Abstrak —Perpindahan  panas (heat  transfer) adalah  ilmu  yang mempelajari  tentang  cara  perpindahan  energi  berupa  panas yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur. Fenomena perpindahan  panas  gabungan  antara  konduksi  dan  konveksi dapat  diaplikasikan  melalui pin  fin .  Penambahan fin pada permukaan  dimaksudkan  untuk  memperbesar area ,  sehingga meningkatkan  laju  perpindahan  panas.  Aplikasi  pada fin diterapkan  dalam  perancangan  alat  praktikum  perpindahan panas  konveksi  paksa  melalu fin berpenampang circular susuanan aligned .  Untuk  mengamati  fenomena  karakteristik perpindahan  panas  dan  karakteristik  aliran  diperlukan  studi numerik  menggunakan  perangkat  lunak  CFD.  Analisis menggunakan  perangkat  lunak  ICEM  ANSYS  18.0  untuk proses meshing dan  FLUENT  18.0  sebagai solver untuk melakukan  simulasi. Pin  fin berpenampang circular disusun secara aligned yang  diletakkan  di  dalam rectangular duct .Variasi yang dilakukan berupa diameter 10 mm dan 16 mm dengan ST=20mm SL=20mm konstan dan panjang fin 70 mm. Pemanasan  pada circular  fin dilakukan  dengan  menjaga temperatur  pada base  plate tetap  konstan  50 o C.  Dilakukan  4 variasi  kecepatan udara  masuk  2.64m/s, 3.65m/s, 3.96m/s dan 4.20m/s.  Hasil  akan  ditampilkan  baik  secara  kualitatif  berupa gambar  kontur  temperatur,  kontur  tekanan  dan  kontur streamline  velocity maupun  secara  kuantitatif  berupa  grafik distribusi  temperatur  sepanjang pin  fin, grafik  pengaruh diameter  terhadap  koefisien  konveksi  rata-rata  setiap  baris, grafik nusselt  number dan coefficient  pressure .  Hasil  dari penelitian ini didapatkan hasil distribusi temperatur  menurun di  sepanjang pin  fin .  Temperatur  tertinggi  dicapai  pada kecepatan  udara  masuk  2.64  m/s  dan  temperatur  terendah dicapai pada kecepatan udara masuk 4.20 m/s. Pada kecepatan yang  sama, pin  fin berdiameter  10  mm  memiliki  koefisien konveksi yang lebih besar daripada pin fin berdiameter 16 mm. Dari  hasil  simulasi  didapatkan  nilai nusselt  number dan coefficient  pressure lokal  pada pin  fin baris  pertama  sampai baris  keempat.  Perpindahan  panas  terbaik  terjadi  pada  titik stagnasi yang ditunjukkan dengan nilai nusselt number terbesar. Nilai nusselt  number minimum  terdapat  pada  titik  separasi. Nilai pressure coefficient maksimum terjadi pada titik stagnasi sedangkan minimun pada titik separasi.
Kata  Kunci — Aligned,  Circular  Pin  Fin ,  Koefisien  Konveksi, Nusselt Number, Pressure Coefficient.

## I. PENDAHULUAN
ERPINDAHAN  panas (heat  transfer) adalah  ilmu  yang mempelajari  tentang  cara  perpindahan  energi  berupa panas  yang  terjadi  karena  adanya  perbedaan  temperatur. Fenomena  fisik  perpindahan  panas  dapat  terjadi  secara konduksi,  konveksi  dan  radiasi.  Pada  peristiwa  konveksi, perpindahan  panas  terjadi  karena  terbawa  aliran  fluida. Konveksi dapat diklasifikasikan menjadi dua yaitu konveksi bebas dan konveksi paksa. Sedangkan fenomena perpindahan panas  gabungan  antara  konduksi  dan  konveksi  dapat
diaplikasikan  melalui pin  fin .  Penambahan pin  fin pada permukaan dimaksudkan untuk memperbesar area , sehingga meningkatkan laju perpindahan panas. Aplikasi pada pin fin dapat  ditemui  pada  peralatan  elektronik  (CPU),  radiator mobil, kondensor, dan sebagainya.
Aplikasi pada pin fin juga diterapkan dalam perancangan alat praktikum perpindahan panas konveksi paksa melalu pin fin berpenampang circular yang telah diteliti pada penelitian Linda  v.  Penelitian  mengenai  “Rancang  Bangun  Perangkat Praktikum Perpindahan Panas Konveksi Paksa pada Berkas Pin  Fin Berpenampang Circular dengan  Susunan Aligned ” bertujuan  untuk  mengetahui  pengaruh  diameter pin  fin dan kecepatan  udara  terhadap  karakteristik  perpindahan  panas secara konveksi paksa serta mengetahui distribusi temperatur sepanjang pin  fin berpenampang circular dengan  susunan aligned .
Untuk melakukan validasi pada hasil eksperimen tersebut maka  diperlukan  studi  numerik  menggunakan  perangkat lunak  CFD.  Dalam  bidang  keteknikan  metode  CFD (Computational  fluid  dynamics) merupakan  salah  satu  cara mudah  untuk  menyelesaikan  suatu  persamaan-persamaan yang  berkaitan  dengan  dinamika  fluida  menggunakan komputer.CFD  memiliki  kelebihan  untuk  melakukan perhitungan dalam waktu yang singkat dan biaya yang cukup terjangkau dibandingkan dengan eksperimen.CFD juga dapat mengetahui  fenomena  aliran  fluida  pada  alat  praktikum perpindahan panas konveksi paksa pada pin fin berpenampang circular susunan aligned . Jika hasil dari studi numerik mendukung hasil ekperimental maka studi numerik menggunakan software CFD  dapat  digunakan  karena  dapat menghemat  waktu  dan  biaya  yang  dibutuhkan  untuk membuat alat eksperimen
Studi  ini  akan  membahas  perancangan  alat  praktikum perpindahan  panas  konveksi  paksa  dan  membahas karakteristik  perpindahan  panas  serta  karakteristik  aliran yang  melalui pin  fin berpenampang circular . Untuk menganalisis  fenomena  konveksi  paksa  pada pin  fin berpenampang circular dengan menyimulasikan aliran udara dan distribusi  temperatur  melalui pin  fin pada rectangular duct dengan  menggunakan software CFD. Kecepatan aliran udara,  diameter  dan  susunan pin  fin sangat  berpengaruh terhadap  kemampuan  untuk  menghantarkan  panas.  Pada penelitian  ini  akan  dilakukan  penelitian  ulang  terhadap eksperimen terdahulu mengenai koefisien perpindahan panas pada pin fin berpenampang circular dengan susunan aligned dengan menggunakan metode CFD .

## Studi Numerik Perpindahan Panas Konveksi Paksa pada Pin Fin Berpenampang Circular dengan Susunan Aligned
Rossi Cahyaningdias dan Ary Bachtiar Krishna Putra Departemen Teknik Mesin, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
e-mail : aribach@me.its.ac.id
P

## II. URAIAN PENELITIAN

## A. Objek Penelitian dan Pengumpulan Data
Objek  penelitian,  data,  dan  variasi  didapatkan  dari penelitian  praktikum  konveksi  paksa  yang  telah  dilkukan penelitiannya  oleh  Linda  (2019)  yang  berjudul  “Rancang Bangun  Perangkat  Praktikum  Perpindahan  Panas  Konveksi Paksa Pada Berkas Pin Fin Berpenampang Circular Dengan Susunan Aligned . Objek penelitian ditunjukkan pada Gambar 1 [1].
Gambar 1. Skema Alat Praktikum
B. Pemodelan Geometri
Pemodelan  geometri  berupa circular  fin susunan aligned dalam ducting yang memiliki dimensi Panjang (L) = 160 mm; Lebar (W) = 100 mm; Tinggi (H) = 790 mm
Circular  pin  fin dibuat  dari  material Aluminium  alloy dengan dimensi Diameter (D) = 10 mm dan 16 mm; Panjang (L) = 70 mm; S L = 20 mm; S T = 20 mm Pemodelan  geometri  menggunakan software  Design Modeller untuk  membuat  domain  simulasi  seperti  pada Gambar 2.
Gambar 2. Domain simulasi

## C. Meshing
Meshing dilakukan  menggunakan software Ansys  18.0. Untuk  mendapatkan  hasil  simulasi  yang  baik  diperlukan proses grid independency test yang bertujuan untuk menguji pengaruh  kerapatan mesh terhadap  temperatur  dan  nilai properties fluida.  Setelah  dilakukan grid  independency  test didapatkan  jumlah node yang  efisien  sebanyak  1704536 nodes untuk fin diameter 10mm dan 1423582 nodes untuk fin diameter  16mm. Meshing dilakukan  dengan  metode total
thickness  layer 1mm  dengan growth  rate 1.2  sebanyak  5 layers baik rapat didalam maupun diluar fin .
Gambar 3. Meshing rectangular duct
Gambar 4. Kerapatan meshing fluid zone dan solid zone
D. Boundary Condition
Pada  bagian inlet  rectangular  duct didefinisikan  sebagai velocity  inlet dengan  4  variasi  kecepatan  sebesar  2.64  m/s; 3.65 m/s; 3.96 m/s; 4.20 m/s dengan temperatur 300 K. Pada bagian outlet diset outflow . Finbase didefinisikan  sebagai wall dengan efek thermal (temperatur) sebesar 50 0 C
Gambar 5. Boundary condition simulasi

## E. Solver
Solver yang  digunakan  untuk  melakukan  simulasi  adalah FLUENT  18.0.  Simulasi  dilakukan  dalam  keadaan steady dengan Energy  on karena  melihat  efek  perpindahan  panas yang akan terjadi. Viscous model yang dipilih adalah model Realizable k-ε.  Model Realizable k-ε  memberikan  kinerja terbaik dari semua versi model untuk beberapa validasi arus dan aliran separasi yang banyak terjadi di susunan pin fi n.

## F. Perhitungan
Perhitungan  dilakukan  untuk  mengetahui  koefisien konveksi per baris circular fin dan koefisien  konveksi rata- rata seluruh circular fin . Koefisien konveksi per baris circular fin [2]:
ℎ = 𝑞′′ (𝑇𝑠−𝑇∞) 𝑇 ∞ = 𝑇 𝑖𝑛 + 𝑇 𝑜𝑢𝑡

## 2
Dimana  h  merupakan  koefisien  konveksi  rata-rata  per baris,  dengan  nilai wall  heat  flux didapatkan  dari  Fluent
berdasarkan hasil simulasi. T s merupakan temperatur rata-rata setiap fin yang nilai nya diambil dari Fluent.
Koefisien  konveksi  rata-rata  seluruh circular  fin ,  dengan nilai wall heat flux rata-rata [2]:
ℎ̅ = 𝑞" ∆𝑇 𝑙𝑚
∆𝑇 𝑙𝑚 = (𝑇𝑓−𝑇𝑖)−(𝑇𝑓−𝑇0)
ln( 𝑇𝑓−𝑇𝑖 𝑇𝑓−𝑇𝑜 )
Temperatur log-mean  temperature  different merupakan temperatur  rata-rata  fluida  untuk  keseluruhan circular  fin susunan aligned . Reynolds number [3]
𝑅𝑒 = 𝜌𝑣𝐷 𝜇
Untuk  melihat  perpindahan  panas  lokal  dan  karakteristik aliran  dicari  melalui nusselt  number lokal  dan pressure coefficient.
Nusselt Number Local [2]
𝑁𝑢 𝜃 = ℎ𝜃×𝐷 𝑘
Pressure Coefficient Local [3]
Cp = P−𝑃∞ 1 2 ρv2
𝑃 ∞ merupakan tekanan statik pada freestream sedangkan P merupakan tekanan statik lokal pada fin

## III. HASIL DAN ANALISA
Dari  hasil  simulasi  yang  telah  dilakukan  didapatkan  data kualitatif  berupa  kontur  temperatur,  kontur  tekanan  dan streamline  velocity .  Sedangkan  data  kuantitatif  didapatkan grafik  distribusi  temperatur  sepanjang circular  fin ,  grafik pengaruh  diameter  terhadap  perpindahan  panas,  grafik nusselt number lokal serta grafik pressure coefficient lokal.

## A. Distribusi Temperatur Circular Fin Diameter 10 mm
Gambar 6. Kontur temperatur sepanjang pin fin diameter 10mm (a) v=2.64 m/s (b) v=3.65 m/s (c) v=3.96 m/s (d) v=4.20 m/s
Gambar  6  merupakan  distribusi  temperatur  sepanjang fin pada circular fin diameter 10 mm, dari hasil kontur tersebut didapatkan  temperatur  paling  dingin  berada pada  kecepatan udara  masuk  4.20  m/s  ditunjukkan  dengan  warnanya  yang
lebih  hijau  sedangkan  temperatur fin paling  panas  terdapat pada kecepatan udara masuk 2.64 m/s.
(a) (b)
(c)
(d)
Gambar 7. Grafik distribusi temperatur pin fin diameter 10 mm (a) Row 1 (b) Row 2 (c) Row 3 (d) Row 4
Pada  Gambar  7  (a)(b)(c)(d)  menunjukkan  bahwa temperatur terendah terdapat pada ujung pin fin atau x = 70 mm sedangkan temperatur tertinggi terdapat pada base plate atau x = 0 mm. Temperatur permukaan pin fin paling tinggi dicapai  pada  kecepatan  fluida  sebesar  2.64  m/s  dan mengalami penurunan temperatur pada kecepatan fluida 3.65 m/s, 3.95 m/s, dan 4.20 m/s. Semakin besar kecepatan fluida,
semakin  besar  pula  laju  alir  massa  fluida  yang  mengalir. Fluida  yang  melalui pin  fin dengan  kecepatan  tinggi  dapat membawa panas lebih besar sehingga temperatur pin fin yang dilewati  aliran  udara  menjadi  lebih  rendah.  Semakin  besar kecepatan fluida maka semakin besar laju perpindahan panas konveksi.

## B. Distribusi Temperatur Circular Fin Diameter 16 mm
Gambar 8. Kontur temperatur sepanjang pin fin diameter 16mm (a) v=2.64 m/s (b) v=3.65 m/s (c) v=3.96 m/s (d) v=4.20 m/s
Gambar  8  merupakan  distribusi  temperatur  sepanjang fin pada circular fin diameter 16 mm, dari hasil kontur tersebut didapatkan  temperatur  paling  dingin  berada pada  kecepatan udara  masuk  4.20  m/s  ditunjukkan  dengan  warnanya  yang lebih  hijau  sedangkan  temperatur fin paling  panas  terdapat pada kecepatan udara masuk 2.64 m/s.
(a) (b)
(c) (d)
Gambar 9. Grafik distribusi temperatur pin fin diameter 16 mm (a) Row 1 (b) Row 2 (c) Row 3 (d) Row 4
Pada  Gambar  9  (a)(b)(c)(d)  menunjukkan  bahwa temperatur terendah terdapat pada ujung pin fin atau z = 70 mm sedangkan temperatur tertinggi terdapat pada base plate atau z = 0 mm. Temperatur permukaan pin fin paling tinggi dicapai  pada  kecepatan  fluida  sebesar  2.64  m/s  dan mengalami penurunan temperatur pada kecepatan fluida 3.65 m/s, 3.95 m/s, dan 4.20 m/s. Semakin besar kecepatan fluida, semakin  besar  pula  laju  alir  massa  fluida  yang  mengalir. Fluida  yang  melalui pin  fin dengan  kecepatan  tinggi  dapat membawa panas lebih besar sehingga temperatur pin fin yang dilewati  aliran  udara  menjadi  lebih  rendah.  Semakin  besar kecepatan fluida maka semakin besar laju perpindahan panas konveksi.
C. Pengaruh Diameter terhadap Perpindahanm Panas Fin
(a)
(c) (d)
Gambar  10.  Diagram  pengaruh  diameter fin terhadap  koefisien  konveksi rata-rata (a) v=4.20 m/s (b) v=3.96 m/s (c) v=3.65 m/s (d) v=2.64 m/s.
Berdasarkan persamaan ℎ̅ = 𝑞′′ (𝑇𝑠−𝑇𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎) , diketahui bahwa nilai  koefisien  konveksi  dipengaruhi  oleh  temperatur, propertis fluida dan geometri fin . Propertis pada temperatur fluida  menunjukkan  perbedaan  yang  cukup  kecil  atau  tidak signifikan sehingga tidak terlalu berpengaruh pada besarnya perbedaan  nilai  konveksi  rata-rata  pada  diameter  yang berbeda. Perbedaan temperatur paling besar terjadi pada baris pertama  daripada  baris  yang  lain,  sehingga  menyebabkan koefisien  konveksi rata-rata pada baris pertama  mempunyai nilai yang lebih besar daripada baris yang lain. Selain itu, fin baris  pertama  didekati  dengan  kondisi  aliran  yang  melalui single fin , dimana tidak ada interaksi dengan fin sebelumnya sehingga  koefisien  konveksi  rata-rata  paling  tinggi.  Hal  ini dapat  terjadi  disebabkan  karena  pengaruh  geometri pin  fin yang  dapat  meningkatkan  perpindahan  panas.  Luas permukaan pin fin (A fin ) diameter 10 mm lebih kecil daripada luas permukaan pin fin (A fin ) dengan diameter 16 mm. Hal ini menyebabkab aliran fluida dapat menyentuh permukaan dan membawa panas yang lebih banyak. Pin fin dengan diameter 10 mm mempunyai pitch atau spasi antar pin fin lebih besar daripada pitch atau spasi antar pin fin pada diameter 16 mm. Hal ini menyebabkan aliran fluida yang melalui pin fin lebih banyak,  sehingga  panas  yang  terbawa  oleh  fluida  akan semakin  besar  dan  menyebabkan  penurunan temperatur pin fin lebih besar dibandingkan pin fin dengan diameter 16 mm.
D. Pengaruh Kecepatan terhadap Perpindahan Panas Fin Nilai kecepatan fluida berpengaruh terhadap nilai reynolds number . reynolds number akan meningkat seiring bertambah besarnya kecepatan fluida. Selain itu, nilai reynolds number memiliki  pengaruh  terhadap  nilai Nusselt  number, di  mana nusselt  number merupakan  fungsi  dari reynolds  number , sehingga nilai nusselt number meningkat seiring
meningkatnya reynolds  number. Untuk  diameter  yang  lebih kecil, nilai koefisien konveksi rata-rata lebih besar daripada diameter yang lebih besar. Hal ini dikarenakan, pada diameter 10 mm, pitch atau spasi antar pin fin semakin besar sehingga menyebabkan  interaksi  perpindahan  panas  antar pin  fin menjadi berkurang, akibatnya perpindahan panas yang terjadi lebih besar yang ditunjukkan dengan nilai koefisien konveksi yang lebih besar.
Gambar 11. Grafik pengaruh Reynolds Number terhadap perpindahan panas circular fin
E. Nusselt Number Lokal dan Pressure Coefficient Lokal
(a) (b)
Gambar 12. Grafik distribusi nusselt number (a) D = 10 mm (b)  D = 16mm
(b)
Gambar  12.  Grafik  distribusi pressure  coefficient (a)  D  =  10  mm  (b)D  = 16mm
Berdasarkan  hasil  simulasi  dan  grafik  Gambar  12 didapatkan  koefisien  konveksi  dan  tekanan  statis  lokal semakin  menurun  dengan  meningkatnya  jarak  dari  titik stagnasi.  Perpindahan  panas  terbesar  terjadi  pada  titik stagnasi dan berkurang seiring bertambahnya jarak sepanjang meningkatnya boundary layer thickness . Perpindahan panas minimum  berada  disisi pin  fin dekat  titik  separasi.  Setelah titik  separasi  perpindahan  panas  lokal  meningkat  kembali akibat adanya turbulensi yang berada pada sisi belakang pin fin  tempat  terjadinya wake .  Tetapi  perpindahan  panas dibagian  belakang pin  fin tidak  lebih  tinggi  daripada perpindahan panas di depan pin fin .

## IV. KESIMPULAN
Distribusi  temperatur  sepanjang pin  fin menurun  di sepanjang pin  fin .  Temperatur  permukaan pin  fin tertinggi dicapai oleh pin fin baris keempat. Semakin tinggi kecepatan fluida yang melalui pin fin , semakin rendah temperatur pada pin  fin .  Oleh  karena  itu,  temperatur  terendah  dicapai  pada kecepatan  4.20  m/s  dan  temperatur  tertinggi  dicapai  pada kecepatan  2.64  m/s.  Jadi,  semakin  tinggi  kecepatan  udara masuk  maka  perpindahan  panas  pada  permukaan pin  fin semakin baik. Pada kecepatan yang sama pin fin diameter 10 mm  memiliki  koefisien konveksi rata-rata  setiap baris  yang lebih baik daripada pin fin diameter 16 mm. Sehingga pin fin diameter 10 mm memiliki perpindahan panas yang lebih baik daripada pin fin diameter 16 mm. Perpindahan panas terbaik terjadi  pada  titik  stagnasi  yang  ditunjukkan  dengan  nilai nusselt  number terbesar.  Nilai nusselt  number minimum terdapat pada daerah atau titik separasi.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] L.  Wijiati, Rancang  Bangun  Perangkat  Praktikum  Perpindahan Panas  Konveksi  Paksa  Pada  Berkas  Pin  Fin  Berpenampang Circular .  Surabaya,  Indonesia:  Institut  Teknologi  Sepuluh Nopember, 2019.
[2] T.  L.  Bergman  and  F.  P.  Incropera, Fundamentals  of  Heat  and Mass Transfer , 7 ed. New Jersey: Wiley, 2011.
[3] R. W. Fox, P. J. Pritchard, and A. T. McDonald, Introduction to Fluid Mechanics , 8th ed. Hoboken NJ: John Wiley & Sons, Inc., 2011.