STUDI NUMERIK PENGARUH TRANVERSE PITCH TERHADAP KARAKTERISTIK ALIRAN DAN PERPINDAHAN PANAS PADA SUSUNAN PIPA TIPE STAGGERED
Yusuf 1 , Kurniawan Tardi 2
1,2 Politeknik Negeri Ketapang, Jl. Rangga Sentap-Dalong, Sukaharja Kabupaten Ketapang Email: yusufpolitap@gmail.com 1 , kurniaformula1@gmail.com 2

## Abstrak
Karakteristik aliran dan perpindahan panas fluida terhadap silinder sirkular dengan pola tertentu sering digunakan dalam berbagai cabang teknologi moderen saat ini. Aplikasi praktisnya banyak digunakan pada dunia industri seperti menentukan desain susunan pipa pada sistem alat penukar panas. Besarnya  nilai  perindahan  panas  saat  aliran  fluida  melintasi  silinder  sirkular  yang  ditunjukkan  dengan  parameter Nusselt  number,  baik  itu Nusselt number lokal  (NuФ)  maupun Nusselt  number rata-rata.  Perpindahan  panas konveksi  paksa pada  silinder  sirkular  tipe staggered menggunakan  3 variasi bilangan Reynolds (ReD) yaitu 80; 200; 5000 sedangkan transverse pitch 1.5D; 2D. Temperatur inlet fluida masuk shell 350 K dan temperatur tube 300 K, dimodelkan dengan Gambit 2.4.6 dan disimulasikan menggunakan Fluent 6.3.26 dengan model turbulen k-  SST 2D steady-Flow untuk memperoleh  data  yang  berhubungan  dengan  profile  kecepatan  dan  distribusi  temperatur. Dari  hasil simulasi  ini  didapatkan  visualisasi  kontur kecepatan,  temperatur  dan  distribusi  Nusselt  number.  Terjadi  peningkatan  perpindahan  panas  dengan  menurunnya tranverse  picth (ST).  Pada  ReD 200, terjadi penurunan nilai Nusselt number rata-rata di row ketiga dan keempat sedangkan pada ReD 5000 nilai Nusselt number rata-rata pada row kedua, ketiga dan keempat terus mengalami peningkatan.
Kata Kunci - perpindahan panas, nusselt number, staggered, reynolds number, transverse pitch.

## Abstract
The  characteristic  of fluid  flow  and  heat  transfer  on  a  circular  cylinder  with  particular  pattern  is  frequently  used  in  various  branches  of  modern technology today. The practical application is extensively used in the world of industry such as to determine tube structure design on system of heat exchangers.  The  amount  of heat  transfer  when  fluid cureent passes  through  circular  cylinder  is  expressed  by  Nusselt  number  parameter,  eiter  local Nusselt number (NuФ) or average Nusselt number. Forced convection heat transfer on the cir cular cylinder with a staggered-type of using 3 Reynolds number (ReD)  varied as the value of 80; 200; 5000 while the tranverse pitch 1.5D; 2D. The fluid inlet temperature entering shell is 350 K and the tube temperature is 300 K, which is modeled whith Gambit 2.4.6 and simulated using Fluent 6.3.26 whith turbulent model k-  SST 2D steady-flow to obtain  data  related  to  the  velocity  profile  and  temperature  distribution.  From  the  simulation  results  obtained  visualization contour  of  velocity, temperature and Nusselt number distribution. An increase in heat transfer with decreasing tranverse pitch (ST). At ReD 200, a decline in the value of the average Nusselt number in the third row and fourth grades, while at ReD 5000 the average Nusselt number in the second row, third and fourth constantly increasing.
Keywords - heat transfer, nusselt number, staggered, reynolds number, transverse pitch.

## 1. PENDAHULUAN
Silinder sirkular  merupakan bentuk yang sering  digunaka pada teknologi modern saat ini. Bentuk yang melengkung serta aliran melintasi permukaan silinder merupakan konsep yang digunakan untuk mengetahui karakteristik aliran dan perpindahan panas pada alat penukar panas (heat exchanger). Didalam heat exchangers terjadi proses pertukaran panas antara fluida cair maupun gas, dimana fluida ini mempunyai temperatur berbeda. Heat  Exchanger banyak digunakan diberbagai industri tenaga atau industri lainnya dikarenakan mempunyai beberapa keuntungan yaitu konstruksi sederhana, kokoh,
kemampuannya untuk bekerja pada tekanan dan temperatur yang tinggi.
Studi numerik karakteristik perpindahan panas pada Tandem  Silinder, Inline dan Staggered tube  bank aliran  udara Cross flow (Buyruk, 2002),  analisa  numerik  digunakan untuk  mengetahui  perpindahan  panas  pada susunan  silinder  tandem, inline dan staggered dengan  aliran udara cross  flow pada  geometri dan  kondisi aliran  yang  berbeda.  Untuk tandem  silinder  geometrinya  dengan  L/D  = 1.13,  2,  3,  6  dan  bilangan Reynolds konstan 400.  Sedangkan  pada tube  bank:  tiga  silinder isotermal untuk tipe staggered, empat silinder isotermal untuk tipe inline dan masing-masing
ST  x SL  =  2  x  2  dan  bilangan Reynolds divariasikan pada angka 80, 120, 200.
Perpindahan panas konveksi cross flow pada tube  bank (Khan,  Culham,  dan  Yovanovich, 2006), perpindahan  panas  pada  susunan tube bank dengan  variasi  susunan  ST  dan  SL  yang berbeda.  Dengan  variasi  tersebut  didapat perpindahan  panas  pada  susunan  tube  tipe staggered lebih  besar  dibandingkan  dengan susunan tube tipe in-line.  Terjadi  peningkatan perpindahan panas dengan menurunnya longitudinal dan tranverse  pitch Perpindahan panas meningkat  secara  liniear  dengan meningkatnya bilangan Reynolds.
Studi  numerik  perpindahan  panas  konveksi paksa cross flow untuk susunan tube staggered (Tahseen,  Ishak  dan  Rahman, 2011)  studi numerik  perpindahan  panas konveksi paksa untuk tube tipe staggered pada  aliran cross- flow dengan kondisi incompressible dan steady-state.  Penyelesaiannya  menggunakan Body  Fitted  Coordinates (BFC) dengan metode Finite  Difference  Method (FDM). Rasio antara Tranverse Picth dengan diameter tube  (ST/D) 1,25;  1,5  dan  2  dengan  variasi Reynolds Numbers 25 sampai dengan 250.
Pada penelitian ini  akan  diteliti  secara numerik mengenai pengaruh bilangan Reynolds, tranverse dan longitudinal pitch terhadap karateristik  aliran  dan  perpindahan panas  pada  silinder  sirkular  tipe staggered yang menggunakan 3 variasi bilangan Reynolds yaitu  80, 200 dan 5000 sedangkan tranverse pitch (1.5D;  2D) dan longitudinal pitch (1.5D;  2D), disimulasikan  dengan menggunakan CFD Fluent 6.3.26.
Tujuan  yang  hendak  dicapai  dari  penelitian ini  untuk  mengetahui  karakteristik  aliran  dan perpindahan  panas  pada  susunan tube tipe staggred akibat  pengaruh Reynolds  number, tranverse pitch dan longitudinal pitch.

## 2. METODE
Metode penelitian  yang  digunakan  pada penelitian  ini  yaitu  metode  simulasi  CFD (Computational  Fluid  Dyamics)  yaitu  suatu ilmu  pengetahuan  yang  mempelajari  cara mempredeksi  aliran fluida  dan  perpindahan
panas  menggunakan persamaan-persamaan matematika. Pada dasarnya persamaan- persaman  tersebut  dibanguan dan dianalisa berdasarkan  persaman  difrensial  parsial    yang mempresentasikan  hukum-hukum konservasi massa, momentum dan energi. Pada penelitian ini,  aliran  diasumsikan  sebagai  2-D, steady flow,  external  flow,  incompressible  fluid dan viscous fluid.

## Metode Numerik
Proses  pembuatan  geometri  dan meshing dilakukan  dengan  menggunakan software Gambit  2.4 yang kemudian dieksport keFluent 6.3.26 untuk disimulasi. Ada beberapa tahapan yang  harus  dilakukan  sebelum  proses  iterasi dilakukan. Antara  lain  : pemilihan model, identifikasi material, setup Boundary condition, pemilihan solusi.

## Gambar 1 Computation Domain
Gambar 1,  merupakan  visualisasi  dari computation  domain yang  dibuat berdasarkan geometri  dimana  aliran  melintasi  silinder sirkular    pada  sebuah  channel,  aliran fluida dikondisikan mengalami konveksi paksa.
Pembuatan meshing pada  model  merupakan aspek yang penting guna menentukan keakurasian  dan  kemampuan  konvergen  pada saat post  processing,  maka  igunakan  jenis quadrilateral map untuk permukaan tube jarak lebih  rapat  guna mengamati perubahan properti fluida di daerah dekat tube sedangkan jarak  yang  agak  jauh dari permukaan tube dibuat lebih renggang. Hasil dari pada meshing pada  model diperlihatkan pada  Gambar  2 berikut.
Gambar 2 Meshing Silinder Sirkular Tipe Staggered
Tabel 1 Setting Fluent Setting Identifikasi Solver 2-D, Unsteady Pressure based, 2 nd order implicit
Turbulance model
k- ω, SST Pressure-velocity coupling SIMPLEC Pressure 2 nd order upwind Momentum 2 nd order upwind Turbulent kinetic energy 2 nd order upwind Turbulence dissipation rate 2 nd order upwind Specific dissipation rate 2 nd order upwind Konvergensi Energy 10 -6
Continuity 10 -3

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil post-processing dari simulasi numerik dengan CFD solver FLUENT 6.2  yang terjadi pada tube  bank tipe staggered dengan  fluida kerja  udara  menghasilkan  data  kuantitatif berupa  kontur  kecepatan,  kontur vorticity, pathlines dan velocity  vector,  sedangkan  data kualitatif  berupa  grafik  distribusi  kecepatan yang berkaitan dengan karakteristik aliran.

## A. Karakteristik Aliran
Karakteristik  aliran  yang  melintasi  (cross flow)  silinder  sirkular  ditandai  dengan  adanya titik stagnasi, separasi shear layer, terbentuknya laminar  boundary  layer pada upstream dan terjadinya turbulent wake secara periodik (periodik vortek).
Gambar 3  memperlihatkan pathlines untuk pengaruh Reynolds  Number.  Berdasarkan visualisasi pathlines pada gambar diatas, dapat dilihat  bahwa  peningkatan Reynolds  Number mengakibatkan titik separasi terjadi lebih awal.

## Gambar 4 Pathlines Untuk Variasi ST xSL pada ReD 200
Pada gambar  4  merupakan  visualisasi pathlines pada susunan tube staggered dengan variasi S T x S L masing-masing 1,5D x 2D dan 2D  x  2D.  Pada S T x  S L 1,5D  x  2D  pengaruh transverse pitch sangat dominan, hal ini dapat dilihat dimana daerah antara tube row pertama terjadi  kenaikan  kecepatan  dibandingkan dengan S T x  S L 2D  x  2D,  dimana u ∞ (x) berbanding  terbalik  dengan  P(x). Pada S T 1,5D ∂u/∂x > ∂p/∂x ,  sedangkan  pada  S T 2D ∂u/∂x < ∂p/∂x .  Hal  ini  mengakibatkan  aliran pada  S T 1,5D  mengalami  penundaan  separasi lebih kedownstream.
Gambar 5 Distribusi Kecepatan pada ReD 200
Pada  gambar 5  menunjukkan  distribusi kecepatan aliran  untuk S T 1,5D dan 2D. Pada S T 1,5D  kecepata  aliran  pada  row  pertama dimulai  dari  titik  stagnasi  yaitu  pada  sudut  0 o hingga  mencapai  kecepatan  maksimum  pada sudut  72 o kecepatan  aliran  yang  terjadi  tegak lurus dipermukaan tube atau naik secara linier, setelah  mencapai  titik  maksimum  kecepatan aliran  diperlambat dan  terjadi  separasi  pada sudut ≈ 112 o ,  kemudian  kecepatan  kembali naik  karena  ada  efek wake dibelakang tube. Untuk  row  kedua,  ketiga  dan  keempat kecepatan  maksimum  terjadi  pada  sudut ≈ 32 o ,  dan  kecepatan  aliran  yang  terjadi  lebih tinggi  dari  kecepatan  aliran  pada  row  pertama karena  adanya  efek wake dari  tube  row pertama yang mempengaruhi kecepatan permukaan tube pada row berikutnya.
Sedangkan pada S T 2D kecepatan maksimum  pada  row  pertama  terjadi  pada sudut 65 o dan kecepatan mengalami perlambatan hingga terjadi separasi aliran pada permukaan  silinder  pada  sudut
≈ 120 o kemudian  kecepatan  kembali  naik  yang diakibatkan  oleh vortek pada downstrean silinder. Peningkatan  kecepatan  pada  row kedua,  ketiga  dan  keempat  tidak  terlalu signifikan  dibandingkan  dengan  S T 1,5D, kecepatan  maksimum tercapai  pada  sudut ≈ 40 o dan mengalami  perlambatan  kecepatan hingga  terjadi  separasi  aliran  pada  permukaan silinder pada sudut ≈ 112 o .

## B. Karakteristik Perpindahan Panas
Pada  gambar  6  diperlihatkan  visualisasi kontur temperatur susunan tube tipe staggered dengan  variasi transverse  pitch (ST) pada ReD 200.  Pada transverse  pitch (ST)  1,5D kontur  temperatur  row  pertama  masih  terlihat merah  karena  pada  daerah  ini  merupakan posisi inlet sehingga pengaruh dari temperatur free  stream masih  besar  yang  menyebabkan temperatur  silinder  pada  row  pertama  masih tinggi, sedangkan kontur temperatur pada row kedua  berwarna  kuning,  pada  row  ketiga warna kuningnya semakin pudar dan pada row keempat  kontur temperaturnya kelihatan lebih ke arah warna biru kehijauan. Pada konfigurasi
ini  penurunan  temperatur  dari  row  pertama, kedua,  ketiga  dan  keempat  sangat  signifikan yang  ditunjukkan  dengan  perbedaan  warna kontur temperatur pada masing-masing row.
Pada tranverse  pitch (ST)  2D  kontur temperatur  pada  row  pertama  dan  kedua  di daerah sekitar  dinding  silinder  sirkular kelihatan  berwarna  merah  yang  menunjukkan pada  silinder  tersebut  memiliki  temperatur yang  tinggi,  sedangkan  kontur  temperatur pada row ketiga dan keempat berwarna kuning kehijauan. Dari hasil simulasi kontur temperatur pada (ST) 1,5D dan 2D maka dapat diketahui  distribusi  temperatur  pada  setiap konfigurasi tidak sama.
Perpindahan  panas  yang  paling  efektif  dan effisien  terlihat  pada  kontur  temperatur susunan  tube  dengan transverse  pitch (ST) 1,5D  dimana  kontur  temperatur pada  row berikutnya  semakin  berkurang.  Distribusi temperatur  yang  baik  akan  menaikkan  nilai Nusselt number.

## Gambar 6 Kontur Temperatur pada ReD 200
Dari  visualisasi  kontur  temperatur  diatas, susunan  tube  dengan transverse  pitch (ST) 1,5D  mempunyai  distribusi  temperatur  dan convective  heat  transfer yang  lebih  baik  jika dibandingkan  dengan  susunan  tube  dengan transverse pitch (ST) 2D.
Untuk  variasi Reynolds  number, terjadi perpindahan  panas  yang  cukup  signifikan. Pada Re D 80,  kontur  temperatur  pada  row pertama sudah mengalami penurunan temperatur  yang  cukup  signifikan,  hal  ini dapat dilihat dari warna kuning kehijauan pada daerah downstream tube row  pertama.  Pada upstream tube row  kedua  warna  merahnya sudah  sangat  pudar  dan  pada  daerah dowstream warna  hijau  semakin  dominan.
Pada  daerah tube row ketiga  sudah  terlihat warna biru kehijauan sedangkan pada tube row keempat sudah berwarna biru.
Penurunan  temperatur  pada  Re D 200  tidak terlalu  signifikan,  hal  ini  dapat  dilihat  dari kontur  temperatur  yang  terjadi pada  masing- masing row seperti  pada  gambar  7.  Pada daerah upstream row kedua  masih  terlihat warna  merah  sedangkan  pada upstream row ketiga  dan  keempat  sudah  berwarna  kuning dan  pada  daerah dowstream row keempat berwarna hijau. Untuk Re D 5000, perpindahan panas yang terjadi pada setiap row sangat kecil hal  ini  dapat  dilihat  dari  kontur  temperatur daerah  disekitar  dinding  silinder  sirkular  pada row  pertama  dan  kedua  kelihatan  berwarna merah  yang  menunjukkan  pada  silinder tersebut  memiliki  temperatur  yang  tinggi, sedangkan  kontur  temperatur    pada  daerah upstream row ketiga  dan  keempat  berwarna merah  pudar  dan  pada  daerah dowstream berwarna kuning.
Gambar 7 Kontur Temperatur Variasi Reynolds Number
Gambar 8 Distribusi Local Nusselt Number pada Re D 200
Pengaruh tranverse  pitch untuk  disribusi Local  Nusselt  Number diperlihatkan pada gambar 8, pada  titik  stagnasi  besarnya  nilai Nusselt number tidak  terlalu  berbeda  karena pada  daerah  ini  merupakan  posisi  inlet sehingga pengaruh dari temperatur free stream masih besar, menyebabkan temperatur silinder pada row pertama  masih  tinggi,  hal  ini  dapat mempengaruhi  distribusi  temperatur  pada  row pertama  masing-masing  konfigurasi  kemudian mempengaruhi distribusi local Nusselt number (Nu θ ). Untuk  daerah downstream terjadi perbedaan distribusi local  Nusselt  number (Nu θ ) dimana  nilai Nu θ S T 1,5D  lebih  besar dibandingkan dengan Nu θ pada S T 2D. Hal ini diakibatkan  oleh  penundaan  separasi  pada  S T 1,5D, penundaan separasi menyebabkan daerah wake sempit  dan  daerah  yang  tidak dilewati  aliran  akibat  turbulensi akan  kecil, sehingga  koefisien  konveksi  akan  naik dan angka Nusselt juga  meningkat  dimana  angka Nusselt berbanding  lurus  dengan  koefisien perpindahan panas konveksi.
Pada  row  kedua  Nilai local  Nusselt  number pada  titik  stagnasi  lebih  tinggi  dibandingkan dengan  nilai local  Nusselt  number (Nu θ )  row pertama.  Hal  ini  disebabkan  oleh  aliran  yang mengalami  percepatan  saat  melewati celah susunan tube pada  row  pertama  sehingga kecepatan  fluida  sesaat  sebelum  menumbuk tube row  kedua  lebih  besar  dibandingkan dengan  kecepatan  fluida  sesaat  sebelum menumbuk tube row  pertama,  sehingga meningkatkan  koefisien  perpindahan  panas secara  konveksi pada  titik  stagnasi tube row kedua.
Row 1
Row 2
Row 3
Gambar 9 Distribusi Nu θ pada S T x S L (2Dx2D).
Angka Nusselt merupakan fungsi dari angka Reynolds sehingga  dengan  meningkatnya angka Reynolds maka  angka Nusselt-nya  juga meningkat. Selain  itu  peningkatan  angka Reynolds mengakibatkan separasi terjadi lebih awal. Pada Re D = 80 titik separasi terjadi pada θ  =  135 -140 o ,  Re D =  200  titik  separasi  terjadi pada θ = 120 -130 o sedangkan Re D = 5000 titik separasi terjadi pada θ = 90 -100 o . Nilai Nusselt terkecil  pada  Re D 80  kemudian  Re D 200  dan yang tertinggi pada Re D 5000.
Gambar 10 Nusselt Number rata-rata (2Dx2D).

## Gambar  10 merupakan  visualisasi Nusselt
Number rata-rata  terhadap Reynolds  Number untuk S T x  S L ( 2D  x  2D). berdasarkan  gambar diatas dapat dilihat bahwa hasil simulasi sudah mendekati dengan hasil perhitungan berdasarkan  persamaan  empiris grimisom dan zhukauskas.

## 4. KESIMPULAN
Dari hasil  penelittian  pengaruh jarak transverse pitch terhadap  karakteristik  aliran dan  perpindahan  panas  pada tube  bank tipe staggered terdapat beberapa kesimpulan sebagai berikut : Pada  aliran  yang  melintasi  silinder  sirkular dengan susunan tube tipe staggered, transverse pitch dapat mempengaruhi kecepatan  maksimum  aliran  fluida  yang melintasi tube  bank,  akan  berdampak  pada bilangan Reynolds maksimum.
Variasi transverse  pitch dapat mempengaruhi karakteristik perpindahan panas pada permukaan tube. Semakin kecil jarak transverse pitch menyebabkan bilangan

## Nusselt semakin meningkat.
Proses perpindahan  panas  yang  terbaik  terjadi pada transverse  pitch 1,5D dibandingkan transverse pitch 2D, dimana terjadi peningkatan Nusselt  number rata-rata  dari  S T 2D ke S T 1,5D sebesar 18,42%
Bilangan Reynolds dapat  mempengaruhi bilangan Nusselt.  Apabila  bilangan Reynolds meningkat  maka  bilangan Nusselt ikut meningkat, karena bilangan Nusselt merupakan fungsi dari bilangan Reynolds.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih peneliti ucapkan kepada
Politeknik  Negeri  Ketapang yang  telah memberikan  dukungan. Sehinga  terselesainya paper ini.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Incropera,  P.F.  Dewit,P.D.  Bergam,  L.T.  Lavine, S.A.  (2011), Fundamentals  Of  Heat  and  Mass Transfer, 7 th edition, Jhon Wiley and Son, Inc.
[2] Buyruk,  E.  (1999),  “ Heat  Transfer  and  Flow Structures  Around  Circular  Cylinder    in  Cross- Flow” , Internatioanal Journal of Engineering and
Environmental Science, Vol. 23, hal. 299 - 315.
[3] Buyruk,  E.  (2002),  “Numerical  Study  of  Heat Transfer  Characteristics  On  Tandem  Cylinders, Inline and Staggered Tube Banks in Cross-Flow of Air”, Int. Comm. Heat mass Transfer, Vol. 29, No.
3, pp. 355 – 366.
[4] Sanijai  S.,  Goldstein  R.J.  (2004),  “ Forced convection heat transfer from a circular cylinder in crossflow to air and liquids” , International Journal of  Heat  and Mass  Transfer,  Vol.  47,  hal.  4795 – 4805.
[5] Tahseen, T. A., Ishak, M., Rahman, M. M. (2011), A  Numerical  Study  of  Forced  Convection  Heat
Transfer for Staggered Tube Banks in Cross- Flow”,
Internasional Confrerence in Mechanical
Engineering Research.
[6] Khan,  W.  A.,  Culham,  J.  R.,  Yovanovich,  M.  M. (2006),  “Convection  Heat  Transfer  from  Tube Banks  in  Crossflow”, International  Journal  of
Heat and Mass Transfer, Vol. 46, hal. 4831-4838.
[7] Mahir, N. Altac, Z. (2008), “Numerical Investigation  of  Convective  Heat  Transfer  in Unsteady  Flow  Past  Two  Cylinders  in  Tandem Arrangements” ,  Internatioanal  Journal  of  Heat and Fluid Flow, Vol. 29, hal. 1309 - 1318.