SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA POMPA HIDRAM DENGAN TINGGI AIR JATUH 2.3 M DENGAN MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CFD

Transkripsi

1 SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA POMPA HIDRAM DENGAN TINGGI AIR JATUH 2.3 M DENGAN MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CFD SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik HERTO MARISEIDE MARBUN NIM DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013

2

3

4

5

6

7

8

9

10 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 Tinggi Air Jatuh 2,3 m Dengan 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. Orang tua penulis D. Marbun dan N. Sianturi yang memberikan dukungan moral dan materi kepada penulis 2. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc selaku dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis. 3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Ir. Syahril Gultom, MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara dan juga sekaligus menjadi dosen pembanding penulis. 4. Bapak Ir. Alfian, MSc selaku dosen wali. 5. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita selaku dosen CFD yang bersedia memberikan waktunya untuk berdiskusi. 6. Teman-teman penulis Franciscus sitompul dan Uccok sinaga yang sama-sama berusaha mengerjakan skripsi tentang pompa hidram. 7. Nehemia, Indra Purba dan Fadli Ryan Arikundo selaku teman asistensi yang sama-sama berjuang untuk menyelesaikan perbaikan skripsi. 8. Teman-teman mesin 2008 serta abang senior dan semua rekan mahasiswa teknik mesin yang membantu dalam penyelesaian skripsi ini. 9. Kepada pihak-pihak lain yang belum disebutkan namanya.

11 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, 6 Juni 2013 Herto M. Marbun

12 ABSTRAK Penelitian ini bertujuan untuk mensimulasikan aliran fluida pada pompa hidram dengan menggunakan perangkat lunak CFD, simulasi yang digunakan adalah untuk aliran stedi, inkompresibel, turbulen, dan tiga dimensi. Fluida air (water liquid) berakselerasi melalui pipa masuk dan masuk ke badan pompa, badan pompa mengalami kompresi dan akhirnya menekan air ke tabung udara dan kemudian menyalurkan air ke pipa keluaran. Simulasi diatur dengan mengkondisikan pada saat katup limbah tertutup dan pada saat katup penghantar tertutup. Simulasi terdiri dari sembilan rangkaian yaitu tiga bukaan (panjang langkah) katup limbah, tiga bukaan katup penghantar dan tiga perbedaan volume tabung udara. Hasil simulasi didapatkan dengan membandingkan hasil simulasi dengan hasil pengujian. Diperoleh penyimpangan terendah antara hasil simulasi dan hasil pengujian adalah 0,78 % dan penyimpangan tertinggi antara hasil simulasi dan hasil pengujian adalah 9,19 %. Kata kunci : Pompa Hidram, Perhitungan Dinamika Fluida (CFD)

13 ABSTRACT This research aims to simulate a fluid flow for hydram pump using CFD software, The simulation is performed by steady flow, incompressible, turbulent and three-dimensional. Water fluid (water liquid) accelerates through the inlet pipe and entry into the pump body, pump body have a compression and then press the water into the air vessel and then draining the water into the outlet pipe. This simulate is set by conditioning when waste valve is closed and when delivery valve is closed. Simulation consist of nine series namely three waste valve opening (stride length), three delivery valve opening and three different volume of air vessel. Simulation result obtained by comparing simulation result and experiment result. Obtained the lowest deviation between simulation result and experiment result is 0,97 % and the highest deviation between simulation result and experiment result is 8,3 %. Keyword : Hydraulic Ram Pump, Computational Fluid Dynamic (CFD)

14 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... ii DAFTAR ISI... iv DAFTAR GAMBAR... vi DAFTAR TABEL... ix DAFTAR SIMBOL... x BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Tujuan Penelitian Batasan Masalah Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan... 4 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 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 Diskritisasi (metode interpolasi) pada CFD Model Turbulensi (Turbulence modeling) Permodelan k-epsilon (k- ε) Permodelan k-omega (k- ω) BAB III METODOLOGI PENELITIAN Proses Pre-Processing Pembuatan model... 31

15 Pembuatan mesh (grid generation) Menentukan solution solver Menentukan jenis aliran Menentukan kondisi batas (Boundary condition) Pengaturan simulasi Menjalankan simulasi (run) BAB IV HASIL DAN ANALISA Simulasi pada saat katup penghantar tertutup Simulasi pada saat katup limbah tertutup Simulasi perbedaan volume tabung udara Hasil Simulasi Perbandingan terhadap hasil pengujian Kecepatan Pada Katup Limbah Pada Bukaan Katup 15,25 Derajat Atau Panjang Langkah 15 mm Kecepatan Pada Katup Limbah Pada Bukaan Katup 19,98 Derajat Atau Panjang Langkah 20 mm Kecepatan Pada Katup Limbah Pada Bukaan Katup 24,44 Derajat Atau Panjang Langkah 25 mm Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Volume Tabung Udara 0,0061 m Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Volume 0,0061 m Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Volume Tabung Udara 0,0082 m Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Volume 0,0082 m Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Volume Tabung Udara 0,0102 m Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Volume 0,0102 m BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

16 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Daerah aliran laminar dan turbulen pada plat datar... 6 Gambar 2.2. Perbandingan tinggi tekanan input dan tekanan output 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 Alur penyelesaian masalah CFD (problem solving) Gambar 2.9. Hukum Kekekalan Massa pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi Gambar 2.10 Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-x pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi Gambar 2.11 Kerja yang Dikenakan pada Sebuah Elemen Arah Sumbu-x Gambar 2.12 Fluks Panas yang Melintasi Permukaan Sebuah Elemen Gambar 2.13 Volume control satu dimensi Gambar 3.1. Model pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang langkah 15 mm atau bukaan katup limbah derajat Gambar 3.2. Model pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang langkah 20 mm atau bukaan katup limbah derajat Gambar 3.3. Model pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang langkah 25 mm atau bukaan katup limbah derajat Gambar 3.4. Model pada saat katup limbah tertutup dengan katup penghantar 1/3 terbuka Gambar 3.5. Model pada saat katup limbah tertutup dengan katup penghantar 2/3 terbuka Gambar 3.6. Model pada saat katup limbah tertutup dengan katup penghantar terbuka penuh dan model pompa dengan volume tabung 0,0061 m

17 Gambar 3.7. Model pompa dengan volume tabung 0,0082 m Gambar 3.8. Model pompa dengan volume tabung 0,0102 m Gambar 3.9. Model yang telah di mesh saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang langkah 15 mm atau bukaan katup limbah derajat Gambar model yang telah di mesh pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang langkah 20 mm atau bukaan katup limbah derajat. 35 Gambar Model yang telah di mesh pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang langkah 25 mm atau bukaan katup limbah derajat Gambar Model yang telah di mesh pada saat katup limbah tertutup dengan katup penghantar 1/3 terbuka Gambar model yang telah di mesh pada saat katup limbah tertutup dengan katup penghantar 2/3 terbuka Gambar Model yang telah di mesh pada saat katup limbah tertutup dengan katup penghantar terbuka penuh dan model pompa dengan volume tabung 0,0061 m Gambar Model yang telah di mesh dengan volume tabung 0,0082 m Gambar Model yang telah di mesh dengan volume tabung 0,0102 m Gambar Letak Kondisi Batas Gambar Keterangan Kondisi Batas bagian c yaitu pada keadaan katup bola dibuka 1/6 bukaan Gambar Letak Kondisi Batas...41 Gambar 4.1. Kontur kecepatan dengan panjang langkah 25 mm atau bukaan katup limbah 24,44 derajat Gambar 4.2. Vektor kecepatan dengan panjang langkah 25 mm atau bukaan katup limbah 24,44 derajat Gambar 4.3. Kontur kecepatan dengan panjang langkah 20 mm atau bukaan katup limbah 19,98 derajat Gambar 4.4. Vektor kecepatan dengan panjang langkah 20 mm atau bukaan katup limbah 19,98 derajat

18 Gambar 4.5. Kontur kecepatan dengan panjang langkah 15 mm atau bukaan katup 15,25 derajat Gambar 4.6. Vektor kecepatan dengan panjang langkah 15 mm atau bukaan katup 15,25 derajat Gambar 4.7. Kontur kecepatan dengan katup 1/3 terbuka Gambar 4.8. Vektor kecepatan dengan katup 1/3 terbuka Gambar 4.9. Kontur kecepatan dengan katup 2/3 terbuka Gambar Vektor kecepatan dengan katup 2/3 terbuka Gambar Kontur kecepatan dengan katup terbuka penuh Gambar Vektor kecepatan dengan katup terbuka penuh Gambar Kontur tekanan dengan volume tabung 0,0061 m Gambar Kontur tekanan dengan volume tabung 0,0082 m Gambar Kontur tekanan dengan volume tabung 0,0102 m Gambar kontur tekanan dengan volume tabung 0,0061 m 3 pada saat katup penghantar tertutup penuh...53 Gambar kontur tekanan dengan volume tabung 0,0082 m 3 pada saat katup penghantar tertutup penuh...54 Gambar kontur tekanan dengan volume tabung 0,0102 m 3 pada saat katup penghantar tertutup penuh...54 Gambar Perbandingan hasil simulasi dan pengujian Gambar Perbandingan hasil simulasi dan pengujian Gambar Perbandingan hasil simulasi dan pengujian Gambar Perbandingan hasil simulasi dan pengujian Gambar Perbandingan hasil simulasi dan pengujian Gambar Perbandingan hasil simulasi dan pengujian Gambar Perbandingan hasil simulasi dan pengujian Gambar Perbandingan hasil simulasi dan pengujian Gambar Perbandingan hasil simulasi dan pengujian

19 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... 42

20 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 Laju aliran fluida Kg/s T Temperatur Kerapatan (density) Kg/m 3 Viskositas Kg/m s v Volume tabung m 3 P 1 Tekanan badan pompa Bar P 2 Tekanan tabung Bar a Inlet b Katup penghantar c Outlet delivery d Katup limbah d Lobang limbah 0 C