SIMULASI NUMERIK POLA ALIRAN PLUG AIR-UDARA PADA PIPA HORISONTAL MENGGUNAKAN EULERIAN MODEL

Qidun Maulana Binu Soesanto, Dr. Deendarlianto, S.T., M. Eng.,

2014 | Tesis | S2 Teknik Mesin

Fenomena pola aliran plug air-udara didalam pipa horisontal disimulasikan menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD). Simulasi dilakukan pada domain komputasi 3 dimensi, transient, menggunakan software komersial FLUENT 3.26. Model aliran multifase yang digunakan adalah Eulerian model. Eulerian model menyelesaikan persamaan momentum dan kontinuitas untuk setiap fase. Pada simulasi aliran plug, sebelum terbentuknya liquid slug, diawali dengan terbentuknya gelombang pada interface air-udara. Untuk dapat memunculkan Kelvin- Helmholtz instability, yang merupakan awal terbentuknya gelombang, penting untuk membuat perturbasi pada interface air-udara. Pada penelitian ini, perturbasi pada velocity inlet boundary conditions dilakukan dengan dua metode, pertama dengan menggunakan kecepatan sinusoidal untuk kecepatan superfisial air pada velocity inlet boundary conditions, yang kedua dengan mengatur ketinggian air secara sinusoidal pada velocity inlet boundary conditions. Hasil dari kedua metode dibandingkan untuk mengetahui pengaruh kecepatan superfisial air dan udara terhadap panjang gas bubble. Berdasarkan hasil simulasi, dengan semakin besarnya perbedaan kecepatan superfisial antara air dan udara, maka panjang gas bubble semakin pendek. Hal tersebut dikarenakan ketika perbedaan kecepatan superfisal antara kedua fase semakin besar, maka slip velocity pada interface antara kedua fase juga semakin besar. Besarnya slip velocity berpengaruh terhadap besarnya drag force yang merupakan gaya interaksi antara kedua fase. Dengan semakin besar drag force, maka gaya yang mendorong interface air-udara untuk terangkat ke atas semakin besar, sehingga liquid slug terbentuk lebih cepat. Hal tersebut menyebabkan panjang dari gas bubble semakin pendek. Hasil dari simulasi numerik menunjukkan hasil yang baik ketika divalidasi dengan data eksperimen.

Phenomenon of an air-water plug flow regime in horizontal pipes is simulated with Computational Fluid Dynamics (CFD). Simulations performed with 3-dimensional computational domain, transient, using commercial software FLUENT 6.3.26. Multiphase model that used is Eulerian model. Eulerian model solved continuity and momentum equations for each phase. On plug flow regime simulations, before liquid slug has formed, it begins with wave formation at the air-water interface. To be able to appearing Kelvin-Helmholtz instability which is the begining of wave formation, it is necessary to make perturbation at the air-water interface. In this research, perturbation at the velocity inlet boundary conditions is done by two methods, with sinusoidal velocity at the velocity inlet boundary conditions, and a sinusoidal arrangement of water level at the velcoity inlet boundary conditions. The results from both methods were compared to determine the effect of the superficial velocity of water and air against gas bubble length. Based on simulation results and experimental data, the greater the difference between the water and the superficial velocity of the air, then the length of the gas bubble is getting shorter. That is because when the superficial velocity difference between the two phases increase, then the slip velocity at the interface between the two phases is also getting bigger. The magnitude of the slip velocity effect on the magnitude of the drag force which is the force of interaction between the two phases. The greater the drag force, the force that drives the water - air interface to be lifted to the top is getting bigger, so that the liquid slug is formed faster. This causes the length of the gas bubble is getting shorter. The results of numerical simulations showed good agreement when validated with experimental data.

Kata Kunci : Computational Fluid Dynamic, pola aliran plug, slip velocity, drag force.