Studi kasus ini melakukan analisis perpindahan panas konveksi paksa pada pipa berbentuk ellipse menggunakan perangkat lunak CFD. Analisis dilakukan untuk aliran udara dengan kecepatan 0,5-1,5 m/s pada pipa dengan diameter 10 cm dan panjang ellipse 20 cm yang dijaga konstan pada 333K. Hasil simulasi CFD menunjukkan laju perpindahan panas tidak berbeda lebih dari 5% dari perhitungan manual berdasarkan persama

1. Studi Kasus: Analisa Perpindahan Panas Konveksi Paksa pada Penampang Pipa Ellipse
Menggunakan CFD
1
Ali Hasimi Pane1
Mahasiswa Magister Teknik Mesin USU-Medan, ALP Consultant Owner
Telp: 0813 7093 4621, Email: ali.h.pane@gmail.com
Abstrak
Tulisan ini adalah merupakan analisis perpindahan panas pada pipa berpenampang ellipse dengan menggunakan
perangkat lunak CFD. Analisis dilakukan untuk aliran keadaan steadi, incompressible, laminar, dan dua dimensi. Pipa
berpenampang ellipse dengan diameter 10 cm dan dan panjang ellipse 20 cm, dengan temperatur dinding dijaga konstan
pada 333K. Kemudian dialiri udara yang sejajar dengan kecepatan bervariasi dimulai dari 0,5 m/s, 1 m/s, dan 1,5 m/s
pada temperatur udara lingkungan 303K. Untuk analisis ini diperoleh variasi bilangan Reynolds adalah 5714 ≤ Re ≤
17141. Persamaan bilangan Nu yang sesuai literatur untuk kasus ini dirumuskan Nu = 0,28 Re0,612 . Pr1/3. Kemudian hasil
akhir perhitungan untuk besaran laju perpindahan panas baik dari persamaan literatur [1], [2] maupun dari simulasi
CFD tidak berbeda terlalu jauh atau lebih kecil dari 5%.
I.
Pendahuluan
II.
Perumusan Masalah
Perpindahan panas pada pipa yang dialiri fluida baik
sisi dalam dan sisi luarnya adalah salah satu kasus yang
Untuk mendapatkan tujuan-tujuan yang dimaksud,
banyak dijumpai dalam bidang engineering. Kasus ini dapat
pada tulisan ini dilakukan analysis pada masalah yang
dijumpai pada analysis perpindahan panas konveksi melalui
sangat sederhana. Pada suatu pipa berpenampang ellipse
pipa kalor, radiator, kondensor, pipa-pipa boiler, dan
dengan diameter 10 cm dan 20 cm dimana temperatur
lainnya. Oleh karena itu, pengetahuan dan penjelasan
dinding dijaga konstan pada 333 K, kemudian udara
fenomena perpindahan panas yang terjadi pada dinding
lingkungan mengalir pada kecepatan bervariasi dengan
pipa/silinder sangat dibutuhkan.
temperatur 303 K. Skema dari pipa dan aliran udara seperti
pada gambar berikut ini.
Pada dasarnya dalam literatur-literatur perpindahan panas,
seperti [1], [2], dana [3], banyak dijumpai persamaanpersamaan empiris dapat digunakan karena memiliki
tingkat keakurasian dan telah divalidasi melalui eksperimen
laboratorium, untuk menentukan koefisien perpindahan
panas konveksi pada dinding pipa, baik aliran internal
maupun eksternal.
Gambar 1. Domain Computasional
Tujuan dalam tulisan ini akan menguji persamaanpersamaan empiris yang telah dirumuskan secara analitik
Kondisi batas yang digunakan pada daerah perhitungan
seperti pada referensi [1, 2, dan 3] dengan menggunakan
seperti pada gambar 1 adalah AD sebagai sisi masuk
perangkat lunak komersial CFD. Perangkat lunak yang
(velocity inlet) udara dengan kecepatan seragam yaitu 0,5,
digunakan adalah FLUENT. Hasil dari perangkat lunak
1, dan 1,5 m/s, temperatur udara dijaga konstan yaitu 303
tersebut akan dibandingkan langsung terhadap hasil
K, AB dan CD sebagai sisi bawah dan atas (symetric), BC
referensi tersebut.
sebagai sisi keluar (pressure outlet) dijaga sama pada

2. Dengan
III. Tinjauan Pustaka
menggunakan
teknik
similaritas
persamaan
temperatur dapat dipecahkan, maka persamaan koefisien
konveksi lokal [1,2]:
h  0,332 Pr1 / 3 k
u
vx
…7
Dan koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata untuk
sepanjang permukaan [1,2]:
h
Gambar 2. Konveksi paksa pada dinding luar pipa
1 L
 h dx
L 0
…8
Udara yang mengalir kepermukaan luar dinding pipa adalah
Fluida yang digunakan dalam menyelesaikan tugas ini
diasumsikan sebagai gas ideal dan incompressible. Asumsi-
adalah dipilih udara pada temperatur film 45oC dengan sifat
asumsi lain yang digunakan dalam penyelesaian tugas ini
fisik: k = 0,02699 W/m. K ; v = 1,75 . 10-5 m2/s ; Pr =
adalah aliran pada pipa dalam kondisi steady, aliran
0,7241 ; cp = 1007 J/kg. K ;  = 1,109 kg/m3, dan
laminar, dua dimensi, sedangkan efek difusitas dan
1,941 kg/ m. s.
=
gravitasi dapat diabaikan. Dengan pengasumsian tersebut,
maka persamaan aliran (governing equation) yang akan
IV. Metode Numerik
dianalisis adalah:
Persamaan pembentuk aliran (governing equations)
a. Persamaan kontinuitas
u v

0
x y
akan didiskritisasi dengan menggunakan teknik volume atur
…1
(disebut grid). Dalam proses diskritisasi persamaan
momentum dan energi, digunakan orde pertama upwind
b. Persamaan momentum
scheme. Untuk menhubungkan medan kecepatan dan
  2u  2u 
u
v
p

u
v

 

 x 2 y 2 
x
y
x


medan tekanan digunakan algoritma SIMPLE. Perhitungan
…2
iterasi akan dihentikan jika kriteria konvergen telah
dipenuhi, dengan kata lain iterasi berhenti jika tidak
  2v  2v 
u
v
p

u
v

 

 x 2 y 2 
x
y
x


…3
temperatur rata-rata pada sisi masuk dan keluar tidak terjadi
perubahan lagi.
c. Persamaan energi
u
  2T  2T
T
T
k
v

 

 x 2 y 2
x
y c p





Dalam penyelesaian persoalan (gambar 1), ditetap-kan
…4
grid pada masing-masing kondisi batasnya. Grid pada
kondisi batas yang tepat dan memenuhi kriteria konvergen
Pada saat jenis aliran pada pipa adalah jenis aliran sedang
akan memberikan hasil validasi yang akurat.
berkembang laminar penuh, maka koefisien perpindahan
konveksi berdasarkan hukum Newton pendinginan:

q  h(Ts  T )   k
T
y
Dalam tulisan ini, akan ditentukan jumlah grid kondisi
batas yang berbeda pada setiap persoalan kecepatan udara
…5
masuk, kriteria penentuan grid tersebut diharapkan tidak
y 0
memberikan persentase perbedaan yang besar terhadap
atau
k
h
T
y
hasil perhitungan literatur
y 0
(Ts  T )
Ali Hasimi Pane
Telp: 0813 7093 4621
…6
ali.h.pane@gmail.com
2

3. - Untuk kecepatan udara masuk u = 0,5 m/s
Dengan demikian laju aliran perpindahan panas dapat
Pada sisi kondisi masuk (AD) dan sisi keluar (BC) dengan
ditentukan dengan persamaan:
jumlah grid 80, bidang simetri (AB dan CD) dengan jumlah
Q  hAs (Ts  T )
grid 100, dan pipa sebagai dinding dengan jumlah grid 45.
…12
dimana As  L  2  [(r12  r2 2 ) / 2] adalah luas keliling
pipa ellipse dan L diasumsikan dalam satu satuan panjang
- Untuk kecepatan udara masuk u = 1 m/s
Pada sisi kondisi masuk (AD) dan sisi keluar (BC) dengan
jumlah grid 90, bidang simetri (AB dan CD) dengan jumlah
pipa tersebut.
120
Nu = 0.255 Re0.612
grid 100, dan pipa sebagai dinding dengan jumlah grid 70.
- Untuk kecepatan udara masuk u = 1,5 m/s
Pada sisi kondisi masuk (AD) dan sisi keluar (BC) dengan
jumlah grid 100, bidang simetri (AB dan CD) dengan
Nu
90
60
30
jumlah grid 150, dan pipa sebagai dinding dengan jumlah
grid 90.
0
0
5
10
Re
Jumlah grid tersebut akan dilakukan uji komputasi atau
simulasi CFD untuk semua kecapatan udara masuk dan
2020 103
x
15
Gambar 3. Bilangan Nu sebagai fungsi dari bilangan Re
temperatur dinding pipa yang telah ditentukan dalam tugas
Tabel 1. Hasil perhitungan laju perpindahan panas (Q)
V.
Hasil dan Diskusi
Analisa perhitungan untuk koefisien perpindahan panas
konveksi pada permukaan pipa berpenampang ellipse,
dengan kecepatan udara (sebagai media pendingin)
bervariasi dari 0,5, 1, dan 1,5 m/s. Sementara bilangan
Reynold ditentukan dengan menggunakan persamaan [1],
[2]:
u D
Re  
…9

Dengan persamaan tersebut diperoleh variasi bilangan
Reynold 5714 ≤ Re ≤ 17141, jadi bilangan Re ini
memenuhi syarat terhadap asumsi aliran yang terjadi yaitu
aliran laminar karena bilangan Re masih dibawah bilangan
5
Re kritis 5 . 10 sebagai batas aliran turbulen.
Bilangan Nusselt yang merupakan fungsi dari
bilangan Re, maka bilangan Nu rata-rata dapat diperoleh
dengan persamaan:
Nu ave 
Dalam
tugas
% Error
2,87
2,60
1,97
225
Hitungan manual
CFD
200
175
150
125
100
0.25
berdasarkan
…10
literatur
[1]
Nu ave  0,248  Re 0,612  Pr1/ 3
0.5
0.75
1
1.25
1.5
1.75
Kecepatan udara masuk (u) dalam m/s
untuk
menentukan bilangan Nusselt digunakan persamaan:
Ali Hasimi Pane
Telp: 0813 7093 4621
0,5
1
1,5
Laju
Perpindahan
Panas (Q)
(Simulasi atau
CFD) (W)
105,07935
160,18213
204,04053
75
have  D
k
ini,
Laju
Perpindahan
Panas (Q)
(Hitungan
manual) (W)
102,14698
156,11905
200,08924
Kecepatan
Udara (u)
(m/s)
Laju perpindahan panas (Q)
dalam W
ini.
Gambar 4. Hasil perhitungan manual dan CFD pada
kecepatan udara masuk yang berbeda.
…11
ali.h.pane@gmail.com
3

4. Gambar 4. Distribusi temperatur pada u = 1 m/s
Gambar 3. Distribusi temperatur pada u = 0,5 m/s
Gambar 5. Distribusi temperatur pada u = 1,5 m/s
Ali Hasimi Pane
Telp: 0813 7093 4621
ali.h.pane@gmail.com
41

5. VI. Kesimpulan
Dari analisa perpindahan panas konveksi paksa pada
pipa berpenampang ellipse yang telah dilakukan baik
dengan menggunakan persamaan literatur [1], [2], maupun
dengan menggunakan simulasi CFD. Dalam proses
penyelesaian analisanya diasumsikan bahwa aliran dalam
kondisi steadi, dua dimensi, laminar, dan inkompresibel.
Dan sebagai parameter hasil yang diperhatikan adalah
besaran laju perpindahan panas yang terjadi. Maka hasil
analisa dari kedua metode tersebut, terutama CFD dengan
menentukan jumlah grid yang tepat, tidak menunjukkan
perbedaan yang terlalu besar atau lebih kecil dari 5%.
Daftar Pustaka
[1]. Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Incropera/
DeWitt/ Bergman/ Lavine, Sixth Edition.
[2]. Heat and Mass Transfer; A Parctical Approach,
Yunus A Cengel, Third Edition.
Biography
Ali Hasimi Pane,
Mahasiswa magister (S2) Fakultas
Teknik, Jurusan teknik mesin
USU–Medan, dengan konsentrasi
studi konversi energi.
Sarjana Teknik (S1) selesai pada tahun 2004 dari Institut
Teknologi Medan (ITM), konsentrasi studi konversi
energi.
Ali Hasimi Pane
Telp: 0813 7093 4621
ali.h.pane@gmail.com
5