Analisis CFD Perubahan Fase Es Batu Meleleh

Perubahan fase dari padat (es) ke cair (air) adalah fenomena termodinamika kritis dalam berbagai industri—mulai dari cold chain logistik makanan hingga desain sistem HVAC. Computational Fluid Dynamics (CFD) menawarkan cara efisien untuk memprediksi laju pelelehan, distribusi suhu, dan aliran panas secara real-time tanpa eksperimen fisik yang mahal.

Teori Dasar: Fisika di Balik Perubahan Fase Es

Perubahan fase es melibatkan tiga mekanisme perpindahan panas simultan:

1. Konduksi: Aliran kalor melalui molekul es itu sendiri (dominan fase padat)

2. Konveksi: Perpindahan panas oleh gerak fluida (air lelehan) di sekitar es

3. Radiasi: Transfer energi elektromagnetik (efek minor pada suhu rendah)

Persamaan Matematis Kunci:

• Laju Perpindahan Panas: Q = U × A × ΔT
  di mana:
  U = Koefisien perpindahan panas keseluruhan (W/m²°C)
  A = Luas antarmuka es-cairan (m²)
  ΔT = Beda suhu antara lingkungan dan titik leleh es

• Model Pelelehan (Enthalpy-Porosity): Memperhitungkan energi laten pelelehan melalui fraksi cairan (liquid fraction)

Tantangan Simulasi Perubahan Fase Es

1. Kompleksitas Interface Padat-Cair

Interface es-air bersifat dinamis dan berubah bentuk selama pelelehan. Pendekatan CFD mengatasi ini dengan:

• Metode Volume of Fluid (VOF): Melacak deformasi permukaan es secara real-time

• Adaptive Mesh: Memperhalus grid di area antarmuka untuk akurasi tinggi

2. Interaksi Konveksi Alami dan Pelelehan

Percobaan pada lempeng logam menunjukkan konveksi alami meningkatkan laju perpindahan panas hingga 300% dibandingkan konduksi murni 12. CFD memodelkan fenomena ini dengan:

• Persamaan Boussinesq: Menangkap efek densitas air terhadap suhu.

• Model Turbulensi SST k-ω: Akurat memprediksi aliran di dekat permukaan es.

Langkah Simulasi CFD untuk Analisis Pelelehan Es

1. Pemodelan Geometri

   • Bangun model 3D es + lingkungan fluida (udara/air)

   • Sertakan domain udara

2. Setup Fisika Multiphase

   Phase 1: Air cair (ρ=997 kg/m³, μ=0.001 Pa.s)  
   Phase 2: Es (ρ=916.7 kg/m³, Cp=2093 J/kg°C)  
   Heat Transfer Model: Transient + Solidification/Melting  
   Turbulence Model: SST k-ω

3. Kondisi Batas Kritis

   • Suhu dinding: Dirichlet condition (mis: 0°C untuk freezer)

   • Antarmuka es-air: Interface dengan heat flux kontinu

4. Kalkulasi Fraksi Cair
   Fraksi cair (γ) = 0 → es padat; γ = 1 → cairan murni
   Zona pelelehan: 0 < γ < 1 (zona mushy)

Solusi Software & Best Practices

• Pemilih Solver: Cradle CFD

• Kontrol Stabilitas:

  • Time step < 0.1 detik untuk fase transien awa

• Post-Processing Kunci:

  • Visualisasi liquid fraction volume

  • Plot laju pelelehan kumulatif

  • Animasi vektor kecepatan air lelehan

Distribusi Suhu dan Fraksi Volume

Implikasi Bisnis untuk Industri

1. Penghematan Energi: Optimasi desain cold storage mengurangi konsumsi listrik 15-25%

2. Peningkatan Umur Simpan: Kontrol suhu presisi memperpanjang kesegaran produk 2-3x

3. Pengurangan Biaya Prototipe: Simulasi menggantikan uji fisik hingga 70%