Simulasi Aliran Fluida Pada Pompa Hidram Dengan Variasi Panjang Pipa Pemasukan Dan Variasi Tinggi Tabung Udara Menggunakan Perangkat Lunak CFD

(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. 080401054

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(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, Universitas Sumatera Utara.

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.

(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

(10)

DAFTAR ISI

DAFTAR SIMBOL ... xii

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 3

1.4 Manfaat Penelitian ... 3

1.5 Sistematika Penulisan ... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1 Klasifikasi aliran ... 5

2.1.1.Aliran kompresibel dan inkompresibel ... 5

2.1.2.Aliran laminar dan aliran turbulen ... 6

2.2 Bilangan Reynold ... 6

2.3 Pompa Hidram ... 7

2.3.1.Komponen utama pompa hidram dan fungsinya ... 8

2.4 Sistem operasi pompa hidram... 12

2.4.1. Peningkatan tekanan pada pompa hidram akibat peristiwa Palu air ... 17

2.5 Computational Fluid Dynamic (CFD) ... 17

2.5.1. Pengertian umum CFD ... 17

2.5.2. Penggunaan CFD ... 18

2.5.3. Manfaat CFD ... 19

2.5.4. Proses simulasi CFD ... 20

2.5.5. Metode Diskritisasi CFD ... 21

2.6 Pengenalan software CFD ... 21

2.6.1. Struktur program CFD ... 22

2.6.2. Langkah penyelesaian masalahdan perencanaan analisis CFD .. 22

2.6.3. Pendekatan numerik pada CFD ... 25

2.6.4. Persamaan pembentuk aliran ... 25

2.7 Model Turbulensi (Turbulence modeling) ... 29

2.7.1. Permodelan k-epsilon (k- ε) ... 30

(11)

3.1 Proses Pre-Processing ... 32

3.1.1. Pembuatan model ... 32

3.1.2. Pembuatan mesh (grid generation) ... 35

3.2 Menentukan solution solver ... 37

3.2.1. Menentukan jenis aliran ... 37

3.2.2. Menentukan kondisi batas (Boundary condition) ... 39

3.2.3. Menentukan jenis material ... 42

3.2.4. Pengaturan simulasi (simulation setting)……….43

3.3 Menjalankan simulasi (run) ... 44

BAB IV HASIL DAN ANALISA ... 45

4.1 Simulasi pada saat katup penghantar tertutup ... 45

4.2 Simulasi pada saat katup limbah tertutup ... 49

4.2.1 Tabung 40cm ………49

4.2.2 Tabung 60cm……….52

4.3 Simulasi perbedaan tinggi tabung udara ... 56

4.3.1 Tabung 40cm……….56

4.3.2 Tabung 60cm……….58

4.4 Hasil Simulasi ... 62

4.5 Perbandingan terhadap hasil pengujian ... 63

4.5.1. Kecepatan Pada Katup Limbah Dengan Panjang Pipa Pemasukan 8m. ... 63

4.5.2. Kecepatan Pada Katup Limbah Dengan Panjang Pipa Pemasukan 10m ... 63

4.5.3. Kecepatan Pada Katup Limbah Dengan Panjang Pipa Pemasukan 12m ... 64

4.5.4. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Tinggi Tabung Udara 40cm dan Panjang Pipa Pemasukan 8m ... 65

4.5.10. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung Udara 40cm dan Panjang Pipa Pemasukan 8m……….70

4.5.11. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung Udara 40cm dan Panjang Pipa Pemasukan 10m………...71

4.5.12. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung Udara 40cm dan Panjang Pipa Pemasukan 12m………...71

(12)

4.5.14. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung Udara 60cm

dan Panjang Pipa Pemasukan 10m………...73

4.5.15. Tekanan Pada Badan Pomoa Dengan Tinggi Tabung Udara 60cm dan Panjang Pipa Pemasukan 12m………...74

4.6. Menghitung Peningkatan Tekanan Akibat Penutupan Katup Secara Gradual………74

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 76

5.1 Kesimpulan ... 76

5.2 Saran ... 77

(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. ... 8

Gambar 2.4. Jenis-jenis Desain Katup Limbah ... 9

Gambar 2.5. Bagian – Bagian Katup Limbah. ... 9

Gambar 2.6. Instalasi Pengujian Pompa Hidram ... 12

Gambar 2.7 Siklus Pemompaan Pompa Hidram ... 13

Gambar 2.8 Diagram satu siklus kerja pompa hidram...15

Gambar 2.9 Alur penyelesaian masalah CFD (problem solving) ... 23

Gambar 2.10. Hukum Kekekalan Massa pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi ... 25

Gambar 2.11 Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-x pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi ... 26

Gambar 2.12 Kerja yang Dikenakan pada Sebuah Elemen Arah Sumbu-x ... 27

Gambar 2.13 Fluks Panas yang Melintasi Permukaan Sebuah Elemen ... 27

Gambar 2.14 Volume control satu dimensi ... 30

Gambar 3.1. Model pada saat katup limbah terbuka dengan panjang pipa pemasukan 8m atau V=0.3925m/s ... 33

Gambar 3.2. Model pada saat katup limbah terbuka dengan panjang pipa pemasukan 10m atau V=0.3513m/s ... 34

(14)

Gambar 3.5. Model pompa saat katup limbah tertutup dengan tinggi tabung

60cm. ... 35

Gambar 3.6. Model yang telah di mesh saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang pipa pemasukan 8m atau V=0.3925m/s. ... 35

Gambar 3.7. model yang telah di mesh pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang pipa pemasukan 10m atau V=0.3513m/s. .. 35

Gambar 3.8. model yang telah di mesh pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang pipa pemasukan 12m atau V=0.3424m/s. .. 36

Gambar 3.9. Model yang telah di mesh pada saat katup limbah tertutup dengan tinggi tabung 40cm... 36

Gambar 3.10. Model yang telah di mesh pada saat katup limbah tertutup dengan tinggi tabung 60cm... 36

Gambar 3.11. Jenis Aliran yang digunakan. ... 39

Gambar 3.12. Letak Kondisi Batas. ... 40

Gambar 3.13. Keterangan kondisi batas bagian c yaitu pada keadaan katup bola dibuka 1/6 bukaan. ... 41

Gambar 3.14. Pengaturan Kondisi Batas ………..41

Gambar 3.15. Letak Kondisi Batas………42

Gambar 3.16. Pengaturan Jenis Material………..……….43

Gambar 4.1. Kontur kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang pipa pemasukan 8m. ... 45

Gambar 4.2. Vektor kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang pipa pemasukan 8m ... 46

Gambar 4.3. Kontur kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang pipa pemasukan 10m ... 46

Gambar 4.4. Vektor kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang pipa pemasukan 10m. ... 47

(15)

Gambar 4.6. Vektor kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang

pipa pemasukan 12m ... 48

Gambar 4.7. Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 8m. ... 49

Gambar 4.8. Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 8m. ... 50

Gambar 4.9. Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 10m. ... 50

Gambar 4.10. Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 10m ... 51

Gambar 4.11. Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 12m ... 51

Gambar 4.16. Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 10m...54

Gambar 4.17. Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 12m...54

Gambar 4.18. Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 12m...55

Gambar 4.19. Kontur Tekanan pada Tabung 1 menggunakan Pipa 8m. ... 56

Gambar 4.20. Kontur tekanan pada tabung 1 menggunakan pipa 10m. ... 57

(16)

Gambar 4.22. Kontur Tekanan pada tabung 2 menggunakan pipa 8m. ... 58

Gambar 4.25. Kontur tekanan pada tabung 1 pada saat katup penghantar tertutup. ... 60

Gambar 4.26. Kontur tekanan pada tabung 2 pada saat katup penghantar tertutup. ... ₆₁

Gambar 4.27. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ... ₆₃

Gambar 4.28. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………64

(17)

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Data hasil pengujian ... 37

Tabel 3.2 Kondisi Batas pada saat katup limbah tertutup ... 39

Tabel 3.3 Kondisi Batas pada saat katup penghantar tertutup ... 39

Tabel 3.4 Pengaturan Simulasi ... 40

Tabel 4.1 Hasil simulasi kecepatan pada Katup Limbah ... 56

Tabel 4.2 Hasil Simulasi Tekanan Tabung Sesuai dengan panjang pipa pemasukan ... 56

Tabel 4.3 Hasil Simulasi Tekanan Badan Pompa sesuai dengan Panjang Pipa Pemasukan ... 56

(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 m2/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/s2

�̇ Laju aliran fluida Kg/s

T Temperatur 0C

� Kerapatan (density) Kg/m3

� Viskositas Kg/m s d Katup penghantar

∆h Head tekanan akibat penutupan katup secara gradual

m