Setelah melakukan pengambilan data aktual pada kasus kenyamanan termal dapur ini, saya mencoba membandingkan hasilnya dengan menggunakan simulasi CFD. Dengan tujuan untuk memvalidasi hasil eksperimen yang dibuat. Berikut hasilnya :
Simulasi
Link youtube : http://youtu.be/fMnl0OShH3o
atas nama : AlmerFarhan
tag : komputasi teknik, cfd, dan aliran temperatur
Data Perhitungan
Link youtube : http://youtu.be/7BkcYuGY1_A
atas nama : AlmerFarhan
tag : komputasi teknik, cfd, dan aliran temperatur
Menghitung konveksi secara manual, merupakan cara yang mudah ketika semua variabel diketahui, tetapi akan terasa sulit jika terdapat banyak data yang digunakan. Penggunaan Visual Basic disini digunakan untuk mempermudah perhitungan konveksi udara dengan langsung menginput nilai terkait dalam sebuah kasus.
Pemograman ini tidak terhubung dengan excel (seperti pada program regresi linear). Program ini dibuat untuk menganalisa konveksi yang terjadi pada dapur dengan berbagai ketetapan baku seperti koefisien konduksi udara 0,024 serta sumber panas dari api kompor diasumsikan 100 derajat celcius atau 373K. Kemudian data temperatur ruang yang didapat nantinya untuk mencari delta temperatur (Tsumber - Truang) . Dengan menginput data tersebut nantinya akan didapat nilai q pada setiap kasus. Berikut hasilnya selama 2 menit video berlangsung :
link video : http://youtu.be/d6g3xWh4Dos
atau search by name : video uas komtek
Langkah Pembuatan :
1. Masukkan ketetapan data terkait (konduktivitas termal udara, luasan bidang olah, sumber panas)
2. Masukkan data temperatur ruang sesuai waktu dan keadaan (aktual dan simulasi)
3. Hitung Konveksi q=h.A. (delta T)
4. Hitung Prosentasi keakuratan antara aktual dan simulasi (%)
5. Pastikan dapat berjalan baik dengan data dan satuan yang sesuai
6. selesai
Coding :
Private Sub CommandButton1_Click()
Dim menit, koef, acer, atcer, tsumber, t1, t2, t3, t4 As Double
Konduksi dan konveksi adalah hal yang paling dominan terjadi dalam dapur, ketika api kompor yang menyala menyebabkan panas pada sekelilingnya. perpindahan konduksi dapat terjadi dengan mudah pada meja dibawah kompor (meja kayu) kemudian dinding yang bersentuhan dekat dengan kompor (sumber panas).
Dari perhitungan konduksi ini, membutuhkan nilai luasan tiap bidang yang dikonduksikan, ketebalan benda, dan juga koefisien konduktivitas tiap material yang dicobakan. Berikut hasil video rekan jejak berdurasi 2 menit :
Link video : http://youtu.be/Y87g3GYICQ4 search by name Video : UAS KOMTEK (3) :Menghitung Konduksi Udara Dalam Dapur Dengan Visual Basic
Langkah Penyelesaian Konduksi
1. Menginput data yang ingin didapatkan seperti, konduktivitas tiap material, luasan dan ketebalan benda uji
2. Masukkan temperatur benda uji (kelvin)
3. Masukan ke dalah rumus konduksi Q = K. A (delta T) /d(tebal) satuan watt
4. Runing program dan pastika satuan dan rumus benar
5. Selesai
Coding :
Private Sub UserForm_Activate()
TextBox1.Text = 1.73 'kondultivitas dinding
TextBox2.Text = 0.16 'konduktivitas kayu
TextBox3.Text = 373 'asumsi panas kompor 373 kelvin
End Sub
Private Sub CommandButton1_Click()
Dim koefmeja, koefdinding, tempsumber, luasanmeja, tebalmeja, tempmeja, t1m, luasandinding, tebaldinding, tempdinding As Double
Dim qmeja, qdinding As Double
'Input Data Ketetapan
koefdinding = TextBox1.Text 'koefisien beton
koefmeja = TextBox2.Text 'koefisien konduksi kayu
tempsumber = TextBox3.Text 'temperatur kompor
'Input Data Meja
tempmeja = TextBox4.Text 'temperatur meja
luasanmeja = TextBox6.Text '(panjang x lebar) meja
tebalmeja = TextBox7.Text 'tebal meja (m)
Program regresi linear ini adalah program umum, yang dahulu pernah saya pelajari bersama teman - teman komputasi. Pada awalnya program ini sangatlah standart, tetapi berkat bimbingan dosen dan belajar bersama dengan teman seperjuangan, akhirnya penggunaan program komputasi dengan visual basic dapat lebih sempurna. Berkat bantuan dari mas hasnan pula akhirnya saya dapat membuat suatu program visual basic dengan menghubungkan ke nilai perhitungan excel.
Program ini dibuat untuk mempermudah perhitungan dan analisa numerik kasus tugas besar saya yaitu mengetahui kenyamanan termal dapur rumah dengan menggunakan cerobong udara dan tanpa cerobong udara. kenapa memakasi regresi linear? karena semakin lama waktu penggunaan kompor yang menyala akan meningkatkan temperatur dapur. dan untuk menurunkannya sumber panas harus dimatikan.
Berikut video yang berhasil saya rekam, dengan berdurasi 4 menit, semoga dapat memberi pencerahan.
link video : http://youtu.be/gskw5UT3Ql4 atau search by name : video uas komtek
Langkah pembuatan :
1. input nilai x dan y pada tabel excel yang tersedia,kemudian buat link ke syntax
2. menghitung nilai x^2 dan x kali y
3. hitung sum tiap nilai x, y, x^2, dan x kali y
4. masukkan ke dalam persamaan linear
5. tetapkan variabel x sebagai nilai yang selalu muncul saat dirunning
6. atur menu reset
7. atur menu exit
8 running program dan pastikan nilai terhubung ke excel dengan baik
9.selesai
Coding
Private Sub cmd1_Click() ' data untuk aktual cerobong pada excel
texty1.Text = Cells(10, 4)
texty2.Text = Cells(11, 4)
texty3.Text = Cells(12, 4)
texty4.Text = Cells(13, 4)
texty5.Text = Cells(14, 4)
texty6.Text = Cells(15, 4)
texty7.Text = Cells(16, 4)
End Sub
Private Sub cmd2_Click() ' data untuk aktual tanpa cerobong pada excel
texty1.Text = Cells(10, 4)
texty1.Text = Cells(10, 5)
texty2.Text = Cells(11, 5)
texty3.Text = Cells(12, 5)
texty4.Text = Cells(13, 5)
texty5.Text = Cells(14, 5)
texty6.Text = Cells(15, 5)
texty7.Text = Cells(16, 5)
End Sub
Private Sub cmd3_Click() ' data untuk simulasi cerobong pada excel
texty1.Text = Cells(10, 6)
texty2.Text = Cells(11, 6)
texty3.Text = Cells(12, 6)
texty4.Text = Cells(13, 6)
texty5.Text = Cells(14, 6)
texty6.Text = Cells(15, 6)
texty7.Text = Cells(16, 6)
End Sub
Private Sub cmd4_Click() ' data untuk simulasi tanpa cerobong pada excel
texty1.Text = Cells(10, 7)
texty2.Text = Cells(11, 7)
texty3.Text = Cells(12, 7)
texty4.Text = Cells(13, 7)
texty5.Text = Cells(14, 7)
texty6.Text = Cells(15, 7)
texty7.Text = Cells(16, 7)
End Sub
Private Sub cmdcalculate_Click()
Dim x, y, xy, n As Double
Dim x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7 As Double
Dim y1, y2, y3, y4, y5, y6, y7 As Double
Dim x2_1, x2_2, x2_3, x2_4, x2_5, x2_6, x2_7 As Double
Dim xy_1, xy_2, xy_3, xy_4, xy_5, xy_6, xy_7 As Double
Dim sum_x, sum_y, sum_x2, sum_xy, a0, a1 As Double
Tema : Mengetahui kenyamanan termal pada dapur rumah dengan menggunakan cerobong udara .
Pendahuluan
Dapur merupakan bagian penting dalam sebuah rumah yang sering kali dilupakan. Orang terlalu fokus terhadap area pribadi seperti kamar, ruang keluarga, bahkan kamar mandi. Padahal menurut saya dapur merupakan bagian penyumbang ketidaknyaman terbesar, karena dapur sering menimbulkan bau tidak sedap ketika memasak serta meningkatkan panas terhadap ruangan disekitar dapur.
Dalam kasus ini, dapur di rumah saya memiliki ukuran 3 x 3 meter, dilengkapi dengan berbagai peralatan seperti lemari dapur, rak piring,meja, kompor dan alat masak seperti pada umumnya dapur. Daerah dapur yang terletak di tengah rumah sehingga jauh dari ventilasi udara masuk dan keluar membuat dapur terasa pengap dan panas ketika memasak. Kemudian untuk menyelesaikan permasalahan ini banyak solusi yang dianjurkan, seperti memasang blower, memasak alat penyerap asap, serta membuat aliran udara keluar (cerobong). Dari solusi yang ada akhirnya dipilih pembuatan cerobong udara kecil pada atas plafon sebagai solusi terbaik, karena biaya pemasangan dan biaya harian yang murah dan mudah dibanding dengan membeli alat berteknologi canggih. Akhirnya dapur di rumah saya dimodifikasi kira - kira 4 tahun yang lalu, alhasil temperatur ruang dapur menjadi menurun sehingga memasak menjadi lebih nyaman. Oleh karena itu pada tugas besar CFD dan Komputasi Teknik ini, saya mengangkat tema kenyamanan termal pada dapur dengan menggunakan cerobong. Dengan membandingkan data pengukuran temperatur dengan menggunakan cerobong udara dan tanpa cerobong udara (cerobong ditutup plastik) pada tiap titik tertentu dengan pengambilan data tiap 10 menit dalam 1 jam pengambilan data. Pengambilan data dilakukan pada waktu jam sibuk di dalam dapur yaitu jam 6 pagi saat Ibu sudah mulai memasak. Berikut ilustrasi dapur di rumah saya :
Gambar 1. Ilustrasi Aktual Pada Dapur di Rumah
Gambar denah tampak atas :
Gambar 2. Denah tampak atas (daerah dapur dan sekelingnya,dan aliran udara masuk keluar)
Studi literatur
Pada umumnya suatu ruangan memiliki temperatur ruangan antara 27-28 derajat celcius pada keadaan normal. Tetapi untuk kenyamanan dalam suatu ruangan idealnya adalah 21-25 derajat celcius atau 294K - 298K. Untuk mencapai temperatur ruang berkisar 21-25 derajat celcius di Indonesia sangat sulit jika tidak menggunakan pendingin ruangan. Dalam kasus kenyamanan termal ruang banyak faktor terkait, seperti efek suhu lingkungan, radiasi matahai, efek konduksi dan konveksi. serta faktor konduktivitas termal tiap material yang adadalam suatu ruangan. Dalam kasus dapur ini saya membutuhkan nilai konduktivitas termal seperti pada dinding dan udara yang mengalir. berikut rinciannya :
Gambar 3. Daftar Konduktifitas Termal (ref : wikipedia)
konduktivitas termal adalah kemampuan material untuk menghantarkan panas. Sesuai tabel di atas nilai konduktivitas udara 0.024 W/mK dan dinding beton 1.73 W/mK
Permasalahan
Dapur yang ada di rumah saya memiliki permasalahan yaitu tingkat kepengapan dan temperatur yang meningkat pada saat memasak menyebabkan ketidaknyamanan. Selain itu,panas yang terjadi di dapur menyebabkan temperatur pada daerah sekitar dapur meningkat yaitu pada ruang makan dan ruang keluarga. Dengan mengunakan cerobong penurunan temperatur secara aktual telah terjadi ,sesuai dengan pengambilan data temperatur. oleh karena itu untuk memvalidasi hasil digunakan bahasa pemograman dengan rumusan terkait ditambah dengan pembuktian CFD (computational fluid dynamics)
Tujuan
Melalui simulasi CFD dan Komputasi Teknik ini diharapkan dapat memvalidasi hasil pengukuran data (eksperimen) untuk mengetahui efektivitas penggunakan cerobong udara dalam dapur.
Pembatasan masalah (asumsi)
1. Penggunaan dapur pada saat jam sibuk di dapur yaitu pukul 06.00 selama 1 jam memasak
2. Dapur terdapat lemari dapur,meja, tabung gas, kompor gas, tempat sampah serta lampu, tetapi dalam simulasi hanya menggunakan kompor gas
3. Hanya lampu yang menyumbang kalor tambahan sebelum dapur digunakan, tetapi dalam penggunaan CFD hanya panas kompor yang digunakan.
4. Ketika memasak,hanya 1 manusia dan api kompor yang menyala konstan yang menyumbang kalor, tetapi dalam simulasi manusia diabaikan.
5. Terdapat inlet udara masuk dari daerah belakang dapur yang diasumsikan berkecepatan 0,01 m/s dengan temperatur 28 derajat celcius
6. Terdapat lubang udara kecil (0,9x0,25 meter) yang terdapat pada sisi atas dapur.
7. Menggunakan 2 termometer ruang dan alat ukur meteran sebagai alat penggambilan data teknis.
8. Mengambil data temperatur pada 3 titik dekat dinding dapur (dengan menggunakan termometer)
Ilustrasi saat pengambilan data ( sesorang sedang memasak pada pukul 06.00 WIB )
Flowchart Penelitian
Gambar 4. Flowchart Penelitian yang dilakukan
Ilustrasi Dapur Bercerobong udara
Gambar 5. Cerobong nampak dalam ruang
Gambar6. Penampakan asimetris
Pengambilan Data Eksperimen (cerobong dan tanpa cerobong)
Penempatan termometer pada wall 1 , wall 2 dan wall 3 untuk pengambilan data temperatur ruang. berikut gambarnya :
area penempatan termometer
1. Data temperatur dengan menggunakan Cerobong
(Pengambilan data temperatur pada tiap titik yang berada pada daerah sekitar dinding)
Grafik 1. Berbandingan Data Temperatur berbanding dengan Waktu
Grafik 2. Perbandingan Data Humidity berbanding waktu
2. Data temperatur tanpa menggunakan Cerobong
(Pengambilan data temperatur pada tiap titik yang berada pada daerah sekitar dinding)
Grafik 3. Berbandingan Data Temperatur berbanding dengan Waktu
Grafik 4. Perbandingan Data Humidity berbanding waktu
Hipotesis :
Berdasarkan data dari pengambilan secara eksperimen dapat dikatakan bahwa penggunaan cerobong udara efektif untuk menurunkan suhu ruang pada daerah dapur, dan selanjutnya akan dibandingankan secara pemograman untuk analisa numerik serta menggunakan CFD (dengan asumsi terkait dengan pendekatan yang sesuai data aktual).
untuk pemograman dan CFD harap bersabar .. Tunggu update terbarunya
berikut ini adalah video pengaruh bentuk body kapal terhadap bentuk aliran yang terjadi :
Dari video ini terlihat perbedaan pola aliran tiap bentuk kapal,semua itu tergantung pada nilai Cd (koefisien drag) dan Cf (koefisien gesek). Aliran pada kapal dapat berbentuk bluff body dan streamlined body, bentuk yang memiliki nilai Cd lebih besar berarti terjadi vortex, berarti bentuk kapal tersebut adalah bluff body. Tetapi secara umum bentuk lambung kapal merupakan aliran streamlined flow,karena nilai Cf lebih dominan dibanding Cd. Sehingga aliran tidak menyebabkan vortex, karena vortex menyebabkan hambatan pada kapal menjadi besar, sehingga berdampak pada komsumsi bahan bakar, manuver kapal serta stabilitas dan cavitation berkurang. Bentuk yang streamline berguna untuk memecah aliran laut sehingga tidak menyebabkan gelombang acak pada sisi kapal (hambatan gelombang) dan juga aliran yang menuju ke propeller juga harus baik untuk mendapatkan gaya dorong yang baik.
Cd (koefisien drag) yang umum pada bentuk kapal
Dalam video ini umumnya dikenal dengan nama hambatan bentuk, dimana bentuk mempengaruhi hambatan pada kapal. Hambatan kapal laut atau sering disebut hambatan kapal harus di perhatikan dalam merancang kapal, bentuk badan kapal diusahakan mempunyai tahanan kapal yang rendah bila kapal bergerak diatas air. Sistim propulsor kapal /pendorong, mesin penggerak dan lambung kapal harus dirancang yang paling efisien, yaitu jumlah energi yang diperlukan untuk propulsi kapal harus sekecil mungkin tapi harus mampu memenuhi kecepatan kapal rancang.
Pada posting sebelumnya saya pernah mensimulasikan aliran vortex yang terjadi pada sebuah bangunan yang ketika dialiri aliran udara dengan kecepatan tertentu maka akan tercipta vortex. sebelum menjelaskannya saya akan menjelaskan dasarnya.
Suatu aliran dibagi menjadi 2 jenis yaitu aliran dalam (internal flow) dan aliran luar (eksternal flow). Aliran dalam adalah aliran yang terjadi dalam pengertian fluida yang mengalir dibatasi oleh suatu dinding atau boundary tertentu, misalnya aliran di dalam pipa atau aliran dalam turbin. Sedangkan pada aliran luar yaitu aliran yang tidak dibatasi dinding terjadi misalnya pada aliran udara yang melewati body pesawat, body mobil atau aliran air yang melewati body kapal.
Aliran luar ini dibagi menjadi 2 jenis yaitu aliran Bluff Body dan Aliran Streamlined Body. Dimana terjadi perbedaan antara nilai Cd (koefisien drag (menyeret)) dan Cf (Koefisien friction (gesekan)).
1. Bluff Body (Cd > Cf)
2. Streamlined Body (Cd < Cf)
Bluff Body
Aliran dimana koefisien gesek kecil dan perbedaan tekanan awal dan belakang besar. mangknya pada kotak yang dialiri aliran eksternal terjadi efek bluff body. Bluff Body adalah sebuah bangun geometri yang memiliki hambatan udara yang tinggi sehingga jika memberikan aliran fluida dengan kecepatan yang tinggi akan menyebabkan terbentuknya vortex.
Vortex adalah suatu aliran yang terjadi dengan kondisi fluida tersebut partikelnya berotasi pada aliran rotasinya terhadap titik pusatnya. Pelepasan vortexnya tersebut, biasa kita kenal dengan istilah vortex shedding. Biasanya vortex shedding terjadi karena aliran fluida yang melalui bluff body memiliki kecepatan yang tinggi. Berikut adalah pola aliran vortex shedding pada geometry bluff body pada berbagai kecepatan yang melaluinya.
Aliran vortex pada simulasi cfd
Streamlined Body
Berbeda dengan bluff body, geometry yang memiliki gaya hambat fluida yang rendah disebut dengan streamline body. geometry ini menyebabkan aliran yang melauinya tetap laminar, cantohnya pada desain pesawat terbang. Pola aliran fluida yang mengalir pada streamline dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Koefisien drag (Cd) adalah bilangan yang menunjukkan besar kecilnya tahanan fluida yang diterima oleh suatu benda. Harga koefisien drag yang kecil menunjukkan hambatan fluida yang diterima benda saat berjalan adalah kecil, dan begitu juga sebaliknya.
Koefisien drag (biasanya dinotasikan sebagai: c d, c atau cwx). nilai Cd sangat bergantung pada bentuk dari suatu geometri. berikut adalah bebagai variasi nilai adalah :
Dari gambar di samping , tidak ada nilai Cd = 1. Sebuah sama dengan 1 akan diperoleh dalam kasus di mana semua cairan mendekati objek dibawa untuk beristirahat, membangun tekanan stagnasi di atas permukaan depan secara keseluruhan. Referensi :wikipedia
Koefisien seret didefinisikan sebagai:
dimana: Fd = gaya drag (definisi komponen gaya dalam arah kecepatan aliran) p (rho) = massa jenis fluida v = kecepatan relatif dari objek untuk cairan dan A = acuan daerah aliran
Diagram Cd dengan Re
Dari persamaan Cd di atas , maka kita dapat menentukan besarnya nilai gaya drag yang bekerja pada permukaan geometri yang dilewatinya.
Berikut adalah simulasinya :
Dalam simulasi ini, terdapat sebuah cube yang memiliki perbandingan a/b berbeda - beda pada sebuah aliran laminar udara. menggunakan Re < 2100
Berbandingan a dan b dimensi :
a/b = 1 dalam referensi bernilai 1.05 (cube)
a/b > 1 dalam referensi bernilai 0.82 (long)
a/b < 1 dalam referensi bernilai 1.15 (short)
1. Atur Dimensi
2. KS
Jika kecepatan yang dialirkan 0,1 m/s
3. KF
Menggunakan fluida air 1000 kg/m3
Hasil Pada A/B = 1
Menggunakan 5 wall
Gaya Geser A/B =1
Hasil Pada A/B < 1
Menggunakan 5 wall
Gaya Geser A/B < 1
Hasil Pada A/B > 1
Menggunakan 5 wall
Gaya Pada A/B > 1
Hasil Perhitungan CD tiap model simulasi :
Hasil Perhitungan CD antara simulasi dan teoritis :
Dari hasil ini bisa diamati bahwa nilai mengalami perbedaan yang cukup besar diakibatkan bentuk atau simulasi aliran yang belum mendekati sama. terlebih lagi faktor densitas dan viskositas fluida yang berbeda antara teori dan simulasi sangat berpengaruh terhadap nilai gaya gesek.
dari hasil tersebut terjadi perbedaan dari 43200 menjadi 34900 maka delta P adalah 9300Pa. jika dibandingkan dengan perhitungan teoritis 30400 pa. maka terjadi selisih perbedaan 19000 pa. tetapi secara prinsip terjadi pressure drop, mungkin terjadi kesalahan saat simulasi perlangsung, sehingga selisih berbeda jauh.
