Proses pembakaran di dalam rotary kiln membutuhkan distribusi temperatur yang stabil untuk menjaga efisiensi energi dan kualitas operasi. Penelitian ini menganalisis pengaruh rasio dp/ds terhadap karakteristik aliran, proses pencampuran, dan performa jet flame menggunakan pendekatan Computational Fluid Dynamics (CFD) dengan ANSYS Fluent. Domain simulasi dimodelkan dalam bentuk 2D axisymmetric menggunakan model turbulensi Realizable k–ε, model pembakaran Non-Premixed PDF, dan model radiasi P-1 pada kondisi steady-state. Verifikasi model dilakukan melalui perbandingan profil temperatur centerline antara hasil simulasi dan data referensi, yang menghasilkan nilai Mean Absolute Percentage Error (MAPE) sebesar 1,01%, menunjukkan tingkat akurasi yang baik. Variasi rasio dp/ds yang dianalisis adalah 0,047, 0,077, dan 0,109. Hasil simulasi menunjukkan bahwa peningkatan rasio dp/ds memperbesar penyebaran jet ke arah radial dan mendorong terbentuknya recirculation zone yang lebih berkembang, stabil, dan semakin dekat ke inlet, sehingga meningkatkan interaksi antara bahan bakar dan udara. Kondisi ini mempercepat proses pencampuran yang ditandai oleh konsumsi CH₄ dan pembentukan CO₂ yang terjadi lebih awal di sepanjang domain pembakaran. Dari sisi termal, temperatur maksimum mengalami penurunan dari 2519 K pada dp/ds = 0,047 menjadi 2375 K pada dp/ds = 0,077 dan sekitar 1940 K pada dp/ds = 0,109. Selain itu, panjang nyala api (Lf) menurun dari 8,23 m menjadi 8,02 m dan 7,97 m, sedangkan nilai Lf/d₀ berkurang dari 164,590 menjadi 160,364 dan 159,317. Penurunan temperatur maksimum dan panjang nyala api dipengaruhi oleh peningkatan air-fuel ratio (AFR) dari 19,63 menjadi 23,88 dan 29,57, yang menyebabkan kondisi pembakaran semakin lean akibat udara berlebih. Secara keseluruhan, rasio dp/ds berperan penting dalam mengontrol karakteristik aliran, efektivitas pencampuran, distribusi temperatur, dan stabilitas nyala api pada sistem pembakaran rotary kiln.