SIMULASI KETIDAKSTABILAN RAYLEIGH-TAYLOR MENGGUNAKAN METODE LATTICE BOLTZMANN

BAHRUL JALAALI, Dr.Eng Adhika Widyaparaga., S.T.,M.Biomed.E;Dr. Deendarlianto, S.T, M.Eng

2019 | Tesis | MAGISTER TEKNIK MESIN

Ketidakstabilan Rayleigh-Taylor (RTI) merupakan ketidakstabilan aliran akibat adanya pengaruh body force pada aliran stratified yang memiliki nilai kecepatan sama atau 0 (Delta U=0). RTI dapat mengakibatkan terjadinya pencampuran fluida dalam kondisi turbulen dan aliran turbulen dalam pipa. Adanya kondisi turbulen yang terjadi dapat menyebabkan getaran dan apabila frekuensi getaran yang dihasilkan sama dengan frekuensi natural pipa, akan menyebabkan amplifikasi getaran sehingga dapat menyebabkan kebocoran pada pipa. Sehingga perlu dilakukan kajian mengenai perilaku RTI. Analisis fenomena fluida dapat dilakukan dengan pendekatan perhitungan numerik. Metode lattice Boltzmann (LBM) merupakan metode numerik yang sedang berkembang untuk melakukan pengamatan fenomena fluida. LBM memiliki domain pengamatan skala mesoscopic yang terletak diantara kontinum dan molekuler. LBM memiliki superioritas dari segi efisiensi perhitungan dan Persamaan atur yang lebih sederhana dibandingkan dengan metode numerik skala kontinum dan molekular. Pada penelitian ini akan diamati fenomena RTI dengan simulasi menggunakan LBM. Penelitian ini mengerucut pada 2 aspek pembahasan, yakni implementasi LBM untuk simulasi fenomena RTI dan kajian variasi bilangan Atwood dan Reynolds terhadap fenomena RTI. Pendekatan LBM pada penelitian ini akan menggunakan metode He-Chen-Zhang (HCZ) dengan single relaxation time. Berdasarkan hasil penelitian, simulasi RTI berhasil dilakukan dan didapatkan hasil yang sesuai dengan hasil penelitian sebelumnya baik dengan pendekatan numerik maupun eksperimen. Investigasi ketidakstabilan dengan variasi nilai bilangan Reynolds dan bilangan Atwood telah dilakukan. Didapatkan hasil bahwa laju ketidakstabilan akan dipengaruhi oleh viskositas dan rasio massa jenis yang direpresentasikan dengan bilangan Reynolds dan bilangan Atwood. Hasil simulasi late time evolution RTI berhasil disimulasikan. Munculnya ketidakstabilan sekunder yakni ketidakstabilan Kelvin-Helmholtz, liquid break-up, dan bubble amalgamation pada fase late time evolution RTI akan disajikan pada penelitian ini.

Rayleigh-Taylor instability (RTI) is a flow instability due to the body force in stratified flow that has the same velocity or 0 velocity (DeltaU=0). The presence of the RTI affects in fluids mixing under the turbulent condition and causing turbulent flow. The turbulent condition causes vibration and if the vibration frequency similar to the pipe natural frequency, it will amplify the vibration and resulting pipe leakage. Therefore, it is necessary to study the behavior of RTI. Fluid phenomenon analysis can be done by the numerical approach. Lattice Boltzmann Method (LBM) is a recently developed numerical method to analyze the fluid phenomenon. LBM has observation scale in the mesoscopic domain that lies between continuum and molecular domain. LBM has advantages in calculation efficiency and simpler governing equation than the numerical method in both continuum and molecular scale. This study will be observing the RTI phenomenon. This study focuses on 2 aspects, namely, implementation of LBM in RTI simulation and investigate the effects of Reynolds and Atwood number towards RTI phenomenon. The LBM approaches in this study apply He-Chen-Zhang (HCZ) method with single relaxation time. Based on this study, RTI simulation has already done and obtained similar results compared with previous studies in both numerical approach and experimental results. Investigation of instability rate with varying Reynolds and Atwood number has been done. It is found that instability rate will be influenced by viscosity and density ratio that being represented by Reynolds and Atwood number, respectively. The outcome of late time evolution RTI simulation is also successfully simulated. The emerging of secondary instability (Kelvin-Helmholtz instability), liquid break-up, and bubble amalgamation in the late time evolution phase are presented in this study as well.

Kata Kunci : Ketidakstabilan Rayleigh Taylor, metode lattice Boltzmann, bilangan Reynolds, bilangan Atwood, ketidakstabilan Kelvin-Helmholtz