oleh: Muhammad Irsyad Hanif_2306227936_Metode Numerik-03
Perpindahan panas atau heat transfer pada fluida merupakan konsep perpindahan energi antara satu atau lebih pada aliran fluida yang mempunyai perbedaan suhu. Penggunaan konsep heat transfer dalam industri berperan penting dalam pemanasan, pendinginan, dan perubahan fase material yang terjadi tersebar dalam berbagai jenis industri, seperti power plan, petrokimia, sistem pemulihan panas, dan lain sebagainya.
Metode pengkajian heat transfer mengalami perjalanan yang panjang dalam perkembangannya. Berawal dari era sebelum masehi yang mana teori panas sudah ditemukan oleh beberapa filsuf yunani, seperti Aristoteles (350 SM). Pada abad ke-17, Ilmu Termodinamika sudah ditemukan oleh beberapa ilmuwan, seperti Francis Bacon, Galileo Galilei, dan Robert Boyle. Pada abad ke-18, konsep matematis dan praktik experimental telah ditemukan oleh beberapa tokoh ilmuwan seperti, Joseph Black yang memperkenalkan konsep kalor laten dan kapasitas panas dan Antoine Lavoisier (1743–1794) yang mengembangkan teori kalorik, berupa anggapan bahwa panas sebagai fluida yang mengalir. Pada abad ke-19, seorang ilmuwan bernama Jean-Baptiste Joseph Fourier merumuskan Hukum Konduksi Panas pada tahun 1822 yang biasa kita sebut sebagai Hukum Fourier. Dengan persamaan diferensial untuk konduksi panas, yaitu:
dengan keterangan:
Karya tersebut akhirnya menjadi dasar untuk analisis transfer panas secara matematis. Pada abad yang sama, perkembangan heat transfer dilanjutkan dengan metode eksperimental dan empiris yang mana ilmuwan seperti Osborne Reynold memperkenalkan Bilangan Reynolds untuk mengkarakterisasi aliran fluida. Persamaan yang dirumuskan ialah:
dengan keterangan:
Dihasilkan kriteria dalam Bilangan Reynolds:
a. Aliran Laminar Re < 2000
Aliran ini merupakan jenis aliran yang teratur dengan lapisan-lapisan fluidanya bergerak sejajar. Contoh dari aliran ini adalah aliran air yang terjaid pada bagian dalam pipa kecil dengan kecepatan aliran air yang rendah.
b. Aliran Transisi: 2000 < Re < 4000
Aliran transisi merupakan jenis aliran yang tidak stabil yang mana aliran jenis ini bisa berubah menjadi aliran laminar atau aliran turbulen.
c. Aliran Turbulen: Re > 4000
Aliran turbulen merupakan jenis aliran yang tidak teratur yang memiliki banyak pusaran (eddy currents) dan terjadi pencampuran fluida. Contoh dari aliran jenis ini adalah aliran udara di sekitar sayap pesawat saat pesawat sedang mengudara.
Ernst Schmidt, seorang ilmuwan yang berhasil membuat batas termal terlihat dan untuk mendapatkan koefisien perpindahan panas lokal melalui uji eksperimental dalam karyanya berupa majalah berjudul “Graphical Difference Method for Unsteady Heat Conduction”. Ia juga merumuskan persamaan bernama Bilangan Schmidt dengan persamaan:
dengan keterangan:
Pada abad ke-20, pendekatan visual berupa grafis dan analitis sudah dirumuskan. Bebarapa metodenya ialah, metode grafis yang digunakan dalam memvisualisasikan distribusi suhu dan flusk panas, khususnya dalam sistem 2D dan metode Heisler Charts untuk menyelesaikan masalah perpindahan panas transien pada gemetri sederhana.
Pertumbuhan industri yang semakin cepat dan maju membutuhkan analisis heat transfer yang semakin cepat, efisien, dan tepat agar dapat memenuhi kebutuhan client dan menyelaraskan diri dengan perkembangan yang ada. Dengan demikian, dibutuhkan sebuah ‘sistem’ dalam melakukan kajian dan analisis heat transfer yang dapat memenuhi hal-hal tersebut yang mana lebih unggul dibandingkan metode konvesional.
Akhirnya pada pertengahan 1900-an, ditemukanlah sebuah metode sekaligus program bernama Computational Fluid Dynamics (CFD). CFD mulai dikomersialkan pada tahun 1980-an dan menjadi tools penting dalam penelitian, pengembangan produk, industri, dan desain teknik hingga saat ini.
Dalam kelas metode numerik yang diampu oleh Prof. Dr. Ahmad Indra, kita sebagai mahasiswa diajarkan dalam menyelesaikan persoalan numerik dengan CFD menggunakan software CFDSOF. Pada kesempatan kali ini, studi kasus yang diberikan adalah menghitung konduksi/transfer panas dari plat baja dengan spesifikasi seperti berikut:
Link youtube pengerjaan studi kasus di CFDSOF:
Didapatkan grafik residu:
Didapatkan hasil kontur:
Didapatkan grafik Plot XY (dengan posisi: 4):
Didapatkan grafik Plot XY (dengan posisi: 10):
Referensi:
Cruz, P. A. D., Yamat, E. J. E., Nuqui, J. P. E., & Soriano, A. N. (2022). Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis of the heat transfer and fluid flow of copper (II) oxide-water nanofluid in a shell and tube heat exchanger. Digital Chemical Engineering, 3, 100014. Retrieved March 3, 2025, from https://doi.org/10.1016/j.dche.2022.100014
Pendidikan Fisika PPS UM. (2010). Sejarah termodinamika. Retrieved March 3, 2025, from https://id.scribd.com/doc/224304729/sejarah-termodinamika
UCLA Department of Mechanical and Aerospace Engineering. (n.d.). Pioneers in heat transfer. Retrieved March 3, 2025, from https://www.seas.ucla.edu/jht/pioneers/pioneers.html
