Analisis Aliran Fluida Dinamik Pada Draft Tube Turbin Air Ridwan Arief Subekti Puslit Tenaga Listrik dan Mekatronik LIPI Komplek LIPI, Jl. Cisitu No.21/154 D Bandung 40135. ridw001@lipi.go.id Abstrak Draft tube sebagai saluran yang menghubungkan antara sudu gerak/runner dan outlet mempunyai fungsi utama untuk meningkatkan efisiensi turbin air dengan merubah energi kinetik menjadi energi potensial. Dalam mendisain suatu draft tube, kita dapat melakukan analisa komputasi aliran fluida dinamik pada sebuah model draft tube sebelum membuat prototipnya. Analisis komputasi aliran fluida dinamik pada suatu draft tube adalah salah satu cara untuk mengetahui karakteristik dari draft tube tersebut. Karakteristik itu meliputi tekanan statik, tekanan dinamik, tekanan total, kecepatan fluida, energi kinetik turbulen dan pola aliran fluida yang mengalir di dalam draft tube. Untuk itu telah dilakukan analisis komputasi aliran fluida dinamik pada draft tube turbin air. Draft tube berbentuk elbow dengan diameter 16 inchi. Pemodelan draft tube dilakukan dengan software GAMBIT 2.2.30 (Geometry and Mesh Building Intelligent Toolkit), sedang analisa komputasi aliran fluida dinamik dilakukan dengan software Fluent 6.2.16. Solver yang digunakan adalah 3 Dimensi, single precision dengan model viskos adalah k-epsilon (2 persamaan). Hasil analisa komputasi aliran fluida dinamik pada desain draft tube diketahui bahwa vektor kecepatan dan pola aliran yang terjadi di dalam draft tube tersebut adalah baik/smooth, tidak terjadi aliran yang berbalik/turbulen di dalam draft tube. Tekanan total pada sisi inlet 1162.1632 Pascal, tekanan total pada sisi outlet 1083.7635 Pascal dan pressure drop 6.74 %. Kata kunci : analisis, draft tube, fluent, komputasi aliran fluida dinamik, pola aliran, turbulen 1. Pendahuluan Draft tube adalah suatu komponen akhir lintasan air dari pembangkit listrik tenaga air. Draft tube diperlukan untuk membawa air keluar dari runner turbin menuju saluran bawah/tail-race. Air buangan tersebut akan bertemu kembali dengan saluran utama. Draft tube berperan penting untuk merubah energi kinetik dari aliran fluida menjadi energi potensial sehingga dapat meningkatkan efisiensi dari turbin air. Oleh karena itu, desain dari sebuah draft tube akan sangat mempengaruhi performa dari sistem pembangkit listrik tenaga air. Aliran fluida pada draft tube mempengaruhi unjuk kerja sebuah turbin air. Air sebagai media kerja turbin dianggap sebagai fluida yang tak kompresibel, yaitu fluida yang secara virtual massa jenisnya tidak berubah dengan tekanan. Fluida adalah zat yang berubah secara kontinu (terus-menerus) bila terkena tegangan geser, betapapun kecilnya tegangan geser tersebut. Rancang bangun draft tube yang sesuai akan meningkatkan sebagian dari head kecepatan pada saat meninggalkan turbin tersebut. Hal ini dapat meningkatkan energi dan efisiensi suatu turbin. Pemilihan dimensi merupakan salah satu cara mengoptimalkan draft tube. Oleh karena itu diperlukan analisis aliran fluida untuk mendapatkan dimensi draft tube yang optimal. Analisis aliran fluida pada draft tube dilakukan dengan analisis Computational Fluid Dynamics/CFD. CFD memungkinkan ilmuwan dan insinyur untuk melakukan percobaan numeric di dalam laboratorium virtual. Dengan melakukan analisis komputasi aliran fluida dinamik pada draft tube maka kita dapat mengetahui karakteristik fluida yang mengalir di dalam draft tube seperti tekanan statik, tekanan dinamik, tekanan total, kecepatan air, dan pola aliran yang terjadi di dalam draft tube tersebut. Dalam tulisan ini, akan dibahas tentang simulasi aliran fluida dinamik pada suatu disain draft tube turbin kaplan dengan daya 10 kw dimana draft tube tersebut mempunyai dimensi diameter 16 inchi.
2. Landasan Teori 2.1. Prinsip Kerja Draft Tube Draft tube adalah saluran diffuser lengkung yang menghubungkan runner dan outlet. Fungsi utama draft tube adalah meningkatkan efisiensi turbin dengan merubah energi kinetik menjadi energi potensial secara menyeluruh dengan membuat head artificial. Selain itu draft tube juga berfungsi membuat kondisi yang memungkinkan agar turbin dapat diletakkan di atas level muka air bawah/tail- tube, dikarenakan water. Perbedaan tekanan yang melalui runner menjadi besar dengan adanya draft efek hisap yang timbul dari konstruksi ekspansi. Hasilnya adalah meningkatnya efisiensi turbin. Draft tube dapat dirancang dengan berbagai cara yang berbeda, namun beberapa variasi disain dipandang kurang penting dibandingkan dengan beberapa hal lain, seperti bentuk outlet yang berupa lingkaran atau segi empat dipandang kurang penting dibandingkan dengan luas penampang luar. Akan tetapi pembentukan elbow merupakan salah satu masalah yang rumit dalam merancang draft tube. Tantangan yang timbul adalah bagaimana membuat rancangan dengan kerugian energi/energy losses yang kecil/minor dan tanpa resiko terjadi kerusakan yang diakibatkan oleh kavitasi. Salah satu bentuk draft tube pada suatu pembangkit listrik tenaga listrik dapat dilihat pada gambar di bawah ini. Gambar 1. Draft tube pada pembangkit listrik tenaga air 2.2. Proses Simulasi Computational Fluid Dynamics Computational Fluid Dynamics/CFD adalah analisis sistem yang melibatkan aliran fluida, heat transfer dan fenomena tertentu seperti reaksi kimia dengan simulasi komputer. Salah satu aplikasi penggunaan CFD adalah pada suatu mesin turbo. Tujuan utama pengembangann CFD adalah untuk menyediakan kemampuan yang dapat dibandingkan dengan peralatan CAE (computer aided engineering) yang lain seperti code analysis stress. Keuntungan CFD dari pendekatan eksperimen sistem fluida antara lain: Pengurangan waktu dan biaya dari disain baru Kemampuan untuk mempelajari sistem dimana eksperimen terkendali sulit dikerjakan Kemampuan untuk mempelajari sistem di bawah kondisi berbahaya. Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika kita melakukan simulasi CFD, yaitu: 1. Processing Processing merupakan langkah awal dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat model dalam paket CAD (Computer Aided Design), membuat mesh yang cocok/sesuai, kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat-sifatt fluidanya. 2. Solving Solvers (program inti pencari solusi) CFD menghitung kondisi-kondisi yang diterapkan pada saat preprocessing. 3. Postprocessing Adalah langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan dalam langkah ini adalah mengorganisasi dan mengintrepertasi data hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva, dan animasi.
3. Metodologi 3.1. Pemodelan Draft Tube Langkah pertama dalam melakukan analisa aliran fluida dinamik adalah dengan melakukan pemodelan draft tube. Pemodelan draft tube dilakukan dengan bantuan dengan software GAMBIT 2.2.30 (Geometry and Mesh Building Intelligent Toolkit). Adapun dimensi model draft tube adalah sebuah reduser ukuran 12x16, elbow 16 30 derajat dan pipa diameter 16 dengan panjang pipa 1 meter. Desain draft tube dapat digambarkan seperti pada gambar dibawah ini: Gambar 3. Desain draft tube pada GAMBIT 3.2 Metode Perhitungan dan Analisis Langkah selanjutnya adalah melakukan analisa aliran fluida dinamik pada model draft tube. Untuk menganalisa model draft tube kita menggunakan software analisis komputasi fluida dinamik (Computational Fluid Dynamics/CFD) Fluent 6.2.16. Adapun parameter-parameterr yang kita masukan pada fluent dapat dilihat padaa tabel dibawah ini. Tabel 1. Inputan fluent pada draft tube Item Besaran Solver 3 Dimensi, segregated Model viskositas k-epsilon (2 eqn) Material Water liquid (H 2 O) Density 998.2 kg/m 3 Viscositas 0.001003 kg/m-s Tekanan operasi 101325 Pa Gravitasii 9.81 m/s 2 arah sumbu Y negatif Kondisi batas sisi masuk Velocity Inlet Velocity Magnitude 1.5236 m/s Intensitass turbulen masuk 3.1676 % Diameter hidrolik masuk 0.27945 m Kondisi batas sisi keluar Outflow Faktor discretisasi Second order 4. Hasil dan Pembahasan 4.1. Analisis Aliran Fluida Dinamik Fluent pada Draft Tube Setelah fluent melakukan perhitungan/iterasi, maka outputan yang dapat kita ketahui antara lain adalah tekanan statik, tekanann dinamik, tekanan total, kecepatan, dan pola aliran yang terjadi di dalam draft tube. Selanjutnya outputan yang terjadi pada masing-masing bidang draft tube dapat dilihat pada tabel di bawah ini :
Tabel 2. Hasil perhitungan area weighted average REFERENSI Tekanan statik Tekanan dinamik Tekanan total Kecepatan ( Pascal) (Pascal) (Pascal) (m/s) Inlet 3.7015393 1158.4559 1162.1632 1.5236 Interior reduserelbow 720.71641 415.04721 1135.7636 0.90895544 Interior elbowpipa 783.36226 325.58067 1108.9429 0.79998253 radialcoordinate-3.25 776.05863 320.57097 1096.6296 0.79569522 outlet 770.14703 313.61333 1083.7635 0.75219561 Dinding reduser 403.98688 641.41476 1043.9784 0.018294879 Dinding elbow 786.99954 99.499377 886.70746 0 Dinding pipa 776.15874 211.4523 987.63257 0 Catatan : Domain model draft tube berada pada radial koordinat 2.057974 sampai 3.772921. Radial-coordinate-3.25 adalah potongan penampang pada koordinat 3.25. Sedangkan kontur tekanan, kecepatan, dan pola aliran yang terjadi di dalam draft tube dapat dilihat pada gambar berikut ini : Gambar 4. Kontur tekanan total pada dinding dan bagian dalam draft tube Dari gambar kontur tekanan total, didapat bahwa tekanan total yang terjadi sebesar 5.22x10 2 Pascal sampai dengan 1.19x10 3 Pascal, dimana tekanan total tersebut adalah penjumlahan tekanan statik yaitu sebesar -2.17x10 2 Pascal sampai dengan 9.16x10 2 Pascal dan tekanan dinamik 1.8x10 0 Pascal sampai dengan 1.3x10 3 Pascal. Dari gambar di atas diketahui bahwa tekanan total pada bagian dalam draft tube relatif homogen, sedangkan tekanan total pada dinding draft tube lebih bervariasi. Pada bagian dekat interior reduser r dan elbow terjadi kevakuman dengan tekanan statik sebesar -2.17x10 2 Pascal. Gambar 5. Kontur vektor kecepatan pada dinding dan bagian dalam draft tube
Dari gambar di atas didapat diketahui bahwa vektor kecepatan yang terjadi sangat baik karena vektor kecepatannya memiliki arah yang sesuai dengan arah aliran air. Hal ini membuktikan bahwa aliran air tidak ada yang berbalik atau turbulen. Dari gambar di atas juga dapat diketahui besarnya kecepatan fluida yang mengalir di dalam draft tube yaitu sebesar 3,55x10-2 m/s sampai dengan 1,62x10 0 m/s. Pada sisi inlet draft tube, kecepatan rata-rata fluida yang mengalir adalah 1.5236 m/s, sedangkan kecepatan pada sisi outlet adalah 0.75219561 m/s. Kecepatan terendah terdapat pada dinding draft tube bagian bawah, dimana pada bagian tersebut kecepatanya mendekati nol. Gambar 6. Kontur pola aliran di dalam draft tube Pola aliran fluida yang terjadi di dalam draft tube sangat baik (smooth), hal ini dapat kita lihat pada gambar di atas. Pada reduserr dan belokan elbow draft tube tidak terjadi aliran berbaik atau turbulen. Hal ini tentu sangat baik dalam perancangan draft tube yang mana diperlukan pola aliran yang baik untuk mengurangi kerugian/losses pada draft tube tersebut. 4.2. Penurunan Tekanan pada Draft Tube Dari hasil iterasi yang dilakukan fluent seperti yang terlihat pada tabel 2, didapat bahwa : Tekanan total sisi inlet ( p 1 ) : 1162.1632 Pa Tekanan total sisi outlet ( p 2 ) : 1083.7635 Pa Sehingga didapat penurunan tekanan pada draft tube sebesar : p total = p 1 - p 2 = 1162.1632 Pascal - 1083.7635 Pascal = 78.3997 Pascal Penurunan tekanan (%) = = = 4.3. Validasi Hasil Iterasi Fluent ( p total / p 1 ) x 100 % (78.3997 / 1162.1632 ) x 100 % 6.74 % Untuk mengetahui validitas hasil iterasi yang telah dilakukan oleh fluent dapat kita ketahui dari analisa mass flow rate pada sisi inlet dan outlet draft tube. Dari hasil perhitungan mass flow rate fluent didapat bahwa : Mass flow rate sisi inlet : 93.200356 kg/s Mass flow rate sisi outlet : -93.200256 kg/s (tanda adalah karena arah aliran keluar draft tube) Net mass-flow : 9.9182129 e -5 kg/s Selanjutnya kita dapat menghitung perbandingan antara net mass flow dengan masss flow rate pada sisi inlet, yaitu : ( Net mass flow / Mass flow inlet ) x 100 % = (9.9182129 e -5 / 93.200356 ) x 100 % = 1.06 e -6 % Perbandingan antara net mass flow dengan mass flow rate sisi inlet adalah 1.06 e -6 %. Ini membuktikan bahwa perhitungan yang dilakukan oleh fluent dapat dipercaya karana perbandingan antara net mass flow dengan mass flow rate sisi inlet masih di bawah 1%.
5. KESIMPULAN 1. Dari hasil iterasi yang dilakukan fluent didapat bahwa pressure total yang terjadi di sisi inlet draft tube ( p 1 ) = 1162.1632 Pa, pressure total sisi outlet ( p 2 ) = 1083.7635 Pa, sehingga didapat penurunan tekanan sebesar 78.3997 Pascal atau 6.74 %. 2. Kontur pola aliran yang terjadi di dalam saluran draft tube sangat baik karena tidak terjadi aliran turbulen atau aliran yang berbalik. 3. Validitas hasil perhitungan fluent dapat dipercaya. Hal ini dapat dilihat dari perhitunga net mass flow pada sisi inlet dan outlet draft tube yaitu sebesar 9.9182129e-05 kg/s, sedangkan persentase net mass flow dibanding pada mass flow rate pada sisi inlet saluran draft tube adalah sebesar 1,06 %, hal ini sangat baik karena masih jauh dibawah 1 %. 4. Dengan melakukan analisa aliran fluida dinamik pada suatu model, kita dapat mengetahui karakteristik dari model tersebut sehingga kita dapat merubah-rubah desain model agar didapatkan hasil yang optimum. DAFTAR PUSTAKA [1] Arismunandar, Kuwahara. 1991. Buku Pegangan Teknik Tenaga Listrik Jilid 1- Pembangkitan dengan Tenaga Air, Cetakan keenam. Jakarta: Pradnya paramita. [2] Armand Arief Renaldi. 2007. CFD: Draft tube PLT. Mekanikal Blog : Diakses tanggal 29 Januari 2008 dari http: //www.ccitonline.com/mekanikal/tiki-view_blog.php?blogid=279. [3] C.C. Warnick, Howard A. Mayo, James L. Carson dan Lee H. Sheldon. 1984. Hydropower Engineering. New Jersey: Prentice-Hall Inc, Englewood Cliffs. [4] Donni, R. 2007. CFD: Hukum Dasar Aliran Fluida. Mekanikal Blog : Diakses tanggal 21 Januari 2009 dari http: //ccitonline.com/mekanikal/tiki-view_blog.php?blogid=234. [5] Firman Tuakia. 2008. Dasar-Dasar CFD Menggunakan Fluent. Bandung: Informatika. [6] Rhandyka Jili Prasanto. 2007. Analisa Aliran Dalam Beberapa Desain Draft Tube. Mekanikal- Blog : Diakses tanggal 20 Januari 2008 dari http: //www.ccitonline.com/mekanikal/tikiview_blog.php?blogid=279. [7] Victor L. Streeter, E. Benyamin Wylie. 1986. Mekanika Fluida, Edisi Delapan, Jilid 1 Terjemahan Arko Prijono. Jakarta: Erlangga.