Analisa Prestasi Turbin Vortex Dengan Menggunakan Perangkat Lunak CFD Pada Dua Variasi Dimensi Sudu Serta Variasi Debit Air Masuk

17  Download (1)

Full text

(1)
(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 Universitas Sumatera Utara. 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 Universitas Sumatera Utara 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 rekan-rekan saya team turbin vortex, Saudara Veri Nando Sihombing (a.k.a Wak VER) dan Ferdy J Marpaung (a.k.a Jeck)

(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 m2/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 m3/s. Pada sudu III didapat efisiensi maksimum sebesar 43,29%

pada debi 0,0055 m3/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 ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Batasan Masalah ... 2

1.3 Tujuan Penelitian ... 2

1.4 Manfaat Penelitian ... 2

1.5 Sistematika Penelitian ... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 4

2.1 Sejarah turbin ... 4

2.2 Jenis-jenis Turbin ... 6

2.3 Turbin Air ... 7

2.3.1 Klasifikasi Turbin Air ... 9

2.3.2 Perbandingan Karakteristik Air ... 12

2.4 Fluida dan Klasifikasinya... 14

2.4.1 Fluida Statis dan Dinamis ... 14

2.4.2 Aliran Laminar dan Aliran Turbulen ... 15

2.5 Vortex... 16

2.5.1 Aliran Vortex Bebas ... 18

2.5.2 Aliran Vortex Paksa ... 20

2.5.3 Aliran Vortex Kombinasi ... 20

2.5.4. Turbin Vortex ... 20

2.5.4.1 Perhitungan Performansi Dan Efisiensi Turbin ... 24

2.6 Perhitungan Dinamika Fluida ... 25

2.6.1 Persamaan Pembentuk Aliran ... 26

2.7 Metode CFD Menggunakan Perangkat lunak Fluent ... 31

2.7.1 FLUENT ... 31

(11)

2.7.2 Skema Numerik ... 33

2.7.2.1 Metode Solusi Segregated ... 34

2.7.2.2 Metode Solusi Coupled ... 34

2.7.3 Diskritasi ... 34

2.7.3.1 First-Order Upwind ... 33

2.7.3.2 Second-Order Upwind Scheme ... 36

2.7.4 Bentuk Linearisasi Persamaan Diskrit ... 37

2.8 Diskritisasi Coupled Solver ... 38

2.9 Model Turbulen (Turbulence Modeling) ... 38

2.9.1 Permodelan k-epsilon (k-) ... 39

2.9.1.1 Standard ... 39

2.9.1.2 RNG ... 39

2.9.1.3 Realizable ... 39

2.9.2 Permodelan k-omega (k- ω) ... 40

2.9.2.1 Standard ... 40

2.9.2.2 SST ... 40

BAB III METODE PENELITIAN ... 42

3.1 Proses Pre-Processing ... 42

3.1.1 Pembuatan Model ... 42

3.1.2 Menentukan Domain ... 44

3.1.3 Diskritasi ... 46

3.2 Menentukan Solution Solver ... 46

3.2.1 Menentukan jenis Aliran ... 46

3.2.2 Menentukan Kondisi Batas ... 46

3.2.3 Pengaturan Simulasi (Simulation Setting) ... 47

3.3 Menjalankan Simulasi ... 47

BAB IV HASIL DAN ANALISA DATA ... 48

4.1 Analisi Mesh ... 48

4.1.1 Analisa Terhadap Kontur Kecepaatan ... 47

4.1.2 Analisa vector kecepatan ... 53

4.2 Analisa Kecepatan Pada Model Uji ... 57

(12)

4.2.2 Kecepatan Aliran di Outlet ... 61

4.3 Analisis Tekanan Model Uji ... 65

4.3.1 Analisa Tekana Pada Sudu ... 65

4.3.2 Analisa Tekanan Pada Outlet ... 69

4.3.3 Analisa Tekanan Pada Inlet ... 71

4.4 Perhitungan Efisiensi Turbin ... 72

4.4.1 perhitungan efiseinsi pada Sudu II ... 75

4.4.2 Perhitungan Efisiensi pada Sudu III ... 78

4.5 Validasi ... 79

4.5.1 Metode Validasi ... 79

4.5.2 Perbandingan Efisiensi dari CFD terhadap Hasil Eksperimental 80 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 82

5.1 Kesimpulan ... 82

5.2 Saran ... 83

DAFTAR PUSTAKA ... x

LAMPIRAN ... xi

(13)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Pengelolmpokan Turbin ... 9

Tabel 2.2 Kecepatan Spesifik Turbin ... 12

Tabel 3.1 Bentuk Model Penelitian ... 40

Tabel 3.2 Kondisi Batas ... 44

Tabel 3.3 Pengaturan Simulasi ... 44

Tabel 4.1 Hasil Perhitungan Torsi (Nm) ... 72

Tabel 4.2 Nilai Daya Turbin ... 73

Tabel 4.3 nilai kecepatan air dan debit air ... 73

Tabel 4.4 Nilai laju aliran massa pada bukaan katup 30°, 60°, dan 90° ... 74

Tabel 4.5 Daya Air (Pair) ... 74

Tabel 4.6 Efisiensi Turbin Vortex pada bukaan katup 30 derajat ... 75

Tabel 4.7 Efisiensi Turbin Vortex pada bukaan katup 60 derajat ... 75

Tabel 4.8 Efisiensi Turbin Vortex pada bukaan katup 90derajat ... 75

Tabel 4.9 Efisiensi Turbin sudu III pada bukaan katup 30 derajat ... 77

Tabel 4.10 Efisiensi Turbin sudu III pada bukaan katup 60 derajat ... 77

Tabel 4.11 Efisiensi Turbin sudu III pada bukaan katup 90 derajat ... 77

Tabel 4.12 perbandingan hasil efisiensi eksperimental dengan CFD pada sudu II ... 80

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 ... 10

Gambar 2.3 Skema Turbin Pancar (Turbin Pelton), Jalannya Tekanan Di Dalam Pipa Dan Di Dalam Roda Jalan ... 11

Gambar 2.4 Perbandingan Karakteristik Turbin ... 13

Gambar 2.5 Karakteristik Turbin Vortex ... 13

Gambar 2.6 Daerah Penggunaan Dari Beberapa Jenis Konstruksi Turbin Yang Berbeda ... 13

Gambar 2.7 Perpindahan Aliran Dari Laminar Ke Turbulen ... 15

Gambar 2.8 Pusaran Air ... 16

Gambar 2.9 Pola Garis Arus Untuk Sebuah Vortex ... 18

Gambar 2.10 Gerakan Elemen Fluida Dari A Ke B : Vortex Bebas ... 20

Gambar 2.11 Gerakan Elemen Fluida Dari A Ke B : Vortex Paksa ... 23

Gambar 2.12 Konservasi Massa Pada Elemen Fluida ... 25

Gambar 2.13 Konservasi Momentum Pada Elemen Fluida ... 26

Gambar 2.14 Konservasi Energi Pada Elemen Fluida ... 32

Gambar 2.15 Volume Kendali Digunakan Sebagai Ilustrasi Diskretisasi Persamaan Transport Skalar ... 33

Gambar 2.16 Volume Kendali Digunakan Sebagai Ilustrasi Diskretisasi Persamaan Transport Skalar Pada Model Sel 2D Quadrilateral. ... 33

Gambar 3.1 Computational Domain ... 38

Gambar 3.2 Bentuk Mesh Dari Rumah Sudu Dan Sudu Turbin ... 39

Gambar 4.1 bentuk mesh pada kecepatan air masuk 0,93 m/s ... 48

Gambar 4.2 kontur kecepatan fluida dengan kecepatan air masuk 0,93 m/s ... 49

Gambar 4.3 bentuk mesh pada kecepatan air masuk 1,006 m/s ... 49

Gambar 4.4 kontur kecepatan pada kecepatan air masuk 1,006 m/s ... 50

Gambar 4.5 bentuk mesh pada kecepatan air masuk 1,0 6 m/s ... 50

Gambar 4.6 kontur kecepatan pada kecepatan air masuk 1,06 m/s ... 51

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 ... 52

Gambar 4.9 bentuk mesh pada kecepatan air masuk 1,006 m/s ... 52

Gambar 4.10 kontur kecepatan pada kecepatan air masuk 1,006 m/s ... 53

Gambar 4.11 bentuk mesh pada kecepatan air masuk 1,06 m/s... 53

Gambar 4.12 Kontur kecepatan pada kecepatan air masuk 1,06 m/s ... 54

Gambar 4.13 vektor kecepatan fluida pada sudu II debit 1 ... 55

Gambar 4.14 vektor kecepatan fluida pada sudu II debit 2 ... 55

Gambar 4.15 vektor kecepatan fluida pada sudu II debit 3 ... 56

Gambar 4.16 vektor kecepatan fluida pada sudu III debit 1 ... 56

Gambar 4.17 vektor kecepatan fluida pada sudu III debit 2 ... 57

Gambar 4.18 vektor kecepatan fluida pada sudu III debit 3 ... 57

Gambar 4.19 kontur kecepatan di inlet pada sudu II debit 1 ... 58

Gambar 4.20 kontur kecepatan di inlet pada sudu II debit 2 ... 59

Gambar 4.21 kontur kecepatan di inlet pada sudu II debit 3 ... 59

Gambar 4.22 kontur kecepatan di inlet pada debit 1 ... 60

Gambar 4.23 kontur kecepatan di inlet pada debit 2 ... 61

Gambar 4.24 kontur kecepatan di inlet pada debit 3 ... 61

Gambar 4.25 letak outlet di rumah sudu ... 62

Gambar 4.26 kontur kecepatan fluda di outlet pada debit 1 ... 62

Gambar 4.27 kontur kecepatan fluda di outlet pada debit 2 ... 63

Gambar 4.28 kontur kecepatan fluda di outlet pada debit 3 ... 63

Gambar 4.29 kontur kecepatan fluida di outlet pada debit 1 ... 64

Gambar 4.30 kontur kecepatan fluida di outlet pada debit 2 ... 64

Gambar 4.31 kontur kecepatan fluida di outlet pada debit 3 ... 65

Gambar 4.32kontur tekanan sudu II ... 66

Gambar. 4.33 kontur tekanan sudu III ... 67

Gambar 4.34 grafik distribusi tekanan pada bidang simetris di sudu II ... 68

Gambar 4.35 grafik distribusi tekanan pada bidang simetris di sudu III ... 68

Gambar. 4.36 kontur tekanan di outlet pada debit 1 ... 69

Gambar. 4.37 kontur tekanan di outlet pada debit 2 ... 69

Gambar. 4.38 kontur tekanan di outlet pada debit 3 ... 69

(16)

Gambar. 4.40 kontur tekanan di outlet pada debit 2 ... 70

Gambar. 4.41 kontur tekanan di outlet pada debit 3 ... 70

Gambar 4.42 kontur tekanan di Inlet pada sudu II ... 71

Gambar. 4.43 kontur tekanan di outlet pada sudu III ... 71

Gambar 4.44 grafik putaran vs efisiensi pada sudu II ... 77

Gambar 4.45 Grafik putaran Vs torsi pada sudu II ... 77

Gambar 4.46 grafik putaran vs efisiensi pada sudu III ... 79

Gambar 4.37 grafik putaran vs torsi pada sudu III ... 79

Gambar 4.48 Perbandingan Hasil Efisiensi pada sudu II ... 80

Gambar 4.49 Perbandingan Hasil Efisiensi pada sudu III ... 81 

(17)

Figure

Updating...

References

Scan QR code by 1PDF app
for download now

Install 1PDF app in