BAB IV
PROSES SIMULASI
4.1. Pendahuluan
Di dalam bab ini akan dibahas mengenai proses simulasi. Dimulai dengan langkah secara umum untuk tiap tahap, data geometri turbin serta kondisi operasi. Data yang ditulis hanyalah data yang digunakan dalam simulasi, data lain yang tidak diperlukan tidak ditulis. Selain itu penggunaan perangkat lunak yang dipakai tidak akan terlalu detail dibahas, hanya terbatas pada langkah langkah intinya.
Simulasi turbin diawali dengan membuat model turbin serta mesh yang akan digunakan sebagai domain komputasi di dalam CATIA dan ANSYS ICEM CFD. Setelah itu simulasi dilanjutkan dengan mensimulasikan aliran udara di sekitar turbin dengan ANSYS CFX. Parameter yang dimasukkan bersumber dari data operasional turbin. Beberapa macam simulasi yang dilakukan akan dibahas di bab selanjutnya.
4.2. Data Awal
Turbin uap dalam Tugas Akhir ini adalah tipe Double Flow Impulse Reaction Condensing Turbine. Turbin ini merupakan gabungan turbin tipe impuls
dan reaksi dan memiliki 2 arah aliran uap yang berkebalikan. Dua tingkat pertama turbin merupakan bilah tipe impuls, sedangkan 3 tingkat terakhir merupakan tipe reaksi
Simulasi dalam tugas akhir ini hanya untuk tingkat pertama saja dari konfigurasi turbin lengkap. Data yang diperlukan untuk simulasi adalah data geometri turbin serta kondisi operasionalnya.
Gambar 4.2 Profil bilah rotor awal (impuls)
Gambar 4.3 Profil bilah rotor pengganti (50% reaksi)
Bilah stator turbin mempunyai tinggi 52 mm, dengan panjang chord airfoilnya 50 mm. Jumlahnya dalam satu lingkaran penuh adalah 100 buah. Sedangkan bilah rotor turbin mempunyai panjang chord 40 mm. Tinggi bilah 60 mm dengan jumlah 178 bilah dalam 1 lingkaran penuh. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat di tabel berikut.
Tabel 4.1 Dimensi, jumlah bilah dan panjang bilah
Chord length (mm) Jumlah bilah Hub-shroud (mm)
Stator 50 100 52
Rotor 40 178 60
Untuk data kondisi operasi diambil hanya beberapa data yang seperlunya saja. Data tersebut meliputi temperatur masuk stator sebesar 161.9 °C, tekanan masuk stator 6.31 bar, tekanan keluar rotor sebesar 2.53 bar. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat di tabel berikut.
Tabel 4.2 Data operasional yang dipakai
Kondisi batas inlet dan outlet :
• Inlet : Pressure inlet ; kondisi batas ini memberikan harga besar tekanan di daerah masuk aliran
• Outlet : Pressure outlet ; kondisi batas ini mmberikan harga besar tekanan di daerah keluar aliran
Kondisi batas yang lain :
• Periodic ; kondisi batas ini mendefinisikan bahwa terjadi daerah yang berulang untuk bilah-bilah di sebelahnya sehingga tidak perlu membuat domani komputasi untuk keseluruhan model (1 lingkaran penuh).
• Wall ; kondisi batas ini diberikan pada semua permukaan bilah, hub dan shroud.
Gambar 4.4 Kondisi batas pada domain komputasi
4.3Berbagai kasus yang Disimulasikan [9, 10]
Denga prosedur simulasi seperti yang telah dijelaskan diatas maka dikembangkan beberapa kasus. Simulasi yang dilakukan meliputi :
A. Simulasi untuk meningkatkan akurasi perhitungan :
1. Simulasi dengan berbagai jumlah grid
Simulasi pertama yang dilakukan adalah dengan mencoba beberapa model
pengaruh jumlah grid terhadap output yang dihasilkan. Dengan mengetahui pengaruh tersebut diharapkan output dari model dengan jumlah grid tertentu dapat lebih akurat dan model yang dipilih digunakan sebagai model untuk simulasi-simulasi selanjutnya.
2. Simulasi dengan model turbulensi yang berbeda
Setelah didapatkan model dengan jumlah elemen tertentu maka perlu diketahui juga pengaruh pemilihan model turbulensi terhadap hasil yang didapatkan. Di ANSYS CFX Turbomachinery disediakan 4 buah model turbulensi yaitu k-epsilon, Shear Stress Transport, BSL Reynolds Stress dan SSG Reynolds Stress. Dengan melakukan simulasi untuk keempat model turbulensi tersebut dapat diketahui perbedaan hasil perhitungannya. Diharapkan dengan pemakaian model turbulensi yang sesuai simulasi selanjutnya memilki hasil yang cukup akurat dan efisien.
B. Simulasi beberapa kasus diantaranya :
1. Simulasi steady dengan variasi putaran rotor
Kasus pertama yang dilakukan adalah kondisi steady dengan variasi putaran rotor. Hasil yang didapatkan akan dianalisis dan dibandingkan secara aerodinamika .
Dengan melakukan perbandingan tersebut diharapkan karakteristik aliran serta pengaruh putaran rotor terhadap daya maupun efisiensi dapat diketahui dan dipahami.
2. Simulasi quasi steady dengan interface frozen rotor
Kasus kedua yang dikembangkan adalah simulasi dengan menerapkan
interface frozen rotor. Hasil simulasi ini akan dianalisis dengan hasil simulasi
steady. Dengan analisis dan perbandingan tersebut maka karakteristik aliran dapat
diketahui. Hal lain yang diharapkan adalah dapat memahami dengan baik karakteristik aliran di stator dan rotor dengan interface frozen rotor.
3. Simulasi dengan kondisi unsteady
C. Simulasi dengan melakukan perubahan pada model bilah rotor
Simulasi terakhir yang dilakukan adalah dengan merubah model bilah rotor. Bilah rotor diganti dari tipe impuls dengan tipe reaksi. Setelah dilakukan simulasi unsteady, simulasi selanjutnya adalah melihat bagaimana pengaruh perubahan bilah terhadap perilaku aliran, daya serta efisiensinya.
4.4Prosedur Simulasi
Data awal yang didapatkan kemudian diolah dalam berbagi tahap.
Prosedur dibagi dalam empat tahapan simulasi. Dengan adanya beberapa kali simulasi maka beberapa tahapan dibawah ini akan diulang untuk tiap simulasi. Untuk simulasi dengan melihat perubahan parameter fisik aliran ataupun jumlah mesh maka tahapan yang diulang adalah kedua atau ketiga saja. Simulasi dibagi dalam 4 tahap penting yaitu :
1. Membuat geometri turbin dengan CATIA
2. Membuat mesh sebagai domain komputasi dengan ANSYS ICEM CFD
3. Memasukkan parameter simulasi dan menjalankan solver dengan ANSYS CFX
4. Melihat hasil simulasi dengan ANSYS CFX 1. Membuat geometri bilah turbin di CATIA
Untuk mendapatkan hasil perhitungan yang akurat maka domain perhitungan juga harus dibuat sedekat mungkin dengan keadaan sebenarnya. Mesh sebagai domain perhitungan dibuat dengan acuan geometri, oleh karena itu tahap pembuatan geometri juga sangat menentukan keakuratan hasil.
Data awal yang didapat adalah hardcopy profil bilah turbin dan dimensinya. CATIA dipilih sebagai software untuk membuat geometri dengan alasan kelengkapan fiturnya serta kemudahan bagi pemakai untuk membuat suatu geometri dengan berbagai parameter.
Berikut ini langkah pembuatan geometri di CATIA : 1. Membuat sistem koordinat baru
3. Menetukan bidang dan membuat sketsa airfoil stator dan rotor untuk shroud
4. Mengatur orientasi bidang shroud terhadap hub untuk mengatur sudut twist
5. Membuat parameter yang digunakan untuk mempermudah modifikasi geometri seperti jumlah bilah, posisi airfoil dan sebagainya.
6. Menguhubungkan profil airfoil hub dan shroud dengan acuan sumbu rotasi 7. Membuat permukaan untuk kondisi batas
8. Menyimpan file dalam bentuk .igs agar bisa dibuka di ANSYS ICEM CFD untuk membuat mesh
Keluaran dari tahapan ini adalah file geometri yang nantinya dapat dibuka di ANSYS ICEM CFD.
Ada berbagai macam tipe file yang dapat diimport ke ANSYS ICEM CFD antara lain ACIS, CATIA V4, DDN, DWG, STEP/IGES dan lain sebagainya. Untuk tugas akhir ini dibuat dalam tipe file IGES atau file dengan ekstensi .igs. Dibawah ini adalah gambar hasil pembuatan geometri di CATIA V5,bagian turbin
yang digambarkan domain komputasi dan batas-batasnya. Seperti dinding bilah serta daerah inlet fluida dan outlet fluida.
Gambar 4.6 Domain komputasi stator
Gambar 4.7 Domain komputasi rotor impuls
2. Membuat mesh sebagai domain komputasi di ANSYS ICEM CFD
Tujuan dari tahap ini adalah menghasilkan mesh sebagai domain perhitungan. Perangkat lunak yang digunakan adalah ANSYS ICEM CFD, prangkat lunak ini menyediakan fitur pembuatan grid secara otomatis sehingga menghemat waktu dan tenaga.
Berikut ini langkah pembuatan mesh di ANSYS ICEM CFD :
1. Mengimport file geometri yang telah dibuat di CATIAFile yang diimpor adalah file hasil geometri di CATIA, bertipe .igs. File ini adalah file hasil membuat model di CATIA V5 misalnya rotor.igs setelah diimpor ke ANSYS ICEM CFD menjadi rotor.tin
2. Memperbaiki geometri bila terjadi ketidaksesuaian dengan membuat garis-garis dan titik-titik yang baru
Repair geometri-buid topology adalah satu command yang digunakan untuk membuat point dan curve dari garis dan titik yang dibuat di CATIA.
Perbaikan dapat berupa penggabungan beberapa garis, permukaan maupun pemisahan garis dan permukaan. Pembuatan garis dan titik yang baru biasanya diperlukan sebagai acuan dalam membuat block akan dijelaskan
di nomor 4.
3. Membagi permukaan ke dalam part-part baru yang akan digunakan sebagai kondisi batas.
Untuk satu bilah biasanya dibagi dalam beberapa part seperti inlet, outlet, hub, shroud, blade, dan periodic1 dan periodic2. Untuk blade bisa
juga dibagi menjadi beberapa part seperi upper blade dan lower blade. 4. Menentukan pembagian blok dengan membuat titik, garis dan permukaan
yang membatasinya.
5. Membuat blok dan mengasosiasikan ke geometri agar mesh yang dibuat dalam blok sesuai dengan geometri.
Command yang digunakan di langkah ini adalah create block dan split block, associate vertex, curve dan surface.
6. Menentukan jumlah elemen yang akan dibuat dalam mesh untuk tiap block Command yang digunakan adalah Pre Mesh parameter-edge paremeter. Command ini digunakan untuk menentukan berapa jumlah
elemen dalam tiap edge sehingga jumlah elemen keseluruhan dapat ditentukan.
7. Melihat elemen elemen sebelum terjadi mesh di Pre Mesh
Hal ini dapat dilakukan dengan cara mengaktifkan Pre Mesh. Dengan mengaktifkan Pre Mesh kita dapat melihat bagaimana distribusi mesh di bilah turbin. Misalnya untuk daerah trailing edge dimana terdapat kemungkinan terjadi separasi aliran ataupun fenomena aliran yang lain sebaiknya grid harus lebih banyak. Untuk daerah lain yang diperkirakan tidak terjadi fenomena tertentu sebaiknya tidak perlu diperbanyak dengan
pertimbangan lamanya waktu komputasi.
8. Mengatur kembali jumlah elemen dan melihat kualitas mesh yang sudah dibuat dengan kriteria tertentu
Setelah melihat dan melakukan penyesuaian jumlah dan susunan grid maka grid yang dibuat harus dilihat apakah memenuhi kriteria untuk dapat dilanjutkan Command yang digunakan adalah Pre Mesh quality dengan kriteria volume dan angle.
9. Mengubah Pre Mesh menjadi Unstructured Mesh bila kualitas mesh sudah mencukupi
Bila mesh yang dihasilkan dirasa mencukupi dan memenuhi kriteria maka Pre-mesh yang dihasilkan diubah menjadi mesh dengan command Convert to unstructured mesh.
Untuk mendefinisikan kondisi batas, solver harus diganti dahulu ke Fluent V6. Kondisi batas yang diterapkan adalah pressure inlet, pressure outlet, wall, periodic.
11.Setelah mendefinisikan kondisi batas maka solver di setting ke ANSYS CFX. Solver yang tadinya Fluent V6 harus diubah kembali ke ANSYS CFX sehingga file output yang terbentuk bertipe .cfx5.
12.Membuat file output dalam bentuk .cfx5
Dengan command write input ANSYS ICEM CFD akan membuat file dengan ekstensi .cfx5. File bentuk ini akan digunakan sebagai input oleh ANSYS CFX. Mesh yang dihasilkan disajikan sebagai berikut :
Gambar 4.9 Blok domain komputasi stator
Gambar 4.11 Mesh untuk bilah stator dalam 3D
Gambar 3.12 Mesh untuk bilah stator dalam 2D
Gambar 3.14 Mesh untuk bilah rotor impuls dalam 2D
Gambar 3.15 Mesh untuk bilah rotor reaksi dalam 3D
3. Memasukkan parameter simulasi dan menjalankan solver ANSYS
CFX
Parameter yang menjadi masukan antara lain : ANSYS CFX-Pre :
• Jenis Fluida : Water vapour
Fluida yang digunakan adalah uap air dengan tekanan 6.31 bar dan suhu 161.9 °C. ANSYS CFX telah menyediakan berbagai macam jenis fluida, kita tinggal memilih ataupun dapat memasukkan nilai-nilai tertentu dalam penentuan jenis dan keadaan fluidanya.
Untuk simulasi ini digunakan fluida uap air dengan asumsi gas ideal ( water ideal gas).
• Tipe simulasi : Steady dan Transien
Terdapat 2 macam tipe yang dapat dipilih untuk simulasi, tipe steady digunakan untuk simulasi dimana parameter aliran yang tidak berubah terhadap waktu. Transien merupakan kondisi dimana parameter aliran berubah terhadap waktu. Tugas akhir ini akan mensimulasikan kedua kondisi tersebut.
• Data Model : Tekanan referensi, Heat transfer dan Model turbulensi
• Kondisi Batas : P Total Inlet - P Static Outlet Flow direction Interface S1 to S1 : Periodic
• Boundary definition : Wall (no slip) ANSYS CFX-Solver :
• Type of Run : Full
• Run Mode : Serial
4. Melihat hasil simulasi ANSYS CFX
Salah satu contoh adalah apabila kita ingin melihat kontur properti di bidang cascade :
1. Membuat Plane (bidang) dimana kontur kecepatan ingin kita ketahui
2. Membuat Contour yang letaknya di bidang 1
3. Mengatur variabel yang ingin diketahui sepert tekanan, kecepatan ataupun Mach Number beserta jumlah kontur yang terlihat.
