Permodelan dan simulasi analisa CFD pada Industri Energi
Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah seni untuk merubah persamaan atur dinamika fluida dalam bentuk integral dan turunan menjadi bentuk aljabar yang terdiskritisasi, yang mana dapat diselesaikan dengan komputer untuk memperoleh nilai-nilai dari medan aliran pada titik atau waktu diskrit tertentu. Salah satu sektor industri yang sangat kental dengan analisis mekanika fluida adalah konversi energi, mulai dari turbin gas, turbin angin, turbin angin dan lain sebagainya.
Computational Fluid Dynamics (CFD) pada software Ansys khususnya Ansys Fluent identik dengan urutan setup atau pengaturan analisis, meliputi: pengaturan persamaan model yang digunakan (model), definisi material, definisi kondisi yang dianalisa (setup boundary condition). Pada webinar kali ini CFD untuk berbagai kasus CFD pada Industri Energi dijelaskan, meliputi:
- Centrifugal pump
- Gas Turbine
- Heat Exchanger
- Air Preheater
- Cooling Tower
- Cyclone Separator
- Biomass Burner
- Boiler
- Renewable Energy
Setup Centrifugal Pump
- Turbulent: K-omega, SST
Model k-omega digunakan karena cukup handal untuk memodelkan aliran dengan adverse pressure gradient seperti pompa dan kompresor, serta untuk aliran yang berputar dengan celah-celah sempit seperti kasus ini. Sedangkan modifikasi persamaan SST digunakan untuk mengakomodasi daerah-daerah yang luas seperti daerah volute.
- Material
Seting material pada simulasi ini dibuat water.
- Cell Zone Condition
Seperti dijelaskan pada bab geometri, bahwa geometri dari system ini terdiri dari dua yaitu bagian statis dan rotating. Untuk bagian rotating, domain ini didefinisikan sebagai frame motion dengan Gerakan rotasi untuk memfasilitasi aliran yang berputar. Input rotasi antara 2900 rpm hingga 3500 rpm.
- Boundary Conditions
Berikut adalah input-input yang digunakan pada boundary conditions:
Inlet: Pada bagian inlet, didefinisikan sebagai “inlet-vent” sehingga memungkinkan aliran fluida masuk pada lokasi tersebut tanpa kita definisikan nilainya, dan akan mengikuti pola aliran yang dihasilkan oleh putaran impeller.
Outlet: Daerah ini merupakan “jalan keluar” dari aliran fluida.
Walls: Pada dinding-dinding volute maupun turbin didefinisikan sebagai wall dengan no slip condition untuk merepresentasikan gesekan antara fluida dengan dinding.
Setup Gas Turbine
- Turbulent: K-omega, SST
Model k-omega digunakan karena cukup handal untuk memodelkan aliran dengan adverse pressure gradient seperti turbin atau kompresor, serta untuk aliran yang berputar dengan celah-celah sempit seperti kasus ini. Sedangkan modifikasi persamaan SST digunakan untuk mengakomodasi daerah-daerah yang luas (jauh dari dinding).
- Material
Seting material pada simulasi ini dibuat gas dengan properties sesuai pada suhu dan tekanan pada referensi.
- Cell Zone Condition
Seluruh domain didefinisikan sebagai frame motion dengan Gerakan rotasi untuk memfasilitasi aliran yang berputar. Input rpm divariasikan yang selanjutnya dibahas pada bab pengambilan data.
- Boundary Conditions
Berikut adalah input-input yang digunakan pada boundary conditions:
Inlet: Pada bagian inlet, didefinisikan sebagai mass-flow-inlet sehingga memungkinkan kita untuk mendefinisikan mass flow rate yang melewati sistem. Nilai input mass flow rate dibahas lebih lanjut pada bab pengambilan data.
Outlet: Daerah ini merupakan “jalan keluar” dari aliran fluida.
Walls: Pada dinding-dinding atas dan bawah maupun turbin didefinisikan sebagai wall dengan no slip condition untuk merepresentasikan gesekan antara fluida dengan dinding.
Setup Heat Exchanger
- Turbulent: SST, k-omega
Model k-omega digunakan untuk aliran-aliran yang dekat dengan dinding seperti daerah sekitar tubes yang menempel dengan dinding, serta untuk meningkatkan akurasi perpindahan panas konveksi. Kemudian modifikasi SST digunakan untuk mengakomodasi aliran free stream (jauh dari dinding) seperti pada sekitar inlet dan outlet.
- Energy-ON
Persamaan energi dinyalakan untuk memfasilitasi terjadinya perpindahan kalor dan perubahan suhu pada fluida.
- Material
Seting material pada simulasi ini adalah water-liquid pada fluida dingin, dan oil pada fluida panas.
- Boundary conditions
Berikut adalah beberapa boundary conditions yang diinput dalam simulasi ini:
Mass flow Inlet: Pada kasus ini, diinput mass flow rate sebesar 1 kg/s untuk fluida dingin, serta 0,8 kg/s untuk fluida panas sesuai data yang diberikan. Kemudian temperature inlet divariasikan berdasarkan data terlampir.
Outlet: Outlet merupakan “jalan keluar” dari aliran fluida dengan tekanan relative terhadap inlet sebesar 0 Pa.
Wall: Pada wall dibuat definisi no-slip condition yaitu kecepatan pada dinding dibuat nol, hal ini untuk merepresentasikan gesekan fluida dengan dinding. Kemudian diinput nilai masing-masing heat transfer coefficient sesuai data masing-masing lokasi (ceiling, door, floor, dan walls).
- Couple wall
Setingan ini digunakan untuk memfasilitasi perpindahan kalor dari satu domain ke domain lainya tanpa terjadi pencampuran aliran atau memungkinkan untuk material yang berbeda. Pada kasus ini, couple wall digunakan untuk merepresentasikan dinding konduktif pemisah antara fluida dingin dengan fluida panas.
Setup Air Preheater
- Turbulent: K-omega, SST
Model k-omega digunakan karena cukup handal untuk memodelkan aliran dengan adverse pressure gradient seperti stall dan turbulensi pada detail celah-celah sempit. Sedangkan modifikasi persamaan SST digunakan untuk mengakomodasi daerah-daerah yang luas seperti daerah aliran yang jauh dari dinding.
- Material
Seting material pada simulasi ini adalah udara
- Boundary Conditions
Berikut adalah input-input yang digunakan pada boundary conditions: Mass flow Inlet: digunakan untuk menginput mass flow rate dari aliran beserta temperature nya.
Outlet: Daerah ini merupakan “jalan keluar” dari aliran fluida. Lokasi menyesuaikan dengan masing-masing fungsinya.
Walls: Pada dinding-dinding object didefinisikan sebagai wall dengan no slip condition untuk merepresentasikan gesekan antara fluida dengan dinding hull.
Solid: Digunakan domain solid untuk memungkinkan terjadinya perpindahan kalor secara konduksi antar-solid.
Setup Cooling Tower
- Turbulence: k-epsilon, reliazable
Persamaan k-epsilon digunakan karena keunggulanya dalam memodelkan aliran yang jauh dari dinding seperti pada kasus ini, sedangkan modifikasi reliazable digunakan untuk meningkatkan akurasi pada aliran dengan adverse pressure gradient seperti pada daerah porous region.
- Multiphase: Volume of fluid
Pada simulasi ini, digunakan permodelan multiphase karena didalam aliran berlangsung perubahan fasa dari liquid ke vapor maupun ke gas. Permodelan VOF digunakan karena kemudahanya dalam memperhitungkan konsentrasi dari masing-masing fasa. Persamaan evaporation and condensation juga digunakan untuk memfasilitasi perubahan fasa.
- Porous zone
Permodelan grid memiliki geometri yang sangat kompleks, sehingga membutuhkan effort komputasi yang sangat tinggi jika harus dimodelkan secara penuh. Salah satu penyederhanaan yang dapat dilakukan adalah menggunakan porous zone dengan input parameter-parameter yang diperoleh dari simulasi grid secara khusus (dijelaskan pada bab selanjutnya).
Setup Cyclone Separator
- Gravity -9,81 m/s2
Persamaan gravitasi digunakan untuk memfasilitasi terjadinya Gerakan jatuh ke bawah partikel-partikel pada permodelan DPM
- Discrete Phase Modeling (DPM)
DPM merupakan metode simulasi fluida dengan sistem Lagrangian, atau melakukan tracking partikel secara individu dengan menginputkan secara langsung diameter, berat dan sifat-sifat partikel lainya yang berfungsi untuk menganalisa performa cyclone separator maupun static mixer. Partikel yang dimaksud dapat berupa partikel padat maupun droplet.
- Turbulent: k-omega, SST
Model k-omega memiliki keunggulan pada aliran-aliran yang detail dekat dinding seperti pada perpipaan, serta aliran yang berputar dan mengalami adverse pressure gradient seperti pada bagian mixer dan pusaran cyclone. Sedangkan untuk mengakomodasi aliran free stream (yang jauh dari dinding) digunakan modifikasi persamaan SST.
- Boundary conditions
Berikut adalah beberapa boundary conditions yang diinput dalam simulasi ini:
Inlet: pressure inlet digunakan sebagai acuan “aliran masuk” ke dalam ruangan secara umum. Pada inlet ini juga diinput material dari permodelan DPM.
Outlet: Outlet merupakan “jalan keluar” dari aliran fluida dengan tekanan relative terhadap inlet.
Wall: Pada wall dibuat definisi no-slip condition yaitu kecepatan pada dinding dibuat nol, hal ini untuk merepresentasikan gesekan fluida dengan dinding.
Setup Biomass Burner
- Turbulent: k-epsilon (k-ε), Standard
Viscous model yang digunakan pada simulasi CFD ini menggunakan model k-epsilon dimana model ini memiliki kemampuan dalam menyelesaikan berbagai macam kasus dengan range yang lebar, effort komputasi yang cenderung sedang, serta akurasi yang cukup baik untuk range aliran turbulen yang luas. Model persamaan k-epsilon yang digunakan adalah persamaan model k-epsilon standar dimana persamaan model ini mengasumsikan aliranya sudah fully turbulent dengan mengabaikan efek molecular viscosity.
- Radiasi: Discrete Ordinates (DO)
Discrete Ordinates (DO) adalah permodelan radiasi pada CFD untuk menangani seluruh spektrum ketebalan optikal, dan mampu menyelesaikan permodelan radiasi antar-permukaan hingga pembakaran dan dinding semi-transparan dengan penggunaan effort komputasi medium. Adapun keterbatasanya adalah untuk hanya dapat memilih antara gray radiation atau non-gray radiation.
- Species model: Species Transport, Eddy-dissipation
Pengaturan ini berfungsi untuk memodelkan reaksi kimia yang terjadi dengan mengatur reaktan yang terjadi dengan data proximate analysis dan data ultimate analysis yang diketahui. Pada simulasi ini, dilakukan pembakaran species transport, dimana permodelan species transport, mass fraction lokal dari masing-masing spesies, Y diprediksi untuk solusi konveksi-difusi untuk spesies i.
- Discrete Phase
Pendekatan dimana aliran fluida dianggap sebuah partikel yang bergerak, dan dihitung gaya-gaya yang terdapat pada masing-masing partikel sehingga diperoleh parameter aliran seperti tekanan, kecepatan, dan lain-lain; pendekatan ini disebut dengan Lagrangian, yang dikenal juga dengan istilah Discrete Phase Modelling (DPM). DPM dapat digunakan untuk menghitung partikel-partikel yang dianggap diskrit dengan massa partikel yang dianalisis jauh lebih kecil dari massa aliran fluida kontinyu.
- Material
Setting material fluida pada simulasi ini dibuat udara (gas).
- Boundary Conditions
Berikut adalah input-input yang digunakan pada boundary conditions:
Inlet Air: Pada bagian inlet air, didefinisikan sebagai lokasi di inputnya kecepatan aliran udara. Udara masuk dengan mass-flow sebesar 0,08601 kg/s dan kecepatan velocity 2,35 m/s.
Inlet Fuel: Pada bagian inlet fuel, didefinisikan sebagai lokasi di inputnya kecepatan aliran bahan bakar. Bahan bakar masuk dengan variasi mass-flow yang diperoleh dari perhitungan mass-flow berdasarkan variasi AFR.
Outlet: Daerah ini merupakan “jalan keluar” dari aliran fluida.
Walls: Pada dinding-dinding blade didefinisikan sebagai wall dengan no slip condition untuk merepresentasikan gesekan antara fluida dengan dinding.
Setup Boiler
- Turbulent: K-omega, SST
Model k-omega digunakan karena keunggulanya dalam mensimulasikan aliran adverse pressure gradient dan celah-celah yang sempit seperti perpipaan, sedangkan modifikasi SST digunakan untuk mengakomodasi daerah dengan free stream seperti daerah yang jauh dari dinding [1].
- Species Transport
Model species transport digunakan untuk menginput pembakaran dengan permodelan coal di dalamnya, sehingga dapat memfasilitasi proses pembakaran antara coal dengan oksigen (udara).
- Boundary Conditions
Berikut adalah input-input yang digunakan pada boundary conditions:
Mass-flow-Inlet: Pada bagian inlet, didefinisikan sebagai mass-flow -inlet dengan input-input sesuai dengan data terlampir.
Walls: Pada dinding-dinding permukaan didefinisikan sebagai wall dengan no slip condition untuk merepresentasikan gesekan antara fluida dengan dinding.
Outlet: pada bagian outlet didefinisikan sebagai pressure-outlet untuk merepresentasikan “jalan keluar” dari aliran.
- Solution Initialization Hybrid
Solution initialization adalah acuan awal proses iterasi, dimana semakin dekat acuan awal tersebut dengan solusi yang diharapkan, maka proses iterasi akan semakin stabil dan kondisi konvergen akan lebih cepat tercapai.
Metode solution initialization hybrid atau inisialisasi hybrid digunakan karena secara teknis menginterpolasi nilai-nilai dari boundary conditions dengan cara menyelesaikan persamaan Laplace untuk menghasilkan velocity field yang mengikuti geometri, dan pressure field yang saling dihubungkan secara smooth [1].
Setelah proses inisialisasi dilakukan, selanjutnya domain di-patch pada part-part daerah furnace dengan volume fraction solid sebesar 0,15 (yang merupakan hasil perhitungan dari massa awal yang diinputkan pada referensi).
