SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA POMPA HIDRAM DENGAN VARIASI PANJANG PIPA PEMASUKAN DAN VARIASI TINGGI TABUNG UDARA MENGGUNAKAN CFD

Transkripsi

1 SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA POMPA HIDRAM DENGAN VARIASI PANJANG PIPA PEMASUKAN DAN VARIASI TINGGI TABUNG UDARA MENGGUNAKAN CFD SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik JEFRI HANSON MANIK NIM DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014

2

3

4

5

6

7

8 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan rahmatnya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul Simulasi Aliran Fluida Pada Pompa Hidram Dengan Variasi Panjang Pipa Pemasukan Dan Variasi Tinggi Tabung Udara Menggunakan Perangkat Lunak CFD. Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik,. Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat nasehat, semangat, dan motivasi dari berbagai pihak, penulis dapat menyelesaikannya. Secara khusus penulis mengucapkan terima kasih yang sebanyak-banyaknya kepada : 1. Bapak Ir. A. Halim Nasution, M.Sc selaku dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis. 2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Ir. Syahril Gultom, MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. 3. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT dan Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST. MT selaku dosen pembanding. 4. Bapak Ir. Tugiman, MT selaku dosen wali. 5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah. 6. Orangtua penulis R. Manik dan H. Purba yang tak kenal lelah memberikan dukungan moral dan materil kepada penulis. 7. Adik-adik penulis Hariadi Manik, Andre Maxwel Manik, Rina Agustina Manik, John Michael Manik yang selalu memberikan semangat kepada penulis. 8. Teman seperjuangan mesin 2008, senior dan junior penulis dan rekan-rekan Lapo Simamora yang memberikan semangat dalam penulisan skripsi ini. 9. Kepada pihak-pihak lain yang belum disebutkan namanya.

9 Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis sangat membutuhkan saran dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima Kasih. Medan, Mei 2014 Jefri Hanson

10 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... xi DAFTAR SIMBOL... xii BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Tujuan Penelitian Batasan Masalah Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Klasifikasi aliran Aliran kompresibel dan inkompresibel Aliran laminar dan aliran turbulen Bilangan Reynold Pompa Hidram Komponen utama pompa hidram dan fungsinya Sistem operasi pompa hidram Peningkatan tekanan pada pompa hidram akibat peristiwa Palu air Computational Fluid Dynamic (CFD) Pengertian umum CFD Penggunaan CFD Manfaat CFD Proses simulasi CFD Metode Diskritisasi CFD Pengenalan software CFD Struktur program CFD Langkah penyelesaian masalahdan perencanaan analisis CFD Pendekatan numerik pada CFD Persamaan pembentuk aliran Model Turbulensi (Turbulence modeling) Permodelan k-epsilon (k- ε) Permodelan k-omega (k- ω) BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 32

11 3.1 Proses Pre-Processing Pembuatan model Pembuatan mesh (grid generation) Menentukan solution solver Menentukan jenis aliran Menentukan kondisi batas (Boundary condition) Menentukan jenis material Pengaturan simulasi (simulation setting) Menjalankan simulasi (run) BAB IV HASIL DAN ANALISA Simulasi pada saat katup penghantar tertutup Simulasi pada saat katup limbah tertutup Tabung 40cm Tabung 60cm Simulasi perbedaan tinggi tabung udara Tabung 40cm Tabung 60cm Hasil Simulasi Perbandingan terhadap hasil pengujian Kecepatan Pada Katup Limbah Dengan Panjang Pipa Pemasukan 8m Kecepatan Pada Katup Limbah Dengan Panjang Pipa Pemasukan 10m Kecepatan Pada Katup Limbah Dengan Panjang Pipa Pemasukan 12m Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Tinggi Tabung Udara 40cm dan Panjang Pipa Pemasukan 8m Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Tinggi Tabung Udara 40cm dan Panjang Pipa Pemasukan 10m Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Tinggi Tabung Udara 40cm dan Panjang Pipa Pemasukan 12m Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Tinggi Tabung Udara 60cm dan Panjang Pipa Pemasukan 8m Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Tinggi Tabung Udara 60cm dan Panjang Pipa Pemasukan 10m Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Tinggi Tabung Udara 60cm dan Panjang Pipa Pemasukan 12m Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung Udara 40cm dan Panjang Pipa Pemasukan 8m Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung Udara 40cm dan Panjang Pipa Pemasukan 10m Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung Udara 40cm dan Panjang Pipa Pemasukan 12m Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung Udara 60cm dan Panjang Pipa Pemasukan 8m.72

12 Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung Udara 60cm dan Panjang Pipa Pemasukan 10m Tekanan Pada Badan Pomoa Dengan Tinggi Tabung Udara 60cm dan Panjang Pipa Pemasukan 12m Menghitung Peningkatan Tekanan Akibat Penutupan Katup Secara Gradual 74 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

13 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Daerah aliran laminar dan turbulen pada plat datar... 6 Gambar 2.2. Perbandingan tinggi tekanan input dan tekanan output... 7 Gambar 2.3. Korelasi antara debit input dan debit output pompa hidram Gambar 2.4. Jenis-jenis Desain Katup Limbah... 9 Gambar 2.5. Bagian Bagian Katup Limbah Gambar 2.6. Instalasi Pengujian Pompa Hidram Gambar 2.7 Siklus Pemompaan Pompa Hidram Gambar 2.8 Diagram satu siklus kerja pompa hidram...15 Gambar 2.9 Alur penyelesaian masalah CFD (problem solving) Gambar Hukum Kekekalan Massa pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi Gambar 2.11 Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-x pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi Gambar 2.12 Kerja yang Dikenakan pada Sebuah Elemen Arah Sumbu-x Gambar 2.13 Fluks Panas yang Melintasi Permukaan Sebuah Elemen Gambar 2.14 Volume control satu dimensi Gambar 3.1. Model pada saat katup limbah terbuka dengan panjang pipa pemasukan 8m atau V=0.3925m/s Gambar 3.2. Model pada saat katup limbah terbuka dengan panjang pipa pemasukan 10m atau V=0.3513m/s Gambar 3.3. Model pada saat katup limbah terbuka dengan panjang pipa pemasukan 12m atau V=0.3424m/s Gambar 3.4. Model pompa saat katup limbah tertutup dengan tinggi tabung 40cm... 34

14 Gambar 3.5. Model pompa saat katup limbah tertutup dengan tinggi tabung 60cm Gambar 3.6. Model yang telah di mesh saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang pipa pemasukan 8m atau V=0.3925m/s Gambar 3.7. model yang telah di mesh pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang pipa pemasukan 10m atau V=0.3513m/s Gambar 3.8. model yang telah di mesh pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang pipa pemasukan 12m atau V=0.3424m/s Gambar 3.9. Model yang telah di mesh pada saat katup limbah tertutup dengan tinggi tabung 40cm Gambar Model yang telah di mesh pada saat katup limbah tertutup dengan tinggi tabung 60cm Gambar Jenis Aliran yang digunakan Gambar Letak Kondisi Batas Gambar Keterangan kondisi batas bagian c yaitu pada keadaan katup bola dibuka 1/6 bukaan Gambar Pengaturan Kondisi Batas..41 Gambar Letak Kondisi Batas 42 Gambar Pengaturan Jenis Material...43 Gambar 4.1. Kontur kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang pipa pemasukan 8m Gambar 4.2. Vektor kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang pipa pemasukan 8m Gambar 4.3. Kontur kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang pipa pemasukan 10m Gambar 4.4. Vektor kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang pipa pemasukan 10m Gambar 4.5. Kontur kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang pipa pemasukan 12m... 47

15 Gambar 4.6. Vektor kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang pipa pemasukan 12m Gambar 4.7. Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 8m Gambar 4.8. Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 8m Gambar 4.9. Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 10m Gambar Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 10m Gambar Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 12m Gambar Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 12m Gambar Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 8m Gambar Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 8m Gambar Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 10m Gambar Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 10m...54 Gambar Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 12m...54 Gambar Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 12m...55 Gambar Kontur Tekanan pada Tabung 1 menggunakan Pipa 8m Gambar Kontur tekanan pada tabung 1 menggunakan pipa 10m Gambar Kontur tekanan pada tabung 1 menggunakan pipa 12m

16 Gambar Kontur Tekanan pada tabung 2 menggunakan pipa 8m Gambar Kontur tekanan pada tabung 2 menggunakan pipa 10m Gambar Kontur tekanan pada tabung 2 menggunakan pipa 12m Gambar Kontur tekanan pada tabung 1 pada saat katup penghantar tertutup Gambar Kontur tekanan pada tabung 2 pada saat katup penghantar tertutup Gambar Perbandingan hasil simulasi dan pengujian Gambar Perbandingan hasil simulasi dan pengujian 64 Gambar Perbandingan hasil simulasi dan pengujian 65 Gambar Perbandingan hasil simulasi dan pengujian 66 Gambar Perbandingan hasil simulasi dan pengujian 66 Gambar Perbandingan hasil simulasi dan pengujian 67 Gambar Perbandingan hasil simulasi dan pengujian 68 Gambar Perbandingan hasil simulasi dan pengujian 69 Gambar Perbandingan hasil simulasi dan pengujian 69 Gambar Perbandingan hasil simulasi dan pengujian 70 Gambar Perbandingan hasil simulasi dan pengujian 71 Gambar Perbandingan hasil simulasi dan pengujian 72 Gambar Perbandingan hasil simulasi dan pengujian 72 Gambar Perbandingan hasil simulasi dan pengujian 73 Gambar Perbandingan hasil simulasi dan pengujian 74

17 DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Data hasil pengujian Tabel 3.2 Kondisi Batas pada saat katup limbah tertutup Tabel 3.3 Kondisi Batas pada saat katup penghantar tertutup Tabel 3.4 Pengaturan Simulasi Tabel 4.1 Hasil simulasi kecepatan pada Katup Limbah Tabel 4.2 Hasil Simulasi Tekanan Tabung Sesuai dengan panjang pipa pemasukan Tabel 4.3 Hasil Simulasi Tekanan Badan Pompa sesuai dengan Panjang Pipa Pemasukan Tabel 4.4 Besar Δh untuk variasi tinggi tabung udara dan panjang pipa pemasukan... 69

18 DAFTAR SIMBOL Simbol Arti Satuan M Bilangan Mach v Kecepatan aliran m/s c Kecepatan suara m/s Re Bilangan reynold u Viskositas kinematik m 2 /s d Diameter pipa m L Panjang pipa masuk m H Head supply m h Head output m N Jumlah ketukan katup limbah per menit m Massa kg a Percepatan m/s 2 mm Laju aliran fluida Kg/s T Temperatur ρρ Kerapatan (density) Kg/m 3 μμ Viskositas Kg/m s v Volume tabung m 3 P 1 Tekanan badan pompa Bar P 2 Tekanan tabung Bar a Inlet b Katup limbah c Lobang limbah c Pipa keluar d Katup penghantar h Head tekanan akibat penutupan katup secara m gradual g Percepatan gravitasi m/s 2 t Waktu selama 1 ketukan s 0 C