TUTORIAL #5 : SLIDING MESH

Tutorial sliding mesh ini digunakan untuk mensimulasikan aliran unsteady yang melalui baris blade dari stator dan rotor turbin 2D. Interaksi unsteady dimodelkan dengan pergerakan rotor relatif terhadap mesh stasioner. Tahapan simulasi ini mencakup:

- penggabungan 2 mesh dengan tmerge- mendefinisikan boundary conditions dan grid-interface untuk simulasi pergeseran

(sliding) mesh.- Melakukan simulasi kondisi steady state (dg. solver: coupled explicit) sebagai harga

tebakan awal untuk simulasi kondisi unsteady.- Melakukan simulasi kondisi transien dengan solver: second-order implicit dan coupled

explicit.- Memonitor hasil perhitungan untuk beberapa parameter yang ditentukan oleh waktu.- Proses akhir dan cara penyimpanan data.

Proses aliran fluida yang akan disimulasikan dapat dideskripsikan dengan gambar 1. dengan penjelasan sbb.:

The geometry consists of a planar slice through the rotor and stator blades, extracted by unrolling a plane of constant radius (R = 0.686 m) in an axial flow turbomachine. The speed of rotation, 410 RPM, yields a linear velocity of the rotor, R , equal to 29.4 m/s, as indicated in the figure. The fluid, assumed to be air, enters the stator row at the specified total pressure and temperature and exits the rotor at the specified exit static pressure. The inlet Mach number is 0.07 and the flow will be treated as compressible.

Gambar 1. Deskripsi permasalahan model simulasi CFD

Langkah tutorial adalah sbb.:

1. Buat folder kerja untuk tempat menyimpan file-file yang diperlukan.

2. Copykan file nosel.msh, rotor.msh dan file tgrid: tm2d2120.exe ke dalam folder kerja.3. Double-click pada file tm2d2120.exe untuk menjalankan program, dan isi seperti

ditunjukkan sesuai gambar 2 dan tekan enter untuk melanjutkan.

Gambar 2. Isian penggabungan mesh dengan program tm2d2120.exe dari tmerge.Di dalam folder kerja akan ada tambahan file dengan nama sliding.msh.

4. Jalankan program CFD untuk aplikasi 2D.5. Baca file sliding.msh dengan perintah : File -> Read -> Case (seperti ditunjukkan

oleh gambar 3)

Gambar 3. Membaca file sliding.msh

6. Periksa grid dengan perintah : Grid -> Check (Pastikan harga minimum volume : positif)

7. Sesuaikan dimensi gambar dengan perintah : Grid -> Scale sehingga muncul jendela baru. Ganti satuan di sebelah kanan Grid Was Created In dari m menjadi mm sehingga tampilan jendela menjadi seperti gambar 4.

Gambar 4. Ukuran gambar sebelum disesuaikan dengan scale grid.

Klik pada tombol Scale untuk menyesuaikan ukuran gambar dengan dimensi seperti yang ditunjukkan di dalam deskripsi permasalahan. Jendela Scale Grid akan berubah menjadi seperti gambar 5. Tutup jendela dengan menekan tombol Close

Gambar 5. Ukuran gambar setelah disesuaikan dengan scale grid

8. Langkah selanjutnya adalah menyusun model simulasi. Walaupun simulasi sliding mesh ini adalah suatu permodelan untuk kondisi transien, namun diperlukan simulasi pada kondisi steady untuk mendapatkan data awal yang akan digunakan di dalam simulasi transien yang sebenarnya. Untuk itu model didefinisikan dalam kondisi steady dengan perintah : Define -> Models -> Solver seperti gambar 6 sehingga akan muncul jendela baru seperti gambar 7. Pilih Coupled untuk Solver dan Explicit untuk Formulation. Biarkan setelan lainnya dan klik OK.

Gambar 6. Langkah untuk membuka jendela pendefinisian Solver.

Gambar 7. Pendefinisian Solver simulasi

9. Diperkirakan bilangan Reynolds dari permasalahan di atas mencapai orde 105, sehingga aliran fluida sudah masuk ke rejim aliran turbulen. Dengan demikian diperlukan penyetelan model untuk mengikutsertakan pengaruh tersebut dengan perintah :

Define -> Models -> ViscousDengan perintah tersebut akan muncul jendela baru penyetelan model turbulensi seperti gamgar 8. Pilih model k-epsilon (2 eqn) dan klik OK seperti ditunjukkan gambar 9.

Gambar 8. Jendela pilihan model aliran

Gambar 9. Pemilihan model k-epsilon untuk turbulensi.

10. Langkah selanjutnya dalam permodelan ini adalah menentukan jenis fluida yang akan mengalir di dalam sistem. Misalkan dalam simulasi ini, fluida yang digunakan adalah udara. Penyetelan dilakukan dengan perintah : Define -> Materials sehingga akan muncul jendela seperti gambar 10.

Gambar 10. Jendela pendefinisian material yang terlibat dalam simulasi.

Pada menu : Properties -> Density (kg/m3) pilih : Ideal-gas sehingga jendela berubah menjadi seperti gambar 11., dan secara otomatis pilihan Energy equation dari : Define -> Models -> Energy akan diaktifkan. Untuk mengaktifkan perubahan setelan material, tekan tombol Change/Create.

Gambar 11. Penyetelan density material

11. Tekanan operasi dari model simulasi disetel dengan perintah : Define -> Operating Conditions, sehingga akan mucul jendela seperti gambar 12.

Gambar 12. Jendela penyetelan kondisi operasi

Dalam simulasi ini, Operating Pressure (Pascal) diset dengan harga 0 (nol), yang berarti bahwa harga tekanan untuk kondisi batas inlet akan dimasukkan harga tejanan mutlaknya. Kondisi tekanan pada kondisi batas inlet harus selalu merupakan kondisi yang relatif terhadap Operating Conditions. Setelah disetel dengan harga tekanan 0 Pa, sehingga seperti ditunjukkan gambar 13, klik pada tombol OK.

Gambar 13. Tekanan operasi sistem diset pada 0 Pa.

12. Penyetelan kondisi batas (Boundary Conditions) dilakukan dengan perintah : Define -> Boundary Conditions, sehingga akan muncul jendela seperti gambar 14. Penyetalan dilakukan untuk beberapa kondisi batas seperti inlet, outlet, wall, fluid, interface dan periodic.

Gambar 14. Jendela penyetelan kondisi batas

12.a. Pendefinisian Pressure Inlet sebagai awal dari aliran fluida di sistem. Hal ini dilakukan dengan memilih Zone : inlet_nsl dan Type : Pressure inlet seperti ditunjukkan dengan gambar 15, kemudian klik pada tombol Set.

Gambar 15. Pemilihan zone dan tipe kondisi batas.

Isikan tekanan 101325 Pa untuk Gauge Pressure Inlet; 100978.2 Pa untuk Supersonic/Initial Gauge Pressure; 300K untuk Total Temperature.

Pada menu Direction Specification Method pilih Direction Vector; dan pada menu Turbulence Specification Method pilih Intensity and Hydraulic Diameter. Isikan 5 (%) untuk Intensity dan blade pitch 0.1959 (m) untuk Hydraulic Diameter, dan klik OK seperti ditunjukkan dengan gambar 16.

Gambar 16. Penyetelan kondisi inlet

12.b. Pendefinisian outlet dengan memilih Zone : outflow dan Type : Pressure-Outlet diikuti dengan perintah SetIsikan Gauge Pressure = 97576 Pa, dan Backflow Total Temperature = 300 K.Pada menu Turbulence Specification Method pilih Intensity and Hydraulic Diameter. Isikan 5 (%) untuk Intensity dan blade pitch 0.1959 (m) untuk Hydraulic Diameter, dan klik OK seperti ditunjukkan dengan gambar 17.

Gambar 17. Penyetelan kondisi outlet

13. Untuk simulasi sliding mesh, diperlukan pendefinisian grid interface sebagai lokasi yang menghubungkan geometri yang diam dan geometri yang bergerak. Hal tersebut dilakukan dengan perintah : Define -> Grid Interfaces sehingga muncul jendela sbb.:

Gambar 18. Menu Grid Interfaces

Pada menu seperti gambar 18 di atas, pilih inter-rtr dalam daftar Interface Zone 1, pilih inter-nsl dalam daftar Interface Zone 2. Tuliskan nama interfc_rotor_stator pada isian dibawah Grid Interface, pilih/aktifkan Periodic pada menu Interface Type seperti ditunjukkan dengan gamgar 19, dan klik Create untuk konfirmasi isian serta diikuti Close untuk menutup jendela.

Gambar 19. Penyetelan menu Grid Interfaces

14. Penyelesaian simulasi dengan kondisi steady dan rotor tak bergerak. Berbagai isian data kondisi di atas sudah mencukupi untuk simulasi dengan kondisi steady dan rotor tak bergerak. Untuk menjalankan perhitungan program simulasi diawali dengan memasukkan harga awal iterasi dengan perintah :Solve Initialize Initialize... (lihat gambar 20)

Gambar 20. Membuka panel inisialisasi

Dengan perintah tersebut akan muncul jendela panel inisialisasi seperti gambar 21 berikut ini.

Gambar 21. Panel insialisasi

Dari jendela Solution Initialization, pilih Compute From : inlet_nsl, sehingga panel tersebut menjadi seperti gambar 22. Kemudian klik tombol Init dan Close.

Gambar 22. Inisialisasi simulasi

15. Penyetelan penyelesaian dengan perintah :

Solve Controls Solution...

Sehingga muncul jendela 23.

Gambar 23. Solution Controls

Isikan Courant Number = 2 ; dan Multigrid Levels = 5.Pada menu Discretization, pilih Second Order Upwind untuk Turbulence Kinetic Energy dan Turbulence Dissipation Rate, sehingga seperti gambar 24 dan klik OK.

Gambar 24. Setelan Solution Controls

16. Menampilkan grafik residual pada saat iterasi untuk melihat arah konvergensi simulasi.

Solve Monitors Residual...

Dengan perintah tersebut akan muncul jendela seperti gambar 25.

Gambar 25. Jendela untuk mengaktifkan monitoring residual selama proses iterasi.

Pilih/aktifkan Plot pada menu Options seperti ditunjukkan gambar 26 dan klik OK.

Gambar 26. Mengaktifkan Plot pada menu Options.

17. Mengaktifkan monitor konstanta Lift (Cl) pada blade rotor, dan menyimpan data dalam bentuk file cl-hist.ss. Perintah untuk mengaktifkan force monitors adalah:

Solve Monitors Force...

Gambar 27. Menu Force Monitors.

Tahap-tahap pengaktifan menu untuk memonitor konstanta Lift adalah:- Pilih Lift pada menu Coefficient.- Pada Wall Zones, pilih ddg_rtr (nama zone untuk dinding blade rotor).- Pada menu Options, aktifkan Plot dan Write.- Pada File Name, masukkan nama cl-hist.ss.- Klik Apply dan Close untuk menutup panel.

Gambar 28. Mengaktifkan menu Force Monitors.

18. Menentukan harga-harga referensi untuk perhitungan konstanta Lift dengan perintah:

Report Reference Values...

Sehingga akan muncul jendela seperti gambar 29.

Gambar 29. Menu untuk Reference Values.

Cara penyetelan adalah sbb.:- Pada menu Compute From, pilih inlet_nsl.- Masukkan harga 0.1524 m pada tempat isian Area (m2).- Ganti panjang panjang pada Length dengan 0.1524 m (panjang cord).- Klik OK.

19. Simpan file simulasi untuk kasus steady dengan nama slide_ss.cas dengan perintah:

File Write Case...

20. Lakukan perhitungan iterasi dengan perintah:

Solve Iterate...

Gambar 30. Menu iterasi

Untuk melakukan perhitungan sejumlah 500 iterasi masukan harga tersebut ke menu Number of Iterations, dan klik Iterate.Dengan perintah perhitungan iterasi tersebut, akan muncul 2 jendela yang memonitor harga residual dan konstanta lift selama proses perhitungan.Setelah 500 iterasi, perhitungan belum mencapai konvergensi, namun hal tersebut tidak apa-apa, karena hasil perhitungan ini hanya akan digunakan sebagai data awal untuk perhitungan kondisi transien.

21. Simpan File case dan data dengan nama slide_ss.cas dengan perintah :

File Write Case & Data...

22. Untuk menampilkan profil vektor kecepatan aliran kondisi steady, lakukan dengan perintah:

Display Vectors...

Gambar 31. Menu display Vectors.

Ganti harga Scale dengan angka 10 dan klik Display.

23. Untuk menampilkan gambar dalam 3 periodik, lakukan dengan perintah:

Display Views...

Sehingga muncul panel :

Gambar 32. Panel Views.

Masukkan angka 3 menu Periodic Repeats, dan klik Define sehingga muncul jendela berikut:

Gambar 33. Panel untuk mengatur tampilan periodik.

Masukkan angka 0.1959 m pada menu Translation arah Y, dan klik OK.

Pada panel Views, klik Apply, sehingga kan muncul gambar seperti berikut ini.

Gambar 34. Menampilkan hasil simulasi dalam 3 periodik.

24. SIMULASI PADA KONDISI TRANSIEN.

24.1. Mengaktifkan Mode Perhitungan Transien

Untuk mengaktifkan perhitungan unsteady, dilakukan dengan perintah:

Define Models Solver...

Sehingga akan muncul jendela lagi jendela Solver. Pilih Unsteady pada menu Time dan 2-nd Order Implicit pada menu Unsteady Formulation, sehingga jendela Solver ditampilkan sebagai berikut.

Gambar 35. Mengaktifkan mode unsteady.

Velocity Vectors Colored By Velocity Magnitude (m/s)FLUENT 6.1 (2d, coupled exp, ske)

Nov 03, 2008

2.24e+022.13e+022.02e+021.90e+021.79e+021.68e+021.57e+021.46e+021.35e+021.23e+021.12e+021.01e+029.00e+017.88e+016.77e+015.65e+014.54e+013.42e+012.30e+011.19e+017.17e-01

24.2. Mendefinidkan Boundary Condition untuk Simulasi Sliding Mesh.

Untuk mensimulasikan pergerakan mesh pada bagian rotor, dapat dilakukan dengan penyetelan pada menu Fluid untuk rotor dari menu boundary condition.

Define Boundary Conditions...

Dari menu tersebut, pilih zona dengan nama fluid_rotor sehingga akan muncul jendela penyetelan zona fluid. Pada panel tersebut, pilih Moving Mesh pada menu Motion Type, dan lakukan scroll down untuk memasukkan kecepatan pergerakan pada arah y sebesar -29.445 m/s (tanda negatif menunjukkan arah sumbu ynegatif) pada menu Translational Velocity.

Gambar 36. Memasukkan perintah Moving Mesh dan besar kecepatannya.

24.3. Menyimpan file dengan nama slide_unss.cas

File Write Case...

24.4. Melihat Pergerakan Mesh.

Untuk melihat pergerakan mesh, dapat dilakukan dengan perintah:

Solve Mesh Motion...

Masukkan 0.0001 detik pada menu Time Step Size (jika kecepatan sudu 29.445 m/det, maka dalam selang waktu tersebut sudu akan bergerak sejauh 2.9445 mm), dan 50 pada Number of Time Steps, sehingga secara keseluruhan sudu akan bergerak sejauh 147.225 mm.

24.5. Tutup simulasi, dan buka lagi slide_unss.cas.

24.6. Menjalankan Simulasi Transien

1. Mengganti harga Bilangan Courant dari 2 menjadi 1, dengan perintah:

Solve Controls Solution...

Gambar 36. Mengganti Bilangan Courant pada panel Solution Contors.

2. Me-reset lift-force-monitor, dan mengganti nama file menjadi cl-hist_unss, dan kemudian klik Apply diikuti Clear (kemudian pilih Yes untuk konfirmasi) dan Close.

Solve Monitors Force...

Gambar 37. Me-reset Force Monitors.

3. Penyimpanan File secara Otomatis

File Write Autosave...

Masukkan nama slide.gz (ekstensi .gz dimaksudkan untuk menyimpan file dalam format yang menghemat penggunaan memory harddisik), dan 5 pada menu autosafe frequency (case & data)

Gambar 38. Penyimapanan file secara otomatis.

4. Penyetelan parameter time-steps untuk iterasi.

Solve Iterate...

Masukkan 0.0001 pada menu Time Step Size (s), dan 1000 pada Number of Time Steps.