Arsip untuk April, 2012

Studi Pengaruh Konfigurasi Desain Knalpot terhadap fenomena Backpressure pada Sistem Pembuangan Gas Mesin Diesel

Pendahuluan

Sistem pembungan gas pada mesin – mesin pembakaran dalam berfungsi untuk membuang gas sisa hasil pembakaran bahan bakar pada silinder mesin yang secara umum terdiri dari beberapa fraksi bahan bakar yang tidak terbakar, Karbon Dioksida (CO2), Karbon Monoksida (CO), Nitrogen Dioksida (NO2), Sulfur Dioksida (SO2), Fosfor, dan terkadang molekul – molekul logam berat seperti Timah dan Molybdenum [2]. Karakteristik dari gas buang dari mesin pembakaran dalam ini mempunyai sifat yang bising dan bertemperatur tinggi. Oleh karena itu, diperlukan knalpot sebagai suatu sistem pembuangan yang dapat mengurangi energy akustik dari gas buang.

Secara umum, konfigurasi desain dari knalpot terbagi dalam dua tipe yaitu, reaktif dan absorpsi [1]. Dimana knalpot tipe reaktif beroperasi atas dasar fenomena interferensi destruktif untuk mengurangi kebisingan yang diakibatkan oleh pulsa tekanan dari gas buang. Dapat diperhatikan pada gambar 1, bentuk tipikal dari knalpot tipe reaktif yang terdiri dari ruang resonansi serta tabung (biasanya tabung perforasi atau berlubang – lubang) inlet dan outlet yang, umumnya pada desain knalpot tipe reaktif, tidak terletak pada satu sumbu atau mempunyai simpangan jarak (offset). Hal ini didesain demikian untuk menghasilkan tumbukan antara gas buang pada ruang resonansi atau dalam kata lain memperbanyak interferensi destruktif pada pulsa tekanan dari ruang bakar. Dengan catatan, untuk menghasilkan interferensi destruktif yang sempurna, diperlukan interferensi gelombang dengan amplitudo yang sama dengan perbedaan sudut fasa sebesar 180o.

Sedangkan knalpot dengan tipe absorpsi adalah sistem pembuangan gas yang beroperasi dengan prinsip mengubah pulsa tekanan atau kebisingan dari gas yang berasal dari ruang bakar menjadi energy panas dengan menggunakan sebuah material insulasi yang bersifat absorptive. Dapat diperhatikan pada gambar 2, knalpot tipe absorpsi. Pada knalpot tipe absorpsi, tabung yang berfungsi untuk membuang gas hasil pembakaran hanya berjumlah satu, dimana tabung ini adalah juga pipa perforasi (berlubang – lubang).

Gambar 1. Knalpot tipe reaktif

Dapat disimpulkan dari perbandingan kedua jenis tipe knalpot, reaktif dan absorpsi, bahwa knalpot dengan tipe reaktif mempunyai atenusi suara (kebisingan) yang lebih besar jika dibandingkan dengan knalpot tipe absorpsi. Hal ini dikarenakan, pada knalpot tipe reaktif, terjadi tumbukan – tumbukan antara gas pembuangan hasil pembakaran, yang logikanya dapat mengurangi pulsa tekanan dari keluaran ruang bakar akibat interferensi destruktif yang disebabkan oleh geometri yang menyebabkan adanya aliran diskontinuitas pada gas pembuangan hasil pembakaran.

Gambar 2. Knalpot tipe absorpsi

Peninjauan yang berangkat dari sisi kebisingan tentunya menyimpulkan bahwa knalpot tipe reaktif merupakan jenis knalpot yang lebih baik dibandingkan dengan knalpot tipe absorpsi. Namun, permasalahannya tidak semudah itu. Dikarenakan banyaknya tumbukan – tumbukan antara gas hasil pembakaran pada knalpot tipe reaktif, maka momentum gas buang akan berkurang dan terdisipasi menjadi panas pada material knalpot, ditambah dengan efek pendinginan yang lebih besar diakibatkan oleh semakin lamanya gas pembuangan mempunyai waktu untuk memberikan panasnya terhadap material knalpot yang dengan seperti ini akan mengakibatkan densitas (berat jenis) gas bertambah. Dengan demikian, hal ini mengurangi kemampuan gas buang untuk mengalir dan menyebabkan fenomena backpressure terjadi.

Pada kenalpot dengan tipe absorpsi, hanya terdapat satu tabung yang dengan demikian maka tidak terdapat tumbukan – tumbukan gas buang dan diskontinuitas aliran gas buang, dimana atenuasi suara hanya diperoleh dengan menggunakan material insulasi yang bersifat absorptive. Maka, pada knalpot tipe absorptive, fenomena backpressure yang terjadi tidak akan sebesar pada knalpot tipe reaktif. Dapat disimpulkan pada pembahasan di atas bahwa, semakin tinggi performa atenusi suara, maka akan semakin besar pula backpressure yang terjadi pada sistem pembuangan gas. Fenomena backpressure ini dapat dilihat melalui kecepatan aliran gas pembuangan pada outlet knalpot. Pada mesin diesel 5 silinder @ 2700 cc, aliran gas yang paling baik dalam merepresentasikan tidak terjadinya backpressure pada sistem pembuangan adalah sebesar 62 m/s [3].

Dari pembahasan di atas, jelas bahwa fenomena backpressure merupakan faktor penting untuk mempertahankan daya keluaran mesin, oleh karena itu, diperlukan pemahaman bersama terhadap fenomena backpressure yang menjelaskan bahwa semakin besar backpressure yang terjadi, maka akan semakin kecil daya keluaran dari mesin. Dengan demikian, akan dilakukan studi berupa pengamatan terhadap simulasi aliran untuk melihat pengaruh beberapa variasi parameter konfigurasi perancangan terhadap fenomena backpressure yang akan dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak CFDSOF. Dimana CFDSOF adalah sebuah perangkat lunak Computational Fluid Dynamic berdasarkan perhitungan numerik metode volume hingga.

 

Variasi Parameter Konfigurasi Perancangan pada Simulasi

Beberapa variasi parameter konfigurasi perancangan knalpot akan ditetapkan untuk dengan kemudian disimulasikan pada perangkat lunak CFDSOF untuk melihat pengaruh konfigurasi perancangan terhadap besarnya backpressure yang terjadi. Berikut beberapa kegiatan simulasi yang akan dilakukan berdasarkan variasi konfigurasi perancangan knalpot,

  1. Fenomena Backpressure pada konfigurasi perancangan knalpot tipe reaktif dan tipe absorpsi (rancangan belum ditetapkan)
  2. Pengaruh offset tabung inlet dan outlet terhadap fenomena backpressure pada knalpot tipe reaktif
  3. Pengaruh diameter tabung terhadap fenomena backpressure
  4. Pengaruh sambungan reduksi terhadap fenomena backpressure pada knalpot

Berdasarkan persamaan kontinuitas, semakin besar luas penampang (diameter tabung) maka akan semakin kecil kecepatan aliran fluida, yang dengan demikian mengartikan bahwa semakin besar diameter tabung maka akan semakin lama waktu untuk gas buang mendisipasikan panasnya ke material knalpot yang pada akhirnya akan menyebabkan semakin besarnya densitas gas yang mengakibatkan semakin besarnya backpressure yang terjadi. Namun, jika hanya mengacu pada persamaan kontinuitas, akan diperoleh diameter pipa yang sekecil mungkin untuk menghasilkan backpressure yang sekecil mungkin pula dimana hal ini tentunya akan berakibat pada kecilnya performa sistem pembuangan pada atenuasi pulsa tekanan gas buang. Oleh karena itu, perlu untuk mencari nilai diameter tabung yang optimal di dalam interval nilai temperatur yang diakibatkan oleh perpindahan panas secara konduksi. Hal ini disimpulkan demikian karena interval nilai temperatur operasional tertentu pada berbagai spesifikasi manufaktur sistem pembuangan merepresentasikan lamanya gas pembuangan hasil pembakaran di dalam knalpot (tergantung terhadap kecepatan gas buang), atau lamanya gas pembuangan akan mendisipasikan pulsa tekanan ke material insulasi absorptive (pada knalpot tipe absorpsi) atau, lamanya gas pembuangan akan bertumbukan untuk menghasilkan interverensi destruktif (pada knalpot tipe reaktif). Jadi, dapat disimpulkan, interval temperatur tertentu yang sesuai berdasarkan beberapa  manufaktur knalpot akan sebanding dengan toleransi atenuasi pulsa tekanan yang diinginkan (data belum ada).

Kemudian, mengenai variasi simulasi terakhir yang berupa pengaruh sambungan reduksi terhadap fenomena backpressure mengacu kepada Mehmet Avcu et al [4], yang mengamati pengaruh peletakan sambungan reduksi terhadap besarnya backpressure yang terjadi pada sistem pembuangan mesin diesel model MTU 16V 4000 M90. Dengan gambar modelnya adalah sebagai berikut.

Gambar 3

Gambar 4

Pada gambar di atas, dapat diperhatikan perancangan berdasarkan peletakan sambungan reduksi oleh Mehmet Avcu et al [4] pada mesin diesel model MTU 16V 4000 M90, yang berdasarkan simulasi menghasilkan kesimpulan bahwa perancangan berdasarkan peletakan sambungan reduksi seperti pada gambar 4 menghasilkan backpressure yang lebih kecil dibandingkan dengan peletakan sambungan reduksi seperti pada gambar 3.  Oleh karena itu, akan diamati simulasi sesuai peletakan sambungan reduksi pada sistem pembuangan gas dengan konfigurasi perancangan knalpot reaktif dan absorpsi sesuai dengan hasil pengamatan dari simulasi sebelumnya (poin 1 sampai 3 variasi konfigurasi perancangan pada simulasi).

 

Referensi

[1]     Potente, Daniele. General Design Principle for an Automotive Muffler. Proceeding of ACOUSTICS 2005.

[2]     Exhaust Theory. www.nsxprime.com. 17 April 2012. Pukul 03.14 WIB.

[3]     B.-H. Song, Y.-H. Choi. Development of Quantitative Measuring Technique to Find Critical Flow Condition for Preventing Soot Deposit Accumulated in The Diesel Exhaust System Using Main Muffler Composed of Three Chamber. International Journal of Automotive Technology, Volume 10, No. 4, pp. 405 – 411 (2009)

[4]     Mehmet Avcu et al. MTU 16V 4000 M90 BRAND/MODEL DIESEL ENGINE EXHAUST SYSTEM DESIGN. Journal of Naval Science and Engineering 2010, Vol. 6 , No.1, pp. 39-58.

Iklan

Solusi Numerik beberapa Parameter Boundary Layer

Pada post kali ini, saya ingin mencoba untuk menyampaikan beberapa persamaan hasil pendekatan numerik terhadap penyelesaian solusi numerik beberapa parameter boundary layer seperti profil kecepatan, hambatan, profil temperatur, dan koefisien perpindahan panas. Untuk lebih jelasnya, berikut permasalahannya,

Agar lebih jelasnya, sepertinya perlu untuk pertama – tama dijelaskan mengenai fundamental penyelesaian dinamika fluida secara numerik, khususnya dengan menggunakan metode volume hingga.

Dalam menggunakan metode numerik volume hingga, wilayah komputasi dibagi menjadi beberapa bagian (cell/grid) untuk dengan kemudian pada cell/grid tersebut diaplikasikan hukum – hukum konservasi untuk mendapatkan solusi terhadap variabel/field tekanan, kecepatan (pada sumbu x, y, dan z), serta temperatur. Berikut persamaan – persamaan konservasi yang disebutkan di atas.

Pembagian grid – grid dilakukan secara tumpang tindih untuk mengaplikasikan perhitungan secara numerik, yang dapat diperhatikan pada gambar di bawah ini.

Dapat diperhatikan pada gambar di atas bahwa tanda panah yang merupakan variabel vektor, mempunyai kontrol volume yang tumpang tindih dengan P yang merupakan variabel skalar. Jadi, pada intinya, pembagian grid pada kalkulasi numerik dinamika fluida adalah pembagian grid yang tumpang tindih antara grid variabel skalar dan vektor.

Salah satu algoritma perhitungannya dapat dilakukan dengan metode SIMPLE yang ringkasnya adalah sebagai berikut.

Dimana persamaan – persamaan pada gambar di atas adalah persamaan – persamaan atur yang sudah didiskritisasi, khususnya dari persamaan konservasi momentum (STEP 1). Sedangkan pada Step 4 (langkah 4), persamaan diskrit tersebut berasal dari persamaan konservasi lainnya misal persamaan konservasi energi untuk mencari solusi terhadap profil temperatur.

Pada gambar di atas, variabel p, u, v, w, tetha, A,  merepresentasikan tekanan, kecepatan fluida pada sumbu x, kecepatan fluida pada sumbu y, kecepatan pada sumbu z, variabel – variabel diskrit lainnya, misal temperatur, dan luas penampang bidang i, J. Sedangkan variabel dengan lambang asterisk (*) merepresentasikan variabel dugaan awal untuk memulai perhitungan. Serta variabel dengan lambang ” ‘ ” merupakan faktor koreksi terhadap variabel dugaan awal. Dapat diperhatikan bahwa pada langkah 1, perhitungan dapat dilakukan dengan metode kalkulasi matriks seperti eliminasi gauss atau iterasi Gauss – Siedel.

Variabel – variabel lain seperti pada gambar di atas seperti ai,J ; Sigma(anb.unb); bi,J; dan beberapa variabel lain yang terdapat pada gambar algoritma di atas dapat diperhatikan lebih jelasnya pada gambar di bawah ini.

Sigma(anb.unb) untuk kontrol volume kecepatan vektor u

Sigma(anb.unb) untuk kontrol volume kecepatan vektor v

beberapa variabel lainnya,

dimana.

Dengan demikian, perhitungan numerik dapat dilakukan dengan mengaplikasikan persamaan – persamaan di atas, dengan menggunakan algoritma yang telah ditunjukkan.

Karena kapasitas blogger yang saat ini masih terbatas, khususnya untuk mengaplikasikan algoritma di atas dalam bentuk bahasa pemrograman, maka solusi numerik untuk permasalahan di atas diselesaikan dengan mengambil data dari hasil simulasi dengan menggunakan program CFDSOF. Kemudian untuk mengetahui profil kecepatan dan temperatur, data – data hasil dari simulasi dapat diambil dengan kemudian diplot grafiknya.

Berikut set – up simulasi yang dilakukan sebelumnya, dengan jumlah cell/grid pada arah x dan y, masing – masing adalah 50 dan 20.

Berikut beberapa data hasil simulasi untuk kecepatan u

Berikut bentuk profile kecepatannya untuk i = 2, i = 25, dan i = 49.

Sedangkan untuk mengetahui profile temperatur akibat adanya pembangkitan panas pada plat datar sebesar 1 kW/m(pangkat 2), dapat kembali diplot beberapa data dari hasil simulasi seperti di bawah ini,

Maka, berikut gambar profil boundary layer temperatur untuk i = 2, i = 5, dan i = 7

Sedangkan untuk melihat profile dari koefisien transfer konveksi, dapat dilihat dengan mem – plot data dari hasil simulasi seperti di bawah ini,

Serta berikut profil koefisien konveksi untuk i = 2, i = 5, dan i = 7

 

Referensi:

HK. Versteeg, Malalasekera W., An Introduction to Computational Fluid Dynamic : Chapter 6. Longman Scientific & Technical.1995.

Visualisasi Distribusi Temperatur pada Proses Perpindahan Panas Konduksi pada Batang Sederhana yang disertai dengan Pembangkitan Panas.

Pada post kali ini, saya ingin menampilkan hasil visualisasi yang tetap berkaitan dengan post saya sebelumnya mengenai proses perpindahan panas konduksi pada batang sederhana. Namun, perbedaan yang ingin saya tampilkan saat ini adalah visualisasi distribusi temperature yang diakibatkan oleh adanya pembangkitan panas pada batang sederhana yang disimulasikan. Pembangkitan panas pada simulasi ini ditetapkan sebesar 1000 kW/m3. Berikut ilustrasi kasus perpindahan panas yang akan disimulasikan.

   

Dengan asumsi dan konstanta yang sama dengan post sebelumnya, maka berikut visualisasi distribusi temperature pada batang sederhana yang disimulasikan.

 

 

Dapat diperhatikan pada gambar dan grafik di atas, bahwa dikarenakan oleh adanya pembangkitan panas sebesar 1000- kW per satuan volume, menyebabkan distribusi temperature meningkat jika dibandingkan dengan distribusi temperature pada batang sederhana tanpa pembangkitan panas.

Jika diperhatikan terlebih dahulu set – up geometri batang sederhana yang disimulasikan,

   

Dengan menetapkan perbedaan temperature dengan cara memberikan nilai 100oC pada W1 dan 500oC pada W2, maka W1 dan W2 berfungsi sebagai poin A dan poin B pada gambar pertama di atas. Maka distribusi temperature yang akan diperhatikan atau dihitung adalah temperature pada tiap – tiap batas diskrit volume W2. Dapat diperhatikan pada gambar di atas bahwa terdapat 6 batas diskrit volume W2, yang dimana hal ini sesuai dengan jumlah titik belok grafik beserta titik awal dan akhir. Jadi, dapat disimpulkan bahwa hasil pada grafik sangat terikat dengan pembagian diskrit volume pada simulasi. Jika seandainya diskrit volume diperbanyak lagi, maka akan semakin banyak pula titik belok yang terbentuk, sampai pada jumlah tertentu yang dapat mengilustraikan bentuk grafik kurva yang halus.

Sekian yang dapat saya sampaikan untuk saat ini. Semoga bermanfaat.

Wassalam.

Note: untuk detail perhitungan fundamental berdasarkan metode volume hingga mengenai kasus konduksi seperti pada gambar di atas, dapat dilihat pada Versteeg H.K., Malalasekera W. Introduction to computational fluid dynamics. The finite volume method (Longman, 1995)

Visualisasi Distribusi Temperatur pada Batang Sederhana yang Mengalami Konduksi

Pada post kali ini, saya ingin menampilkan visualisasi distribusi temperature pada batang sederhana yang mengalami konduksi. Proses perpindahan panas secara konduksi yang terjadi pada batang yang akan disimulasikan disebabkan oleh adanya perbedaan temperature pada tiap – tiap ujung batang sederhana. Berikut ilustrasi batang sederhana yang akan disimulasikan

 

Pada gambar di atas, telah dijelaskan bahwa, proses perpindahan panas secara konduksi disebabkan oleh perbedaan temperature pada ujung A dan ujung B, dimana nilainya masing – masing adalah 100oC dan 500oC. Jadi dapat diprediksi bahwa arah perpindahan panas adalah dari arah kanan (B) ke kiri (A). Atau dengan kata lain, temperature akan semakin turun dari arah kanan ke kiri, dan sebaliknya.

Simulasi dijalankan dengan asumsi bahwa kondisi perpindahan panas sudah berada pada kondisi tunaknya dengan diskritisasi volume dalam arah vertical (sumbu i) sebanyak 7.

Note: untuk detail perhitungan fundamental berdasarkan metode volume hingga mengenai kasus konduksi seperti pada gambar di atas, dapat dilihat pada Versteeg H.K., Malalasekera W. Introduction to computational fluid dynamics. The finite volume method (Longman, 1995)

Dapat diperhatikan gambar di bawah ini yang merepresentasikan set – up geometri dua dimensi yang akan disimulasikan dengan menggunakan software CFDSOF. Jadi, ditetapkan W1 dan W2 sebagai, masing – masing, titik A dan B.

 

Dengan menetapkan nilai konduktivitas batang sebesar 100 W/mK, maka didapatkan distribusi temperature seperti pada gambar di bawah ini.

 

Dapat diperhatikan bahwa, pada kondisi tunaknya dengan temperature pada masing – masing ujung batang adalah sebesar 100oC dan 500oC, distribusi temperature merepresentasikan arah perpindahan kalor yang sesuai dengan ekspektasi awal, yaitu dari arah kanan ke kiri. Memang hal ini sudah kita ketahui bersama, namun poin penting yang perlu diambil dari simulasi ini adalah dapatnya kalkulasi untuk melihat distribusi temperature dengan perbedaan temperature tertentu dilakukan. Untuk dapat dengan lebih jelas melihat distribusi temperature dari hasil simulasi, dapat diperhatikan grafik di bawah ini.

 

Grafik di atas menunjukkan distribusi temperature berdasarkan arah sumbu i, yang jika diperhatikan dari kiri ke kanan adalah dari poin A ke poin B. Dapat diperhatikan bahwa temperature terdistribusi secara linear sepanjang sumbu i. Namun, hasil grafik ini hanya berlaku untuk penyelesaian masalah dengan diskritisasi volume sebanyak 7. Jika diskritisasi volume diperbanyak lagi, hasil akhir yang didapatkan dapat saja berbeda dengan grafik di atas.

 

Sekian yang dapat saya sampaikan saat ini. Semoga bermanfaat.

Wassalam