Diktat

Mekanika Kekuatan Material V

Prof. Dr. Tjokorda Gde Tirta Nindha, ST, MT

Nip:197201161998031004

Teknik Mesin

Universitas Udayana 2017

Daftar Isi

Perilaku Difusi dalam Matriks Organomodified Clay Berbasis Polimer ................. 421

Efek dari Butiran Nano Komposit pada Raman dan Sifat Magnetis ...................... 435

Elemen Terhingga Berdasarkan Pendekatan Layerwise Untuk Analisa Statis dan

Dinamis untuk Plat Lapis Bertumpuk ................................................................. 444

Evaluasi Bahan dari Pemotongan Material dalam Memutar

X20Cr13 Besi Tahan Karat ................................................................................ 455

Pentingnya Pemodelan Fisik untuk Simulasi dari Arus Turbulen Reaktif .............. 460

Pengaruh keragaman Panjang penampang pada

penyemprotan Supersonik melalui Mikro-nosel : Aplikasi

untuk Proses Pelapisan Cold spray ..................................................................... 472 Pemodelan Pembakaran Bergolak

di Mesin Pengapian Kompresi ............................................................................ 482

Pada Karakterisasi Termal Api Diinduksi Lapisan Asap Semi

Terbatas Kompartemen ..................................................................................... 498

S tudi Numerik Twin Jets yang Menembus Permukaan Halus dan

Permukaan Rata ................................................................................................ 509 Perpindahan Panas dan Massa Menjadi Anulus

Berpori yang Ditemukan di antara dua Silinder

Sirkular Konsentris ........................................................................................... 516

Perpindahan panas dan massa dalam perkembangan

bahan safir titanium doped dengan teknik µ-PD .................................................. 530

Bekerjasama Difusi Ganda Alami Konveksi di dalam sebuah wadah kotak dengan

Vertikal Dinding Sebagian Aktif ......................................................................... 543

421

52th International Meet World Academy of Science, Engineering and Technology, Bangalore (2009)

6. Timoshenko, S.P., Gere, J.M.: Theory of elastic stability. McGrawHill-Kogakusha Ltd, Tokyo (1961).

Perilaku Difusi dalam Matriks Organomodified Clay Berbasis Polimer

Ali Makhlou fi, Djelloul Gueribiz, Djamel Boutassouna, Frédéric Jacquemin dan

Mustapha Zaoui

Abstrak. bahan komposit berdasarkan polimer organik diperkuat oleh nanosheets tanah liat mengalami ekspansi fi kan sangat signifikan karena karakteristik dan kinerja mereka yang terus menerus dalam perbaikan dari hari ke hari. Bahan-bahan ini memiliki kemampuan untuk digunakan dalam berbagai aplikasi industri. Dalam konteks ini, dan sebagai bagian dari pengembangan sumber daya alam di wilayah kami, tanah liat lokal diperlakukan dengan cara yang berbeda dan kemudian digabungkan, dengan spesifik persentase, dalam polimer untuk mendapatkan matriks polimer-tanah liat. Bahan diperoleh kemudian ditandai dengan teknik analisis yang berbeda (XRD, FTIR ...) untuk memeriksa struktur nano-

422

polimer / tanah liat. Sampel dari bahan ini dikenakan gain tes kelembaban untuk mendapatkan ide dari perilaku difusi dan daya tahan di lingkungan basah.

1. Pendahuluan

Kesadaran intens saat ini telah muncul untuk pengembangan bahan polimer diperkuat nano yang disebut nanocomposites. Kelas ini bahan dapat digambarkan sebagai fi ne dispersi ultra llers fi, memiliki setidaknya satu dimensi dalam rentang nanometer dalam media

-bahan tersebut sangat superior dan mungkin tak terduga.

Makhlou fi (&) D. Boutassouna M. Zaoui

Faculté de Technologie, Département de jin des procedes, Université Amar Télidji de Laghouat, Laghouat, Aljazair e-mail: ali.makh1988@gmail.com

D. Gueribiz

Faculté de Technologie, Département de jin Mécanique, Université Amar Télidji de Laghouat, Laghouat, Aljazair

F. Jacquemin

IUT de Saint-Nazaire, 58 rue Michel Ange, BP 420, 44.606 Saint-Nazaire, Prancis

© Springer Internasional Publishing Swiss 2017 T. Boukharouba et al. (eds.), Mekanika Terapan, Perilaku Bahan, dan Rekayasa Sistem, Catatan Kuliah di Teknik Mesin, DOI 10,1007 / 978-3-319-41468-3_34

sifat fungsional dibandingkan dengan komposit konvensional [1, 2]. Sifat transportasi molekul kecil, terutama di hadapan kedap llers nano fi dan perbanyakan interface biaya / polimer, dapat menyebabkan peningkatan sifat penghalang oleh efek tortuositas terkait dengan pengendalian laju difusi pada interface [3-6 ].

Berbagai jenis partikel dari berbagai sifat dan bentuk dapat dimasukkan ke dalam matriks polimer, dan partikel-partikel ini sering partikel anorganik terutama pengisi mineral [7, 8]. Tanah liat alami adalah salah satu penjepit anorganik yang digunakan, dan mudah untuk diekstraksi lebih jauh. Mereka mewakili pesaing sempurna untuk penguatan matriks polimer [9, 10]. Fitur ini menjelaskan pengembangan komposit dengan matriks organik dibandingkan dengan rekan-rekan mereka dengan matriks keramik dan logam. Dalam kerangka ini, penelitian ini memiliki dua tujuan utama: yang pertama adalah sintesis dan karakterisasi nano komposit polimer-clay dengan menggunakan lempung lokal

423

organomodi. Yang kedua adalah studi tentang perilaku difusi dan daya tahan komposit tersintesis saat mengalami beban kelembaban.

2. Bagian Eksperimental

Kedua jenis matriks yang dipilih: matriks termoplastik (PS polystyrene dikomersialkan oleh Arkema dengan berat molekul Mw = 348.800 g / mol), dan resin termoseter polester matriks yang disediakan oleh perusahaan Polymir, yang memiliki kepadatan 1.8- 2,2 g / cm3 dan viskositas 300-400 cps, dan konten stirena dalam matriks ini adalah 32-42%. Liat baku yang digunakan dalam pekerjaan ini adalah tanah liat lokal dari wilayah Sidi Makhlouf utara wilaya dari Laghouat. CTAB setiltrimetilamonium bromida (M = 364,45 g / mol) digunakan dalam organophilic dimodifikasi tanah liat.

2.1 Persiapan Sodium Clay (Clay-Na)

Perlakuan awal dari tanah liat mentah oleh natrium homoionisation tidak hanya untuk menghilangkan semua fase kristal (kuarsa, kalsit ...), tetapi juga untuk mengganti semua kation yang dapat ditukar dari berbagai jenis dengan kation natrium yang identik [11, 12]. Untuk mendapatkan tanah liat natrium homoion (lempung-Na), 100 g tanah liat dimasukkan ke dalam gelas kimia yang mengandung cukup banyak larutan natrium klorida (1 N), suspensi kemudian diaduk selama 6 jam. Operasi ini diulang 03 kali, lalu tanah liat mengalami beberapa pencucian dengan air suling untuk menghilangkan kelebihan garam. Untuk mengambil partikel tanah liat berukuran lebih kecil dari 2 pm, dengan perhitungan sederhana berdasarkan hukum Stokes [13].

2.2 Modifikasi Organik dari Tanah Liat

Dalam tabung erlenmeyer, 10 g arg-Na ditempatkan dengan 1 L air saringan Diaduk secara magnetis selama 30 menit pada suhu kamar. Di dalam tabung Erlenmeyer lainnya, 20 mmol asetilkrimetilamonium bromida (CTAB) dilarutkan dalam 100 ml air suling dengan menggunakan pengaduk magnet. Kedua larutan dicampur dengan kuat selama 1 jam dengan alat ultrasuara dan diaduk selama 3 jam pada suhu 80 ° C. Setelah meninggalkan solusi semalam, endapannya tersaring dan dicuci beberapa kali dengan air suling panas (80 ° C) sampai hilangnya ion Br yang terdeteksi oleh larutan AgNO3 (0,1 M). Kemudian dikeringkan pada suhu 60 ° C selama 24 jam. Tanah liat OM yang diukir oleh organ tanah liat digiling dalam ukuran mortar dan partpembuatan nanokomposit [14, 15].

2.3 Elaborasi dari Nanokomposit Polimer-Clay

2.3.1 Matriks Termoplastik (Polystyrene / Organomodified Clay)

424

Sebagai nanokomposit tanah liat Polystyrene / organomodi fi le disiapkan dengan cara proses pelarut, dengan menggunakan kloroform sebagai pelarut. Dalam tuang volumetrik, 10 g PS dilarutkan dalam 100 ml kloroform dan dicampur dengan bantuan pengaduk magnet selama 4 hari pada suhu kamar. Dalam labu volumetrik lain, jumlah tanah liat organofilik yang dihitung (3, 5 dan 10%) terdispersi dengan baik dalam 60 ml kloroform menggunakan pengaduk magnet selama 4 hari pada suhu 60 ° C. Setelah pembengkakan selama 4 hari, suspensi dan solusinya dicampur dengan alat mandi ultrasonik selama 2 jam. Akhirnya campuran dikeringkan pada suhu kamar selama 5 hari untuk membiarkan menguapkan pelarut dan kemudian dimasukkan ke dalam oven vakum selama 24 jam pada suhu 60 ° C [16, 17].

Diagram berikut (Gambar 1) merangkum metode pembuatan polistirena nanokomposit / tanah liat organomodi.

2.3.2 Matriks Termoset (Poliester/Organomodif Tanah Liat)

Jumlah resin poliester UP yang cukup dan jumlah yang berbeda (3, 5 dan 10% berat) lempung yang dipilih (sebelumnya dikeringkan dalam oven vakum) ditambahkan. Campuran diaduk dalam bak ultrasonik pada suhu kamar untuk waktu yang diperlukan untuk mendapatkan dispersi homogen. Selanjutnya, 2% katalis berat ditambahkan dan

Gambar. 1 Prosedur pelaksanaan sistem PS / OM-clay dilakukan dengan proses pelarut

425

campuran dihomogenisasi secara manual, dan setelah itu, piring disiapkan dengan menuangkan campuran ke dalam cetakan.

Siklus penyembuhan dilakukan dalam oven, pertama untuk 1 jam pada 50 ° C untuk menghilangkan udara yang terperangkap, kemudian selama 1 jam pada suhu 80 ° C menghasilkan ikatan silang, dan akhirnya selama 1 jam pada 130 ° C untuk memastikan konversi total [18 ]. Prosedur lengkap sintesis film poliester-liat diilustrasikan pada diagram di bawah ini (Gambar 2).

2.4 Metode Karakterisasi

2.4.1 Difraksi Sinar X

XRD adalah metode yang banyak digunakan saat mempelajari tanah liat untuk menentukan struktur dan juga jarak basal mereka. Namun, dalam penelitian kami, analisis oleh XRD dilakukan hanya untuk mengetahui sifat tanah liat yang disematkan di komposit. Kami digunakan untuk semua karakterisasi XRD sebuah merek QC PANalytical X'PertPRO difraktometer. Sumber sinar-X adalah tabung keramik yang dilengkapi dengan anoda tembaga yang dilengkapi dengan voltase 45 kV dengan arus 40 mA. Panjang gelombang yang digunakan adalah 1,54 Å.

2.4.2 Inframerah Spektrofotometri Fourier-Transform

Analisis infra merah dilakukan dengan menggunakan merek spektrofotometer Fourier-transform Perkin Elmer 1720-X ", pada kisaran 500-4000 cm-1 dengan resolusi 2 cm -1. Sampel dikondisikan dalam bentuk dispersi dalam tablet KBr (berat 1/200). Studi tentang difusi air dalam komposit sangat penting, terutama jika kita mempertimbangkan bahwa dalam kasus tertentu, pembengkakan memiliki pengaruh besar pada komposit dan sifat-sifatnya.

Dalam penelitian ini, kami akan mencoba menyelidiki kinetika difusi air suling dalam nanokomposit kami dan menentukan koefisien difusi air dalam nanokomposit yang dikembangkan. Pengujian difusi air dilakukan dengan cara merendam sampel pada air suling pada suhu kamar. Semua sampel diprediksi di bawah vakum sampai berat konstan. Sampel kemudian ditarik keluar dari air, dikeringkan dengan hati-hati dengan kertas tisu dan ditimbang pada penyimpangan yang telah ditentukan sebelumnya. Jumlah yang disebarkan setiap kali dihitung dengan:

426

Koefisien difusi efektif (Deff) diperoleh sesuai dengan persamaan berikut [6, 18]:

Dimana

adalah kemiringan bagian awal (linier) dari kurva Mt (%) sehubungan dengan t1 /

2.Mmax adalah jumlah maksimum air yang teradsorpsi, h adalah ketebalan sampel.

3. Diskusi dan Hasil

Kurva difraksi untuk tanah liat mentah, lempung natrium dan lempung organomodi fi n ditunjukkan pada Gambar 3. Difraktogram natrium tanah liat menunjukkan pemurnian tanah liat yang sangat baik dengan hilangnya beberapa garis karakteristik fase kristal (dalam bentuk kotoran). Kami juga mencatat bahwa jarak interlayer telah menurun (9,97 Å di tanah liat mentah menjadi 8,51 Å di tanah liat Sodium). Kami juga mencatat bahwa jarak interlayer telah menurun (9,97 Å di tanah liat mentah menjadi 8,51 Å di tanah liat Sodium). Penurunan ini disebabkan oleh penghilangan kation Ca2+, Mg2+ et K+ yang diganti dengan jari-jari atom Na+ yang lebih kecil. Difraktogram tanah liat Xilinx menunjukkan hamparan pergeseran sudut yang melewati dari 10,38 ° sampai 5,48 ° yang menunjukkan bahwa ini adalah peningkatan jarak interlayer dari 8,51 Å untuk tanah liat Sodium menjadi 16,10 Å untuk tanah liat organofilik, yang memperkuat interkalasi ion alkilammonium ke dalam ruang. awalnya ditempati oleh ion natrium (Gambar 4).

427

3.1.2 Analisa FTIR

Hasil analisis FTIR lempung (raw, sodium, organophilic) disajikan pada Gambar 5.

Pada spektrum inframerah natrium tanah liat, kami mencatat hilangnya beberapa pita yang mencirikan fase kristal (kotoran), sebagai contoh pita seperti 915, 798

Gambar. 3 Difraktogram sinar-X merah,sodium dan organomodif tanah liat

Gambar. 4 Gambaran dari rantai alkil yang berada di tanah liat organofilik

428

dan 694 cm-1 karakterisasi kuarsa dan 1394 cm-1 mengkarakterisasi kalsit CaCO3 . Spektrum ini benar-benar menegaskan kepekatan bagus dari tanah liat. Tinjauan spektrum tanah liat organofilik menunjukkan puncak penyerapan baru yang terletak pada 2925 dan 2854 cm-1 yang dikaitkan dengan getaran valensi kelompok CH2, pita yang berada pada 1468 cm-1 terkait dengan getaran deformasi pada kelompok yang sama, dan ini menunjukkan bahwa kelompok organik ada di dalam tanah liat.

3.2 Nanokomposit Polimer-Clay

3.2.1 Analisa XDR

Hasil karakterisasi XRD dari tanah liat polistirena-organomodi dan nanokomposit liat poliester-organomodifikasi ditunjukkan pada Gambar 6. Pada difaktogram x-ray nano kom-

Gambar 5 spektrum IR lempung

mentah, natrium dan

organomodifikasi

Gambar 6 difraktogram sinar-X

dari: tanah liat yang diusahakan,

nanokomposit PS / OM-tanah liat

dan nanokomposit UP / OM-tanah

liat untuk tingkat pengisi yang

berbeda

429

posit PS / OM-clay dan nanocomposites UP / OM-clay, kami melihat dua puncak lebar yang sesuai dengan polimer namun tidak ada puncak yang sesuai dengan lempung yang muncul, dan dengan demikian kami menemukan bahwa pengelupasan tanah liat terjadi pada matriks polimer.

3.2.2 Analisis FTIR

Hasil yang diperoleh ditunjukkan pada Gambar 7. Spektrum inframerah nanokomposit PS / OM-clay dan UP / OM-clay (Gambar 7) menunjukkan kemunculan pita pada 1028 cm-1 yang sesuai dengan pemanjangan Si-O ikatan, yang intensitasnya meningkat dengan tingkat pengisi, dan yang membuktikan adanya tanah liat di dalam matriks polimer.

Gambar 7 Spektrum IR

nanocomposites PS / OM-clay dan

nanocomposites UP / OM-clay pada

tingkat pengisi yang berbeda

430

3.3 Difusi dalam Nanokomposit

3.3.1 Study Kinetik

Gambar 8 menyajikan kinetika difusi air dalam nanokomposit (lempung polistirena, lempung poliester-OM) pada suhu kamar. Delapan kurva kinetika difusi menunjukkan perilaku yang sama. Namun, seseorang dapat melihat bahwa kurva dapat dibagi menjadi dua bagian: bagian pertama yang mewakili peningkatan yang signifikan dan cepat dalam tingkat difusi dari waktu ke waktu, dan bagian ini ditandai oleh peningkatan massa dan volume (diameter dan ketebalan) dari sampel, dan seiring waktu berlalu, difusi molekul air dalam jaringan terjadi. Molekul ini akan mencoba menyeimbangkan konsentrasi di dalam jaringan maupun di luar.

Setelah waktu tertentu rasio pembengkakan mengambil nilai maksimum yang tidak berubah dari waktu ke waktu, ini adalah bagian kedua yang menjadi ciri munculnya kurva bengkak ini. Pada tahap sampel, kami mencatat bahwa massa dan volume

Gambar 8 Kinetika difusi air dalam nanokomposit: a.UP / OM-clay, b. PS / OM-clay

431

Jaringan tetap sama: kita dapat mengatakan bahwa ada manifestasi ekuilibrium termodinamika. Ekuilibrium ini berada pada tingkat molekuler karena elastisitas rantai makromolekul yang, setelah mencapai regangan maksimumnya, mereka akan melawan penetrasi air di dalam jaringan. Fenomena ini mungkin dipengaruhi oleh panjang rantai dalam kasus polimer linier atau panjang rantai antara titik silang. Dengan demikian, pengaruh tingkat hubungan silang jaringan sangat penting, dan jumlah yang sangat kecil dapat mengubah sifat mekanik jaringan.

3.3.2 Koefisien Difusi

Gambar 9 menyajikan evolusi rasio massa Mt (%) terhadap waktu akar kuadrat (di s1 / 2) untuk uji difusi air dalam dua nanokomposit.

Gambar 9 Kurva difusi air di dua

nanokomposit:

a.UP/OM-clay

b.PS/OM-clay

432

(polystyrene / OM-clay, polyester / OM-clay). Tabel 1 menyajikan efek penambahan tanah liat pada jumlah air yang diserap oleh nanocomposites dan pada koefisien difusi.

Nilai dari Tabel 1 menunjukkan bahwa penambahan tanah liat mengurangi kapasitas adsorpsi air pada nanokomposit PS / organomodifikasi meningkatkan nilai koefisien difusi (1,147 × 10- -8 mm2 / s ). Hal ini terutama disebabkan oleh interkalasi polimer di galeri tanah liat melalui jembatan hidrogen yang terbentuk antara gugus hidroksil polimer dan gugus OH dari tanah liat. Akibatnya, jumlah situs yang mampu menarik molekul air akan menurun.

Dalam kasus nanokomposit polyester-clay, sebaliknya cukup dicatat (Tabel 1), dan banyak penulis telah melaporkan bahwa difusi air di nanokomposit poliester-clay terutama dipengaruhi oleh dua faktor:

dengan demikian menyerap air lebih dari hampir semua polimer yang digunakan sebagai matriks, yang mengarah ke peningkatan kandungan air kesetimbangan sebagai fungsi dari jumlah tanah liat.

matriks dapat mengurangi mean free path molekul air melewati jaringan nanokomposit dibandingkan dengan matriks murni, yang mengarah untuk menurunkan penyerapan air.

Dengan demikian, sulit untuk memprediksi keseluruhan efek penggabungan lempung nano pada perilaku terhadap penyerapan air oleh matriks polimer. Meskipun beberapa penelitian telah menunjukkan bahwa penyerapan air dan air dapat dikurangi dengan penggabungan lempeng nano dalam matriks thermosetting, konsekuensi dari modifikasi lempung pada penyerapan air dan mekanisme yang mengatur proses difusi belum sepenuhnya

Tabel 1 Jumlah air M (%) pada ekuilibrium dan koefisien difusi efektif (Deff) untuk nanocomposites PS / OM-clay dan UP / OM-tanah liat yang dicelupkan ke dalam air berkenaan dengan kandungan di tanah liat.

433

diklasifikasi. Sebagai contoh, Ollier et al. [18] menjelaskan bahwa kemampuan senyawa untuk menyerap air rendah dan meningkat dengan kandungan bentonit. Peningkatan penyerapan air ini disebabkan kemampuan bentonit untuk menjaga molekul air.

4. Kesimpulan

Tujuan dari penelitian ini adalah pengembangan dan karakterisasi nanokomposit polimer-liat dan studi difusi pada nanokomposit ini. Pertama-tama kami melakukan modifikasi tanah liat dengan memperkenalkan gugus alkil amonium. Modifikasi ini memiliki dua kepentingan:

Perbaiki afinitas lempung berkenaan dengan polimer karena sintesis nanokomposit terjadi dalam medium organik.

Meningkatkan jarak basal tanah liat untuk memungkinkan penyisipan polimer di antara lapisan-lapisannya.

Analisis FTIR menunjukkan bahwa secara pasti ada perubahan pada tanah liat, dengan munculnya pita serapan baru yang terkait dengan kelompok fungsional agen interkalasi.

Analisis XRD menunjukkan adanya peningkatan jarak kisi yang 8,51 Å untuk natrium tanah liat dan mencapai 16,1 Å untuk tanah liat organofilik.

Kedua hasil analisis ini menyatakan bahwa modifikasi tanah liat benar-benar berhasil. Nanokomposit yang diperoleh ditandai dengan XRD dan FTIR:

1. XRD tidak mengungkapkan puncak difraksi tanah liat di dua matriks, yang merupakan tanda struktur pengelupasan, dan susunan lembaran tidak lagi dilakukan secara teratur; Oleh karena itu, jarak interlayer bisa menjadi terlalu besar untuk batas perangkat.

2. FTIR menunjukkan bahwa memang ada lempung di komposit matriks dengan munculnya karakteristik penyerapan pita tanah liat. Intensitas band meningkat dengan tingkat pengisi.

Studi difusi air di nanokomposit nanokomposit polistiren / organofilik menunjukkan bahwa penambahan jumlah tanah liat mengurangi kapasitas adsorpsi air dan meningkatkan nilai koefisien difusi. Kami perhatikan sebaliknya dalam kasus nanokomposit polyester-clay. Kedua hasil ini terutama terkait dengan penyisipan polimer di galeri tanah liat.

Referensi

1. Yehia, A.A., et al.: J. Mater. Des. 33, 11 19 (2012) 63, 94 100 (2012)

3. Kim, J.K., et al.: J. Compos. Technol. 65, 805 813 (2005) 4. Almari, H.: J. Mater. Des. 42, 214 222 (2012)

434

5. Becker, O., et al.: J. Eur. Polymer 40, 187 195 (2004) 6. Kaushik, A., Ahuja, D., Salwani, V.: J. Compos. Part A 42, 1534 1541 (2011) 7. Utracki, L.A.: J. Nanosci. Nanotechnol. 8, 1582 1596 (2008) 8. Lai, S.Q., et al.: J. Macromol. Mater. Eng. 290(3), 195 201 (2005) 9. LeBaron, P.C., Wang, Z., Pinnavaia, T.J.: J. Appl. Clay Sci. 15, 11 29 (1999) 10. Thostenson, E.T., Li, C., Chou, T.W.: J. Sci. Technol 65, 419 516 (2005)

435

Efek dari Butiran Nano Komposit pada Raman dan Sifat Magnetis Abderrahmane Younes, Nacer Eddine Bacha, Mourad Zergoug, Mokrane Gousmine, Heider Dehdouh dan Amirouche Bouamer Abstrak Perpaduan berbasis besi-kobalt menunjukan sebuah sifat Raman dan properti magnetis yang menarik, dengan temperatur Curie tinggi, saturasi magnetis tertinggi, permeabilitas tinggi, serta kehilangan dan oksidasi parsial Fe dan Co yang rendah. Harga paduan ini telah dibatasi, semenjak penemuannya oleh Elmen pada 1929, untuk aplikasi dimana volumenya sedikit dan tingkat magnetik yang tinggi sangat dibutuhkan. Sintering adalah prosedur formasi dan pemadatan sebuah material. Kami telah menyiapkan perpaduan kristalin ukuran nano dengan cara penggilingan mekanis didalam sebuah bola giling PM400 dengan energi, planetari yang tinggi. Morfologi, struktur mikro, karakterisasi magnetik oleh bubuk giling telah diinvestigasikan beberapa kali dengan electron mikroskopi, difraksi X-Ray, sampel manometer getar, dan spektroskopi Raman. Jumlah koersivitas bertambah selama penggilan dari waktu 0.018 hingga 185.9 Oe dan saturasi magnetis dari 42.7 hingga 51.1 emu/g. A. Younes M. Zergoug M. Gousmine H. Dehdouh A. Bouamer Research Center in Industrial Technologies, CRTI, P.O. Box 64, 16014 Cheraga, Algiers, Algeria e-mail: a.younes@csc.dz M. Zergoug e-mail: m.zergoug@csc.dz M. Gousmine e-mail: m.gousmine@csc.dz A. Bouamer e-mail: a.bouamer@csc.dz A. Younes N.E. Bacha Laboratory of Surface Treatment & Materials, University of Saad Dahleb, Ouled Yaïch, Blida, Algeria e-mail: younesabdo11@gmail.com H. Dehdouh Ceramics laboratory, University of frères mentouri, Ain El-Bey Road (25000), Constantine, Algeria e-mail: h.dehdouh@csc.dz © Springer International Publishing Switzerland 2017 T. Boukharouba et al. (eds.), Applied Mechanics, Behavior of Materials, and Engineering Systems, Lecture Notes in Mechanical Engineering, DOI 10.1007/978-3-319-41468-3_35

1 Pendahuluan

Perpaduan besi kobalt secara signifikan memiliki medan magnetik yang halus yang biasanya digunakan pada industri.dibandingkan dengan polikristalin, dan struktur nano material ini sudah menunjukkan proprietas magnetik yang superior, seperti permeanilitas yang lebih tinggi dan koersivitas yang lebih rendah dikarenakan adanya satu konfigurasi domain. Tetapi, properti magnetis oleh material nano dipengaruhi oleh

436

struktur mikronya seperti besaran butir, regangan internal dan struktur kristal. Mikrostruktur dari material struktur nano adalah faktor yang yang penting untuk meningkatkan properti magnetiknya. Paduan Mekanis (MA) adalah sebuah metode dengan keunggulan yaitu kemudahan pengoperasian dan menghasilkan bubuk nanostruktur dalam jumlah banyak pada waktu yang singkat. Dalam pengerjaan ini, efek dari struktur mikro pada bidang magnetik dan optikal dipelajari dengan teknik yang berbeda. Campuran FeCo disiapkan dengan Paduan Mekanis (MA), campuran struktur mikro dianalisa oleh mikroskop elektron dan difraksi X-Ray, properti magnetis dan optikal ditunjukkan oleh sampel getar magnetometer dan analisa Raman. 2 Hasil dan Diskusi

Besi murni (kadar besi>99%) dan kobalt yang didapatkan digunakan sebagai material yangbelum dihaluskan. Mereka dicampur dan diaduk secara terpisah untuk mendapatkan komposisi besi kobalt (wt%) yang dicari. Proses perpaduan mekanikal dilakukan dalam bola giling PM400 dengan energi planetari tinggi. Bubuknya ditutup dalam tabung silindrikal dengan bola besi. Rasio bola dan bubuk adalah 15:1, dan rotasi tabung mencapai 300 rpm. Waktu penggilingan berkisar dari 0 hingga 40 jam untuk menginvestigasi efek waktu terhadap properti bubuk yang didapat. Untuk menghindari panas berlebih dalam penggilingan, proses penggilingan diikuti oleh jeda 15 menit setiap 30 menit kerja.

Ada 3 tahapan dalam penggilingan mekanik yaitu tahap awal, tahap tengah dantahap akhir. Gambar 1 menunjukkan morfologi dari bubuk yang digiling dalam waktu berbeda. Pada pertama kali penggilingan, partikel bubuk FeCo digepengkan dengan gaya kompresi yang disebabkan oleh bola besi. Secara bersamaan perbedaan besar partikel diamati. Proses dari pengelasan dan retakan terlihat secara signifikan pada formasi struktur lamellar dikarenakan oleh deformasi plastik. Setelah penggilingan yang lebih lama didapatkan penghalusan yang lebih terlihat dan pengurangan ukuran partikel. Bentukdan ukuran partikel lebih mirip dibandingkan dengan penggilingan pertama.

Gambar.1 Struktur mikro bubuk FeCo dari berbagai macam penggilingan: a 5 jam, b 40 jam

437

2.1 Analisa Raman

Analisa dengan spektroskopi -Raman dilakukan pada sampel kami, dengan sebagai sitasi sumber dan optikal sebesar 10 mW. Semua puncak ini didapatkan dengan menggunakan sebuah objektif x50. Dengan menaikan volume analisis dari x50, spectra memastikan bahwa observasi dari mode berbeda. Gambar 2 menunjukkan representatif spektrum Raman dalam sampel Fe-Co dengan waktu penggilingan yang berbeda mulai dari 5 hingga 40 jam (5, 10, 15, 25, dan 40 jam). Mode aktif dari besi oksida muncul pada kisaran 226 dan 296 cm-1 untuk -Fe2O3, pada kisaran 568 cm-1 untuk Fe3O4 dan pada kisaran 686 untuk CoFe2O4. Hasil ini sudah didiskusikan pada literatur. Puncak terletak pada kisaran 1330 cm-1 pada rentangan D, dan keberadaan busa ini mengkonfirmasikan bahwa adanya inkorporasi dari kobalt dalam penumbuhan selama membuat paduan dengan gilingan, kami menyadari bahwa formasi ini dimulai saat penggilingan selama 10 jam, yang diharapkan adanya formasi nano komposit Fe-Co.

2.2 Analisa Struktur

Formasi kinetik dan evolusi ukuran kristalin, tegangan dalam dan parameter kisi dari bubuk besi kobalt selama proses penggilingan telah diamati menggunakan teknik X-Ray. Rata-rata dari ukuran kristalin dan tegangan dalam ditentukan dengan metode Hall Williamson (Gambar 3). Setelah 40 jam penggilingan, ukuran kristalin berkurang hingga

Gambar 2 Spektrum -Raman dari paduan FeCo pada waktu penggilingan yang berbeda (5, 10, 15, 25, dan 40 jam)

438

menjadi 40 nm sedangkan tegangan dalam bertambah. Gambar 4 menunjukkan evolusi dari parameter kisi oleh perpaduan besi kobalt sebagai fungsi penggilingan waktu. Sebuah kenaikan drastis dalam parameter kisi hingga 12 jam penggilingan dan naik secara konsisten hingga 40 jam. Sifat ini dijelaskan pada fase pertama, dengan difusi kobalt kedalam campuran besi dan/atau disebabkan oleh proses penggilingan. Pelemahan pada tahap dua dapat dijelaskan oleh sebuah ekuilibrium dinamik diantara efek penggilingan dan restorasi material.

Efek dari ukuran butiran dalam komposit nano pada Raman

Gambar 3 Ukuran kristalin dan tegangan dalam dari bubuk FeCo selama waktu penggilingan

Gambar 4 Parameter kisi dan tegangan dalam dari bubuk FeCo pada waktu penggilingan

439

2.3 Respon Magnetik

Properti magnetik adalah sebuah faktor penting dalam pengidentifikasian oleh perilaku magnetik lembut. Koersivitas tinggi dikarenakan oleh tegangan internal, pori-pori, kemurnian, dan kecacatan dikarenakan proses penggilingan. Gambar 5 menunjukkan kurva magnetik paduan campuran FeCo, dan relasi properti magnetik seperti saturasi magnetik, koersitivitas, dan sisa magnetik dapat diperoleh. Sisipan ini menunjukkan pembesaran yang berkoresponden oleh loop hitresis yang dekat dengan asalnya. Hal ini menunjukkan perbedaan yang sering terjadi dalam saturasi magnetik, koersivitas dan sisa megnetisasi, dll. Saturasi magnetik umumnya dianggap sebagai mikrostruktur independen dan sangat bergantung pada komposisi kimiawi. Saturasi magnetik adalah parameter penting lainnya dari sudut pandang magnetik yang bertambah jika waktu penggilingan ditambah. Seperti ditunjukkan pada Gambar 6, saturasi magnetik mencapai jumlah maksimum pada waktu penggilingan 5 jam, dan mulai berkurang dengan penambahan waktu hingga 10 jam. Koersivitas sebelum sintering menunjukan kenaikan umum dengan penggilingan, dibandingkan dengan saturasi magnetik. Hal ini sangat teratribut oleh pengurangan pada magneto-kristalin anisotropi yang dikarenakan penghalusan butiran, yang menyebabkan mudahnya rotasi oleh dinding asal. Penghalusan butiran menghilangkan anisotropi kristalin magneto yang dikarenakan efek rata-rata oleh orientasi magnetisasi butiran ukuran nano acak. Perlaku magnetik ini sama seperti kebergantungan dari kekuatan mekanik pada ukuran butir. Ini bisa dimengerti dalam artian efek analogi ukuran butir pada pergerakan dinding asal dan dislokasi, secara bersamaan, magnetik bawah dan bidang tegangan. Saturasi magnetik sangat bergantung pada komposisi kimiawi oleh atom lingkungan sekitar dan struktur elektroniknya. Saturasi Magnetik naik sedikit dari awal fase hingga 10 jam. Tren ini diatributkan oleh formasi padatan solid pada -Fe Co dan transfer antara atom Fe dan Co.

440

Gambar 5 Loop histeresis dari bubuk Fe-Co yang digiling dalam waktu berbeda sebelum dan sesudah sintering

441

Gambar 6 Variasi dari Saturasi Magnetik dengan Waktu Penggilingan Sebelum dan Sesudah Sintering

Gambar 7 Variasi dari Sisa Magnetik dan Saturasi Magnetik dengan Waktu Penggilingan Sebelum dan Sesudah Sintering

442

Sisa magnetisasi dan saturasi magnetik menunjukkan grafik zigzag yang naik dengan penaikan waktu penggilingan sebelum sintering seperti pada Gambar 7. Jumlah koersivitas sebelum sintering naik selama penggilingan dari 0.18 sampai dengan 185,9 oe, tapi sesudah sintering, kami memiliki pengurangan hingga 15 jam lalu adanya penaikan hingga 40 jam (Gambar 8). 3 Kesimpulan

Parameter struktur, optikal dan magnetik dari struktur magnetik nanomaterial oleh paduan mekanis mampu ditentukan menggunakan metode tidak merusak. Faktor struktur mikro seperti besaran biji merubah properti magnetik. Angka koersivitas bertambah selama penggilingan dari 0.18 sampai dengan 185,9 oe, dan saturasi magnetik dari 42.7 hingga 51.1 emu/g, lalu koersivitas dari paduan FeCo sangat bergantung dengan mikrostruktur. Saturasi magnetik mencapai angka maksimum pada waktu penggilingan 10 jam dan berkurang dengan menambahkan waktu setelah 10 jam. Koersivitas sebelum sintering menunjukkan pertambahan secara umum dengan penggilingan berkontras dengan saturasi magnetik. Saturasi magnetik sangat bergantung dengan komposisi kimiawi dari atom lingkungan sekitar dan struktur elektriknya. Proses sintering dan penggilingan mempengaruhi property magnetik pada paduan FeCo. Karakterisasi oleh teknik lama memastikan bahwa penambahan Co dimulai dari pertumbuhan bentuk paduan FeCo selama waktu penggilingan. Dimulai dari 10 jam penggilingan, hingga puncak terbesar pada 1338 cm-1 untuk 10, 15, 25, dan 40 jam sampel merupakan hasildari penghalusan partikel yang mencapai skala nano.

Referensi

1. Lesile-Pelecky, D.L., Rieke, R.D.: Magnetic properties of nanostructured materials. Chem. Mater. 8(8), 1770 1783 (1996) 2. Herzer, G.: Nanocrystalline soft magnetic materials. J. Magn. Magn. Mater. 157(158), 133 136 (1996) 3. Gleiter, H.: Nanostructured materials: state of the art and perspective. Nanostruct. Mater. 6, 3 14 (1995) 4. Turgut, Z., Scott, J.H.M.Q., Huang Majetich, S.A., Mchenry, M.E.: Magnetic properties and ordering in C-coated FexCo1 x alloy nanocrystals. J. Appl. Phys. 83(11), 6468 6470 (1998) 5. Yu, R.H., Basu, S., Zhang, Y., Xiao, J.Q.: Magnetic domains and coercivity in FeCo soft magnetic alloys. J. Appl. Phys. 85(8), 6034 6036 (2000) 6. Fecht, H.J.: Nanostructure formation by mechanical attrition. Nanostruct. Mater. 6, 33 42 (1995) 7. Da Silva, S.W., Melo, T.F.O., Soler, M.A.G., Lima, E.C.D., Da Silva, M.F., Morais, P.C.: Stability of Citrate-Coated Magnetite and Cobalt Ferrite Nanoparticles Under Laser Irradiation: A Raman Spectroscopy Investigation. IEEE transactions on magnetics. 39(5), 2645 2647 (2003) 8. Kumar, H., Ghosh, S., Srivastava, P., Kabiraj, D., Avasthi, D.K., Olivi, L., Aquilanti, G.: Stabilization of FeCo alloy phase in FeCo SiO2 nanocomposites. Adv. Mat. Lett. 4(6),

Gambar 8 Variasi dari Koersivitas dengan Waktu Penggilingan Sebelum dan Sesudah Sintering

443

390 397 (2013) 9. Yamada, M., Okumura, S., Takahashi, K.: Synthesis and Film Formation of Magnetic FeCo Nanoparticles with Graphitic Carbon Shells. J. Phys. Chem. Lett. http://www.sciencedirect. com/science/journal/00086223/77/supp/C 1, 2042 2045 (2010) 10. Holodelshikov, E., Perelshtein, I., Gedanken, A.: Synthesis of Air Stable FeCo/C Alloy Nanoparticles by Decomposing a Mixture of the Corresponding Metal Acetyl Acetonates under Their Autogenic Pressure. Inorg. Chem. 50, 1288 1294 (2011)

Wiley-Interscience (2000) 12. Bahrami, A., Madaah Hosseini, H.R.: Preparation of nanocrystalline Fe Si Ni soft magnetic powders by mechanical alloying. Mater. Sci. Eng. B123, 74 (2005) 13. Karimi, L., Shokrollahi, H.: J. Alloys Compd. 509, 6571 6577 (2011)

444

Elemen Terhingga Berdasarkan Pendekatan Layerwise Untuk Analisa Statis dan

Dinamis untuk Plat Lapis Bertumpuk

Mohamed-Ouejdi Belarbi, Abdelouahab Tati, Houdayfa Ounis and Abdelhak Khechai Abstrak Pekerjaan sekarang menghadapi pengembangan sebuah model layerwise quadrilateral terbatas dengan model elemen untuk analisis statis dan bebas getaran sebuah plat lapis bertumpuk. Tak seperti model layerwise lainnya, banyaknya variabel bergantung pada banyaknya lapisan. Model yang terproposis mengambil pemindahan urutan yang lebih tinggi pada bidang untuk inti dan pemindahan urutan pertama untuk bagian muka bidang. Kondisi kompatibilitas dikenakan pada bagian muka interfase lampisan/inti untuk memenuhi perpindahaan interlaminar berkelanjutan. Performa pada formulasi yang diajukan didemonstrasikan dengan membedakan hasil penulis dengan solusi analisa yang ada dan batasan model elemen 1 Pendahuluan

Struktur berlapis membuat penambahan perhatian dalam berbagai macam bidang teknik seperti teknik sipil, automotif, kelautan, pengaplikasian pesawat dikarenakan beban yang ringan dengan kekerasan dan ketangguhan tinggi. Walaupun memiliki banyak keunggulan, kelakuan material ini sangat kompleks karena banyaknya variasi kekuatan dan properti material diantara inti dan permukaan bidang. Teori plat berbeda sudah di ajukan untuk mempelajari lebih lanjut kelakuan material ini. M.-O. Belarbi (&) A. Tati H. Ounis Laboratoire de Génie Energétique et Matériaux, LGEM, Université de Biskra, B.P. 145, R.P, 07000 Biskra, Algeria e-mail: belarbi.m.w@gmail.com A. Tati e-mail: abdeltati@yahoo.fr H. Ounis e-mail: houdayfa.ounis@gmail.com A. Khechai Laboratoire de Génie Civil, LRGC, Université de Biskra, B.P. 145, R.P, 07000 Biskra, Algeria e-mail: abdelhak_khechai@hotmail.fr © Springer International Publishing Switzerland 2017 T. Boukharouba et al. (eds.), Applied Mechanics, Behavior of Materials, and Engineering Systems, Lecture Notes in Mechanical Engineering, DOI 10.1007/978-3-319-41468-3_36 Teori ini sudah bisa di kelompokan sebagai pendekatan satu lapisan (ESL) dimana semua lapisan dianggap sebagai variabel yang sama. Dan pendekatan layerwise (LW). Pendekatan ESL dapat dibagi menjadi tiga teori utama yaitu:

1. Teori Plat Terlaminasi Klasik (CLPT) 2. Teori Deformasi Shear Ordo Pertama (FSDT) 3. Teori Deformasi Shear Ordo Tinggi (HSDT)

445

Akan tetapi, Pendekatan ESL gagal dalam mendapakat kelakuan struktur sandwich

secara akurat. Hal ini diimbangi dalam ESL dengan teori Layerwise dimana setiap pemindahaan dianggap titik tengah permukaan dari setiap laminasi dan menjaga kelanjutan pemindahaan pada interfasi lapisan.

Dalam pengembangan Elemen Terbatas (FE), banyak peneliti mengadopsi pendekatan LW untuk deskripsi struktur berlapis yang bagus. Pada topik ini, kita bisa membedakan pekerjaan Oskooei dan Hansen dan Nabarrete dkk. dimana layerwise tiga dimensi dengan model FE dikembangkan sebagai analisa statis dan bebas getaran. Mereka menggunakan model FSDT untuk lampiran bagian muka. Dicampur, 18-noda model FE (mengasumsikan memliki derajat kebebasan sebesar 6 DOF per noda) untuk evaluasi akurat tentang tegangan melintang didalam plat berlapis terlaminasi. Kontinuitas terhadap perpindahan dan juga tegangan melintang di penuhi. Dengan tambahan Linke dkk mengembangkan formula untuk layerwise FE untuk statis dan stabilitas analisa plat sandwich. Nantinya, sebuah noda sebersar 45 berbentuk segitiga mempunya DOF 7 per noda dikembangkan oleh Ramesh dkk untuk prediksi akurat tegangan laminar dalam plat komposit terlaminasi. Elmalich dan Rabinovitch menggunakan analis dinamis plat sandwich menggunakan empat noda berbentuk segi empat. Akhir-akhir ini, Pandey dan Pradyumna memberi sebuah formulasi plat layerwise berdasarkan urutan tinggi model FE untuk analisa plat lapis bertumpuk statis dan bebas getaran.

Tujuan pekerjaannya adalah untuk mengajukan formulasi layerwise 2D untuk analisa statis dan bebas getaran plat lapis bertumpuk. Tak seperti model layerwise, banyaknya variabel pada model yang ada adalah independen dari jumlah lapisan. Hasil yang didapatkan dari investigasi ini dapat berguna sebagai pengertian yang lebih dalam pembengkokan dan bebas getaran plat sandwich berlapis.

2 Formulasi Matematika

Plat lapis bertumpuk adalah struktur yang terdiri dari tiga lapisan seperti pada gambar 1, dua lapisan permukaan (atas-bawah) dan ketebalahn (ht, hb), dan sebuah lapisan tengah dinamakan ketebalan inti (hc) dimana lebih tebal dari lapisan sebelumnya. Total ketebalan (h) pada plat adalah penjumlahan ketebalan tersebut. Sistem koordinat bidang (x, y) bertepatan pada plat bidang mi.

446

2.1 Pemindahan Medan Inti

Pada model ini, HSDT diadopsikan sebagai lapisan inti. Maka bidang perpindahan dituliskan sebagai urutan ke tiga dari seri pengembangan Taylor dalam perpindahan bidang di koordinat ketebalan, dan sebagai sebuah konstan terhadap pemindahan melintang:

dimana u0, v0 dan w0 terletak di dalam bidang dan pemindahan komponen melintang pada bidang tengah dari plat sandwich, sementara dan sebagai orientasi normal terhadap sumbu x dan y. parameter dan merupakan urutan tinggi dalam seri ekspansi Taylor. 2.2 Relasi Perpindahan Regangan

Relasi kinematis untuk inti adalah:

Gambar 1 Geometri dan notasi sebuat plat sandwich

447

2.3 Perpindahan Permukaan dari Lembaran Permukaan

Lapisan permukaan dibentuk oleh FSDT. Kondisi kompatibilitas dan juga kontinuitas perpindahaan interlaminar (lapisan luar/inti), mengujung pada bidang perpindahan yang lebih baik: 2.3.1 Lapisan Luar Atas

2.3.2 Lapisan Luar Bawah

2.4 Relasi Perpindahan Regangan

Langkah yang sama dilakukan kembali untuk menguraikan hubungan perpindahan regangan pada bagian luar bawah 2.5 Hubungan Konstitutif

Dalam pengerjaan ini, ada dua bagian luar lapisan (atas dan bawah) yang dianggap sebagai komposit terlaminasi. Karena hubungan tengan-regangan untuk lapisan ke k

dalam koordinat global di ungkapkan sebagai:

448

Inti dianggap sebagai material komposit orthotropic, maka hubungan tegangan-regangan dapat ditulis sebagai:

Hasil dari resultan pada inti didapatkan dengan integrasi dari tengangan melalui arah ketebalan dari plat terlaminasi. Maka perhitungan konstitutif dapat ditulis sebagai:

Dimana komponen yang memiliki kekerasan berkurang dari inti didefisikan sebagai:

Menurut teori FSDT, perhitungan konstitutif untuk lembaran luar adalah:

3 Formulasi Elemen Terbatas

Pada pembelajaran ini, sebuah C0 elemen isoparametrik 4 noda, bernama QSFT52 (Sandwich Quadrilateral Pertama DOF-52 Ketiga), dengan tigabelas DOF per noda sudah dikembangkan. Setiap noda mengandung: dua DOF rotasional untuk setiap lembaran muka, enam DOF rotasional untuk inti, sementara tiga DOF translasi adalah hal yang biasa untuk lapisan sandwich (gambar 2). Vektor perpindahan di titik koordinat mana saja (x dan y) pada plat dituliskan sebagai:

449

dimana i adalah pemindahan vektor yang berkoresponden kepada noda i

Prinsip Hamilton digunakan untuk memformulasi masalah statis dan getaran bebas yang dianggap pada pengerjaan ini, dituliskan sebagai:

Dimana t adalah waktu, U adalah energi regangan pada sistem dan T adalah energi kinetik pada sistem. Energi regangan merupakan penambahan kontribusi dari dua lemabaran muka dan satu inti sebagai:

Gambar 2 geometri dan derajat kebasan berkoresponden kepada elemen QSFT52

450

Variasi energi kinetik pada tiga plat lapis bertumpuk dapat diungkapkan sebagai:

Menggunakan prosedur elemen terhingga standar, perumusan diferensial gerakan dapat di tulis ulang sebagai:

Dimana [MT] dan [KT] elemen denote matrik massa dan elemen kekakuan matrik, dan untuk plat sandwich tiga lapisan

Dan elemen matrik massa dapat ditulis sebagai:

4 Hasil dan Diskusi

4.1 Plat Persegi Terlaminasi Tidak Simetris Dikenakan Beban Sinusoidal

Untuk analisa statis, sebuah plat berlapis terlaminasi tak simetris (0/90/C/0/90), semua empat sisi dijepit dan dikenakan beban sinusoidal dipelajari. Properti mekanis material yang digunakan di tulis di Tabel 1. Ketebalan setiap lapisan laminasi adalah 0.05h, dimana ketebalan inti adalah 0.8h, dimana h adalah total ketebalan plat. Analisa ini dilakukan untuk perbedaan rasio ketebalan (h/a = 0.25, 0.1 dan 0.05) dan ukuran mesh yang berbeda (8 x 8, 12 x 12 dan 16 x 16). Angka pada perpindahan melintang tidak dimensional (w) dan tegangan shear 12

451

4.1 Analisa Plat Sandwich Bebas Getaran Memiliki Lembaran Muka Terlaminasi

Tidak Simetris

Plat berlapis yang terlaminasi berbentuk persegi sederhana tidak simetris ` (0/90/C/0/90) dianggap sudah memenuhi performa pada model kami dari plat tipis hingga tebal. Properti mekanis pada plat sandwich di tunjukan pada Tabel 3. Rasio ketebalan (a/h)

Tabel 1 properti material untuk plat berlapis

Tabel 2 Defleksi maksimum normal dan tegangan shear melintang kepada plat berlapis persegi terjepit yang dalam beban sinusoidal terdistribusi

452

dianggap bervariasi dari 2 hingga 100, dimana rasio ketebalan inti hingga ketebalan lembaran muka (hc/hf) dianggap sebagai 10

Perbandingan pada hasil tanpa dimensi dari frekuensi normal

dengan menggunakan ukuran mesh (12x12), ditunjukan pada Gambar 3, hasil tersebut didapatkan dengan solusi elastisitas 3D, hasil analisi berdasarkan HSDT, dan data tersebut didapatkan dengan FEM-Q8 berdasarkan solusi dari Teori Deformasi Shear Urutan Tinggi (GLHSDT). Pada sisi lain, plat berlapis yang sama dianalisa dengan aspek rasio yang berbeda (a/b) mendapatkan hasil yang sama a/h=10 dan hc/hf=10. Dapat dilihat dari

Gambar 3 plat berlapis yang ditopang sederhana dengan bagian muka terlaminasi asimetris untuk rasio ketebalan yang berbeda (a/h). komparasi frekuensi normal

Gambar 4 plat berlapis yang ditopang sederhana dengan bagian muka terlaminasi asimetris untuk rasio aspek yang berbeda (a/h). komparasi frekuensi normal

Tabel 3 Properti material pada plat sandwich terlaminasi

453

Gambar 3 dan 4 dengan model FE memberi hasil lebih akurat dari model yang lain dimana mengkonfirmasi performa dan ketahan baik dari formulasi yang diajukan. 5 Kesimpulan

Dalam pekerjaan ini, sebuah elemen terhingga kuadrilateral model layerwise diajukan untuk analisa plat berlapis banyak statis dan bebas getaran. Model ini memenuhi kontinuitas perpindahan interlaminar. Hasil didapatkan dari model kami dibandingkan dengan hasil yang analisa dari elemen terhingga lainnya yang ada pada literatue tercetak. Hasil ini menunjukan performa, kestabilan, dan kesederhanaan oleh elemen terkembangi QSFT52. Dimana, elemen berpotensi untuk membuat hasil yang banyak hasil baru, dimana diharapkan akan menjadi berguna untuk bidang penelitian kedepannya

Referensi

1. Pandey, S., Pradyumna, S.: A new C0 higher-order layerwise finite element formulation for the analysis of laminated and sandwich plates. Compos. Struct. 131, 1 16 (2015) 2. Oskooei, S., Hansen, J.: Higher-order finite element for sandwich plates. AIAA J. 38(3), 525 533 (2000) 3. Nabarrete, A., De Almeida, S.F.M., Hansen, J.S.: Sandwich-plate vibration analysis: three-layer quasi-three-dimensional finite element model. AIAA J. 41(8), 1547 1555 (2003) 4. Ramtekkar, G., Desai, Y., Shah, A.: Application of a three-dimensional mixed finite element model to the flexure of sandwich plate. Comput. Struct. 81(22), 2183 2198 (2003) 5. Linke, M., Wohlers, W., Reimerdes, H.-G.: Finite element for the static and stability analysis of sandwich plates. J. Sandwich Struct. Mater. 9(2), 123 142 (2007) 6. Ramesh, S.S., et al.: A higher-order plate element for accurate prediction of interlaminar stresses in laminated composite plates. Compos. Struct. 91(3), 337 357 (2009) 7. Elmalich, D., Rabinovitch, O.: A high-order finite element for dynamic analysis of soft-core sandwich plates. J. Sandwich Struct. Mater. 14(5), 525 555 (2012) 8. Khandelwal, R., Chakrabarti, A., Bhargava, P.: An efficient FE model based on combined theory for the analysis of soft core sandwich plate. Comput. Mech. 51(5), 673 697 (2013) 9. Chalak, H.D., et al.: An improved C0 FE model for the analysis of laminated sandwich plate with soft core. Finite Elem. Anal. Des. 56, 20 31 (2012) 10. Pandit, M.K., Sheikh, A.H., Singh, B.N.: An improved higher order zigzag theory for the static

454

analysis of laminated sandwich plate with soft core. Finite Elem. Anal. Des. 44(9), 602610 (2008) 11. Rao, M., et al.: Natural Vibrations of Laminated and Sandwich Plates. J. Eng. Mech. 130(11), 1268 1278 (2004) 12. Zhen, W., Wanji, C., Xiaohui, R.: An accurate higher-order theory and C0 finite element for free vibration analysis of laminated composite and sandwich plates. Compos. Struct. 92(6), 1299 1307 (2010) 13. Kant, T., Swaminathan, K.: Analytical solutions for free vibration of laminated composite and sandwich plates based on a higher-order refined theory. Compos. Struct. 53(1), 73 85 (2001)

455

Evaluasi Bahan dari Pemotongan Material dalam Memutar

X20Cr13 Besi Tahan Karat Tujuan Abstrak dari penelitian eksperimental ini adalah untuk mengevaluasi umur alat setiap bahan potong yang digunakan pada putaran kering baja X20Cr13. Pengujian putaran lurus dilakukan dengan menggunakan bahan pemotongan berikut: karbida dilapisi CVD (GC2015) dan karbida dilapisi PVD (GC1015). Hasil percobaan memungkinkan kita mempelajari pengaruh waktu pemesinan pada flank wear VB dari bahan pemotongan ini dan untuk menentukan umurnya untuk rezim pemotongan ini (kedalaman potong ap = 0,2 mm, laju umpan f = 0,08 mm / putaran dan kecepatan potong Vc = 280 m / menit). Timbul bahwa CVD dilapisi karbida (insert GC2015) lebih tahan pakai daripada memotong material. Umur alatnya adalah 65 menit dan akibatnya, ini adalah yang paling kuat.

1. Pendahuluan

Definisi alat hidup (T) menurut ISO 3685: "Ini adalah waktu total alat pemotong yang dibutuhkan untuk mencapai uji kehidupan yang spesifik" [1]. Praktis umur dievaluasi dengan ukuran keausan flank. Jika meningkat dengan cepat, umurnya menjadi sangat pendek dan sebaliknya. Pada putaran akhir, umur alat diukur dengan waktu pemesinan yang diambil dengan sisipan yang sama sampai penutup sayap mencapai batas yang diizinkan sebesar 0,3 mm. Kenakan merupakan parameter teknologi penting dalam proses pemesinan. Ini adalah latar belakang untuk evaluasi umur alat dan kualitas permukaan [2, 3]. Yallese dkk. [4] telah menunjukkan bahwa untuk baja 100Cr6, kekasaran permukaan mesin adalah fungsi bentuk kerusakan lokal dan profil keausan alat CBN. Saat menambah Vc, keausan alat meningkat dan mengarah langsung ke penurunan kualitas permukaan. Terlepas dari evolusi tutup sayap sampai batas yang diijinkan VB = 0,3 mm, ketangguhan aritmatika Ra tidak melebihi ntara VB dan Ra dalam bentuk Ra= diusulkan. Koefisien k dan b bervariasi dalam kisaran masing-masing 0,204-0,28 dan 1,67-2,90. Ini memungkinkan tindak lanjut alat itu dipakai.

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengevaluasi keausan flank dan untuk menentukan umur setiap material pemotongan pada baja X20Cr13. Uji pemesinan dilakukan pada kondisi kering dengan bahan berikut: GC2015 dan GC1015 (ini adalah "nilai Sandvik Coromant") [5].

Sebuah model, memprediksi flank wear VB dari alat karbida dilapisi CVD (GC2015) dikembangkan. Untuk menghitung konstanta model ini, perangkat lunak Minitab 16 dan Desain-Ahli 8, analisis varians (ANOVA), regresi linier berganda dan metodologi surface response (RSM), dieksploitasi. Analisis varians ANOVA adalah teknik komputasi yang memungkinkan estimasi kontribusi relatif masing-masing faktor kontrol terhadap keseluruhan respons yang diukur. RSM adalah kumpulan teknik matematis dan statistik yang berguna untuk pemodelan dan analisis masalah dimana respon minat dipengaruhi oleh beberapa variabel dan tujuannya adalah untuk mengoptimalkan respon [6, 7].

456

2. Prosedur Eksperimental Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah baja tahan karat martensitik yang ditunjuk sebagai X20Cr13. Komposisi kimia referensi ditunjukkan pada Tabel 1. Karena ketahanan korosi dan kekerasannya yang relatif penting (sekitar 180HB), digunakan secara luas untuk banyak aplikasi seperti alat untuk pengolahan makanan, pembedahan, kontainer kimia dan peralatan transportasi. Potongan kerja digunakan dalam bentuk balok bulat berdiameter 75 mm dan panjang 300 mm. Percobaan pemesinan dilakukan pada kondisi kering menggunakan jenis bubut konvensional SN 40C dengan kekuatan gelendong 6,6 kW. Sisipan pemotongan yang digunakan adalah CVD dilapisi karbida GC2015and PVD dilapisi karbida GC1015. Sisipan ini dilepas, berbentuk persegi dengan delapan potong tepi. Pemegang alat (penunjukan PSBNR2525K12) memiliki geometri bagian aktif, yang ditandai dengan sudut berikut: sudut tajam utama v = 75 °, sudut bantu = 6 °, sudut geledah = -6 °, sudut kemiringan = -6 °. Sebuah model mikroskop Visual Gage 250 diadaptasi untuk mengukur keausan flank alat yang berbeda.

Alat Evaluasi Umur Pemotongan Material

Tabel 1. Komposisi kimia baja tahan karat X20Cr13 (wt%)

457

3. Hasil Eksperimental dan Pembahasan 3.1 Pengaruh Waktu Mesin pada apitan pemakaian VB

Pengujian durasi panjang putaran lurus pada baja X20Cr13 dilakukan. Tujuan dari operasi ini adalah untuk mengetahui kurva keausan sebagai fungsi dari waktu pemesinan dan oleh karena itu alat hidup dari berbagai material pemotongan yang digunakan. Gambar 1 menunjukkan evolusi flank memakai VB versus waktu pemesinan pada f = 0,08 mm / r, ap = 0,2 mm dan Vc = 280 m / menit. Menurut kurva CVD dilapisi karbida (TiN + Al2O3 + Ti (C, N)) GC2015 dan untuk waktu pemesinan 7 menit, flank memakai VB sisipan ini mencapai nilai 0,076 mm. Pada akhir permesinan t = 69 menit, penutup sayap adalah 0,321 mm. Perubahan ini menunjukkan kenaikan sebesar 322,36%. Kehidupan alat sisipan ini adalah 65 menit. Uji permesinan pertama dilakukan dengan karbida dilapisi PVD (TiN + TiAlN) GC1015 menghasilkan pemakaian apitan sebesar 0,06 mm. Untuk waktu pemesinan 15 menit, keausannya VB adalah 0,35 mm, yang menentukan umur alat ini 13 menit. 3.2 Perangkat Hidup dari Pemotong Material Gambar 2 mengilustrasikan umur alat setiap bahan potong. Daya tahan CVD dilapisi karbida GC2015 dan PVD dilapisi karbida GC1015 masing-masing 65 dan 13 menit.

Gambar 1 VB pemotongan bahan versus mesin waktu t

458

Masa pakai alat karbida dilapisi PVD mewakili 20% umur alat CVD dilapisi karbida Hasil ini membuktikan bahwa CVD dilapisi karbida TiN + Al2O3 + Ti (C, N) lebih efisien daripada alat karbida dilapisi PVD. 3.3 Sisi Pemakaian VB dari GC2015

Alat karbida dilapisi CVD TiN + Al2O3 + Ti (C, N) lebih efisien daripada bahan pemotongan lainnya dalam hal ketahanan aus. Inilah sebabnya mengapa kita merasa perlu menganalisa perilaku nuansa ini dalam hal sisi pemakaian VB. Berdasarkan rancangan faktorial, total telah 9 tes dilakukan. Kisaran masing-masing parameter diatur pada tiga tingkat yang berbeda, rendah, menengah dan tinggi. Hasil diberikan pada Tabel 2. Model matematis dari sisi pemakain VB dari GC2015 adalah: VB = 0.0212 0.0272 . Vc + 0.011984 . t + 1.464 . 10-5 Vc . t + 7.2197 . 10-7 Vc2 0.000694 . t2

dimana Vc adalah kecepatan pemotongan; R2 = 99,64%.

Gambar 2 Alat pemotong alat bahan

Tabel 2. Sisi Pemakaian dari GC2015

459

3.3.1 Angka ini diperoleh dengan menggunakan RSM sesuai dengan model

matematisnya.

Plot Permukaan 3D untuk Sisi Pemakaian VB dari GC2015 Masukkan Permukaan 3D dari GC2015 sisi pemakaian VB berlawanan dengan kecepatan pemotongan Vc dan waktu pemotongan t diplot pada Gambar

Gambar 4 Mikrograf untuk VB GC2015 pada ap = 0,2 mm; f = 0,08 mm / rev dan Vc = 280 m / menit

Gambar 3 3D Permukaan plot untuk sisi yang memakai VB GC2015 versus Vc dan t

460

3.3.2 Mikrograf untuk Sisi Pemakaian VB dari Alat GC2015 Untuk rezim yang dipertimbangkan (Vc = 280 m / menit, ap = 0,2 mm dan f = 0,08 mm / rev), flank wear VB dari CVD dilapisi carbide GC2015 menyebar secara teratur. Gambar 4 menunjukkan mikrograf untuk VB dari insert GC2015.

4. Kesimpulan Kesimpulan berikut dapat diturunkan dari studi eksperimental pengeringan baja X20Cr13 ini, yang diolah dengan bahan pemotongan berikut: alat karbida berlapis CVD GC2015 dan alat karbida berlapis PVD GC1015. 1. Umur alat CVD dilapisi carbide GC2015 adalah 65 menit. Sedangkan untuk PVD dilapisi carbide GC1015, umur alatnya adalah 13 menit. 2. Cutting speed mempengaruhi flank wear VB dari GC2015 lebih signifikan daripada cutting time. 3. Studi eksperimental ini menegaskan bahwa pada putaran kering untuk rezim pemotongan yang diuji, CVD dilapisi carbide GC2015 adalah alat yang paling kuat dalam hal ketahanan aus dan umur.

5. Referensi 1. Bouchelagheme, H .: Etude du comportement des outils CBN lors de l'usinage de l'acier benteng allie AISI D3. Skripsi Universitas Guelma, Aljazair (2011) 2. Fnides, B., Yallese, M.A., Aouici, H .: Komposisi à l'usure des céramiques de coupe (Al2O3 + TiC et Al2O3 + SiC) en tournage des pièces trempées. Aljazair J. Adv. Mater 5, 121-124 (2008) 3. Uvaraja, V.C., Natarajan, N .: Optimalisasi parameter proses gesekan dan keausan menggunakan Teknik Taguchi. Int. J. Eng. Technol. 2, 694-699 (2012) 4. Yallese, M.A., Chaoui, K., Zeghib, N., Boulanouar, L., Rigal, J.F .: Mesin keras yang mengeras bantalan baja menggunakan alat boron nitrida kubik. J. Mater. Proses. Technol. 209, 1092-1104 (2009) 5. SANDVIK Coromant: Katalog Général, Outils de coupe SandvikCoromant, Tournage - Fraisage - Perçage - Alésage - Attachements (2009) 6. Dogra, M., Sharma, V.S., Sachdeva, A., Suri, N.M., Dureja, J.S .: Keausan alat, formasi chip dan masalah permukaan benda kerja pada harddisk CBN: tinjauan. Int. J. Precis. Eng. Manuf. 11, 341-358 (2010) 7. Fnides, B., Yallese, M.A., Mabrouki, T., Rigal, J.F .: Penerapan metodologi permukaan respon untuk menentukan model gaya potong dalam alat bantu panas AISI H11 yang mengeras. baja. Sadhana 36, 109-123 (2011) Pentingnya Pemodelan Fisik untuk Simulasi dari Arus Turbulen Reaktif

461

Model fisik abstrak yang diimplementasikan dalam alat komputasi praktis tidak diperlukan secara sistematis untuk simulasi numerik arus turbulen. Bila grid cukup disaring, hasil numerik yang memuaskan dapat diperoleh walaupun skala karakteristik terkecil tidak terpecahkan. Namun, ketika aliran reaktif dipertimbangkan, mekanisme fisik yang terjadi pada skala terkecil dapat mengendalikan karakteristik utama aliran seperti propagasi kecepatan nyala. Oleh karena itu, pengembangan model fisik baru masih diperlukan untuk simulasi numerik praktis aliran reaktif turbulen. Sebuah karya baru-baru ini yang menggambarkan struktur dalam api turbulen yang tersusun dari lapisan yang berbeda disajikan. Studi ini juga membuktikan perlunya memahami secara rinci transisi antara lapisan kimia lambat ke lapisan kimia cepat. Perilaku varians skalar dan fluks skalar turbulen antara kedua kasus batas ini disajikan.

1. Pendahuluan Pesatnya perkembangan alat komputasi untuk dinamika fluida yang terkait dengan peningkatan kecepatan perhitungan komputer memungkinkan membayangkan dalam waktu dekat simulasi numerik langsung dari arus turbulen yang realistis. Namun, kompleksitas sebagian besar aliran turbulen industri atau alami melibatkan rentang skala karakteristik yang sedemikian rupa sehingga jaring yang digunakan untuk simulasi numerik arus ini masih tidak dapat mewakili proses fisik terkecil seperti pembuangan kental atau difusi molekuler spesies. . Dengan demikian, representasi Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) statistik atau Simulasi Eddy Large yang disaring masih perlu dilanjutkan dengan simulasi numerik praktis. Penggunaan metode simulasi semacam itu oleh karena itu menyiratkan upaya pemodelan untuk mewakili dampak dari fenomena yang belum terselesaikan. Meskipun model sangat penting untuk pendekatan RANS, namun sistem ini tampaknya tidak diperlukan secara sistematis dalam simulasi LES. Tanpa model, konveksi yang belum terselesaikan; difusi molekuler dan pembuangan kental dianggap diabaikan atau diimbangi dengan difusi non-fisik dan disipasi dari skema numerik yang digunakan dalam simulasi. Dalam kasus ini, diperlukan jerat yang cukup halus. Dengan demikian, peningkatan kecepatan komputasional secara permanen menimbulkan pertanyaan tentang kegunaan model fisik untuk melakukan simulasi numerik arus turbulen. Namun, beberapa argumen menyoroti pentingnya perkembangan model fisik Pertama, biaya perhitungan kinerja tinggi yang terkait dengan peralatan dan keterampilan teknis spesifik yang diperlukan untuk simulasi numerik membuat alat ini tidak dapat dijangkau sebagian besar penggunaan praktis. Selanjutnya, basis model selalu membutuhkan pemahaman rinci tentang fenomena fisik yang terlibat dalam arus. Meskipun pemahaman ini tidak wajib dilakukan simulasi numerik, penting untuk menganalisis hasilnya dan mengusulkan inovasi teknis. Dengan demikian, pemodelan fisik sangat berguna dan bahkan penting apapun kinerja alat komputasi. Akhirnya, pengembangan model secara khusus diperlukan dalam aliran reaktif yang bergejolak karena skala karakteristik nyala api sesuai dengan skala aliran yang terkecil.

462

Selain itu, pelepasan panas yang kuat yang disebabkan oleh reaksi kimia merupakan sumber energi kinetik pada skala terkecil dan memiliki dampak signifikan pada semua skala aliran. Ekspansi termal mengarah juga untuk melawan transportasi gradien yang merupakan mekanisme segregatif yang berlawanan dengan difusi turbulen. Bagian pertama dari penelitian ini menyangkut strategi pemodelan utama mean dari tingkat kimia dalam api premixed turbulen. Dua batasan kasus dimana struktur nyala api masing-masing sangat tipis dan sangat besar dibandingkan dengan ukuran mesh yang diperkenalkan. Kemudian, ketidakmampuan model batas ini untuk menggambarkan beberapa bagian aliran membawa kita untuk mengajukan deskripsi internal yang lebih halus daroi struktur nyala turbulen. Sikat api digambarkan sebagai terdiri dari lapisan yang berbeda. Akhirnya, kesulitan utama yang terkait dengan pemodelan transportasi turbulen dalam arus kepadatan variabel ini dibahas.

2. Pertimbangan Dasar Pemodelan Tingkat Produksi Kimia pada

Pembakaran Muatan Premix Turbulen Representasi rinci mekanisme reaksi dalam pembakaran bahan bakar hidrokarbon dapat melibatkan ratusan spesies kimia dan ribuan reaksi kimia. Oleh karena itu, masalah simulasi pembakaran memerlukan persamaan skalar sebanyak jenis kimia yang dipertimbangkan dan setiap reaksi mekanisme kimia harus disertakan dalam tingkat produksi ekspresi spesies yang terlibat. Asalkan sekarang skala terkecil tidak terselesaikan oleh komputasi mesh, persamaan pengangkutan untuk fraksi massa dari spesies kimia i harus dirata-ratakan atau disaring:

dimana uk menunjukkan medan kecepatan, densitas campuran, Di koefisien difusi molekul spesies dan i adalah laju reaksi kimia. Hukum Arrhenius yang digunakan untuk ekspresi tingkat bahan kimia adalah sebagai berikut:

dimana A adalah faktor pra-eksponensial, b parameter, Ea energi aktivasi dan R konstanta universal gas. Variasi kerapatan yang kuat yang terjadi dalam nyala api memaksakan penggunaan variabel rata-rata Favre atau variabel filter: Pemodelan dari istilah konveksi yang belum terselesaikan dari Eq. (1) akan didiskusikan pada sesi terakhir

463

2.1 Simulasi Pembakaran Tanpa Model

Strategi yang berbeda dapat dianggap sebagai model istilah sumber yang mewakili tingkat produksi kimia rata-rata. Yang paling sederhana dalam pengertian pemodelan adalah dengan mempertimbangkan bahwa tingkat kimia rata-rata sama dengan tingkat kimiawi dari nilai rata-rata:

Kegunaan dari Eq. memungkinkan menyimpan deskripsi rinci tentang mekanisme kinetik kimia dan dengan demikian memungkinkan pelacakan spesies kimia kecil sebagai polutan. Ekspresi ini dibenarkan baik jika tingkat kimia diasumsikan secara linear bergantung pada fraksi massa dan suhu atau jika pencampuran skalar pada skala yang tidak terselesaikan diasumsikan sempurna, i.e dan Namun, dalam nyala api turbulen, asumsi kedua tidak bertahan karena reaksi kimia diwakili oleh hukum Arrhenius yang sangat tidak linier, lihat Eq Pers. (2), atau asumsi sebelumnya karena struktur api tidak terselesaikan oleh jala. Dengan demikian, strategi pemodelan ini jelas tidak sesuai untuk simulasi pembakaran, walaupun hasil numerik dapat diterima secara kualitatif jika parameter hukum Arrhenius disesuaikan untuk setiap kasus praktis yang dipertimbangkan. Namun, penyesuaian dari begitu banyak parameter mungkin sangat sulit dicapai bila skema kimia kinetik rinci dipertimbangkan. Selain itu, pertimbangan hukum Arrhenius untuk tarif kimia rata-rata juga membatasi mekanisme propagasi gelombang reaktif seperti yang dijelaskan pada bagian berikutnya. Akhirnya, meskipun Pers. 3 dapat menyebabkan hasil kualitatif yang dapat diterima, tidak memungkinkan prediktif dan tidak menjelaskan mekanisme fisik yang memungkinkan api menyebar dalam aliran turbulen.

464

2.2 Pembakaran Mempertimbangkan Api sebagai Penyambung

Dengan demikian, model yang lebih canggih daripada yang diberikan oleh Pers. (3) diperlukan untuk penutupan tingkat kimia rata-rata. Namun demikian, pertimbangan model canggih semacam itu untuk semua tingkat kimia yang saling terkait karena skema kinetik kimia dan yang melibatkan berbagai skala waktu karakteristik adalah tidak terbayangkan Dengan demikian, langkah pertama yang diperlukan untuk menghindari penggunaan Persamaan. 3 adalah untuk mengurangi jumlah persamaan transportasi skalar yang dipecahkan. Untuk melakukannya, mekanisme kimia dapat dikurangi menjadi beberapa langkah atau bahkan ke satu langkah global. Dalam beberapa kasus, skema kinetik kimia rinci masih dapat digunakan jika struktur nyala yang khas dapat dipertahankan dalam aliran. Strukturnya kemudian dihitung awal dan hasilnya disimpan dalam tabel, lihat misalnya [1, 2]. Teknik ini memungkinkan penggunaannya dari satu variabel kemajuan c (x

k,, t), didefinisikan sebagai c = 0 dalam campuran tidak terbakar segar dan c = 1 pada produk pembakaran. Persamaan keseimbangan yang sesuai adalah: Produksi spesies minor sebagai polutan tidak dapat dievaluasi secara tepat dengan menggunakan variabel kemajuan tunggal ini. Namun, variabel ini sangat sesuai untuk mengkarakterisasi zona pelepasan panas utama dari nyala api asalkan model penutupan untuk tingkat kimia rata-rata digunakan. Seperti yang telah dibahas pada paragraf sebelumnya, ketika pencampuran skalar pada skala yang belum terselesaikan diasumsikan sempurna, Persamaan. (3) dapat dianggap sah. Batas yang berlawanan adalah mengasumsikan struktur nyala tak terhingga tipis dibandingkan dengan skala mesh. Dalam kasus ini, fluktuasi skalar yang belum terselesaikan variansi dalam RANS mencampai Maksimum:

Dalam hal ini fungsi kepadatan probabilitas dari variabel kemajuan c menjadi hampir bimodal. Pembakar terdepan kemudian muncul sebagai antarmuka yang memisahkan reaktan segar dari gas yang dibakar sepenuhnya dan dapat digambarkan sebagai entitas geometris. Formalitas geometris yang berbeda telah diusulkan untuk menangani gambar api bercahaya tempel semacam itu. Beberapa didasarkan pada persamaan lapangan (persamaan transport G-field), seperti yang diperkenalkan oleh Williams [3], sementara yang lain bergantung pada konsep kepadatan permukaan api (FSD) atau pada deskripsi kerutan api. Strategi lain menggabungkan pengaruh fluktuasi skalar yang belum terselesaikan berkat pendekatan statistik seringkali melalui pertimbangan fungsi kepadatan probabilitas one-point one-time [4] atau pada tingkat penutupan momen kondisional. Akhirnya, ketika varians mencapai nilai maksimumnya, tingkat pembakaran rata-rata menjadi terkait dengan tingkat disipasi skalar; lihat contoh referensi [5-7]. Hal ini juga dapat dikaitkan dengan faktor segregasi yang didefinisikan sebagai berikut:

465

Dengan demikian, rata-rata tingkat ekspresi kimia menjadi: Dimana I tergantung pada sifat struktur nyala [8]. Semua strategi ini yang menganggap depan api sebagai antarmuka memerlukan penggunaan persamaan transportasi untuk kepadatan permukaan api, tingkat disipasi skalar atau momen orde kedua. Tingkat kimia rata-rata kemudian diperoleh dari pengetahuan penambahan jumlah ini asalkan struktur antarmuka sudah diketahui. Misalnya dalam kasus rezim flamelet pembakaran turbulen, antarmuka dianggap sebagai struktur nyala laminar. Dalam sebagian besar simulasi praktis, mengingat nyala api sebagai antarmuka jauh lebih realistis daripada mempertimbangkan pencampuran sempurna pada skala kecil. Namun, persamaan tambahan melibatkan banyak parameter pemodelan yang sulit dikaitkan dengan jumlah fisik dan harus disesuaikan dengan setiap konfigurasi aliran. Oleh karena itu, hasil yang diperoleh dengan strategi semacam itu tidak dapat dipertahankan untuk penggunaan prediktif praktis. Apalagi model ini tidak menjelaskan mekanisme propagasi gelombang reaktif. Bahkan dapat ditunjukkan bahwa, dalam solusi yang sesuai, propagasi kecepatan dipaksakan oleh fenomena fisik yang tidak diperhitungkan dalam model: yang terjadi di ujung tombak. [9, 10]. Akhirnya, keduanya membatasi kasus: (i) batas kimia lambat dimana skalar yang mencampur pada skala yang belum terselesaikan diasumsikan sempurna, yaitu i.e. dan (ii) batas kimia cepat dimana struktur nyala tak terhingga tipis dibandingkan dengan skala mesh, i.e. yaitu gagal memprediksi perilaku nyala turbulen. Strategi pemodelan ini tidak dapat menjelaskan mekanisme perambatan api.

3. Struktur Pembakaran Premixed Turbulensi Kedua model masing-masing berdasarkan batas kimia lambat dan cepat diperlukan untuk menggambarkan keseluruhan aliran. Dalam rezim flamelet pembakaran turbulen, batas-batas ini tercapai namun berada pada lokasi yang berbeda dalam aliran reaktif. Pada gas-gas segar dan gas-gas bekas yang terbakar dari nyala api yang bergejolak, proses reaktif cukup lambat untuk dipertimbangkan. Persamaan. (3) berlaku. Skema kimia yang rinci dapat digunakan di bagian arus ini. Namun, di dalam sikat api, proses reaktif cukup cepat untuk mempertimbangkan nyala api sebagai antarmuka. Jadi, dalam simulasi numerik, struktur nyala turbulen harus terdiri dari lapisan kimia lambat dimana Persamaan. (3) memegang, diikuti oleh lapisan bimodal kimia cepat dimana Persamaan. (7) memegang Gambar 1 menunjukkan lapisan yang berbeda. Garis iso-c diperketat pada lapisan kimia cepat dan ditempatkan di lapisan kimia lambat.

466

Pada lapisan kimia yang lambat, mekanisme propagasi dikendalikan oleh ekuilibrium antara transportasi turbulen dan produksi kimia . Hal ini mirip dengan mekanisme propagasi nyala api laminar premix yang dikendalikan oleh keseimbangan antara difusi molekuler dan produksi kimia (c) yang terjadi di sisi gas yang terbakar. Dengan demikian, mekanisme propagasi lapisan kimia lambat dikendalikan oleh fenomena fisik yang terjadi pada sisi gasnya yang terbakar dimana lapisan kimia cepat berada. Dengan demikian, lapisan kimia cepat mendorong lapisan kimia lambat. Pada kenyataannya dimana persamaan lapisan kimianya [7] memegang, mekanisme propagasi dikendalikan oleh fenomena fisik yang terjadi di sisi gas segar dimana lapisan kimia lambat berada, lihat studi awal KPP [9]. Dengan demikian, lapisan kimia lambat menarik lapisan kimia cepat.Oleh karena itu, studi tentang mekanisme propagasi di kedua lapisan secara independen mengarah pada hasil paradoks: perambatan setiap lapisan dikendalikan oleh yang lain. Untuk menghindari paradoks ini, kemungkinan pertama adalah mengajukan satu ekspresi untuk rata-rata laju kimiawi yang terus menerus dari lapisan kimia ter-lambat ke ter-cepat. Kemudian, tergantung pada ekspresi laju kimia rata-rata yang dipertahankan, ditarik atau didorong api memperoleh; lihat karya terbaru dari Sabelnikov dan Lipatnikov [10]. Kemungkinan lain adalah untuk mempertimbangkan bahwa transisi antara dua lapisan ini terjadi di zona ketiga: lapisan terdepan. Dengan demikian, lapisan transisi ini mengendalikan propagasi dua yang lain: ia mendorong lapisan kimia yang

Gambar 1 Garis iso-c skematis dalam satu turbulen api bergantian menghasilkan gas segar dan lapisan yang membentuk strukturnya.

467

lambat dan, ia menarik lapisan kimia cepat hilir, lihat Gambar 1. Oleh karena itu, fenomena fisik yang terlibat dalam lapisan ini penting untuk memahami propagasi. mekanisme sikat api. Pendekatan ini konsisten dengan teori titik terdepan [11]. Meski mekanisme propaganda masih belum dipahami, sebuah karya baru-baru ini menjelaskan secara rinci struktur api premixed turbulen [12]. Evolusi laju segregasi melalui lapisan terkemuka dipelajari dalam kasus rezim flamelet pembakaran turbulen. Ekspresi analitis ditemukan oleh Kha et al. [12] untuk nilai tinggi energi aktivasi. Dalam kasus batas dimana lapisan kimia cepat tersusun dari struktur nyala tipis yang tak terhingga, tingkat pemisahan menjadi terkait dengan variabel kemajuan mean berikut ungkapan berikut: dimana variabel peregangan dikenal dengan definisi sebagai berikut : Parameter kecil adalah ketebalan karakteristik lapisan terdepan di ruang komposisi Persamaan (8) sesuai dengan kemunculan struktur api pertama di lapisan terdepan. Dan Pers. (9) sesuai dengan peningkatan tingkat segregasi terhadap batas bimodalitas. Gambar 2 menunjukkan evolusi tingkat segregasi di lapisan terdepan. Dalam kasus batas ini, lapisan kimia lambat [12] juga mempelajari kasus yang berbeda sesuai dengan ketebalan lapisan api yang terbatas. Hal ini juga ditemukan di [12] bahwa ketebalan lapisan terkemuka ini adalah urutan yang sama besarnya dari pada skala turbulen terkecil. Oleh karena itu, dalam konteks simulasi numerik praktis, lapisan ini tidak dapat diatasi dengan jala. Sebuah undang-undang, serupa dengan yang digunakan untuk lapisan batas dinding, harus diperkenalkan pada alat komputasi.

Gambar 2 Evolusi tingkat segregasi

melalui lapisan terkemuka, garis

putus-putus Persamaan. (8) dan

garis padat Pers. (9)

468

Akhirnya, deskripsi terbaru ini mempertanyakan kemampuan alat komputasi saat ini untuk mewakili karakteristik paling penting dari nyala turbulen yang premix, yaitu propaganda. Hasil ini membawa kita untuk fokus pada ekspresi aljabar sederhana untuk tingkat kimia rata-rata itu sendiri daripada memecahkan persamaan transportasi tambahan [13]. Dalam konteks ini, deskripsi mendetail tentang struktur nyala api bercahaya turbulen dapat digunakan untuk mengidentifikasi parameter terpenting dari ekspresi aljabar dari tingkat kimia rata-rata. Hasil ini membawa kita untuk fokus pada ekspresi aljabar sederhana untuk mean tingkat kimia itu sendiri daripada memecahkan persamaan transportasi tambahan [13]. Dalam konteks ini, deskripsi mendetail tentang struktur nyala api bercahaya turbulen dapat digunakan untuk mengidentifikasi parameter terpenting dari ekspresi aljabar dari tingkat kimia rata-rata.

4. Efek Variasi Densitas Apapun model yang digunakan untuk laju kimia rata - rata, perambatan kecepatan gelombang reaktif juga berhubungan langsung dengan mekanisme difusi turbulen yang diinduksi oleh konveksi yang tidak terselesaikan dari Persamaan. (4). Namun, diketahui [14-16] bahwa fluks skalar ini berperilaku sama sekali berbeda tergantung pada nilai tingkat segregasi. Di satu sisi, untuk nilai-nilai kecil S, yaitu lapisan kimia lambat, fluks ini secara klasik dimodelkan oleh sebuah undang-undang gradien: Dengan demikian, konveksi yang tidak terselesaikan dianggap analog dengan difusi molekuler. Di sisi lain, untuk nilai segregasi yang besar, yaitu lapisan kimia cepat, adanya PDF bimodal skalar c mengarah pada:

Dimana dan adalah kecepatan kondisional pada gas segar dan yang terbakar masing-masing.

469

Dengan demikian, fluks skalar yang tidak terselesaikan tidak sebanding dengan gradien variabel kemajuan rata-rata. Dalam arus kerapatan konstan, konveksi yang tidak terselesaikan ini dikaitkan dengan proses pencampuran bahkan jika tingkat segregasinya besar. Dengan demikian, di bawah pengaruh pencampuran turbulen, kantong gas yang terbakar cenderung mendekati kantong gas segar. Dalam hal ini, perbedaan kecepatan memiliki arah yang sama dengan gradien skalar. Lalu, meski bentuk ungkapan Persamaan. (11) dan (12) sangat berbeda, pemodelan mereka dalam konteks arus kerapatan konstan biasanya dianggap sebagai mekanisme difusi berapa pun nilai faktor segregasi. Namun, dalam aliran reaktif, ekspansi termal yang disebabkan oleh reaksi kimia menyebabkan percepatan yang kuat. Fenomena perluasan yang belum terselesaikan ini dapat mengesampingkan efek pencampuran turbulen sehingga kantong gas yang terbakar dan segar berpindah satu sama lain. Akibatnya, perbedaan kecepatan memiliki arah yang berlawanan dengan hukum gradien. Dalam kasus ini, konveksi yang tidak terselesaikan adalah kontra-gradien. Fenomena ini dikenal dengan flek bercahaya turbulen [14-16] namun baru saja jarang dipelajari pada nyala api non premix, lihat Gambar 3. Variasi kerapatan yang bertanggung jawab atas akselerasi yang belum terselesaikan sepenuhnya berkorelasi dengan fluktuasi skalar melalui hukum negara tentang gas. Dengan demikian, Akselerasi yang tidak terselesaikan dapat berhubungan langsung dengan fluktuasi skalar c [15-17]. Ini adalah efek langsung dari ekspansi termal, lihat Gambar 3. Namun, Variasi densitas yang terjadi pada nyala api juga menyebabkan melengkung melengkung di tempat lain di bidang aliran. Efek tidak langsung dari ekspansi termal ini menyebabkan akselerasi yang tidak terselesaikan, lihat Gambar 3. Selain proses kontra-gradien ini, percepatan yang belum terselesaikan yang secara jelas berorientasi pada arah istimewa, lihat Gambar 3, sangat anisotropik. pada skala kecil dan memberikan energi kinetik. Oleh karena itu, efek ekspansi termal berlawanan dengan mekanisme diffusive dan disipatif yang diamati pada aliran turbulen non reaktif. Dengan demikian, efek ini tidak dapat diimbangi dengan difusi dan disipasi buatan yang disebabkan oleh skema numerik yang digunakan pada alat komputasi.

Gambar 3 Ekspansi langsung dan

tidak langsung pada nyala turbulen

premix dan non premix

470

Akhirnya, dengan mempertimbangkan mekanisme simulasi numerik ini penting untuk memprediksi propagasi kecepatan gelombang reaktif serta produksi turbulensi. Evaluasi yang baik terhadap tingkat pencampuran turbulen memang penting untuk mengevaluasi formasi spesies minor, seperti polutan, hilir sikat nyala dimana proses kimia menjadi lambat lagi, lihat Gambar 1. Namun, seperti untuk model tingkat kimia, Model transportasi turbulen harus mengubah bentuknya, dari lapisan kimia lambat, yaitu Persamaan. (11) ke lapisan kimia cepat, yaitu Pers. (12). Transisi antara kedua batasan yang terjadi pada lapisan terdepan ini juga penting untuk mendapatkan hasil yang relevan dari simulasi numerik arus praktis.

5. Kesimpulan Pemodelan fisik arus reaktif turbulen masih diperlukan meski terjadi kenaikan kecepatan perhitungan dan akurasi alat perhitungan yang terkait. Apapun perbaikan grid, selama DNS tidak tercapai, karakteristik praktis utama dari nyala turbulen, yaitu propagasi kecepatan dan produksi polutannya, tidak dapat diatasi dengan simulasi numerik tanpa menggunakan model. Selain itu, pengembangan model membuat biaya komputasi menurun secara signifikan sehingga alat ini dapat diakses oleh komunitas pengguna yang lebih luas. Namun, pengembangan model memerlukan pemahaman rinci tentang fenomena fisik yang terlibat dalam aliran reaktif. Tantangan utama yang diidentifikasi adalah: (i) pemahaman mekanisme propagasi dan deskripsi terkait lapisan terdepan (ii) dengan mempertimbangkan lapisan terdepan dalam simulasi praktis, (iii) dengan mempertimbangkan efek ekspansi termal pada persyaratan konveksi yang tidak terselesaikan .

6. Referensi 1. Paus, S .: Implementasi kimia pembakaran yang efisien secara efisien dengan menggunakan tabulasi adaptif in situ. Membakar. Theor. Model. 1, 41-63 (1997) 2. Oijen, J.V., Goey, L.D .: Pemodelan api laminar premix dengan menggunakan manifold yang dihasilkan oleh flamelet. Membakar. Sci. Technol. 161, 113-137 (2000) 3. Williams F.A., Teori Pembakaran, edn ke-2. Benjamin Cummings (1985) 4. Paus, S .: Metode Pdf untuk aliran reaktif turbulen. Prog. Energi Terbakar. Sci. 11, 119-192 (1985) 5. Mantel, T., Borghi, R .: Model baru propagasi api berkerut premixed berdasarkan pada persamaan disipasi skalar. Membakar. Flame 96, 443-457 (1994) 6. Mura, A., Borghi, R .: Menuju persamaan disipasi skalar diperpanjang untuk pembakaran premix bergolak. Membakar. Flame 133, 193-196 (2003) 7. Bray, K.N.C., Swaminathan, N .: Disipasi skalar dan kerapatan permukaan api pada pembakaran turbulen yang premix. C.R. Mec. 334, 466-473 (2006) 8. Bray, K.N.C., Champion, M., Libby, P.A., Swaminathan, N .: Finite rate chemistry dan diduga pdf model untuk pembakaran premixed turbulen. Membakar. Api 146, 665-673 (2006)

471

9. Kolmogorov, A.N., Petrovskii, I., Piskunov, N .: Sebuah studi tentang persamaan difusi dengan peningkatan jumlah zat dan aplikasinya terhadap masalah biologi. Banteng. Univ. Moskow Ser. Int. A1, 1-16, lihat juga karya terpilih dari A.N. Kolmogorov (Tikhomirov, V.M. ed.) vol. Saya, hlm. 242, Penerbit Akademik Kluwer, London (1991) (1937) 10. Sabelnikov, V., Lipatnikov, A .: Transisi dari ditarik untuk mendorong api bertiup yang premix karena transportasi kontra. Membakar. Model Teori. 17 (6), 1154-1175 (2013) 11. Kuznetsov, V.R., Sabel'nikov, V: Turbulensi dan Pembakaran. Hemisphere Publishing, Baru York (1990) 12. Kha, K.Q.N., Robin, V., Mura, A., Champion, M .: Implikasi laminar flame finite ketebalan pada struktur api premixed turbulen. J. Fluida Mech. 787, 116-147 (2016) 13. Kha, K.Q.N., Losier, C., Robin, V., Mura, A., Juara, M .: Relevansi dasar turbulen model pembakaran premix untuk simulasi akurat dari api berbentuk v. Di: internasional Konferensi Dinamika Ledakan dan Sistem Reaktif, Leeds, Inggris (2015) 14. Veynante, D., Trouve', A., Bray, K.N.C., Mantel, T .: Gradien dan skalar kontra-gradien transportasi dalam api premixed turbulen. J. Fluida Mech. 332, 263-293 (1997) 15. Robin, V., Mura, A., Champion, M .: Efek ekspansi langsung dan tidak langsung termal dalam turbulen api premixed J. Fluida Mech. 689, 149-182 (2011) 16. Robin, V., Mura, A., Champion, M .: Model aljabar untuk turbulen transpor di premixed api. Membakar. Sci. Technol. 184, 1718-1742 (2012) 17. Serra, S., Robin, V., Mura, A., Champion, M: Densitas variasi efek pada difusi turbulen api: pemodelan fluks yang tidak terselesaikan

472

Pengaruh keragaman Panjang penampang pada

penyemprotan Supersonik melalui Mikro-nosel : Aplikasi

untuk Proses Pelapisan Cold spray

Abderrahmane Belbaki and Yamina Mebdoua-Lahmar

Rangkuman dari penyemprotan supersonik melalui nosel mikro digunakan untuk proses pengendapan baru yang diberi nama Cold spray. Di perlukan usaha untuk memahami penyemprotan dengan baik agar dapat meningkatkan efisiensi proses. Analisa numerik 2D dilakukan, dengan menggunakan perangkat lunak komersial ANSYS Fluent 15.0, memprediksi efek keragaman panjang penampang pada penyemprotan supersonik sebelum dan sesudah keluar nosel . Hal ini menunjukkan bahwa ekspansi gradien di dalam nosel berbanding terbalik dengan keragaman panjang penampang , dan berlian guncangan setelah pintu keluar nosel lebih kuat untuk panjang pendek daripada yang lama.

1. Perkenalan Proses Cold spray (CSP untuk kekhasan ilmiah Rusia, dan Metode

Penyemprotan Dinamik Gas Dingin CGSM untuk komunitas ilmiah Amerika) adalah teknik yang dipakai oleh proses pelapisan penyemperotan dingin , Ini dikembangkan pada awal tahun 1980an, di Institut Mekanisme Teoretis dan Terapan dari Cabang Siberia Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia. Ini terdiri dari percepatan partikel kecil,

digulingkan pada media ke kecepatan berkisar antara 300 sampai 1200 m / s, dengan menyuntikkannya ke dalam penyemprotan supersonik gas spesifik: udara, helium, nitrogen, atau campuran gas. Pada partikel berkecepatan tinggi ini menjadi cacat secara plastis dan ini memudahkan ketaatannya terhadap substrat. Namun, ada kecepatan di atas partikel mana yang bisa diendapkan, yang bergantung pada beberapa parameter, antara lain, aliran gas.

Gambar : 1 Proses pelapisan industri yang berbeda

Grujicic dkk. mempelajari pengaruh bentuk nosel pada percepatan partikel dengan menerapkan model isentropik satu dimensi. Peningkatan kecepatan partikel pada saat keluar nosel yang dapat dicapai, dengan merancang nosel yang sedemikian rupa sehingga pada setiap lokasi aksial percepatan partikel harus maksimal. Mereka juga menemukan bahwa penggunaan helium sebagai gas pembawa menghasilkan kecepatan keluar yang jauh lebih tinggi daripada udara. Jen dkk. melakukan penyelidikan numerik mengenai kemungkinan pengendapan partikel nano dan mikrosize melalui proses

473

penyemprotan dingin, dan mengamati bahwa adanya guncangan busur di dekat substrat menghindari partikel ukuran lebih kecil - - dari penetrasi, yang menyebabkan lapisan yang buruk

Untuk penggunaan bagian lurus yang diperpanjang setelah keluar dari nosel, mereka melaporkan bahwa panjang optimalnya mungkin bergantung pada ukuran partikel ,Li melakukan analisis numerik yang melibatkan pengaruh rasio ekspansi nosel, jenis gas, dan kondisi gas operasional pada efisiensi pelapisan penyemprotan dingin. Hasilnya memastikan kelayakan desain yang optimal untuk nosel, penyemprotan yang digunakan dalam ruang terbatas. Karimi dkk menyajikan model numerik dari proses penyemprotan dingin, di mana nosel supersonik yang digunakan berbentuk oval, Mereka juga memasukkan efek orientasi substrat pada efisiensi deposisi partikel. Li dkk. mencoba mengoptimalkan diameter keluar nosel di bawah kondisi penyemprotan yang berbeda, dan mengungkapkan bahwa yang terakhir dipengaruhi oleh beberapa parameter termasuk, kondisi gas, ukuran partikel, panjang rongga divergen, dan diameter tenggorokan. Samareh dan Dolatabadi mengembangkan model pemodelan tiga dimensi sistem semprot dinamik gas dingin dengan pengumpan serbuk non-axisymmetric perifer. Mereka menemukan bahwa tekanan stagnasi berubah karena jarak kebuntuan yang berbeda dengan sifat interaksi aliran supersonik dengan substrat. Mereka juga melaporkan bahwa lokasi substrat optimum untuk kondisi operasi tertentu adalah yang menghasilkan tekanan minimum pada substrat. Li dkk. menyelidiki pengaruh jarak kebuntuan pada karakteristik deposisi lapisan dan menemukan bahwa efisiensi deposisi menurun dengan meningkatnya jarak standoff.

Gambar :1 Proses pelapisan industri yang berbeda Pattison dkk. mempelajari pengaruh jarak kebuntuan pada fenomena kejutan

busur. maksimal. Mereka juga menemukan bahwa penggunaan helium sebagai gas pembawa menghasilkan kecepatan keluar yang jauh lebih tinggi daripada udara. Jen dkk. melakukan penyelidikan numerik mengenai kemungkinan pengendapan partikel nano dan mikrosize melalui proses Cold spray, dan mengamati bahwa adanya

474

guncangan busur di dekat penampang menghindari partikel ukuran lebih kecil yang dari penetrasi, yang menyebabkan lapisan yang buruk

Untuk penggunaan bagian lurus yang diperpanjang setelah keluarnya nosel, mereka melaporkan bahwa panjang optimalnya mungkin bergantung pada ukuran partikel Li dkk melakukan analisis numerik yang melibatkan pengaruh rasio ekspansi nosel, jenis gas, dan kondisi gas operasional pada efisiensi pelapisan Cold spray. Hasilnya memastikan kelayakan desain yang optimal untuk nosel senapan semprot yang digunakan dalam ruang terbatas. Karimi dkk. menyajikan model numerik dari proses Cold spray, di mana nosel supersonik yang digunakan berbentuk oval, bukan yang melingkar . Mereka juga memasukkan efek orientasi substrat pada efisiensi deposisi partikel. Li dkk. mencoba mengoptimalkan diameter keluar nosel di bawah kondisi penyemprotan yang berbeda, dan mengungkapkan bahwa yang terakhir dipengaruhi oleh beberapa parameter termasuk, kondisi gas, ukuran partikel, panjang rongga yang berbeda, dan diameter tenggorokan.

Samareh dan Dolatabadi mengembangkan model tiga dimensi, sistem penyemprotan dinamik gas dingin dengan pengumpan serbuk non-axisymmetric perifer Mereka menemukan bahwa tekanan stagnasi berubah karena jarak kebuntuan yang berbeda dengan sifat interaksi aliran supersonik dengan substrat. Mereka juga melaporkan bahwa lokasi penampang optimum untuk kondisi operasi tertentu adalah yang menghasilkan tekanan minimum pada penampang. Li dkk. menyelidiki pengaruh jarak kebuntuan pada karakteristik deposisi lapisan dan menemukan bahwa efisiensi deposisi menurun dengan meningkatnya jarak berdiri.

Pattison dkk. mempelajari pengaruh jarak kebuntuan pada fenomena kejutan busur. Mereka menemukan bahwa ada hubungan langsung antara jarak , kebuntuan, busur shock dan efisiensi deposisi. Samareh dkk. mengembangkan model numerik untuk pemodelan interaksi antara gas dan partikel. Kesepakatan yang signifikan antara hasil prediksi dan data eksperimen ditemukan untuk struktur aliran gas geometris, kecepatan partikel yang dihasilkan, dan ketergantungan aliran dua fase pada pemuatan massa fase partikulat.

Dalam penelitian ini, pengaruh panjang bagian penyimpangan supersonik pada bidang arus sebelum dan sesudah keluarnya nosel diselidiki secara numerik, menggunakan perangkat lunak ANSYS Fluent 15.0, yang membantu mengoptimalkan desain pistol semprot dingin

2. Prosedur Numerik

2.1 Strategi Geometri dan Meshing

Geometri yang digunakan untuk penyelidikan ini, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, adalah nosel DeLaval yang menyatu, yang menghasilkan jet supersonik pada pintu keluar nosel. Bagian konvergen, dengan panjang 20 mm dan diameter tenggorokan 2,7 mm, menempel pada duktus longitudinal yang diberi nama ruang stagnasi dengan diameter 14 mm dan panjang 30 mm. Jenis nozel ini dibangun dengan tujuan tertentu untuk mencapai kecepatan sonik di bagian tenggorokan (M = 1).

Untuk bagian divergen, bagian keluar nosel memiliki diameter 8,36 mm, dan empat panjang berbeda dipilih dalam penelitian ini, L = 59,9, 69,9, 79,9, dan 89,9 mm. Kasus kedua sesuai dengan spesifikasi nosel yang digunakan dalam [12] yang digunakan untuk tugas validasi. Domain eksternal (keluar dari pintu keluar nosel),

475

diperluas hingga 30 mm ke arah aksial dan radial. Perhatikan bahwa untuk semua kasus, nosel memiliki penampang melingkar. Bentuk lain dapat dipertimbangkan untuk penyelidikan lebih lanjut.

Karena kesederhanaan geometris: aliran fluida fasa aksial, tidak ada gerak berputar, asumsi axisymmetric dipilih sehingga mengurangi biaya numerik secara substansial. Gambar 3 menampilkan geometri yang dipertimbangkan disambung dengan elemen segiempat dengan kerapatan variabel (kepadatan tinggi mendekati dinding nosel dan kerapatan rendah di tempat lain) dengan tujuan untuk menangkap gradien kuat parameter aliran di kedekatan dinding. Tabel 1 merangkum parameter mesh untuk nozel bekas.

Gambar 2 visualisasi dua dimensi nosel DeLaval

Gambar : 3 Strategi dan kondisi batas meshing Tabel : 1 Karakteristik Mesh

2.2 Kondisi Batas Lubang aliran massa dipilih sebagai batas inlet nosel, dengan laju alir 25,4 g / s

di bawah tekanan statis 30 bar dan suhu total 614 K-di ruang stagnasi, kecepatan alirnya dapat diabaikan, sehingga tekanan total dan statis hampir sama-Efek turbulen juga diperhitungkan, dengan intensitas turbulensi sebesar 1% dan skala panjang diatur menjadi 20% dari diameter tenggorokan pada inlet. Tepi nosel bersifat stasioner dan

476

diasumsikan bersifat adiabatik karena aliran kecepatan tinggi pada arah aksial (akibatnya disipasi fluks panas pada arah radial dapat diabaikan). Pada semua batas di sekitarnya, karena jaraknya cukup jauh sehingga tidak berpengaruh pada medan aliran, tekanan diatur ke tekanan atmosfir, dan sumbu medium dipilih sebagai sumbu axisymmetric. Perhatikan bahwa kondisi operasional aliran ini sama digunakan dalam percobaan dari Samareh et al. [12].

2.3 Model Numerik dan Persamaan Diskretisasi

Karena rezim aliran supersonik, ada efek kompresibilitas, sehingga pemecah

berbasis kepadatan dipertimbangkan. Juga karena turbulensi rezim aliran tersebut memiliki efek yang berarti pada perilaku fluida, untuk mendekati efek ini, model turbulen k-x digunakan. K-x adalah model penutupan untuk persamaan Navier-Stokes Reynolds-rata-rata (RANS), yang mencoba memprediksi turbulensi dengan menambahkan dua persamaan untuk dua variabel, k dan x. Sedangkan variabel pertama adalah energi kinetik turbulensi (k), yang kedua (x) menjadi laju disipasi spesifik dari energi kinetik turbulensi [13]. Udara digunakan sebagai cairan operasional untuk penyelidikan ini, dimana kerapatan dihitung melalui persamaan gas ideal, dan viskositas dievaluasi oleh tiga undang-undang koefisien Sutherland, yang mengkuantifikasi viskositas sebagai fungsi suhu fluida - dihasilkan dari teori kinetik oleh Sutherland (1893) menggunakan potensial kekuatan intermolekuler ideal [1]. Formulasi implisit digunakan untuk menyelesaikan persamaan gabungan aliran sumbu simetris 2D. Metode berbasis node Green-Gauss digunakan untuk diskretisasi gradien sementara, untuk estimasi variabel yang berbeda pada pusat sel, metode upwind up orde kedua diterapkan.

3 Hasil

Untuk memverifikasi keabsahan pendekatan numerik, hasil kami dibandingkan

dengan eksperimen di [12]. Gambar 4 menunjukkan perbandingan kualitatif perilaku aliran terhadap keluarnya nosel, antara prediksi saat ini dan hasil eksperimen di [12]. Perilaku cairan divisualisasikan dengan cara gradien tekanan, di mana tampak bahwa, untuk kedua Gambar 4A, B, pada nosel keluar serangkaian gelombang kejut miring dibentuk, diikuti oleh serangkaian berlian goncangan. Inti kejutan terdiri dari suksesi gelombang kompresi dan gelombang ekspansi Prandtl-Meyer, dengan objek unik untuk memperlambat aliran cairan ke kondisi cairan sekitarnya yang sama. ures 5, 6 dan 7, menampilkan evolusi parameter aliran yang berbeda di sepanjang garis tengah dari stagnasi chamFigber sampai jarak 30 mm dari belakang nosel

477

Gambar 4 A Prediksi dan B Terukur tekanan gradien kontur aliran di balik pintu keluar nosel pada laju alir gas konstan 25,4 g / s, dengan (a) gelombang kejut miring dan (b) berlian goncangan

Gambar 5 Evolusi Mach nomor di sepanjang garis tengah untuk nosel DeLaval dengan bagian berbeda divergen panjang

Gambar 6 Evolusi statis Tekanan di sepanjang garis tengah untuk nosel DeLaval dengan bagian berbeda divergen panjang

478

Gambar 7 Evolusi statis suhu di sepanjang pusat untuk nosel DeLaval dengan berbeda divergen panjang bagian Untuk nosel DeLaval dengan empat panjang berbeda divergen. Dari jumlah Mach evolusi (Gambar 5), jelas bahwa, untuk semua nosel yang diuji, jumlah Mach memiliki kira-kira nilai lenyap di ruang stagnasi (cairan pada waktu istirahat V _ 0 dan M _ 0), dan nilainya mulai meningkat sesaat setelah memasuki bagian konvergen sampai tenggorokan di mana ia menjadi sama dengan kesatuan (M = M * = 1). Ini terus meningkat di bagian divergen dan setelah keluarnya nosel sampai mencapai nilai maksimum di kisaran (4-5). Kemudian turun turun dengan tajam dipengaruhi oleh adanya gelombang kejut miring. Ini terus menurun sebelum meningkat dengan cepat karena gelombang ekspansi dan kompresi (Gambar 4). Prosedur ini diulang dua kali tanda dua berlian goncangan. Pada jarak 30 mm dari belakang nosel dan untuk semua kasus, jumlah Mach mencapai nilai 2,5, kira-kira. Hal ini juga dirasakan; gradien bilangan Mach di dalam nosel berbanding terbalik dengan panjang divergen sementara nilai nomor Mach pada jarak 30 mm setelah pintu keluar nosel dan panjang divergennya proporsional. Tekanan statis dan tempe statis Tekanan statis dan evolusi suhu statis mengikuti tren yang sama (Gambar 6 dan 7), di mana tampaknya praktis berada di ruang stagnasi. Kemudian keduanya turun di dalam nosel dan terus menurun setelah nosel keluar sampai mencapai titik impak dimana nilai nilainya turun (gelombang ekspansi) dan kenaikan (compression wave), berurutan. Juga dicatat bahwa gradien tekanan dan suhu (antara saluran masuk dan saluran keluar nosel) berbanding terbalik dengan panjang bagian divergen, dan melalui gelombang kompresi atau ekspansi. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa arus, melalui jarak yang jauh, mencapai kondisi sekitarnya secara bertahap, sementara yang melewati jarak pendek mencapai kecepatan itu dengan cepat. Pada jarak 30 mm dari belakang nosel, baik tekanan statis dan suhu statis turun saat panjang divergen meningkat.Gambar 8 menampilkan perilaku aliran supersonik dengan cara kontur tekanan statis, untuk nosel bekas yang keempat. Terlepas dari amplitudo tekanan, tidak ada perbedaan nyata antara kasus yang dipertimbangkan. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, berlian goncangan terdiri dari gelombang ekspansi Prandtl-Meyer (simbol-a-pada Gambar 8) dan gelombang

479

kompresi (simbol-b-pada Gambar 8). Juga untuk semua kasus, gelombang kejut miring terjadi setelah bagian keluar nozel.

Gambar 8 Kontur tekanan statis di dalam dan di luar nosel DeLaval dengan perbedaan divergen panjang bagian

4. Kesimpulan Proses deposisi Cold spray didasarkan pada akselerasi gas-dinamis partikel halus ke kecepatan supersonik dan energi kinetik tinggi. Oleh karena itu pemahaman yang baik tentang perilaku aliran gas dan parameter yang berbeda yang mempengaruhi arus ini sangat penting bagi kesuksesan operasi pelapisan. Sebuah angka Penyelidikan yang mempertimbangkan pengaruh panjang bagian divergen pada perilaku jet supersonik dilakukan. Hasilnya menunjukkan bahwa gradien ekspansi di dalam nosel berbanding terbalik dengan panjang divergen, dan intensitas berlian goncangan setelah

480

keluarnya nosel berevolusi dalam proporsionalitas terbalik dengan pertumbuhan panjang bagian divergen. Dalam karya ini, sebuah jet bebas dipertimbangkan, yang tidak mencerminkan proses semprotan dingin. Dengan demikian, pengaruh arus partikel, kehadiran substrat dan konsekuensinya pada fenomena yang dibahas di atas harus diperhitungkan untuk penyelidikan lebih lanjut.

481

References

1. Ansys documentation section 2.7.4 (2012). ANSYS Inc 2. Alkhimov, A.P., Anatoly, N., Kosarev, V.F., Nesterovich, N.I., Shushpanov, M.M.: Gas-dynamic spraying method for applying a coating. 5302414 United States Patent (1994) 3. Grujicic, M., DeRosset, W.S., Helfritch, D.: Flow analysis and nozzle-shape optimization for the cold-gas dynamic-spray process. J. Eng. Manuf. 217, 1603 1616 (2003) 4. Jen, T.-C., Li, L., Cui, W., Chen, Q., Zhang, X.: Numerical investigations on cold gas dynamic spray process with nano- and microsize particles. Int. J. Heat Mass Transf. 48, 43844396 (2005) 5. Karimi, M., Fartaj, A., Rankin, G., Vanderzwet, D., Birtch, W., Villafuerte, J.: Numerical simulation of the cold gas dynamic spray process. J. Therm. Spray Technol. 15(4), 518523 (2006) 6. Li, W.-Y., Li, C.-J.: Optimal design of a novel cold spray gun nozzle at a limited space. J. Therm. Spray Technol. 14(3), 391 396 (2005) 7. Li, W.-Y., Liao, H., Douchy, G., Coddet, C.: Optimal design of a cold spray nozzle by numerical analysis of particle velocity and experimental validation with 316L stainless steel powder. Mater. Des. 28, 2129 2137 (2007) 8. Li, W.-Y., Zhang, C., Guo, X.P., Zhang, G., Liao, H.L., Li, C.-J., Coddet, C.: Effect of standoff distance on coating deposition characteristics in cold spraying. Mater. Des. 29, 297 304 (2008) 9. Papyrin, A., Kosarev, V., Klinkov, S., Alkhimov, A.P., Fomin, V.: Cold Spray Technology. Elsevier Ltd., Netherlands (2007)

phenomena in the Cold Spray process. Surf. Coat. Technol. 202, 1443 1454 (2008) 11. Samareh, B., Dolatabadi, A.: A three-dimensional analysis of the cold spray process: the effects of substrate location and shape. J. Therm. Spray Technol. 16(5 6), 634 642 (2007) 12. Samareh, B., Stier, O., Luthen, V., Dolatabadi, A.: Assessment of CFD modeling via flow visualization in cold spray process. J. Therm. Spray Technol. 18(5 6), 934 943 (2009) 13. Wilcox, D.C.: Formulation of the k-omega turbulence model revisited. AIAA J. 46(11), 2823 2838 (2008)

482

Pemodelan Pembakaran Bergolak

di Mesin Pengapian Kompresi

Mohamed Bencherif, Rachid Sahnoun and Abdelkrim Liazid

Rangkuman Pengurangan emisi polutan pada mesin diesel melewati pengetahuan dan pengendalian yang sempurna dari semua fenomena yang berhubungan dengan pembakaran. Hal ini dapat dilakukan dengan pengamatan eksperimental dan pemodelan fisik untuk simulasi aliran reaktif turbulen dengan menggunakan alat CFD. Makalah ini menyajikan sintesis investigasi numerik yang dilakukan untuk dua mesin diesel injeksi langsung. Yang pertama adalah mesin diesel satu silinder laboratorium dan yang kedua adalah mesin diesel tugas turbocharged bertenaga diesel dengan enam silinder. Tiga pendekatan pemodelan pembakaran digunakan dan perhitungan dicapai dengan menggunakan berbagai versi kode Kiva. Yang pertama menggunakan model pembakaran Westbrook dengan satu langkah satu reaksi kinetik tunggal. Pendekatan kedua didasarkan pada mekanisme kimia generik Shell yang digabungkan dengan model waktu pembakaran yang khas. Pendekatan terakhir didasarkan pada pemodelan interaksi turbulensi pembakaran dengan menggunakan konsep PaSR umum. Pada pendekatan terakhir, mekanisme kerangka dengan 246 persamaan dan 60 spesies kimia telah digunakan. Satu set simulasi dilakukan untuk lima beban pada 1500 rpm untuk mesin laboratorium dan 1400 rpm untuk mesin serial dengan beban parsial. Hasil dan komentar disajikan dan didiskusikan.

1. Perkenalan Pembakaran ke mesin diesel dikendalikan oleh interaksi simultan beberapa proses fisik dan kimia. Memang, ini terdiri dari aliran turbulen di mana jet bahan bakar diphasic mengarah pada pembentukan campuran reaktif eksotermik yang kuat. Tabel 1 Karakteristik mesin

483

Interaksi antara ketiga aspek Combustion-Turbulence-Spray menentukan tingkat kinerja dan emisi pada mesin diesel [1, 2]. Saat ini, simulasi menawarkan alternatif yang menarik untuk prediksi kinerja dan emisi mesin pembakaran dalam. Ini memungkinkan yang lebih baik pengetahuan tentang berbagai proses dibawa ke dalam ruang bakar, eksplorasi solusi baru dan pengurangan biaya [3, 4]. Selain itu ditunjukkan bahwa fenomena benturan pada mesin yang dinyalakan, proses pengapian otomatis pada mesin yang dipicu kompresi dan mesin muatan homogen banyak diatur oleh mekanisme reaksi dan dengan demikian kinetika kimia [5]. Karya ini berfokus pada simulasi numerik pembakaran turbulen secara langsung mesin diesel injeksi Suatu kepentingan tertentu terkait dengan pendekatan pemodelan pembakaran dan tingkat turbulensi selama proses pembakaran. Karakteristik mesin yang dipertimbangkan ditunjukkan pada Tabel 1.

2 Pemodelan dan Simulasi Pembakaran Dalam makalah ini beberapa versi kode Kiva3v digunakan. Faktanya, Kiva3v adalah versi dasar yang dikembangkan oleh Amsden dan O'rourke di laboratorium Nasional Los Alamos. Ini adalah salah satu kode yang paling sering digunakan untuk simulasi pembakaran mesin reciprocating. Konfigurasi aliran di ruang bakar dianggap tiga dimensi dan persamaan transportasi [6] diselesaikan dengan menggunakan formulasi RANS. Generasi mesh selesai oleh beberapa blok terstruktur. Pendekatan Lagrangian-Eulerian digunakan dalam kode [6-9]. Struktur jet dua fasa dengan koalesensi, putus dan penguapan tetesan bahan bakar tersebut disediakan oleh model TAB (Taylor Analogy Break-up) yang terkenal yang dikembangkan oleh Reitz [10]. Ilustrasi jerat yang terkait dengan masing-masing mesin diperlihatkan pada Gambar 1.

Gambar 1 Skema PaSR konsep [12] Model pembakaran menggambarkan istilah sumber spesies Persamaan. (1) melalui tingkat kemajuan keseluruhan reaksi terhadap satu langkah. dimana qi adalah kepadatan

ta-rata dari gas, u adalah kecepatan gas, fi adalah istilah sumber kimia, _qsi adalah istilah sumber karena penguapan semprot. Spesies kimia 1 dan 2 masing-masing sesuai dengan jenis bahan bakar dan oksidan. D adalah masalah koefisien difusi massa dari hukum Fick.

484

Selanjutnya, versi pelepasan kode (Kiva3v2r) mencakup sub-model baru yang diadaptasi oleh Valeri Golovitchev dan Niklas Nordin [11-13] untuk menggunakan mekanisme reaksi tabulasi untuk prediksi pembakaran yang lebih akurat dan realistis. Pendekatan berdasarkan perluasan model Magnussen-Hjertager (EDC) ke model PaSR umum terintegrasi dalam kode Kiva3v2r. Model PaSR secara konseptual dikembangkan

untuk mencapai secara kuantitatif hubungan antara informasi sub-grid dan tingkat sel komputasi. Padahal, waktu karakteristik kimia yang berada pada skala sub grid, Gambar 1, dimodelkan secara fisik karakteristik waktu yang berkaitan dengan skala bergejolak smix ¼ Cmix ke. Penjelasan rinci tentang pendekatan ini dapat ditemukan di Ref. [12]. Hubungan utama dalam model ini ditunjukkan oleh Persamaan. (2): Seperti yang dipersyaratkan oleh Golovitchev dan Nordin, model turbulensi yang sesuai adalah RNG- -heptane adalah bahan bakar khas yang direkomendasikan untuk mensimulasikan pembakaran

Gambar 2 Engines jerat di mesin diesel karena jumlah cetane-nya kira-kira 56 yang sama dengan jumlah setana dari bahan bakar diesel konvensional. Gambar 2 mewakili jerat 3D numerik dari mesin

Studi laboratorium mengenai pembakaran kinetik pada reaktor yang diaduk sebagian menunjukkan bahwa pada suhu mendekati 1000 K, H2O2 spesies terurai secepat yang terlihat yang mencegah konsentrasi H2O2 untuk mencapai tingkat yang cukup berarti untuk memulai pengapian otomatis [14]. Untuk mesin diesel suhu yang dicapai hanya pada waktu injeksi adalah sekitar 700 K. Memang, pada tingkat suhu ini, campuran reaksi menghasilkan sedikit panas yang menyebabkan dekomposisi H2O2 dan bersamaan dengan awal pembakaran dengan pengapian diamati [5, 14] . Mekanisme reaksi yang digunakan dalam pekerjaan ini adalah berkurangnya mekanisme n-heptana. Ini disusun oleh persamaan global dan 245 persamaan gabungan

485

yang menggambarkan kinetika 60 spesies reaktif [15]. Sub-model serta jenis pendekatan fisik yang digunakan untuk pemodelan pembakaran dirangkum dalam Tabel 2. Tabel 2 Sub-model dan mekanisme reaksi

3 Hasil dan Diskusi Kalibrasi kode dicapai dengan perbandingan antara eksperimen kurva tekanan rata-rata silinder dan yang diperoleh dengan simulasi. Gambar. 3, 4, 5 dan 6 mewakili evolusi rata-rata tekanan dalam silinder, suhu dan juga CO2, H2O, CO dan OH yang diperoleh oleh Shell-CTC dan Model Westbrook Model pembakaran Shell-CTC memberikan prediksi tekanan di silinder yang lebih baik selama proses pembakaran. Selain itu, suhu rata-rata silinder yang diperoleh dengan model pembakaran Shell-CTC lebih realistis

486

Gambar 3 Rata-rata tekanan silinder (mesin serial)

Gambar 4 Suhu rata-rata di silinder (mesin serial)

Gambar 5 CO2 dan H2O konsentrasi evolus selama pembakaran (mesin serial)

487

Gambar 6 Evolusi konsentrasi CO dan OH selama pembakaran (mesin serial)

Hal ini terutama disebabkan oleh model pembakaran standar (Westbrook) dengan satu langkah-satu reaksi tidak mempertimbangkan aspek kinetik pembakaran dan mengabaikan disosiasi radikal dan spesies perantara lainnya selama pembakaran yang secara implisit mengarah pada perkiraan suhu rata-rata dalam silinder yang terlalu tinggi. Dengan demikian, model standar memberikan interpretasi tingkat panas yang salah dan tidak mampu memprediksi evolusi campuran reaksi selama pembakaran.

Gambar 7 menunjukkan evolusi energi kinetik turbulen untuk beban berbeda yang sesuai dengan mesin laboratorium untuk dipecat (dengan menggunakan model PaSR) dan siklus yang tidak terpenuhi. Dapat diamati bahwa posisi pic energi kinetik turbulen tetap tidak berubah dan terletak pada waktu pengapian otomatis. Hal ini dapat memungkinkan untuk melakukan korelasi untuk penundaan pengapian otomatis menggunakan hubungan empiris (3) yang menggambarkan intensitas turbulensi sebagai fungsi dari kecepatan rata-rata piston mesin yang diusulkan oleh Heywood [1].

Oleh karena itu, cara lain untuk memperkirakan secara langsung waktu pengapian otomatis bisa terjadi diberikan dengan nilai maksimum energi kinetik turbulen sebagai berikut:

488

Gambar 7 Turbulen kinetik energi (mesin laboratorium)

489

Gambar 7 (lanjutan)

490

Memang, persamaan di atas merupakan upaya untuk memperkirakan penundaan pengapian otomatis dari pembakaran cepat yang menghindari parameter kimia dan termodinamika (suhu, tekanan dan energi aktivasi). Konfirmasi hubungan sebelumnya membutuhkan sejumlah besar pengujian mesin yang merupakan perspektif.

491

Gambar 8 Rata-rata dalam silinder tekanan evolutions (mesin laboratorium)

492

Gambar 8 (lanjutan)

Gambar 8 menunjukkan hasil perhitungan (menggunakan model PaSR) dan mengukur rata-rata tekanan dalam silinder dan laju pelepasan panas untuk semua beban mesin laboratorium yang dipertimbangkan. Kesepakatan yang baik dapat diperhatikan antara tekanan yang diukur dan yang diperoleh dengan simulasi selama kompresi sebelum injeksi dan selama pembakaran. Selain itu, dapat dilihat bahwa laju pelepasan panas menurun setelah injeksi. Hal ini terutama disebabkan oleh penguapan bahan bakar. Gambar 9 mewakili rata-rata suhu silinder dan konsentrasi OH dan H2O2 yang dihitung untuk semua beban yang diperoleh oleh mekanisme reduksi n-heptana yang kedua. Seperti yang disajikan di atas, seseorang bisa memperhatikannya, terserah

493

Gambar 9 Rata-rata di silinder suhu, OH dan H2O2 konsentrasi (laboratorium mesin)

494

Gambar 9 (lanjutan) dipicu eksotermisitas, tingkat suhu mendekati 1000 K. Hal ini sesuai dengan instan ketika konsentrasi spesies Per-hidroksida H2O2 berhenti cukup untuk memulai pembakaran dan bertepatan dengan saat tingkat pelepasan panas mencapai maksimumnya. Hasil yang sama ditemukan untuk mesin diesel tugas berat turbocharged, Gambar 10.

495

Gambar 10 Suhu rata-rata di dalam silinder dan konsentrasi H2O2 (mesin serial)

4. Kesimpulan Artikel ini merangkum penyelidikan numerik tentang pembakaran pada mesin diesel injeksi eksperimental dan industri langsung. Tiga pendekatan pemodelan pembakaran diuji. Model Westbrook klasik, pendekatan menggunakan model Shell-CTC generik dan akhirnya pendekatannya didasarkan pada mekanisme kinetik n-heptana yang rendah. Semua pendekatan ini melibatkan tiga versi kode kiva3 dengan tujuan untuk memprediksi evolusi rata-rata tekanan dan suhu di dalam silinder dan konsentrasi rata-rata beberapa spesies kimia yang terlibat selama fase pembakaran. Perbandingan antara hasil yang diperoleh oleh model Westbrook dan yang diperoleh dengan model Shell-CTC dipresentasikan. Model Shell-CTC dengan mempertimbangkan disosiasi memberikan prediksi pembakaran yang lebih baik seperti yang diperoleh oleh model pembakaran Westbrook. Berdasarkan sub-model yang menggambarkan interaksi turbulensi pembakaran yang diusulkan oleh Golovitchev dan Nordin yang mengarah ke konsep PaSR umum, korelasi untuk estimasi penundaan auto-ignition diperoleh dengan menggunakan hubungan empiris nilai maksimum energi kinetik turbulen selama fase pembakaran .

496

Referensi 1. Heywood, J.B.: Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill Inc, New York (1983) 2. Ramos, J.I.: Internal Combustion Engine Modeling. Hemisphere Publishing Corporation (1989) 3. Bencherif, M., Liazid, A., Tazzerout, M.: Pollution duality in turbocharged heavy duty diesel engine. Int. J. Veh. Des. 50(1/2/3/4), 182 195 (2009) 4. Xiao, F., Liu, C., Karim, G.: The 3D simulation with detailed chemical kinetics of the turbulent combustion a pre-chamber indirect injection diesel engine. In: 7th International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries CSIRO, Melbourne, Australia. 9 11 December 2009 5. Westbrook, C.K.: Chemical kinetics of hydrocarbon ignition in practical combustion systems. In: Proceeding of the Combustion Institute, vol. 28, pp. 1563 1577 (2000)

-II: A Computer Program for Chemically Reactive Flows with Sprays. LA-11560-MS. Los Alamos National Laboratory, Los Alamos (1989) 7. Amsden, A.A.: KIVA-3: A KIVA Program with Block-structured Mesh for Complex Geometries. Technical Report, Los Alamos National Laboratory, LA-12503-MS (1993) 8. Amsden, A.A.: KIVA-3 V: A Block-structured KIVA Program for Engines with Vertical or Canted Valves. Technical Report, Los Alamos National Laboratory, LA-13313-MS (1997) 9. Amsden, A.A.: KIVA-3 V: Released 2, Improvements to Kiva-3v. Technical Report, Los Alamos National Laboratory, LA-13608-MS (1999) 10. Reitz, R.D., Rutland, C.J.: Development and testing of diesel engine CFD models. Prog. Energy Combust. Sci. 21, 173 196 (1995) 11. Golovitchev, V., Nordin, N.: 3-D KIVA simulations using new detailed chemistry diesel spray combustion model. In: Presented at the Workshop Combustion Modeling in I.C.E., Cassino, Italy. 14 15 December 1999 12. Golovitchev, V.I., Nordin, N., Jarnicki, R., Chomiak, J.: 3-D Diesel Spray Simulations Using a New Detailed Chemistry Turbulent Combustion Model. SAE 00FL-447 (2000) 13. Golovitchev, V.I., Nordin, N., Tao, F.: Modelling of Spray Formation, Ignition and

497

Combustion in Internal Combustion Engines. Chalmers University of Technoloy, Department of Thermo and Fluid Dynamics. ISSN 1101-9972, Annual Report, Göteborg, December 1998 14. Westbrook, C.K., Pitz, W.J., Herbinet, O., Curran, H.J., Silke, E.J.: A Detailed Chemical Kinetic Reaction Mechanism for n-Alkane Hydrocarbons From n-Octane to n-Hexadecane. Combustion and Flame, LLNL-JRNL-401196, February 11, 2000 15. Site Web: Chemistry, 2003 16. Bencherif, M., Liazid A.: Modélisation et Simulation de la Combustion dans un Moteur Diesel

-CTC. In: Proceedings of 1st International -MB, Oran, Algerie, 27 28 Mai,

2013

498

41.Pada Karakterisasi Termal Api Diinduksi Lapisan Asap Semi

Terbatas Kompartemen

Abdallah Benarous, Souhila Agred, Larbi Loukarfi and Abdelkrim Liazid

Abstrak Pekerjaan saat ini membahas studi komparatif mengenai berbagai metode karakterisasi termal dari lapisan asap yang diinduksi oleh api. Fokus dibuat pada model yang memprediksi suhu berlebih dan tebal rata-rata lapisan asap. Model ini adalah model berbasis termodinamika, model berbasis dinamis atau model berbasis eksperimen. Menurut model yang dipertimbangkan, dimensi pendahuluan dilakukan untuk sistem evakuasi asap dan panas / smoke and heat evacuation systems (SHEVS). Hasil yang diperoleh dibahas dan dihadapkan pada perhitungan termodinamika berdasarkan standar Amerika Serikat dan Eropa. Daftar Simbol

A. Benarous (&) S. Agred L. Loukarfi

Department of Mechanical Engineering, Hassiba Benbouali University, Chlef, Algeria

e-mail: a.benarous@univ-chlef.dz

S. Agred L. Loukarfi

LCEMSM Laboratory, Hay Essalem, Chlef, Algeria

A. Liazid

LTE Laboratory, National Polytechnic School (E.N.P), Oran, Algeria

© Springer International Publishing Switzerland 2017

T. Boukharouba et al. (eds.), Applied Mechanics, Behavior of Materials,

and Engineering Systems, Lecture Notes in Mechanical Engineering,

DOI 10.1007/978-3-319-41468-3_41

Area Ventilasi Panas spesifik, kapasitas spesifik kalor pada tekanan konstan Konstanta model termodinamika Gravitasi permukaan laut Tinggi langit-langit Tingkat pelepasan termal sesaat Model Mc Caffrey konstan Laju aliran massa Tekanan hidrodinamik Perimeter api Tingkat pelepasan panas api (HRR), bagian konvektif HRR Jarak radial dari sumbu api Suhu statis Volume

499

Akronim

FDS Fire Dynamic Simulator LES Large Eddy Simulation NIST National Institute of Standards and Technology RANS Reynolds Averaged Navier-Stokes SHEVS Smoke and Heat Evacuation Systems

1 Pengantar Fire Engineering adalah bidang yang terletak pada antarmuka umum antara aliran reaktif, perpindahan panas dan mekanika struktural. Bidang ini telah melewati batas-batas penelitian akademis untuk menetapkan dirinya sebagai prasyarat mendasar dalam latihan profesi bagi pemadam kebakaran, insinyur bangunan dan kebijakan keselamatan industri. Strategi rekayasa keamanan kebakaran secara khusus dikelola pada tahap perancangan infrastruktur industri, bangunan umum dan juga rumah kolektif. Fenomena kompleks dan gabungan yang terlibat dalam rekayasa kebakaran tidak hanya memerlukan penyelidikan eksperimental tetapi juga pemodelan multifisik untuk memastikan keamanan bagi orang dan keandalan struktur. Dalam konteks ini, perhatian khusus diberikan pada karakteristik termal dan dinamik arus asap yang tidak seperti nyala api yang tidak terlokalisasi namun berkontribusi terhadap penyebaran gas panas dan beracun. Penting juga untuk mengetahui bagaimana melakukan perhitungan prediktif untuk SHEVS untuk mengevakuasi atau setidaknya, untuk mengendalikan aliran zat ini. Karena daya saing permanen antara daya apung dan gaya inersia, ventilasi alami dan mekanis diperlukan untuk mencapai desain global untuk SHEVS. Mengenai aspek teknik, perhitungan masih didasarkan pada model termodinamika (0D) yang saat ini didirikan sesuai dengan standar kontinental (Amerika Serikat, Eropa) Metode ini tidak terlalu sesuai untuk studi ketahanan struktur api, namun memiliki keuntungan untuk memprediksi medan panas (suhu, ketebalan rata-rata) lapisan asap dan dimensi karakteristik SHEVS. Seperti dinamika asap, beberapa model korelatif dikembangkan untuk mengkarakterisasi ketebalan asap yang disebabkan api dan asap di langit-langit dalam rezim stasioner.

Vektor kecepatan Jarak vertikal, ketinggian sumber api virtual Model Mc Caffrey konstan

Asap rasio isentropik Massa jenis Tekanan dinamis Kondisi sekitar (udara segar) Ventilasi alami Kondisi asap Kondisi negara yang stabil

500

Pada Karakterisasi Termal Untuk kondisi transien yang menggambarkan fase flashover atau kepunahan, model berbasis termodinamika yang disebut 'model zona' telah dikembangkan untuk mengkarakterisasi lapisan panas, yang seharusnya dipasang di atas antarmuka yang berada di bawah langit-pada solusi numerik dari persamaan turbulen Navier-Stokes. Mereka menyediakan informasi spasial dan temporal (3D) yang tetap sangat bergantung pada kondisi batas yang dikenakan pada batas domain. Untuk karakterisasi termal lapisan asap, literatur yang tersedia tidak cukup memberikan studi untuk analisis komparatif antar model. Tampaknya tidak ada karya akademis yang ditujukan untuk prosedur desain SHEVS berdasarkan model non-termodinamika. Karya ini merupakan upaya numerik untuk memberikan beberapa jawaban tentang interaksi SHEVS-smoke. Dalam kasus kompartemen besar yang terkena api standar 02 MW, model tersebut pertama-tama digunakan untuk memprediksi suhu kelebihan dan laju alir massa di dalam lapisan panas. Data termal lebih dari sekedar digunakan untuk melakukan desain awal SHEVS dalam konfigurasi ventilasi alami. Untuk penggunaan praktis, model diotomatisasi sebagai rutinitas Matlab dan diimplementasikan dalam satu set antarmuka pengguna grafis / graphical user interfaces (GUI). Perangkat lunak yang dikembangkan juga menyediakan beberapa hubungan antara model termodinamika dan korelatif sementara memungkinkan generasi otomatis file masukan untuk pemodelan simulator dinamis api / fire dynamic simulator (FDS)

2 Pemodelan Lapisan Asap 2.1 Model Termodinamika

Untuk tingkat pelepasan panas yang ditentukan Tingkat aliran massa asap dapat dinyatakan sebagai :

Dimana rujuk masing-masing ke panas spesifik dan suhu sisa dari asap. Gaya apung menyebabkan stratifikasi, sehingga lapisan asap berada di kejauhan dari lantai, yang diberikan oleh : Ketebalan rata-rata dari lapisan asap dapat disimpulkan sebagai :

501

Untuk memungkinkan evakuasi asap alami, area ventilasi pada yang memiliki beberapa lubang secara eksplisit dinyatakan dengan standar Eropa, namun memerlukan perhitungan implisit untuk norma Amerika Serikat menunjukkan masing-masing koefisien debit untuk bukaan ventilasi dan saluran masuk udara segar (gerbang, jendela). 2.2 Model Zona

Untuk lapisan bertingkat, evolusi suhu statis temporal diyakini mematuhi persamaan diferensial biasa / ordinary differential equation (ODE) : Istilahnya rujuk masing-masing ke tingkat pelepasan termal, volume dan massa gas panas. Evolusi tekanan statis dimodelkan sebagai : Dimana menunjukkan tingkat pelepasan termal karena udara segar. Persamaan sebelumnya berasal dari asumsi termal isotropik di dalam ketebalan lapisan asap.

2.3 Model korelatif

Di dalam standar ISO-834 untuk kebakaran, suhu statis lapisan panas adalah kuantitas waktu yang tergantung, yang diberikan oleh

502

Pada Karakterisasi Termal Untuk arus yang disebabkan oleh asap, suhu berlebih dan laju alir asap, dapat dievaluasi dari salah satu dari sub model berikut: Seperti bulu-bulu yang menimpa langit-langit, perkembangan radial dari sumbu api diamati pada aliran asap. Aliran bertingkat terjadi di bawah langit-langit sambil menghasilkan gradien radial untuk suhu asap. Disini suhu maksimum di langit-langit sekitarnya dapat diprediksi dari salah satu sub model berikut:

503

2.4 Model Lapangan Dalam model seperti itu, penguraian (Favre) dekomposisi Navier-Stokes , energi dan spesies dapat diobati sesuai dengan pendekatan RANS dimana semua skala turbulensi dimodelkan, atau disaring untuk resolusi LES di mana skala besar disimulasikan. Ketika asap dianggap sebagai gas sempurna yang kekurangan efek kompresibilitas, kontinuitas dan persamaan momentum dapat disusun kembali untuk mendapatkan persamaan Poisson untuk tekanan dinamis. Beberapa pemecah dinamik fluida (seperti NIST-FDS) menggunakan persamaan sebelumnya untuk memprediksi tekanan dinamis dan komponen kecepatan yang diikuti oleh suhu dan kerapatan. Pemecah lainnya (seperti Ansys-Fluent) masih terus menggunakan strategi kopling kecepatan tekanan.

3. Hasil dan Diskusi

Kasus aplikasi yang dipertimbangkan dalam pekerjaan ini adalah kompartemen besar, dengan panjang 24 m, lebar 24 m dan tinggi 12 m. Kompartemen memiliki empat (4) gerbang (10 m × 2 m) dan dikenai api 2 MW kategori 2 (2 m × 2 m) yang terletak di tengahnya (Gambar 1) Sebagai model korelatif serta hubungan desain SHEVS terutama didasarkan pada pertimbangan stasioner, penting untuk memprediksi waktu relaksasi dimana stratifikasi termal akan tepat waktu independen. Seperti yang digambarkan pada gambar 2a ,b , evolusi suhu suhu temporer menunjukkan perilaku seperti stasioner dari dalam kasus model zona CFAST saat dibutuhkan untuk standar ISO-834 Perhitungan FDS juga memprediksi stratifikasi termal pada sensor titik yang terletak 20 cm di bawah langit-langit. Waktu relaksasi yang sesuai untuk suhu statis dievaluasi pada Menuju strategi desain SHEVS, penting untuk mempertimbangkan kelebihan suhu atau nilai rata rata

504

Pada Karakterisasi Termal

Gambar 1. Representasi 3D kompartemen

Gambar 2. a sebuah evolusi suhu menurut ISO-834. b Suhu stratifikasi seperti yang diprediksi oleh a model zona (CFAST)

505

ketebalan asap Prosedur pertama lebih realistis karena sebagian besar model memberikan evolusi spasial atau temporal pada suhu statis. Mari kita ambil nilai yang ditentukan untuk suhu berlebih seperti yang diperkirakan oleh standar (ISO-834), model CFAST (zone model) dan formulasi FDS (model lapangan). Proses kopling antara perhitungan dan pemodelan manual ini, akan merancang SHEVS pada pertimbangan yang berbeda dari pada model termodinamika. Kelebihan suhu seperti yang diperkirakan oleh model sebelumnya, masing-masing dan mereka wajib untuk memprediksi ketebalan rata-rata lapisan bertingkat. Terlihat bahwa formulasi ISO-834 memberikan nilai yang tidak realistis (> 900 ° C) untuk suhu asap. Hasil ini disebabkan kurangnya pengenceran asap oleh udara segar dalam formulasi ISO-834. Selanjutnya, standar ISO-834 tidak mengandung variabel spasial dan mengasumsikan homogenitas absolut suhu. Hal ini jelas membuat perumusannya tidak tepat untuk memprediksi fenomena stratifikasi termal. Dengan memaksakan suhu berlebih sebelumnya, beberapa nilai untuk ketebalan asap rata-rata digambarkan pada Gambar 3. Perlu diperhatikan ketebalan rata-rata diprediksi dengan memecahkan ODE dalam formulasi model zona, Eq (6). Satu pemberitahuan bahwa ketebalan yang dipulihkan oleh standar ISO-834 menunjukkan perkiraan yang berlebihan dengan memperhatikan tinggi langit-langit H = 12 m dan oleh karena itu, tidak dapat dipertimbangkan untuk perhitungan perancangan. Saat memaksakan nilai konstan untuk suhu asap . ketebalan rata-rata yang sesuai nampaknya sedikit lebih rendah. Seperti yang diperkirakan oleh perhitungan model lapangan, ketebalan rata-rata tetap lebih realistis karena stratifikasi sepenuhnya dipertimbangkan dan tidak ada asumsi yang dikeluarkan mengenai homogenitas termal. Perbedaan antara nilai suhu yang berlebih secara langsung mempengaruhi prediksi laju alir asap. Memang, diperhatikan bahwa untuk tingkat pelepasan panas yang ditentukan, laju alir massa asap berbanding terbalik dengan kenaikan suhu (Gambar 4). Seperti yang diharapkan, laju alir asap seperti yang diprediksi oleh standar ISO-834 nampaknya tidak realistis (1,65 kg / s) menurut dimensi kompartemen dan tingkat pelepasan panas api (02 MW). Hal ini juga layak diperhatikan bahwa termodinamika

Gambar 3. Ketebalan Lapisan Asap

506

Pada Karakterisasi Termal

Model yang terlibat dalam standar Eropa dan AS, memprediksi beberapa nilai untuk laju alir asap yang konstan dan tidak berhubungan dengan elevasi dari lantai. Kecenderungan ini jelas karena tidak ada informasi spasial yang diperlukan untuk mengevaluasi suhu berlebih dalam formulasi termodinamika. Sedikit perbedaan diketahui antara nilai laju alir asap yang diprediksi dengan menggunakan model CFAST dan FDS karena kedua formulasi tersebut memperhitungkan pengenceran asap oleh udara segar. Sebenarnya, laju alir asap yang dievaluasi dengan formulasi korelatif menunjukkan kecenderungan proporsional terhadap jarak vertikal di atas lantai. Perilaku ini dapat dikaitkan dengan kecenderungan fisik model-model ini yang memperhitungkan entrainment udara dengan membanggakan saat ia berkembang dalam arah vertikal. Untuk model Heskestad plume,dimensi api dianggap melalui tinggi sumber virtual . sementara kerugian radiasi dihitung berkat bagian konvektif dari pelepasan panas api. Akibatnya, pada ketinggian yang ditentukan di atas lantai, laju alir asap yang sesuai lebih rendah dari yang diperkirakan oleh model Zukoski (ideal), Persamaan. (9a dan b). Untuk tujuan desain SHEVS, penting untuk diperhatikan bahwa keseluruhan rasio ekuivalensi, seperti yang didefinisikan oleh Mc Grattan Nilai ini berarti kompartemen berada di bawah ventilasi dan evakuasi tambahan diwajibkan untuk pembersihan asap. Gambar 5 menggambarkan area ventilasi global yang dibutuhkan untuk strategi evakuasi kompartemen secara alami. Nilai-nilai wilayah memungkinkan prediksi jumlah atau dimensi lubang ventilasi alami. Atas dasar prosedur perancangan SHEVS gabungan, yang melibatkan perhitungan termodinamika dengan suhu berlebih dengan perhitungan laju aliran asap yang bervariasi, seseorang dapat membawa beberapa kasus mengenai prediksi area ventilasi (Gambar 5). Karena penting di bawah estimasi area ventilasi, ISO-834 tidak dapat dipertimbangkan dalam prosedur perancangan semacam itu. Model plum Zukoski (ideal) di mana suhu berlebih disediakan dari pendekatan CFAST atau FDS, pulih cukup

Gambar 4. Evolusi laju alir asap

507

bernilai tinggi untuk area ventilasi. Sebenarnya, model Heskestad Plume yang dikombinasikan dengan perhitungan termal CFAST atau FDS tampaknya lebih memadai untuk desain SHEVS karena ia memprediksi sebuah nilai untuk area ventilasi yang cukup dekat dengan yang diperkirakan dengan perhitungan standar. 4. Kesimpulan

Dalam karya ini, beberapa strategi pemodelan diselidiki untuk mengkarakterisasi perilaku termal dari lapisan asap. Kompartemen besar dianggap sebagai kasus aplikasi. Penekanan khusus dilakukan pada nilai numerik untuk suhu berlebih, ketebalan lapisan asap dan laju alir massa. Menggabungkan data input serta nilai keluaran untuk variabel keadaan dari model yang berbeda, ia mengungkapkan bahwa untuk kasus yang dipelajari, model zona dan model lapangan sangat sesuai untuk prediksi termal dalam lapisan panas. Selanjutnya, model bulu membanggakan Heskestad berhasil memulihkan dimensi realistis untuk elemen SHEVS dalam kasus ventilasi alami. Referensi

1. Purkiss, J.A.: Fire Safety Engineering: Design of Structures, 2nd edn. Butterworth-

Heinemann Publications (2007)

2. Merci, B., Van Maele, K.: J. Fire safety 43, 495 511 (2008)

3. Merci, B., Shipp, M.: J. Fire safety 57, 3 10 (2013)

4. Heskestad, G., Delichatios, M.A.; The Initial Convective Flow in Fire. The combustion

Institute, Pittsburg, USA, pp. 1113 1123 (1978) Fig. 5 Minimum number of the ventilation

openings 500 A. Benarous et al.

5. Mc Caffrey, B.J.: Purely Buoyant Diffusion Flames: Some Experimental Results. NBSIR

79-1910, National Bureau of Standards (1979)

6. Zukoski, E.E., Kubota, T.B.: Fire Saf. J. 3, 107 121 (1980)

Gambar 5. Jumlah minimum lubang ventilasi

508

7. Alpert, R.L.: Fire Technol. 8, 181 195 (1972)

8. Cooper, L.Y.: Ceiling Jet-Driven Wall Flows in Compartment Fires, NBSIR 87 - 3535

(1987)

9. Alpert, R.L.: the fire-induced ceiling-jet revisited. In: 5th FireSeat Symposium,

Edingburgh, Scotland (2011)

10. Peacock, R.D, Forney, G.P, Reneke, P.A.: CFAST: A Consolidated Model for Fire

Growth and Smoke Transport, NIST Technical Report No.1026 R1, USA

11. Yu, D, LiG, Q.: Fire Saf. J. 54, 113 120 (2012)

12. Tahri, F.Z.: Smoke Movements Analysis Within Semi-Confined Compartments: A

Correlative-CFD Comparison, Master Thesis in Mechanical Engineering, Hassiba

Benbouali University, Chlef, Algeria (2015)

13. Agred, S., Benarous, A., Loukarfi, L., Naji, H.: Nat. Technol. Rev. (ISSN 2437-0312),

Issue C-13, 23 27 (2015)

14. Mc Grattan, K., Myers, T.: A way to characterise the range of validity of a fire model.

In: Proceeding of Fire and Evacuation Modelling Conference, Maryland, USA (2011)

509

42. Studi Numerik Twin Jets yang Menembus Permukaan Halus dan

Permukaan Rata

Rachid Sahnoun and Abdelkrim Liazid

Abstrak Studi ini difokuskan pada analisis jumlah statistik (jumlah rata-rata dan rms) bidang dinamis sepanjang sumbu tengah pelontaran twin jets terhadap permukaan datar dan halus tanpa resirkulasi. Penelitian ini dicapai dengan menggunakan pendekatan RANS yang terkait dengan model turbulensi yang popular Rasio pembukaan jet adalah H/e = 10 dan jumlah ReyNolds Hasilnya dibandingkan dengan pengukuran eksperimental yang ditemukan dalam literatur. Model ini menunjukkan kesepakatan yang baik dengan data eksperimen. Beberapa diskusi dilakukan.

1 Pengantar

Pelanggaran yang sering terjadi ditemukan di beberapa aplikasi industri karena perpindahan panas dan massanya yang sangat lokal, dibandingkan dengan yang dicapai dengan jumlah cairan yang sama sejajar dengan permukaan objek. Tirai udara adalah perangkat pemisahan yang didasarkan pada pelepasan aliran udara pesawat untuk mengisolasi satu sama lain dua volume udara yang berdekatan dengan karakteristik iklim yang berbeda. Sebagian besar waktu, tirai udara terdiri dari satu atau beberapa jet yang ditiup secara vertikal atau miring ke bawah. Setelah jet menyentuh lantai, udara yang disediakan hanya tumpah ke daerah di kedua sisi jet. Dalam banyak kasus, rasio aspek geometris dari nosel debit persegi panjang sedemikian rupa sehingga tirai udara dapat dianggap sebagai jet pesawat dua dimensi. Gupta [1] Selidiki pengurungan asap di terowongan yang mengamati tirai udara dengan alat pengukuran PIV. Loubière, Pavageau, Gupta dan lainnya [2-5] telah menganalisis struktur dalam pengembangan jet untuk berbagai konfigurasi geometris dan sinematik, dengan menggunakan Particle Image Velocimetry (PIV). Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mensimulasikan udara twin jet yang menempel pada permukaan halus dan datar yang tetap R. Sahnoun (&) A. Liazid

LTE, ENP Oran, BP 1523 El-

e-mail: r_sahnoun@yahoo.fr

A. Liazid

e-mail: ab-liaz@hotmail.fr

Springer International Publishing Switzerland 2017

T. Boukharouba et al. (eds.), Applied Mechanics, Behavior of Materials, and Engineering

Systems, Lecture Notes in Mechanical Engineering, DOI 10.1007/978-3-319-41468-3_42

510

Menggunakan pendekatan RANS yang terkait dengan model turbulensi klasik Penelitian dilakukan di ruang dimensi 2D. Dimensi domain komputasi yang diadopsi sama dengan yang diujikan [1]. Hasilnya diharapkan dapat mengungkap struktur arus rinci.

2 Persamaan Dasar dan Metode Solusi

Karakteristik aliran jet diatur oleh persamaan keseimbangan massa dan momentum yang terkenal.

2.1 Perumusan Matematika

Persamaan kontinuitas dan momentum rata-rata untuk arus yang tidak dapat dikompres adalah: Dengan: Berdasarkan asumsi Boussinesq, tegangan turbulen dinyatakan menurut kecepatan rata-rata menggunakan viskositas turbulen Komponen tegangan turbulen yang dimodelkan dinyatakan menurut deformasi linier seperti: Dengan menerapkan pendekatan yang sama seperti model panjang pencampuran, kami menentukan viskositas turbulen sebagai:

511

Studi Numerik tentang Impeller Twin-Jets Standar yang dipilih Model [6] digambarkan oleh dua persamaan. Yang pertama adalah untuk energi kinetik turbulen Persamaan. (5), (6) dan (7) mengandung lima konstanta yang dapat diatur. Model standar menggunakan nilai untuk konstanta ini yang disimpulkan dari pemasangan data komprehensif untuk berbagai aliran turbulensi:

2.2 Metode Numerik

Gambar 1 mengilustrasikan domain komputasi numerik. Untuk operasi numerik dan percobaan, tinggi (H) terowongan adalah 0,3 m; rasio pembukaan jet sama dengan 10. Unit bertiup terdiri dari dua rangkaian makan mandiri yang terintegrasi yang konvergen membentuk nosel twin jet. Setiap jet berukuran 0,015 m sehingga total lebar nosel twin-jet adalah 0,03 m. Sisi kiri ujung terowongan terletak pada jarak 5H dari bidang pusat tirai udara (1,5 m) dan sisi kanan pada 15H (4,5 m). Sumbu y berorientasi ke bawah. Tidak ada kondisi slip yang diterapkan pada setiap dinding. Saluran kanan dipasang pada tekanan atmosfir sementara tekanan relatif 0,2 Pa dipasang di outlet terowongan kiri. Simulasi numerik dilakukan dengan menggunakan CFD kode FLUENT 6.0

Gambar 1 Skema domain komputasi

512

3. Hasil Komputasi

Bilangan Reynolds ( adalah kecepatan inlet maksimum dan adalah viskositas kinematic ) tetap untuk 14.000 untuk mencapai aliran penuh turbulen. Persamaan diskrit dengan model standar untuk kopling kecepatan tekanan diselesaikan dengan menggunakan algoritma SIMPLEC. Tekanan dipecahkan dengan menggunakan skema diskretisasi pesanan kedua, untuk perawatan dinding, fungsi dinding standar digunakan; Hal ini didasarkan pada usulan Launder dan Spalding. Metode diskretisasi hukum kuasa digunakan untuk variabel lainnya. Pemecah terpisah dipekerjakan bersamaan dengan formulasi eksplisit orde kedua yang tidak stabil dan parameter relaksasi standar. Apakah jaring yang didenda di wilayah aliran jet dicapai terutama di dekat dinding pelampiasan dan pada kapak; Seluruh domain komputasi kita adalah dengan 80000 sel.

4. Cara Arus dan Statistik Turbulensi

Pada Gambar 2, hasil yang diperoleh dibandingkan dengan eksperimen yang dipublikasikan oleh Gupta. Dari profil kecepatan rata-rata sepanjang garis tengah jet, Gambar 2, diamati bahwa model numerik terpilih memberikan kesepakatan yang baik dengan data eksperimen. Gambar 3a, b menunjukkan jarak vektor iso dan iso-kontur dari kecepatan rata-rata. Hal ini dapat diamati penyimpangan sumbu jet seperti ukuran percobaan yang ditunjukkan pada Gambar 3c, d. Intensitas turbulen pada arah x, Gambar 4 menunjukkan bahwa simulasi memperkirakan kecepatan mendekati daerah benturan Ini adalah konsekuensi langsung dari tingkat ekspansi yang lebih kecil, yang menunjukkan penyebaran lintang yang lebih rendah

Gambar 2 Profil kecepatan rata-rata pada arah y

513

Studi Numerik tentang Impeller Twin Jets

Momentum. Sebagai penyelidikan numerik dicapai di ruang 2D, tingkat ekspansi yang lebih kecil dari jet juga terkait dengan efek non-dimensi yang akhirnya dapat hadir dalam aliran sebenarnya. Di wilayah aliran awal, antara dan model memberi nilai mendekati yang didapat dalam eksperimen. Standar

Gambar 3 velocity iso-vector sepanjang poros jet; b berarti magnitude kecepatan iso kontur di arah y; c eksperimental rata kecepatan iso-vektor; d rata-rata kecepatan eksperimen iso-kontur.

514

Model nampaknya lebih cocok dengan hasil eksperimen. Namun model gagal untuk benar menggambarkan daerah aliran segera hulu nosel, dari karena profil turbulensi dan kecepatan yang tidak seragam dan kurang diketahui pada nosel dan dianggap seragam dalam simulasi.

5. Kesimpulan

Pendekatan RANS 2D yang terkait dengan model turbulensi telah digunakan untuk mensimulasikan twin-jet yang impuls dari nosel slot persegi panjang. Hasil perhitungan menunjukkan struktur arus dari jet menimpa. Evolusi kecepatan aksial dan intensitas turbulensi telah dilaporkan. Hasil prediksi kecepatan rata-rata akar diverifikasi dengan hasil eksperimen yang tersedia.

Referensi

1. Gupta, S.: Etude expérimentale du comportement dynamique et des performances de

doctorat, Ecole des mines de Nantes, France (2005)

2. Loubière, K., Pavageau, M.: Educing coherent eddy structures in air curtain systems.

Chem. Eng. Process. 47, 435 448 (2008)

3. Felis, F., Pavageau, M., Elicer-Cortés, J.C., Dassonville, T.: Simultaneous

measurements of temperature and velocity fluctuations in a double-stream twin-jet air

curtains for heat confinement in case of tunnel fire. Int. Commun. Heat Mass Transf. 37,

1191 1196 (2010)

4. Elicer-Cortés, J.C., Demarco, R., Valencia, A., Pavageau, M.: Heat confinement in

tunnels between two double-stream twin-jet air curtains. Int. Commun. Heat Mass Transf.

36, 438 444 (2009) Fig. 4 Turbulent intensity in the x direction 508 R. Sahnoun and A.

Liazid

5. Gupta, S., Pavageau, M., Elicer-Cortés, J.C.: Cellular confinement of tunnel sections

between two air curtains. Build. Environ. 42, 3352 3365 (2007)

Gambar 4 Intensitas turbulen pada arah x

515

6. Fernandez, J.A., Elicer-Cortés, J.C., Valencia, A., Pavageau, M., Gupta, S.: Comparison

of low-cost two-equation turbulence models for prediction flow dynamics in twin-jets

devices. Int. Commun. Heat Mass Transf. 34, 570 578 (2007)

7. Copyright © 2006 Fluent Inc, by Macrovision Corporation. Flexible license Manager.

FLUENT 6.3.26

516

Perpindahan Panas dan Massa Menjadi Anulus

Berpori yang Ditemukan di antara dua Silinder

Sirkular Konsentris

Karim Ragui, Abdelkader Boutra, Rachid Bennacer

and Youb Khaled Benkahla

Abstrak karya numerik ini mengacu pada studi konveksi alami yang didorong

oleh kekuatan apung termal dan solutal yang bekerja sama, ke dalam anulus berpori

yang ditemukan di antara selubung lingkaran luar yang dingin (kurang konsentris) dan

silinder dalam yang panas (konsentris). Abstrak Karya numerik ini mengacu pada studi

konveksi alami yang didorong oleh kekuatan apung panas dan solutal yang bekerja

sama, ke anulus berpori yang ditemukan di antara selubung lingkaran luar yang dingin

(kurang konsentris) dan silinder dalam yang panas (konsentris). Model fisik untuk

persamaan konservasi momentum menggunakan perpanjangan Brinkman dari

persamaan Darcy klasik, himpunan persamaan digabungkan dipecahkan dengan

menggunakan metode volume terbatas dan algoritma yang lebih sederhana. Untuk

memperhitungkan efek dari parameter utama seperti bilangan Lewis, rasio daya apung

dan rasio aspek silinder, karakteristik perpindahan panas dan massa diperiksa.

Meringkas prediksi numerik, bidang dinamik, termal dan solutal ditemukan sangat

bergantung pada mengatur parameter yang dipelajari. Perlu diketahui bahwa keabsahan

kode komputasi yang digunakan sudah dipastikan dengan membandingkan hasil kita

dengan yang numerik yang sudah tersedia dalam literatur.

Daftar simbol

C Pecahan massa dimensi D Difusi massa, m2 s-1 Dint Diameter silinder dalam, m Dext Diameter silinder luar, m

K. Ragui (&) ı A. Boutra ı Y.K. Benkahla Laboratory of Transport Phenomena, USTHB, 16111 Algiers, Algeria e-mail: ragui-karim@live.fr A. Boutra e-mail: aeknad@yahoo.fr Y.K. Benkahla e-mail: youbenkahla@yahoo.fr A. Boutra Preparatory School of Science and Technology, 16111 Algiers, Algeria

517

R. Bennacer LMT, Superior Normal School Cachan, 94235 Cedex, France e-mail: rachid.bennacer@ens-cachan.fr © Springer International Publishing Switzerland 2017 T. Boukharouba et al. (eds.), Applied Mechanics, Behavior of Materials, and Engineering Systems, Lecture Notes in Mechanical Engineering, DOI 10.1007/978-3-319-41468-3_43

Da Jumlah Darcy, (K/D2

ext ) K Permeabilitas medium berpori, m2 Le Jumlah Lewis, c T) N Rasio apung, Pa p* Tekanan P Tekanan tak berdimensi Pr Jumlah Prandtl (v/ ) Ra Jumlah termal Rayleigh T T D3

ext / v2) Ra* Jumlah termal Rayleigh berpori (Ra Da) T Suhu Dimensi, K u V, Komponen kecepatan m s-3

U V, Komponen kecepatan tanpa dimensi x Y, Koordinat kartesian, m X Y, Koordinat kartesian tanpa dimensi Huruf Yunani

Difusivitas termal, m2 s-1 T Koefisien ekspansi termal, K-1 C Koefisien ekspansi solutal Porositas media berpori

v Viskositas kinematis, m2 s-1 Konsentrasi tanpa dimensi Suhu tanpa dimensi Fungsi aliran

Subskrip

h Hot c Cold Superscript

Konsentris Kurang konsentris

1. Pengantar

Selama empat dekade terakhir, analisis konveksi alami ganda-diffusif di

lampiran berpori telah menjadi subyek aktivitas penelitian yang sangat intens, karena

pentingnya aplikasi industri dan teknologi terkait seperti instalasi penyimpanan biji-

518

bijian, energi panas bumi, bahan isolasi berserat, perpindahan panas, reaktor katalis dan

beberapa mode dibantu dalam pemulihan minyak [1-4]. Namun demikian, dalam

aplikasi teknik, selungkup seringkali lebih rumit, seperti tungku muffling silinder dan

isolator berserat yang menutupi tabung silindris.

Banyak penyelidikan yang telah membahas pengaruh lebar anulus berpori pada

perpindahan panas alami dan massa. Dikutip, contohnya, dari makalah Mojtabi dkk. [6

7] di mana konveksi alami dua dimensi yang kuat menjadi anulus berpori persegi

panjang dilakukan, dan Burns et al. [8] dalam makalahnya yaitu di mana konveksi alami

menjadi media berpori yang dibatasi oleh bidang konsentris dan silinder horizontal

diperiksa. Dengan menggunakan metode elemen terbatas, Badruddin dkk. [9] dilakukan

perpindahan panas konvektif alami dalam medium berpori jenuh yang terkandung

dalam anulus persegi. Batas luar anulus terkena suhu isotermal yang lebih dingin saat

dinding bagian dalam dijaga pada suhu yang panas. Efek dari rasio berpori lebar dan

jumlah Rayleigh adalah objek utama dari penyelidikan ini.

Dengan menggunakan metode volume control, Xu dkk. [10] mempelajari secara

numerik transfer panas konveksi alam sementra gallium cair dari silinder melingkar

horizontal yang dipanaskan ke lampiran segitiga koaksial. Jumlah Grashof bervariasi

mulai dari 104 sampai 107 untuk memprediksi pengaruhnya terhadap fenomena

konveksi. Termotivasi oleh banyaknya aplikasi praktis konveksi alami ganda-diffusif

pada anulus berpori, dan oleh fakta bahwa penyelidikan tentang subjek ini mungkin

kurang umum dalam literatur yang ada, makalah ini akan membahas hasil aliran laminar

ke anulus berpori yang dibatasi oleh dua silinder konsentris.

2. Soal Pernyataan dan Rumusan Matematika

Konfigurasi yang dipelajari, ditunjukkan pada Gambar. 1, terdiri dari selungkup

berpori luar lingkaran yang dingin (kurang konsentris) yang berisi silinder dalam yang

panas (konsentris). Cairan yang memenuhi medium berpori diasumsikan ke Newtonian,

sifat termo-fisiknya

519

dianggap konstan kecuali variasi kerapatan, dalam istilah apung, yang bergantung

secara linear pada suhu dan konsentrasi lokal.

dimana dan adalah koefisien ekspansi termal dan konsentrasi:

Matriks padat seharusnya bersifat isotropik, homogen dan dalam ekuilibrium termal

dengan cairan. Soret dan efek Dufour pada panas dan difusi massa terbengkalai;

permeabilitas media berpori K tetap seragam, bila porositasnya sekitar 0,40.

Persamaan konservasi tanpa dimensi, yang menggambarkan fenomena transportasi di

dalam anulus berpori, dapat ditulis sebagai:

Gambar 1 Medan simulasi dengan kondisi batasnya

520

dimana Da adalah nomor Darcy, Le adalah nomor Lewis, N adalah rasio daya apung, Pr

dan Ra adalah bilangan Prandtl dan Rayleigh termal.

3. Prosedur dan Validasi Numerik

Persamaan konservasi yang mengatur diskret di ruang angkasa menggunakan

pendekatan volume terbatas, ketika istilah konveksi-difusi dilakukan dengan skema

Power-Law. Persamaan aljabar yang dihasilkan, dengan kondisi batas yang terkait,

kemudian diselesaikan dengan menggunakan metode garis demi baris. Sebagai

persamaan momentum diformulasikan dalam bentuk variabel primitif (U, V dan P),

prosedur iterative tersebut mencakup metode perhitungan koreksi tekanan, yaitu dengan

melakukan penyedderhanaan [11], untuk mengatasi tekanan-kecepatan kopling.

Dibandingkan dengan pendekatan tekanan-kecepatan kopling lainnya, seperti itu

penyederhanaannya, pendekatan yang lebih sederhana tersebut telah terbukti lebih

cepat, (sekitar 30% sampai 50% lebih sedikit iterasi). Kriteria konvergensi untuk suhu,

konsentrasi, tekanan dan kecepatan juga, diberikan sebagai:

521

dimana m dan n adalah jumlah titik grid pada arah X dan Y, masing-masing, adalah

salah satu variabel medan yang dihitung dan t adalah bilangan iterasi.

Kinerja penggunaan kode melalui masalah konveksi alami ganda-diffusi dalam

medium berpori terbatas dilakukan dengan membandingkan prediksi dengan hasil

numerik lainnya, dan dengan memverifikasi kemandirian grid dari hasil sekarang. Pada

awalnya, hasil ini konsisten dengan perhitungan sebelumnya, dari Hadidi dkk. [12].

Dengan memperhitungkan hipotesis yang sama, Tabel 1 dan 2 menunjukkan

perbandingan bilangan rata-rata Nusselt dan Sherwood yang dihitung dengan berbagai

nilai rasio daya apung N dan bilangan Rayleigh masing-masing berpori termal Ra*.

Seperti yang bisa kita lihat, hasil sekarang dan hasil dai Hadidi dkk. [12] berada dalam

kesepakatan yang sangat baik dengan selisih maksimum sekitar 2%.

Kemudian, untuk memeriksa validitas kode numerik dengan hasil silindris

bagian dalam yang diperoleh Kim et al untuk selungkup dingin yang berisi silinder

panas terpusat telah dipilih.. Gambar 2 menampilkan perbandingan antara prediksi Kim

dkk dan yang sekarang ada dalam istilah streamlines dan plot Isoterm. Kesepakatan

yang bagus antara kedua karya tersebut diamati melalui gambar terakhir yang

memvalidasi kode kita melalui konfigurasi silindris.

Tabel 1. Jumlah rata-rata Nusselt dan Sherwood yang diperoleh dengan kode komputer kita

dan yang dimiliki oleh Hadidi dkk. [12]. Ra = 106, Pr = 7, Da = 10-4, Le = 10

Tabel 2. Jumlah rata-rata Nusselt dan Sherwood yang diperoleh dengan kode

komputer kita dan data dari Hadidi dkk. [12]. Pr = 7, Da = 10-4, Le = 10, N = 10

522

(Ra = 103 )

(Prediksi sekarang) (Ra = 105 ) (Kim dkk. [13])

Untuk menentukan grid yang tepat pada simulasi numerik, penelitian

kemandirian grid dilakukan untuk konveksi alami ganda-diffusikan ke anulus berpori,

yang sebelumnya ditunjukkan pada Gambar. 1. beberapa distribusi penghubung mulai

dari 1612 sampai 4012 diuji dan profil kecepatan V utama, untuk grid beraturan di atas,

disajikan pada Gambar. 3. Hal ini diamati bahwa grid beraturan 2012 cukup untuk solusi

grid independen. Namun, struktur penghubung yang halus 4012 digunakan untuk

menghindari kesalahan round-off untuk semua perhitungan lainnya dalam penyelidikan

ini.

Gambar 2. Perbandingan hasil sekarang dengan yang dilaporkan oleh Kim dkk. [13] untuk

bilangan Rayleigh yang berbeda, Pr = 0,71

523

4. Hasil dan Diskusi

Dalam penelitian ini, perhitungan dilakukan untuk berbagai nilai rasio Lewis

(1 Le 50), rasio daya apung (1 NN 30) dan rasio aspek silinder (0.10 Dint /

Dextt 0,40). Keduanya, angka Darcy dan Prandtl ditetapkan pada Gambar 10-3 dan 10,

masing-masing Gambar 4 menampilkan Streamlines, Isoterm dan plot konsentrasi Iso

untuk berbagai nilai bilangan Lewis dan bahwa, pada N = 10. Untuk semua kasus, pada

rasio apung ini, plot mengikuti bentuk dinding dalam dan luar. Dua sel kontra-rotasi

simetris dibentuk menjadi anulus berpori untuk bilangan Lewis sama dengan 1 dan 10,

ketika dua vortisitas sekunder lebih rendah menunjukkan kapan huruf (Le) itu lebih

besar dari 20. Vortisitas sekunder ini dihasilkan oleh fluida dingin, (kurang konsentris),

cairan yang tetap terbatas di daerah kecil yang diciptakan oleh dua sel primer.

Di sisi lain, plot Isoterm yang diwakili oleh Le> 1 hampir mendekati jumlah

rezim perpindahan panas konduksi yang didominasi, tidak seperti plot Isokonsentrasi

dimana lapisan batas konsentris tipis di dekat dinding berpori menurun seiring dengan

meningkatnya jumlah Lewis. Mengenai pengaruh rasio daya apung, Gambar. 5.

mengilustrasikan Streamlines, Isoterm dan plot konsentrasi Iso untuk nilai yang berbeda

dari yang kedua dan itu untuk bilangan Lewis yang sama dengan 10. Sekali lagi, dan

kecuali N = 30, dua pusaran simetris kontra-rotasi terbentuk menjadi anulus berpori.

Gambar 3 V-kecepatan pada Y = 0 untuk grid seragam yang berbeda, Dint / Dext =

0,10, Le = 10, N = 10, Ra* = 100

524

Nilai fungsi arus absolutnya meningkat dengan menambahkan rasio daya apung saat

aliran fluida menjadi lebih kuat.

Perpindahan panas ke dalam medium berpori jenuh ditemukan lebih jelas

dengan meningkatkan N yang mengindikasikan transisi dari rezim konduksi (pada N =

1) ke konvektif (lihat N = 30). Kemudian, plot iso konsentrasi sangat dipengaruhi oleh

peningkatan rasio daya apung.

Lapisan batas massa tipis yang terbentuk di sekitar bagian atas silinder luar dan

di sekitar bagian dalam, menunjukkan gradien konsentrasi besar di sepanjang

permukaan, ketebalan lapisan batas ditemukan sebagai fungsi penurunan dari nilai

peningkatan rasio daya apung. Perlu dicatat bahwa tidak seperti nilai lainnya, bila rasio

daya apung sekitar 20, dua vortisitas sekunder yang lebih rendah akan meningkat,

karena bagian anulus ini hanya mengandung cairan yang sangat dingin dan sangat

kurang konsentris. Untuk klarifikasi lebih lanjut, perilaku hidrodinamik, termal dan

solutal diringkas pada Gambar. 6, di mana kecepatan V, suhu dan profil konsentrasi

sepanjang bidang datar horizontal dari anulus berpori disajikan.

Pemeriksaan besarnya V pada nilai yang berbeda dari bilangan Lewis

mengkonfirmasikan hasil yang sebelumnya diperoleh dari analisis arus. Profil V-

kecepatan memverifikasi keberadaan sel sirkulasi searah jarum jam dan berlawanan

arah jarum jam di dalam annuli. Penurunan besarnya kecepatan dengan meningkatnya

bilangan Lewis merupakan indikasi aliran apung yang lemah pada nilai tinggi yang

terakhir. Oleh karena itu, mekanisme pemindahan massa diharapkan lebih jelas

525

Gambar 4. Pengaruh bilangan Lewis, N = 10, Ra* = 100, Dint / Dext = 0.10

526

527

Gambar 6 Profil V Kecepatan, Suhu dan Konsentrasi pada Y = 0 untuk nilai yang

berbeda dari bilangan Lewis (a) dan rasio daya apung (b). Ra * = 100, Dint / Dext =

0.10

Gambar 5 Pengaruh rasio daya apung, Le = 10, Ra * = 100, Dint /

Dext = 0.10

528

seperti yang digambarkan melalui profil konsentrasi, sementara konduksi yang

bertanggung jawab atas perpindahan panas. Sekali lagi, rasio apung terbukti menjadi

penguat kecepatan aliran dan perpindahan massa, ketika pengaruhnya terhadap rezim

perpindahan panas masih kurang jelas (lihat Gambar 6b).

Efek rasio aspek, Dint / Dext, segera diselidiki. Gambar 7 menampilkan arah

aliran, Isoterm dan plot konsentrasi Iso untuk berbagai rasio aspek dan rasio Lewis dan

apung tetap, yang diambil sebagai 10.

Gambar 7 Efek radius silinder dalam, Ie = 10, N = 10, Ra * = 100

529

5. Kesimpulan

Analisis fenomena konveksi alami difusi ganda di dalam anulus berpori persegi Darcy-

Brinkman secara numerik direalisasikan dalam makalah ini. Dengan

mempertimbangkan berbagai parameter, seperti bilangan Lewis, rasio apung dan jari-

jari dalam, prediksi dapat dilanjutkan sebagai berikut:

Ke dalam annulus berpori jenuh, kecepatan fluida menjadi lebih kuat dengan

meningkatkan nilai rasio daya apung, tidak seperti bilangan Lewis.

Perpindahan panas adalah fungsi tenang dari rasio daya apung, dan tidak banyak

bergantung pada bilangan Lewis tidak seperti perpindahan massa, yang

merupakan fungsi dari keduanya; Lewis dan rasio daya apung.

Peningkatan jari-jari dalam mengurangi gerakan fluida dan membuat rezim

konduksi lebih jelas.

Referensi

1. Trevisan, O., Bejan, A.: Int. J. Heat Mass Transf. 30, 2341 2356 (1987)

2. Benard, C., Gobin, D., Thevenin, J.: In: ASME, R.K., Shah, (eds.) pp. 249 254, New York (1989)

3. Rachid, B.: Ph.D. Thesis, Pierre and Marie Curie, Paris (1993) 4. Nield, D.A., Bejan, A.: Springer, Berlin (1992) 5. Ait, Saada M., Chikh, S., Campo, A.: Int. J. Heat Fluid Flow 28,

483 495 (2007) 6. Charrier-Mojtabi, M.C., Caltagirone, J.P.: First Int. Conf. Numer.

Meth. Non-Linear Problems, pp. 821 828 (1980) 7. Mojtabi, A., Quazar, D., Charrier-Mojtabi, M.C.: Int. Conf. Numer.

Meth. Thermal Probl 5, 644 654 (1987) 8. Burns, P.J., Tien, C.L.: Int. J. Heat Mass Transf. 22, 929 939 (1979) 9. Badruddin, I.A., Abdullah, A., Salman Ahmed, N.J., Kamangar, S.,

Jeevan, K.: Int. J. Heat Mass Transf. 55, 7175 7187 (2012) 10. Xu, X., Yu, Z.T., Hub, Y.C., Fan, L.W, Cen, K., FInt, J.: Heat Mass

Transf. 55, 995 1003 (2012) 11. Patankar, S.V.: Numerical heat transfer and fluid flow. Mc Grow,

New York (1980) 12. Hadidi, N., Ould Amer, Y., Bennacer, R.: Energy 51, 422 430

(2013) 13. Kim, B.S., Lee, D.S., Ha, M.Y., Yoon, H.S.: Int. J. Heat Mass

Transf. 51, 1888 1906 (2008)

530

Perpindahan panas dan massa dalam perkembangan

-PD

Hanane Azoui, Abdellah Laidoune, Djamel Haddad and Derradji

Bahloul

Abstrak dalam karya ini telah kita pelajari perpindahan panas dan massa safir

titanium yang didoping dalam medan pertumbuhan. Pertumbuhan bahan ini (Ti+3 : A12O3) dilakukan dengan menggunakan teknik pertumbuhan yang relatif baru yaitu

-PD) [1]. Metode ini menyajikan beberapa keunggulan dibandingkan metode pertumbuhan lainnya [2] dan memungkinkan pertumbuhan bahan berbentuk stabil dengan kualitas yang sangat baik [3]. Dalam penelitian ini, kami membuat model volume hingga dua dimensi berurutan dalam koordinat silinder dengan konfigurasi sumbu simetris. Aliran, transfer termal dan perpindahan massa dimodelkan oleh persamaan diferensial konservasi massa, jumlah pergerakan, energi dan spesies. Masalah ini, yang memperhitungkan penggabungan difusi konveksi, diskrit dengan menggunakan Metode Volume Hingga (FWM). Kami fokus pada sifat fisik zona cair dan distribusi radial dan aksial titanium dalam serat kristal safir. Model kami sesuai dengan hasil eksperimen.

1. Pengantar

Titanium sapphire adalah bahan yang sangat penting karena sifat kimia dan

fisiknya yang luar biasa (mekanik, optik, termal dan dielektrik) [1]. Untuk rudal

titanium yang dilapisi titanium safir ini paling banyak digunakan di beberapa aplikasi

militer, medis, dan industri. [4]. Untuk mikro elektronika atau LED, jendela, jam tangan

dan kacamata telepon seluler, serat optik dan panduan gelombang untuk operasi [1].

Banyak teknik yang berkembang telah digunakan untuk menumbuhkan bahan ini seperti

metode Heat Exchanger (HEM) [5]. Czochralski [6]. Geometri, bentuk dan kualitas

H. Azoui (&) ı A. Laidoune ı D. Bahloul Département de sciences de la matière, Universitè de Batna 1, 1 rue Chahid Boukhlouf Mohamed El-Hadi, Batna 05000, Algeria e-mail: anhanane@gmail.com D. Haddad Département de mécanique, Université de Batna 2, Batna, Algeria e-mail: djamel_hd2@yahoo.fr © Springer International Publishing Switzerland 2017 T. Boukharouba et al. (eds.), Applied Mechanics, Behavior of Materials, and Engineering Systems, Lecture Notes in Mechanical Engineering,

531

DOI 10.1007/978-3-319-41468-3_44

bahan menunjukkan peran penting dalam pemilihan teknik yang berkembang. [3] Dalam karya ini kita telah melakukan simulasi numerik proses pertumbuhan dengan teknik micro-pulling down µ-PD. Metode ini memungkinkan kontrol gradien termal (perpindahan panas), dan telah menjadi metode utama untuk mengembangkan bahan dengan kualitas yang baik. Analisis teoritis perpindahan panas dan massa dalam pertumbuhan Ti doping A12O3 dilakukan dengan menggunakan hukum konservasi konsentrasi massa, momentum, energi dan solutal. Penelitian tentang masalah ini disederhanakan menjadi aliran cairan kental yang mampat di zona cair yang diatur oleh persamaan Navier-Stokes, perpindahan panas dan konsentrasi di bawah perkiraan gelombang Boussinesq. Diagram skematik dan wilayah komputasi dari mikro-pulling down diilustrasikan di Gambar 1 dan 2.

Gambar 1. -PD

532

Pada bagian selanjutnya kami memperkenalkan rumusan matematis dari model kami yaitu persamaan yang mengatur, dan skema numerik yang digunakan dalam simulasi kami. Bagian 3 dikhususkan untuk hasil dan diskusi, disusul kesimpulan di bagian 4.

2. Perumusan matematika

Dalam penelitian ini, kami membuat model volume terbatas dua dimensi dalam

koordinat silinder, dengan konfigurasi sumbu simetris. Aliran, perpindahan termal dan massa dimodelkan oleh persamaan diferensial konservasi massa, jumlah pergerakan, energi dan konsentrasi.

2.1 Pengaturan Persamaan

Dalam laporan ini, cairan diasumsikan tidak tertahankan dan Newtonian,

sedangkan alirannya laminar. Variabel Dimensionless didefinisikan oleh skala skala

oleh Rd, kecepatan oleh m/Rd, suhu oleh titik lebur Tm, dan konsentrasi dengan C0, di

mana m adalah difusivitas termal lelehan dan Rd adalah radius dari wadah [7]. Kami

telah menggunakan model axisymmetric dua dimensi karena terdapat masalah pada

simetri silinder. Aliran, perpindahan panas dan perpindahan massa dimodelkan oleh

persamaan diferensial tak berdimensi:

Gambar 2. Wilayah komputasional

533

Persamaan komponen radial momentum:

Persamaan komponen aksial momentum:

Persamaan konservasi:

Persamaan energi:

Persamaan konsentrasi:

dimana

Pr adalah jumlah prandtl (Pr vm/am)

m adalah leleh viskositas kinematis

Sc adalah jumlah Schmidt (Sc

D difusivitas titanium dalam cairan I adalah difusivitas termal dari fase i, i = c untuk kristal dan i = m untuk

cairan RaT, Ras Ras bilangan Rayleigh termal dan solutal masing-masing, adalah dua

variabel berdimensi penting dalam istilah sumber dari persamaan gerak yang didefinisikan sebagai berikut:

534

Koefisien ekspansi termal dan solutal masing-masing adalah T dan S, dan g

adalahpercepatan gravitasi. Persamaan yang mengatur dengan kondisi batas yang terkait diskrit dengan metode volume terbatas (FVM). Kondisi batas juga diperlukan untuk menyelesaikan persamaan yang diatur di atas. Kondisi batas yang digunakan dalam simulasi kita sama dengan Refs. [7, 8].

Untuk menyelesaikan persamaan numerik di atas, medan fisik dalam koordinat silinder axisymmetric (r, z) dibagi menjadi sejumlah volume V yang terbatas, yang dibatasi oleh permukaan sel yang terletak disekitar setengah jalan antara titik pusat berurutan. Gambar 3 mewakili skema numerik atau grid mesh yang telah digunakan.

2.2 Kondisi Batas

Diasumsikan bahwa zat terlarut didistribusikan secara merata dalam reservoir

leleh dan konsentrasinya adalah C0. Difusi zat terlarut dalam fase padat terbengkalai. persamaan yang diatur dengan kondisi batas yang terkait diskrit dengan metode volume terbatas (FVM). Kami menyajikan di bawah penjelasan rinci tentang kondisi batas yang digunakan dalam simulasi kami yang sama di Ref. [7]. Beberapa kondisi batas penting dijelaskan di sini.

Gambar 3 Bagian sampel yang berhubungan (skema numerik) untuk perhitungan

535

2.2.1 Kondisi Batas pada Poros Simetri

Dalam model axisymmetric dua dimensi kami, kondisi batas pada sumbu

simetris untuk jumlah fisik ditetapkan sebagai berikut:

Dalam persamaan di atas memiliki kecepatan fisik (u, v), suhu T dan

konsentrasi C. Kondisi batas untuk perpindahan panas dan massa ditetapkan sebagai berikut.

2.2.2 Kondisi Batas Suhu

Di bagian atas suhu yang masuk diatur oleh generator frekuensi radio tentang T

20-30K di atas titik lebur Tm safir.

Di dalam dinding kapiler, suhu mati Td diasumsikan sebagai fungsi linier dari jarak aksial:

dimana n adalah satuan vektor normal pada permukaan cairan atau kristal yang

mengarah ke luar, ki adalah rasio konduktivitas termal fase i terhadap konduktivitas cairan Km, Bi = hRd/km adalah jumlah biot

Dalam penelitian ini suhu lingkungan Ta ditetapkan menjadi konstan. Kondisi batas pada permukaan cairan pada adalah

H adalah panas laten safir,

vc adalah kecepatan pertumbuhan c kerapatan Kristal

Kc konduktivitas termal Kristal

Pada akhir serat = L menggunakan kondisi batas suhu tetap, yaitu T = Ta (Ta adalah suhu sekitar).

536

2.2.3 Kondisi Batas Konsentrasi Solute Di pintu masuk atas (z = - Hcap) kondisi batas zat terlarut diberikan oleh:

Dimana e adalah vektor satuan panjang sumbu dan C adalah gradien

konsentrasi. Kondisi Neumann dikenakan pada permukaan lelehan / kristal:

dimana: K adalah koefisien segregasi menurut diagram fasa, c m adalah densitas kristal dan lebur. Jumlah Peclet pada cairan dan kristal masing-masing adalah:

c, m masing-masing kerapatan kristal dan cairan vm, vc masing-masing cairan dan kecepatan pertumbuhan

3. Hasil dan Pembahasan

Dalam penelitian ini, kami hanya tertarik pada kasus dengan konsentrasi kurang

dari 0,1% titanium dalam lelehan (safir) yang digunakan pada percobaan sebelumnya [1]. Sifat fisik (Tabel 1) Ti+3: A12O3 dan beberapa pemakaian parameter yang digunakan dalam perhitungan tercantum di sini [1, 9].

3.1 Perpindahan Massa (Distribusi) Titanium di Kristal Safir 3.1.1 Perpindahan Massa Aksial

Distribusi konsentrasi dopan titanium di sepanjang sumbu kristal titanium safir (padat) untuk berbagai tingkat menarik diilustrasikan pada Gambar 4. Tingkat penarikan yang digunakan dalam simulasi kita sama pada percobaan. [1] Gambar 5: (0,3, 0,5, 0,81 mm / menit).

537

Pada Gambar 4, kita melihat bahwa distribusi longitudinal Ti+3 bersifat homogen di sepanjang sumbu serat (z -PD distribusi dopan tetap homogen meski laju tariknya relatif tinggi. Hasil ini sesuai dengan hasil eksperimen yang ditunjukkan pada Gambar 5

Tabel 1. Sifat Fisik Ti3+: Al2O3

Gambar 4. Hasil simulasi

kami

538

[1], dan memberikan kualitas kristal yang baik untuk berbagai aplikasi, terutama untuk aplikasi optoelektronik dan laser.

3.1.2 Perpindahan Massa Radial

Gambar 6 mengilustrasikan distribusi radial di pusat r = 0 µm dan di pinggiran r = 0: 3103 µm kristal safir. Kami melihat peningkatan konsentrasi radial Ti+3 dengan meningkatnya laju tarik dalam simulasi kami. Hasil ini sesuai dengan hasil eksperimen untuk tiga tingkat menarik: 0,5, 0,8 dan 1 mm / menit, ditunjukkan pada Gambar 7. Kami menambahkan hasil lain yang berkaitan dengan distribusi Ti+3 di pinggiran r = 0: 3103 lm dimana distribusi ini hampir nol dan ini menghindari masalah segregasi.

Gambar 5. Hasil percobaan [1]

539

-PD

Gambar 6. Dopan perpindahan massa radial

Gambar 7. Perpindahan massa radial eksperimental [2]

540

Kualitas kristal diatur oleh banyak faktor, dengan mengutip dinamika gambar, perpindahan panas, efek konveksi, geometri permukaan cairan / kristal. Bentuk permukaan cairan / kristal memperlihatkan peran penting untuk kualitas bahan yang ditarik. Bentuk permukaan ini pada dasarnya ditentukan oleh perpindahan panas pada sistem pertumbuhan [10]. Gambar 8 menunjukkan perpindahan panas (plot kontur suhu) dalam sistem -PD, seperti warna biru menunjukkan warna padat atau kristal dan merah menunjukkan cairan atau lelehannya. Menurut hasil ini permukaan cairan / kristal memiliki bentuk datar. Hasil penting dari permukaan kristal leleh ini sesuai dengan pengamatan percobaan [1].

3.3 Bidang Termal

Evolusi medan suhu ditunjukkan pada Gambar 9, di mana kita mewakili

distribusi aksial dari suhu berdimensi sepanjang sumbu pertumbuhan (z (mm)). Medan suhu yang terdapat pada safir cair menurun dengan sumbu pertumbuhan kristal, yaitu, terjadi pemadatan partikel fluida. Suhu cair (Safir) ditinggikan di bagian atas wadah, juga di zona cair dan turun bila partikel fluida membeku atau mendingin dan ini dalam kristal safir. Hasil ini sesuai kesepakatan dengan Ref. [9].

Gambar 8. Perpindahan panas yang menunjukkan permukaan cairan /

kristal

541

4. Kesimpulan

Kami telah mengembangkan model numerik untuk menganalisis perpindahan panas dan massa bahan safir titanium doped dengan teknik mikro-pull-down -PD). Perpindahan panas dan massa yang stabil , aliran cairan, bentuk permukaan, dihitung bersamaan dengan menggunakan Metode Volume Finit (FVM). Kami menyimpulkan itu:

Perpindahan massa longitudinal Ti3 + tetap sama jenis di sepanjang sumbu kristal bahkan untuk tingkat tarik yang relatif tinggi. Hasil kami sesuai dengan hasil eksperimen, dan persamaan jenis ini memberi bahan yang berkualitas baik untuk beberapa aplikasi.

Perpindahan massa radial titanium (distribusi dopan radial) meningkat dalam kristal yang ditarik saat tingkat penarikan meningkat.

Perpindahan panas memberikan informasi tentang bentuk permukaan cair / kristal, yang memberikan peran penting untuk kualitas bahan yang ditarik. Bentuk permukaan datar kristal cair sesuai dengan pengamatan percobaan.

Geometri tarik-menarik mikro menghindari masalah segregasi dopan ke arah pinggiran, dan laju tarik membantu pengumpulan dopan di pusat kristal.

Referensi

1. Laidoune, A.: Croissance des fibres cristallines pour usage dans

2. Martial, I., Sangla, D., Aubry, N., Didierjean, J.: Lasers à fibres cristallines dopées Nd et Yb: point sur les avancées récentes (2009)

Gambar 9. evolusi aksial bidang suhu

542

3. Fukada, T., Rudolph, P.: In: Uda, S. (eds.) Fiber Crystal Growth from the Melt. Springer (2003)

4. Nubling, R., Harrington, J.: Optical properties of single crystal sapphire fibers. Appl. Opt. 36 (24) (1997)

5. Joyce, D.B., Schmid, F.: Progress in the growth of large scale Ti: sapphire crystals by the heat exchanger method (HEM) for petawatt class lasers. J. Cryst. Growth 312(2010), 1138 1141 (2010)

6. Li, H., Ghezal, E.A., Alombert-Goget, G., Breton, G., Ingargiola, J.M., Brenier, A., Lebbou, K.: Qualitative and quantitative bubbles defects analysis in undoped and Ti-doped sapphire crystals grown by Czochralski technique. Opt. Mater. 37, 132 138 (2014)

7. Lan, C.W., Uda, S., Fukuda, T.: Theoretical analysis of the micro-pulling-down process for Growth 193, 552 562 (1998)

8. Lan, C.W.: Effect of axisymmetric magnetic fields on radial dopant segregation of floating-zone silicon growth in a mirror furnace. J. Cryst. Growth 169 269 (1996)

9. Lee, W.J., Lee, Y.C., Jo, H.H., Park, Y.H.: Effect of crucible geometry on melt convection and interface shape during Kyropoulos growth of sapphire single crystal. J. Cryst. Growth V324, 248 254 (2011)

10. Lu, C.-W., Chen, C.-H., Chen, J.-C.: Effects of RF coil position on the transport processes during the stages of sapphire Czochralski crystal growth. J. Cryst. Growth 312, 1074 1079 (2010)

543

Bekerjasama Difusi Ganda Alami Konveksi di dalam sebuah wadah kotak dengan

Vertikal Dinding Sebagian Aktif

Abstrak Aliran konveksi alam laminar, double difusi dalam selungkup persegi dengan dinding vertikal aktif sebagian dipertimbangkan. Selungkup diisi dengan cairan biner dan dikenakan suhu horisontal dan gradien konsentrasi. Aliran ini didorong oleh kerja sama kemampuan apung. Metode volume terbatas digunakan untuk menyelesaikan persamaan pemerintahan tanpa dimensi. Masalah fisik tergantung pada lima parameter: bilangan Rayleigh termal (Rat = 103-106), bilangan Prandtl (Pr = 7), bilangan Schmidt (Sc = 240), rasio daya apung (N = 1) dan rasio aspek selungkup (A = 1). Lokasi aktif mengambil tiga posisi di dinding kiri: atas (T), tengah (M) dan bawah (B). Fokus utama penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh jumlah Rayleigh terhadap aliran fluida dan laju perpindahan panas dan massa. Hasilnya termasuk arus, pola isoterm dan iso-konsentrasi, kecepatan aliran dan angka Nusselt dan Sherwood rata-rata untuk berbagai nilai Rat. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa kenaikan Rat menyebabkan kenaikan panas dan laju perpindahan massa. Partikel fluida bergerak dengan kecepatan yang lebih tinggi untuk bilangan Rayleigh termal yang lebih tinggi. Juga dengan memindahkan lokasi aktif dari atas ke bawah pada dinding vertikal kiri, konveksi dan panas dan laju perpindahan massa lebih penting dalam kasus (B). Selanjutnya untuk nomor Rayleigh tinggi (Rat = 106), Mekanisme konveksi pada (T) kasus terutama berada di bagian atas selungkup, sedangkan pada kasus yang tersisa mencakup seluruh lapisan.

Kata kunci Lokasi aktif- Cairan biner Bekerjasama pelampung-Termosolutal konveksi alami Tata nama Simbol J : Rasio aspek H / L C : Konsentrasi tak berhingga (C * - C * Le A. Belazizia (&) _ S. Benissaad _ S. Abboudi Université Kasdi Merbah, Ouargla, Algeria e-mail: nacer.belazizia@gmail.com

© Springer International Publishing Switzerland 2017 T. Boukharouba et al. (eds.), Mekanika Terapan, Perilaku Material, dan Sistem Rekayasa, Catatan Kuliah di Teknik Mesin, DOI 10.1007 / 978-3-319-41468-3_45 Nu: nomor Nusselt rata-rata, Pers. (7a, b)

Pr: Prandtl jumlah rat

Sh: Rata-rata jumlah Sherwood Persamaan (7a, b)

544

X, Y: Koordinat cartesian non-dimensional x / H, y / H Simbol Yunani

-dimensional, (T - -dimensional, U

- Tmin) - Cmin)

1. Pendahuluan

Konveksi alami, di mana gaya apung disebabkan oleh gradien suhu dan konsentrasi, umumnya disebut konveksi perbandingan suhu atau konveksi turunan ganda. Berbagai mode konveksi dimungkinkan tergantung pada bagaimana gradien suhu dan konsentrasi diorientasikan relatif terhadap satu sama lain dan juga gravitasi. Cairan bertingkat dapat dikenakan suhu horisontal atau vertikal dan gradien konsentrasi [1]. Fenomena ini sangat menarik minat dalam bidang yang sangat luas. Di alam seperti aliran yang ditemui di lautan, penyebaran polusi di danau, perairan dangkal dan pesisir [2]. Konveksi termosolut juga penting dalam proses pertumbuhan kristal. Hal ini disebabkan ketika distribusi ketidakmurnian yang tidak seragam terjadi dalam fase fluida. Kualitas kristal yang tumbuh sangat terpengaruh oleh konveksi meleleh dan osilasi apapun tidak menguntungkan [3].

Konveksi dalam cairan biner lebih kompleks daripada cairan murni karena perbedaan dalam skala waktu difusi antara energi dan spesies [4]. Gradien spesies dapat diinduksi oleh kondisi batas solutal yang diterapkan pada sistem (masalah diffusive ganda) (Ostrash et al. [5], Lee et al. [6], Benacer dkk., Gobin dkk. [ 8] dan Sezai dkk. [9]). Hal ini juga dapat diinduksi oleh gradien termal melalui efek Soret [2, 3].

Konveksi termosolutal secara eksperimental dan numerik dipelajari untuk beberapa parameter non-dimensi, yaitu bilangan Lewis dan Prandtl, rasio daya apung, dan untuk iklim kerja sama atau yang berlawanan dengan panas atau gradien massa. Kita akan mengacu pada beberapa karya penting yang bisa menjadi latar belakang karya ini. Kamotani dkk. [1] mempelajari eksperimental fenomena konveksi alami di selungkup persegi panjang dengan gabungan suhu horisontal dan gradien konsentrasi. Berbagai pola aliran kompleks diamati dengan kondisi eksperimental yang berbeda. Distribusi suhu, laju perpindahan massa dan ketidakstabilan aliran juga dilaporkan. Studi ananalitik dan numerik konveksi alami di selungkup yang diisi dengan cairan biner dengan kondisi batas Neuman dipelajari oleh Ouriemi et al. [2, 3]. Kedua konveksi differse ganda dan konveksi yang diinduksi Soret dipertimbangkan. Penulis mengajukan solusi analitis berdasarkan pendekatan arus paralel.

Dalam studi di atas konveksi termosolutal disebabkan oleh gradien suhu dan konsentrasi yang dipaksakan di antara dinding yang berlawanan dari selungkup sehingga seluruh dinding vertikal aktif secara termal. Tapi di banyak aplikasi teknik seperti kolektor energi surya itu hanya bagian dari dinding yang termal diaktifkan. Banyak artikel tentang konveksi alami di selungkup dengan dinding yang sebagian aktif telah dipublikasikan. Misalnya Nithyadevi dkk. [10] mempelajari secara numerik efek konveksi alami diffusive ganda air di kandang yang dipanaskan sebagian dengan

545

koefisien Soret dan Dufour untuk gradien panas atau berlawanan. Dalam karya ini kami menyajikan studi numerik konveksi alami termosolutal laminar dalam selungkup persegi yang diisi dengan cairan biner dan diserahkan pada suhu horisontal dan gradien konsentrasi. Fokus utamanya adalah pada pemeriksaan pengaruh bilangan Rayleigh termal pada aliran fluida dan perpindahan panas dan perpindahan massa pada selungkup. Tingkat perpindahan panas dan massa di kandang diukur berdasarkan jumlah Nusselt dan Sherwood rata-rata.

2 Masalah Geometri

Geometri dari masalah ditunjukkan pada Gambar 1. Dinding samping kiri vertikal aktif yang dipanaskan (h = H / 2) dan dinding samping kanan vertikal yang benar-benar dipanaskan pada tutupnya dijaga pada dua suhu dan konsentrasi yang berbeda namun seragam: ( Tmax> Tmin) dan (Cmax> Cmin). Batas-batas yang tersisa dari kandang itu tidak kedap dan terisolasi secara termal.

Aliran di kandang diasumsikan dua dimensi. Semua sifat fluida konstan. Cairan tersebut dianggap tidak dapat di tekan dan newtonien. Pendekatan Boussinesq diterapkan:

kental, efek panas, radiasi dan efek Soret terbengkalai. Persamaan massa, momentum, energi dan konsentrasi non-dimensi yang mengatur adalah sebagai berikut, masing-masing:

= V = 0; h = 0; C = 1

Gambar 1 Konfigurasi fisik

546

Kondisi batas dalam bentuk tak berdimensi adalah:

menggabungkan konveksi difusi ganda asli..

Nomor Nusselt dan Sherwood rata-rata adalah:

3MetodaNumerik Persamaan yang mengatur (1) - (5) terkait dengan kondisi batas (6a-e) diselesaikan secara numerik dengan menggunakan metode volume terbatas yang dijelaskan oleh Patankar [11]. Seragam seragam digunakan pada arah X dan Y. Skema hibrida dan urutan pertama secara implisit diskretisasi temporal digunakan. Karena persamaan momentum nonlinier, kopling tekanan kecepatan, dan kopling antara aliran dan persamaan energi dan konsentrasi, diperlukan solusi berulang. Algoritma SIMPLER dan algoritma Tri-Diagonal Matrix iteration procedure [11] digunakan untuk memecahkan persamaan aljabar. Proses iterasi diakhiri dengan kondisi sebagai berikut:

547

Gambar 3 Keadaan aliran arus (kiri), isoterm (tengah) dan iso-konsentrasi (kanan) untuk dinding aktif pemanasan atas. N = 1, Sc = 5, dan Rat = 105

Untuk mendapatkan hasil yang tepat, grid (90 × 90) dipilih dan digunakan seluruhnya Perhitungan Gambar 2. Kesepakatan yang baik antara hasil yang diperoleh dan guntur dilaporkan dalam literatur [10] diamati (Gambar 3).

4 Hasil dan Diskusi

Gambar 4 (a, b dan c) menunjukkan efek bilangan Rayleigh termal pada gerakan fluida di dalam selungkup untuk lokasi aktif yang berbeda pada dinding vertikal kiri: atas (T), tengah (M) dan bawah (B). Sebuah sel tunggal berputar searah jarum jam (

Gambar 2 Jumlah Nusselt rata-rata untuk ukuran grid yang berbeda

548

menggabungkan konveksi difusi ganda asli..

Gambar 4 Keadaan arus yang stabil: dinding atas (a), tengah (b) dan bawah (c) aktif untuk berbagai nilai bilangan Rayleigh termal

549

terdapat dalam lalampiran. Kecuali untuk kasus (T) ketika Rat = 106 kita mengamati bahwa sel utama didorong ke bagian atas selungkup dan sel lemah yang berputar ke arah yang sama terbentuk di bagian bawah yang mengindikasikan konveksi lemah di wilayah ini. Gambar 4a . Sedangkan untuk kasus yang tersisa (M dan B) dan untuk Rat

dan dua simpul sekunder muncul di dalamnya. Seperti ditunjukkan oleh Gambar 4a-c max

arus meningkat dengan kenaikan bilangan Rayleigh. Yang berarti konveksi alami adalah max dalam

kasus (B) adalah yang terhebat. Oleh karena itu konveksi lebih penting untuk lokasi ini.

Hal ini diamati bahwa partikel fluida bergerak dengan kecepatan yang lebih tinggi untuk bilangan Rayleigh termal yang lebih tinggi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5 menunjukkan efek Rat pada profil kecepatan vertikal pertengahan tinggi. Puncak kecepatan terutama di dekat dinding vertikal lebih penting untuk lokasi Rat dan bukaan yang tinggi.

menggabungkan konveksi difusi ganda asli..

Gambar 4 (lanjutan)

550

Gambar 5 Kecepatan aksial U pada X = 0,5 dan kecepatan vertikal V pada Y = 0,5

Pengaruh bilangan Rayleigh termal pada bidang termal dan solutal diilustrasikan pada Gambar. 6 dan 7. Isoterm dan iso-konsentrasi ramai disekitar lokasi aktif di sisi kiri selungkup. Cairan naik di sepanjang dinding yang panas dan jatuh di sepanjang dinding dingin yang tepat, sehingga gradien termal dan konsentrasi sangat penting di daerah ini. Mekanisme konveksi pada kasus T terutama di bagian atas selungkup untuk nomor Rayleigh tinggi Rat = 106, sedangkan pada kasus yang tersisa mencakup keseluruhan selungkup. Sebagai rasio daya apukonveksi alami didominasi oleh daya apung termal. Untuk Rat rendah isoterm yang ditunjukkan pada Gambar 6 hampir sejajar dengan dinding vertikal, menunjukkan bahwa sebagian besar perpindahan panas dilakukan dengan konduksi panas.

Untuk bilangan Rayleigh moderat dan tinggi Rat = 105 dan 106 ada penggolongan suhu pada arah vertikal dan lapisan batas termal terbentuk dengan baik di sepanjang dinding samping. Gambar 6 menunjukkan mekanisme perpindahan panas yang dominan. Sedangkan konsentrasi iso lebih terbatas pada dinding vertikal

551

Gambar 6. Kondisi isoterm yang stabil: dinding atas (a), tengah (b) dan bawah (c) aktif untuk berbagai nilai bilangan Rayleigh termal. menggabungkan konveksi difusi ganda asli..

552

Gambar 6 (lanjutan)

menunjukkan bahwa gradien konsentrasi sangat penting di daerah ini dan konsentrasi di tengah hampir konstan (hampir sama). Tingkat perpindahan panas dan massa melintasi rongga diperoleh dengan mengevaluasi jumlah Nusselt dan Sherwood rata-rata di dinding rongga. Gambar 8 menyajikan efek bilangan Rayleigh termal pada Nu dan Sh untuk berbagai lokasi aktif di dinding vertikal kiri: Jelas dari gambar ini bahwa untuk lokasi aktif tertentu, jumlah Nusselt dan Sherwood rata-rata meningkat dengan nomor Rayleigh. Membandingkan tiga kasus (T, M dan B) Nu dan Sh hampir sama untuk jumlah Rayleigh rendah (Rat = 103). Hal ini menunjukkan bahwa sebagian besar panas dan perpindahan massa didominasi oleh mode difusi. Sedangkan untuk Rat> 103 perpindahan panas dan massa kurang penting dalam (T) kasus dan mereka hampir sama dalam kasus yang tersisa (M dan B).

553

Gambar 7. Keadaan stabil konsentrasi iso: dinding atas (a), tengah (b) dan bawah (c) aktif untuk berbagai nilai bilangan Rayleigh termal.

554

Gambar 7 (lanjutan)

Karena itu kita dapat mencatat bahwa posisi lokasi aktif memiliki efek yang nyata pada laju perpindahan panas dan massa dan kecepatan fluida.

5. Kesimpulan

Karena itu kita dapat mencatat bahwa posisi lokasi aktif memiliki efek yang nyata pada laju perpindahan panas dan massa dan kecepatan fluida. Sebuah studi numerik konveksi alami termosolutal digunakan untuk menganalisis aliran, perpindahan panas dan massa dalam selungkup persegi. Cairan biner dipertimbangkan dan dinding kiri vertikal dipanaskan parsial dan terlarut: di bagian atas (T), di tengah (M) atau di bagian bawah (B). Aliran ini didorong oleh kerja sama pelampung thermal dan solutal. Kesimpulan berikut ini diringkas:

Posisi lokasi aktif memiliki efek yang nyata pada kecepatan perpindahan arus dan panas dan perpindahan massa.

Untuk tiga kasus (T, M dan B), kenaikan jumlah Rayleigh termal, menyebabkan peningkatan konveksi aliran dan laju perpindahan panas dan massa.

Dalam semua kasus, sebagian besar panas dan perpindahan massa didominasi oleh mode difusi dan angka Nusselt dan Sherwood rata-rata hampir sama untuk jumlah Rayleigh rendah.

Untuk bilangan Rayleigh yang modelling dan tinggi (Rat> 103), dengan memindahkan lokasi aktif dari atas ke bawah, laju perpindahan panas dan massa dalam kasus (T) kurang penting dibandingkan dengan kasus lainnya (M dan B ).

555

Rat = 106 pada dasarnya berada di atas dan sel lemah terbentuk di bagian bawah.

Akhirnya, sangat penting untuk mempelajari masalah yang sama dengan mempertimbangkan pelampung thermal dan solutal yang berlawanan. Efek jatah apung dalam hal ini juga bisa dipertimbangkan.

Gambar 8 Rata-rata jumlah Nusselt dan Sherwood versus bilangan Rayleigh termal

556

References 1. Kamotani, Y., Wang, J.S., Ostrah, S., Jiang, H.D.: Experimental study of natural

convection in shallow enclosures with horizontal temperature and concentration gradient. Int. J. Heat Mass Transf. 28(1), 165 173 (1985)

2. Ouriemi, M., Vasseur, P., Bahloul, A., Robillard, L.: Natural convection in a horizontal layer of a binary mixture. Int. J. Thermal Sci. 45, 752 759 (2006)

3. Borjini, M.N., Aissia, H.B., Halouani, K., Zeghmati, B.: Effect of optical properties on oscillatory hydromagnetic double-diffusive convection within semitransparent fluid. Int. J. Heat Mass Transf. 49, 3984 3996 (2006)

4. Yahiaoui, M.A., Bahloul, A., Vasseur, P., Robillar, L.: Natural convection of a binary mixture in a vertical closed annulus. Chem. Eng. Commun. 194, 924 937 (2007)

5. Ostrach, S.: Natural convection with combined driving forces. Physico-chem Hydrodyn. 1, 233 247 (1980)

6. Lee, J., Hyun, M.T., Kim, K.W.: Natural convection in confined fluids with combined horizontal temperature and concentration gradients. Int. J. Heat Mass Transf. 31, 1969 1977 (1988)

7. Bennacer, R., Gobin, D.: Cooperating thermosolutal convection in enclosures-I. Scale analysis and mass transfer. Int. J. Heat Mass Transf. 39(13), 2671 2681 (1996)

8. Gobin, D., Bennacer, R.: Cooperating thermosolutal convection in enclosures-II. Heat transfer and flow structure. Int. J. Heat Mass Transf. 39(13), 2683 2697 (1996)

9. Sezai, I., Mohamed, A.A.: Double diffusion convection in a cubic enclosure with opposing temperature and concentration gradients. Phys. Fluids 12, 2210 2223 (2000)

10. Nithyadevi, N., Yang, R.J.: Double diffusive natural convection in a partially heated enclosure with Soret and Dufour effects. Int. J. Heat Fluid Flow. 30, 902 910 (2009)

11. Patankar, S.V.: Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. Hemisphere, McGraw-Hill, Washington, DC (1980)