Simulasi numerik karakteristik film aliran dua fasa cair-gas pola aliran cincin berlawanan arah pada pipa vertikal

WIBOWO, Setyawan Bekti, Dr.Eng. Tri Agung Rohmat, B.Eng., M.Eng

2009 | Tesis | S2 Teknik Mesin

Aliran cincin merupakan salah satu pola aliran yang sangat sering digunakan dalam aplikasi peralatan industri. Aliran ini ditandai dengan mengalirnya fluida di tengah saluran dan dikelilingi oleh fluida lain yang memiliki viskositas lebih tinggi dan keduanya mengalir secara kontinyu. Pada penelitian ini akan dilakukan pemodelan aliran cincin cair-gas berlawanan arah pada saluran pipa tegak pola dengan metode numeris. Metode numerik digunakan untuk melakukan prediksi terhadap karakteristik aliran cincin berupa distribusi kecepatan, fraksi hampa dan ketebalan film untuk aliran cincin sebelum terjadinya flooding. Proses simulasi terlebih dahulu dilakukan dengan membuat model jaring aliran selanjutnya menyelesaikan persamaan-persamaan atur untuk masing-masing volume atur dengan melakukan diskritisasi menggunakan metode batas volume (finite volume method). Penyelesaian persamaan-persamaan antar kedua fasa (cairgas) menggunakan metode Volume of Fluid (VOF) dengan batas fasa diselesaikan dengan metode geometric reconstruction. Penelitian dilakukan pada pipa 25 mm sepanjang 0,5 m dengan pembagian jaring arah aksial sebanyak 100 dan arah radial 2x35 sel. Hasil simulasi menunjukkan bahwa peningkatan laju aliran air masuk akan meningkatkan ketebalan film. Peningkatan laju aliran gas akan meningkatkan frekuensi fluktuasi film hingga terjadi proses pengangkatan cairan ke atas (onset flooding). Dari profil kecepatan dan arah vektor kecepatan dapat dilihat proses terjadinya pengangkatan cairan sehingga dapat diketahui konfigurasi aliran saat terjadinya flooding.

The Annular flow is one of the most common flow regimes in the application of industrial equipment. The Annular flow is indicated the thicker fluids at the centre that surrounded by a high-viscosity liquid layer both conditions of the fluids are continuous phases. This research was aimed to simulate liquidgas countercurrent annular flow in vertical pipe by numerical technique. Numerical method was applied to predict the annular flow characteristics in the form of velocity distributions, void fractions and film thickness of annular flow before flooding. The simulation processes are started by making a flow model by building a boundary fitted structured grid system to generate mesh and then solve governing equations for each control volume by using discretization with finite volume method. To couple the solving of governing equations between phases (liquid-gas) Volume of Fluid (VOF) method is used. Geometric reconstruction was applied to track the interface. This research was carried out by modeling a pipe with 25 mm diameter and the length of 0,5 m with 100 grid cells at the axial and 2x35 cells at the radial direction. The results of the simulations show that the annular flow occurred at certain velocity of superficial velocity of gas (Jg) and superficial velocity of liquid (Jl). The adding of water mass flow rate will increase film thickness. The adding of gas flow rate will increase film fluctuations frequency and at certain condition cause the water lifting with various phenomena of onset flooding. The velocity profile and velocity vector direction can show the characteristic of the annular flow, when the direction of the film velocity is reversed that show the lifting of water which indicates flooding.

Kata Kunci : Aliran dua fasa,Aliran cincin,Metode numerik,Finite volume,Volume of fluid, two-phase flow, annular flow, numerical method, volume of fluid