conjugate heat transfer. Di sini saya bahas sedikit lebih dalam, sekaligus melihat bagaimana konsep ini diterjemahkan ke pengaturan di SolidWorks Flow Simulation.
Kenapa tidak bisa dipisah menjadi dua analisis
Cara paling sederhana adalah memisahkan persoalannya: hitung konduksi di pelat aluminium sebagai satu analisis, lalu konveksi di fluida sebagai analisis lain. Masalahnya, pendekatan ini butuh asumsi yang harus saya tetapkan sendiri, entah suhu dinding kanal, atau koefisien konveksi h. Padahal justru dua hal itulah yang tidak saya ketahui.
Pada cold plate, ketergantungan ini kelihatan jelas. Fluida yang masuk di inlet masih dingin, sehingga penyerapan kalornya kuat. Semakin jauh mengalir, suhu fluida naik dan kemampuan menyerap kalornya menurun, sehingga daerah dekat outlet selalu lebih panas. Pola ini terlihat di kontur suhu paper acuan, dan tidak akan muncul kalau saya memaksakan satu nilai koefisien konveksi yang seragam.
Inti persoalannya ada di permukaan sentuh antara aluminium dan fluida. Di situ berlaku dua syarat sekaligus:
- Kontinuitas suhu, suhu permukaan padat sama dengan suhu fluida yang menempel di permukaan itu
- Kontinuitas fluks kalor, kalor yang keluar dari padatan lewat konduksi sama dengan yang diterima fluida lewat konveksi
Syarat kedua bisa dituliskan sebagai:
q″konduksi = q″konveksi
−ks · (dT/dn) = h · (Tdinding − Tfluida)
dengan gradien suhu dievaluasi tepat di permukaan dinding kanal
Sisi kiri adalah kalor yang merambat lewat konduksi di aluminium, sisi kanan kalor yang diserap fluida lewat konveksi. Keduanya harus bernilai sama karena permukaan dinding tidak punya volume, jadi tidak bisa menyimpan energi, berapa pun kalor yang tiba di situ, sebanyak itu pula yang harus diteruskan ke fluida.
Yang bikin persoalannya terkopel, Tdinding muncul di kedua sisi dan nilainya belum diketahui. Solver harus menghitung medan suhu di padatan dan medan aliran di fluida secara bersamaan sampai kedua sisi benar-benar sama di semua titik permukaan.
Sisi mana yang menjadi penghambat
Konduktivitas aluminium 202,4 W/m·K, jauh lebih besar dibanding air yang hanya 0,6 W/m·K. Artinya konduksi di pelat jauh lebih lancar dibanding konveksi di fluida, sehingga hambatan utamanya ada di sisi fluida.
Kesimpulan ini praktis untuk saya. Perbaikan performa lebih mungkin didapat dari hal-hal yang mempengaruhi konveksi, kecepatan aliran, luas permukaan kontak, dan bentuk kanal, daripada dari mengubah sisi padatannya. Dan memang itulah yang divariasikan di paper acuan.
Penerapan di Solidworks Flow Simulation
Dari sisi pengaturan, ada beberapa hal yang paling menentukan:
Mengaktifkan Heat conduction in solids. Ini opsi paling krusial. Tanpa diaktifkan, Flow Simulation hanya menyelesaikan domain fluida dan pelat aluminiumnya tidak ikut dihitung sama sekali.
Menentukan material padat. Aluminium harus didefinisikan sebagai solid material dengan konduktivitas termal sesuai paper acuan.
Memastikan domain fluida tertutup. Untuk analisis internal, volume fluida harus tertutup rapat. Ujung inlet dan outlet perlu ditutup lid, dan tutup itulah yang nanti jadi tempat kondisi batas dipasang.
Perhatian ke mesh di dinding kanal. Karena seluruh pertukaran kalor terjadi di permukaan sentuh, resolusi mesh di daerah itu sangat menentukan. Ini yang membedakan meshing kasus CHT dengan aliran biasa, daerah paling kritis ada di dinding, bukan di tengah aliran.
