Simulation: Cooling of a Cup of Coffee

Peristiwa perpindahan panas seperti konveksi dan konduksi sangat sering kita jumpai, contoh kecilnya adalah peristiwa perpindahan panas pada secangkir kopi. Peristiwa perpindahan panas sangat penting untuk dipelajari di dalam fisika dan terapannya. Desain mesin, desain power plant,  dan desain alat-alat yang beroperasi pada temperatur tinggi harus memperhatikan peristiwa perpindahan panas, jika peristiwa tersebut tidak diperhatikan pada saat mendesain suatu mesin atau alat, maka mesin atau alat yang didesain tidak akan berumur panjang.
Kali ini kita akan membahas mengenai Simulasi Cooling of a Cup of Coffee. Contoh sederhana dari peristiwa perpindahan panas yang familiar di sekitar kita. Kita akan melihat bagaimana peristiwa pendinginan secangkir kopi seiring waktu. Sekarang mari mulai simulasi kecil kita
Simulasi kita adalah simulasi 2 dimensi simetri radial, kita tidak perlu memakai simulasi 3 dimensi karena cangkir yang kita gunakan untuk simulasi adalah cangkir simetri radial –cangkir yang berbentuk tabung sempurna– jadi perpindahan panas akan sama saja di semua arah radial, sehingga simulasi 2 dimensi simetri radial mewakili simulasi 3 dimensi untuk satu slice cangkir. Cangkir terbuat dari kayu, tinggi cangkir adalah 12 cm dan diameternya sebesar 8 cm, tebal cangkir 0.8 cm. Kopi diisi ke dalam cangkir tersebut, pada awalnya temperatur kopi adalah 80oC, kopi hanya diisi sampai setinggi 10 cm dari dasar cangkir.
Adapun pendekatan yang kita gunakan untuk konveksi udara dan kopi adalah pendekatan Boussinesq, yaitu pendekatan pengapungan fluida karena adanya perbedaan temperatur dan gravitasi; di mana bagian fluida yang lebih panas (atau yang lebih ringan) akan naik dan yang lebih dingin (atau yang lebih berat) akan turun, dikarenakan densitasnya yang semakin kecil seiring tingginya temperatur.
Properti fisis yang kita gunakan pada simulasi kali ini dirangkum dalam bentuk tabel berikut
Gambar 1. Properti Fisis Bahan yang Dipakai dalam Simulasi ini
Kita langsung ke hasil simulasi berikut ini
Kontur temperatur seiring waktu (berupa animasi gif) pada secangkir kopi dan lingkungannya, satuan temperatur dalam derajat Celsius. (klik gambar untuk memperjelas hasil simulasi)

Gambar 2. Hasil Simulasi Cooling of a Cup of Coffee Berupa Animasi gif; Durasi Dipercepat.
Simulasi perpindahan panas atau pendinginan secangkir kopi di atas adalah contoh sederhana sebagai dasar untuk memodelkan dan mendesain suatu mesin atau alat yang jauh lebih praktis, optimal, dan ekonomis.


TRIVIA: 
Persamaan fisika yang dipakai pada simulasi ini adalah persamaan perpindahan panas yang disertai dengan konduksi dan persamaan kontinuitas (aliran laminar) untuk konveksi yang disertai pendekatan Boussinesq untuk pengapungan karena panas. Diskritisasi persamaan-persamaan tersebut serta listing program untuk men-simulasikan pendinginan secangkir kopi di atas tidak kami berikan di artikel ini untuk menghindari banyaknya penulisan persamaan-persamaan diskritnya, selain itu, mensimulasikan peristiwa di atas sangat mudah.
http://fisikaveritas.blogspot.com: Diizinkan menyalin artikel ini jika mencantumkan FISIKAVERITAS sebagai sumbernya

BACA JUGA:


2 comments :

  1. keren postingannya mas..
    ini simulasinya pake fluent ? gimana setting boundary sama modelnya mas?

    ReplyDelete
    Replies
    1. maaf baru bisa bls skrg mas 'dream', baru buka blog lagi, hehe.. :)
      pakai fluent cfd, pakai Matlab juga bisa mas..
      boundary condition di kanan-kiri itu wall neumann temperature sama velocity, boundary bawah wall insulasi temperatur, atas neumann jg mas..
      Itu untuk kopinya, kita pasang fluida (kalau di sini property-nya untuk air murni) yang ukurannya sesuai ukuran dalam gelas, trus gelasnya property aluminum, udaranya pakai property standar aja, bisa googling physical properties-nya brpa aj.. kalau untuk simulasi di atas, saya pakai symmetry boundary condition, jadi kiri-kanan itu simetri, biar lebih cpat dan ga berat simulasinya..
      yang paling pnting itu kita pakai model buoyancy untuk simulasi ini, jd physical property buat buoyncy masing-masing material hrus didefinisikan dulu..
      smoga bisa membantu.. :)

      Delete

Silahkan Tulis Komentar Kamu :)