MASUK FAISAL HAJJ MESINN TEKNIK MEDAN Universitas Sumatera Utara

Transkripsi

1 ANALISA PRESTASI TURBIN VORTEX DENGAN MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CFD PADA DUA VARIASI DIMENSI SUDU SERTA VARIASI DEBIT AIR MASUK SKRIPSI Skripsi Yangg Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjanaa Teknik FAISAL HAJJ NIM DEPARTEMEN TEKNIK MESINN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERAA UTARA MEDAN 2013

2

3

4

5

6

7 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, atas segala Karunia dan Rahmat-Nya yang senantiasa diberikan kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini. Skripsi ini merupakan salah satu persyaratan untuk memenuhi syarat guna memperoleh gelar Sarjana Teknik (ST) Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik. Adapun judul Skripsi ini adalah ANALISA PRESTASI TURBIN VORTEX DENGAN MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CFD PADA DUA VARIASI DIMENSI SUDU SERTA VARIASI DEBIT AIR MASUK Selama penulisaan laporan ini penulis banyak mendapat bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis menyampaikan banyak terima kasih kepada : 1. Kedua orang tua saya Bapak Sabaruddin dan Ibu Rosmalasari Siregar, yang terus menerus memberikan dukungan baik moril ataupun materil, juga kepada kakak dan adik saya untuk dapat menyelesaikan tulisan ini. 2. Bapak Ir. Syahril Gultom, MT, selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan arahan, bimbingan, nasehat, dan pelajaran berharga hingga Skripsi ini dapat terselesaikan. 3. Bapak Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Ir. SyahrilGultom, MT. selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin USU 4. Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME. selakudekan FT USU 5. Seluruh Staf Pengajar pada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik yang telah memberikan pengetahuan kepada penulis hingga akhir studi dan seluruh pegawai administrasi di Departemen Teknik Mesin. 6. Kepada teman saya Irham F Tanjung (a.k.a Raft) sebagai rekan seperjuangan dalam menyelesaikan tugas akhir ini, juga kepada rekanrekan saya team turbin vortex, Saudara Veri Nando Sihombing (a.k.a Wak VER) dan Ferdy J Marpaung (a.k.a Jeck) 7. Rekan-rekan Turbineers lainnya yang bergabung dalam team NACA dan

8 team Pelton. 8. Saudara Munawir R Siregar,ST, sebagai guru spiritual sekaligus Guru ANSYS yang banyak berjasa membantu dalam penulisan laporan Tugas akhir ini. Juga kepada Saudara Hedi Hermawan Hrp yang telah membantu Laptop saya yang tidak seberapa agar tetap berfungsi dengan baik. 9. Sareep, Arlan kelana, Alek ST, Petsu ST, Jona ST, serta sahabat-sahabat lainnya yang baik hati, rajin menabung dan menghibur. 10. Rekan-rekan mahasiswa di Departemen Teknik Mesin USU khususnya angkatan 2008 dan semua pihak yang membantu dalam menyelesaikan skripsi ini. Dalam penulisan tugas akhir ini penulis menyadari banyak kekurangan. Oleh karena itu segala kritik yang bersifat membangun akan diterima dengan senang hati untuk kemajuan bersama. Akhir kata, semoga Skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua dan dapat dilanjutkan oleh rekan-rekan mahasiswa lain. Medan, Oktober 2013 Penulis

9 ABSTRAK Turbin Vortex adalah salah satu jenis turbin mikrohidro yang menggunakan pusaran air sebagai penggerak sudunya. Turbin Vortex mempunyai head yang relatif rendah 0,7m-1,4m dan debit air 0,02 m 2 /s yang mengalir terus menerus, turbin ini sangat cocok digunakan di aliran sungai. Tugas Akhir ini sendiri adalah menganalisa dan mensimulasi secara numerik Turbin Vortex dengan bantuan software Ansy 14 menggunakan CFD. CFD dapat menganalisa atau memprediksi aliran fluida yang ada pada turbin vortex. Analisis dilakukan pada aliran tiga dimensi (3D), steady, turbulen dan incompresible. Variabel yang digunakan untuk dianalisa anatara lain, sudu dan. Bentuk sudu lengkung berjumlah 4. Didapat efisiensi maksimum pada sudu II sebesar 40,88% pada debit 0,0055 m 3 /s. Pada sudu III didapat efisiensi maksimum sebesar 43,29% pada debi 0,0055 m 3 /s. Kata kunci: Efisiensi, CFD, Ansys, Turbin Vortex, Sudu, Debit

10 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iii DAFTAR ISI... iv DAFTAR TABEL... vii DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR SIMBOL... ix BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Batasan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Sistematika Penelitian... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Sejarah turbin Jenis-jenis Turbin Turbin Air Klasifikasi Turbin Air Perbandingan Karakteristik Air Fluida dan Klasifikasinya Fluida Statis dan Dinamis Aliran Laminar dan Aliran Turbulen Vortex Aliran Vortex Bebas Aliran Vortex Paksa Aliran Vortex Kombinasi Turbin Vortex Perhitungan Performansi Dan Efisiensi Turbin Perhitungan Dinamika Fluida Persamaan Pembentuk Aliran Metode CFD Menggunakan Perangkat lunak Fluent FLUENT... 31

11 2.7.2 Skema Numerik Metode Solusi Segregated Metode Solusi Coupled Diskritasi First-Order Upwind Second-Order Upwind Scheme Bentuk Linearisasi Persamaan Diskrit Diskritisasi Coupled Solver Model Turbulen (Turbulence Modeling) Permodelan k-epsilon (k- ) Standard RNG Realizable Permodelan k-omega (k- ω) Standard SST BAB III METODE PENELITIAN Proses Pre-Processing Pembuatan Model Menentukan Domain Diskritasi Menentukan Solution Solver Menentukan jenis Aliran Menentukan Kondisi Batas Pengaturan Simulasi (Simulation Setting) Menjalankan Simulasi BAB IV HASIL DAN ANALISA DATA Analisi Mesh Analisa Terhadap Kontur Kecepaatan Analisa vector kecepatan Analisa Kecepatan Pada Model Uji Kecepatan Aliran di Inlet... 57

12 4.2.2 Kecepatan Aliran di Outlet Analisis Tekanan Model Uji Analisa Tekana Pada Sudu Analisa Tekanan Pada Outlet Analisa Tekanan Pada Inlet Perhitungan Efisiensi Turbin perhitungan efiseinsi pada Sudu II Perhitungan Efisiensi pada Sudu III Validasi Metode Validasi Perbandingan Efisiensi dari CFD terhadap Hasil Eksperimental 80 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA... x LAMPIRAN... xi

13 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Pengelolmpokan Turbin... 9 Tabel 2.2 Kecepatan Spesifik Turbin Tabel 3.1 Bentuk Model Penelitian Tabel 3.2 Kondisi Batas Tabel 3.3 Pengaturan Simulasi Tabel 4.1 Hasil Perhitungan Torsi (Nm) Tabel 4.2 Nilai Daya Turbin Tabel 4.3 nilai kecepatan air dan debit air Tabel 4.4 Nilai laju aliran massa pada bukaan katup 30, 60, dan Tabel 4.5 Daya Air (Pair) Tabel 4.6 Efisiensi Turbin Vortex pada bukaan katup 30 derajat Tabel 4.7 Efisiensi Turbin Vortex pada bukaan katup 60 derajat Tabel 4.8 Efisiensi Turbin Vortex pada bukaan katup 90derajat Tabel 4.9 Efisiensi Turbin sudu III pada bukaan katup 30 derajat Tabel 4.10 Efisiensi Turbin sudu III pada bukaan katup 60 derajat Tabel 4.11 Efisiensi Turbin sudu III pada bukaan katup 90 derajat Tabel 4.12 perbandingan hasil efisiensi eksperimental dengan CFD pada sudu II Tabel 4.13 perbandingan hasil efisiensi eksperimental dengan CFD pada sudu III... 80

14 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Kincir Air... 7 Gambar 2.2 Klasifikasi Turbin Air. (A) Turbi Francis (B) Turbin Kaplan (C) Turbn Pelton Gambar 2.3 Skema Turbin Pancar (Turbin Pelton), Jalannya Tekanan Di Dalam Pipa Dan Di Dalam Roda Jalan Gambar 2.4 Perbandingan Karakteristik Turbin Gambar 2.5 Karakteristik Turbin Vortex Gambar 2.6 Daerah Penggunaan Dari Beberapa Jenis Konstruksi Turbin Yang Berbeda Gambar 2.7 Perpindahan Aliran Dari Laminar Ke Turbulen Gambar 2.8 Pusaran Air Gambar 2.9 Pola Garis Arus Untuk Sebuah Vortex Gambar 2.10 Gerakan Elemen Fluida Dari A Ke B : Vortex Bebas Gambar 2.11 Gerakan Elemen Fluida Dari A Ke B : Vortex Paksa Gambar 2.12 Konservasi Massa Pada Elemen Fluida Gambar 2.13 Konservasi Momentum Pada Elemen Fluida Gambar 2.14 Konservasi Energi Pada Elemen Fluida Gambar 2.15 Volume Kendali Digunakan Sebagai Ilustrasi Diskretisasi Persamaan Transport Skalar Gambar 2.16 Volume Kendali Digunakan Sebagai Ilustrasi Diskretisasi Persamaan Transport Skalar Pada Model Sel 2D Quadrilateral Gambar 3.1 Computational Domain Gambar 3.2 Bentuk Mesh Dari Rumah Sudu Dan Sudu Turbin Gambar 4.1 bentuk mesh pada kecepatan air masuk 0,93 m/s Gambar 4.2 kontur kecepatan fluida dengan kecepatan air masuk 0,93 m/s Gambar 4.3 bentuk mesh pada kecepatan air masuk 1,006 m/s Gambar 4.4 kontur kecepatan pada kecepatan air masuk 1,006 m/s Gambar 4.5 bentuk mesh pada kecepatan air masuk 1,0 6 m/s Gambar 4.6 kontur kecepatan pada kecepatan air masuk 1,06 m/s Gambar 4.7 bentuk mesh pada kecepatan air masuk 0,93 m/s... 51

15 Gambar 4.8 kontur kecepatan pada kecepatan air masuk 0,93 m/s Gambar 4.9 bentuk mesh pada kecepatan air masuk 1,006 m/s Gambar 4.10 kontur kecepatan pada kecepatan air masuk 1,006 m/s Gambar 4.11 bentuk mesh pada kecepatan air masuk 1,06 m/s Gambar 4.12 Kontur kecepatan pada kecepatan air masuk 1,06 m/s Gambar 4.13 vektor kecepatan fluida pada sudu II debit Gambar 4.14 vektor kecepatan fluida pada sudu II debit Gambar 4.15 vektor kecepatan fluida pada sudu II debit Gambar 4.16 vektor kecepatan fluida pada sudu III debit Gambar 4.17 vektor kecepatan fluida pada sudu III debit Gambar 4.18 vektor kecepatan fluida pada sudu III debit Gambar 4.19 kontur kecepatan di inlet pada sudu II debit Gambar 4.20 kontur kecepatan di inlet pada sudu II debit Gambar 4.21 kontur kecepatan di inlet pada sudu II debit Gambar 4.22 kontur kecepatan di inlet pada debit Gambar 4.23 kontur kecepatan di inlet pada debit Gambar 4.24 kontur kecepatan di inlet pada debit Gambar 4.25 letak outlet di rumah sudu Gambar 4.26 kontur kecepatan fluda di outlet pada debit Gambar 4.27 kontur kecepatan fluda di outlet pada debit Gambar 4.28 kontur kecepatan fluda di outlet pada debit Gambar 4.29 kontur kecepatan fluida di outlet pada debit Gambar 4.30 kontur kecepatan fluida di outlet pada debit Gambar 4.31 kontur kecepatan fluida di outlet pada debit Gambar 4.32kontur tekanan sudu II Gambar kontur tekanan sudu III Gambar 4.34 grafik distribusi tekanan pada bidang simetris di sudu II Gambar 4.35 grafik distribusi tekanan pada bidang simetris di sudu III Gambar kontur tekanan di outlet pada debit Gambar kontur tekanan di outlet pada debit Gambar kontur tekanan di outlet pada debit Gambar kontur tekanan di outlet pada debit

16 Gambar kontur tekanan di outlet pada debit Gambar kontur tekanan di outlet pada debit Gambar 4.42 kontur tekanan di Inlet pada sudu II Gambar kontur tekanan di outlet pada sudu III Gambar 4.44 grafik putaran vs efisiensi pada sudu II Gambar 4.45 Grafik putaran Vs torsi pada sudu II Gambar 4.46 grafik putaran vs efisiensi pada sudu III Gambar 4.37 grafik putaran vs torsi pada sudu III Gambar 4.48 Perbandingan Hasil Efisiensi pada sudu II Gambar 4.49 Perbandingan Hasil Efisiensi pada sudu III... 81

17 DAFTAR NOTASI A = vector area permukaan = luas sisi f, D = diameter (m) E =Energi (J) F = gaya (N) Fc =gaya sentrifugal pada aliran vortex (N) g = gay Gravitasi (9,81 m 2 /s) h = head air(m) l = panjang lengan (m) m = massa (kg) n = putaran turbin (rpm) = jumlah sisi P = daya (watt) P = tekanan (Pa) Pair = daya air (watt) Pturbin= daya turbin (watt) Q = kapasitas air ( m 3 /s) r = jari jari (m) Re = bilangan Reynold T = torsi (Nm) v = kecepatan aliran (m/s) =fluks massa yang melalui sisi W = berat partikel (kg) u,v,w = kecepatan arah x,y dan z (m/s) ρ = massa jenis ( kg/m 3 ) ṽ = kecepatan rata rata fluida (m/s) µ =viskositas dinamik (kg/m.s) ŵ = kecepatan aliran vortex (m/s) τ = gaya tangensial π = phi (22/7 atau 3,14) ɳ = efisiensi (%) ω = kecepatan sudut (rad/s) = koefisien difusi untuk = gradient =( / / / dalam 3D) = sumber tiap satuan volume =nilai yang dikonversikan melalui sisi f = jumlah yang tegak lurus terhadap