dan secara bertahap turun hingga memiliki temperatur sama dengan temperatur arus bebas dimana efek panas plat sudah tidak berpengaruh. Secara kualitatif kontur temperatur udara gambar 4.10 menunjukkan kesesuaian dengan hasil penelitian Rolando A. Chavez gambar 4.9. 20 40 60 80 100 120 140 0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 x m h x W m2 .C Gambar 4.11 Distribusi koefisien perpindahan panas konveksi alami lokal pada Pr = 0.7 dan T f = 30 o C Gambar 4.11 menunjukkan distribusi koefisien perpindahan panas konveksi alami lokal pada plat. Grafik koefisien perpindahan panas konveksi alami lokal menurun atau berbanding terbalik dengan jarak titik x pada plat. Semakin jauh jarak dari ujung plat, semakin kecil harga koefisien perpindahan panas konveksi lokalnya. Hal ini menunjukkan kesesuaian dengan teori yang ada dan dapat dikoreksi dengan persamaan 2.14 : → ∞ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ − − = y w x y T T T k h Kondisi pada lapis batas termal sangat dipengaruhi oleh gradien temperatur, → ∂ ∂ y y T . Karena T w – T ∞ konstan tidak terpengaruh oleh x dan δ t meningkat dengan bertambahnya x, maka gradien temperatur mengecil jika x bertambah. Dengan mengecilnya gradien temperatur → ∂ ∂ y y T ketika x bertambah, mengakibatkan nilai h x mengecil. Atau dengan kata lain koefisien perpindahan panas konveksi alami lokal berbanding terbalik dengan jarak x dari ujung plat.

BAB V PENUTUP