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. 080401037
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2013
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, 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. 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.
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
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 %.
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)
DAFTAR ISI
1.2 Tujuan Penelitian ... 3
1.3 Batasan Masalah ... 3
1.4 Manfaat Penelitian ... 3
1.5 Sistematika Penulisan ... 4
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
2.5 Computational Fluid Dynamic (CFD) ... 14
2.5.1. Pengertian umum CFD ... 14
2.5.2. Penggunaan CFD ... 15
2.5.3. Manfaat CFD ... 16
2.5.4. Proses simulasi CFD ... 17
2.5.5. Metode Diskritisasi CFD ... 18
2.6 Pengenalan software CFD ... 18
2.6.1. Struktur program CFD ... 19
2.6.2. Langkah penyelesaian masalahdan perencanaan analisis CFD .. 19
2.6.3. Pendekatan numerik pada CFD ... 22
2.6.4. Persamaan pembentuk aliran ... 22
2.6.5. Diskritisasi (metode interpolasi) pada CFD ... 26
2.7 Model Turbulensi (Turbulence modeling) ... 28
3.2.1. Menentukan jenis aliran ... 37
3.2.2. Menentukan kondisi batas (Boundary condition) ... 39
3.2.3. Pengaturan simulasi ... 42
3.3 Menjalankan simulasi (run)... 42
BAB IV HASIL DAN ANALISA ... 43
4.1 Simulasi pada saat katup penghantar tertutup ... 43
4.2 Simulasi pada saat katup limbah tertutup ... 47
4.3 Simulasi perbedaan volume tabung udara ... 51
4.4 Hasil Simulasi ... 55
4.5 Perbandingan terhadap hasil pengujian ... 55
4.5.1. Kecepatan Pada Katup Limbah Pada Bukaan Katup 15,25 Derajat Atau Panjang Langkah 15 mm ... 56
4.5.2. Kecepatan Pada Katup Limbah Pada Bukaan Katup 19,98 Derajat Atau Panjang Langkah 20 mm ... 57
4.5.3. Kecepatan Pada Katup Limbah Pada Bukaan Katup 24,44 Derajat Atau Panjang Langkah 25 mm ... 58
4.5.4. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Volume Tabung Udara 0,0061 m3... 59
4.5.5. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Volume 0,0061 m3 ... 60
4.5.6. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Volume Tabung Udara 0,0082 m3... 61
4.5.7. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Volume 0,0082 m3 ... 62
4.5.8. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Volume Tabung Udara 0,0102 m3... 63
4.5.9. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Volume 0,0102 m3 ... 64
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 Alur penyelesaian masalah CFD (problem solving) ... 21
Gambar 2.9. Hukum Kekekalan Massa pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi ... 23
Gambar 2.10 Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-x pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi... 24
Gambar 2.11 Kerja yang Dikenakan pada Sebuah Elemen Arah Sumbu-x ... 25
Gambar 2.12 Fluks Panas yang Melintasi Permukaan Sebuah Elemen ... 25
Gambar 2.13 Volume control satu dimensi ... 28
Gambar 3.1. Model pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang langkah 15 mm atau bukaan katup limbah 15.25 derajat ... 31
Gambar 3.2. Model pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang langkah 20 mm atau bukaan katup limbah 19.98 derajat ... 32
Gambar 3.3. Model pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang langkah 25 mm atau bukaan katup limbah 24.44 derajat ... 32 Gambar 3.4. Model pada saat katup limbah tertutup dengan katup penghantar 1/3 terbuka ... 32
Gambar 3.8. Model pompa dengan volume tabung 0,0102 m3. ... 34
Gambar 3.9. Model yang telah di mesh saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang langkah 15 mm atau bukaan katup limbah 15.25 derajat ... 34
Gambar 3.10. model yang telah di mesh pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang langkah 20 mm atau bukaan katup limbah 19.98 derajat . 35 Gambar 3.11. Model yang telah di mesh pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang langkah 25 mm atau bukaan katup limbah 24.44 derajat. ... 35
Gambar 3.12. Model yang telah di mesh pada saat katup limbah tertutup dengan katup penghantar 1/3 terbuka. ... 35
Gambar 3.13. model yang telah di mesh pada saat katup limbah tertutup dengan katup penghantar 2/3 terbuka. ... 36
Gambar 3.14. Model yang telah di mesh pada saat katup limbah tertutup dengan katup penghantar terbuka penuh dan model pompa dengan volume tabung 0,0061 m3. ... 36
Gambar 3.15. Model yang telah di mesh dengan volume tabung 0,0082 m3 ... 36
Gambar 3.16. Model yang telah di mesh dengan volume tabung 0,0102 m3 ... 37
Gambar 3.17. Letak Kondisi Batas. ... 39
Gambar 3.18. Keterangan Kondisi Batas bagian c yaitu pada keadaan katup bola dibuka 1/6 bukaan ... 40
Gambar 3.19. Letak Kondisi Batas...41
Gambar 4.1. Kontur kecepatan dengan panjang langkah 25 mm atau bukaan katup limbah 24,44 derajat. ... 43
Gambar 4.2. Vektor kecepatan dengan panjang langkah 25 mm atau bukaan katup limbah 24,44 derajat. ... 44
Gambar 4.3. Kontur kecepatan dengan panjang langkah 20 mm atau bukaan katup limbah 19,98 derajat. ... 44
Gambar 4.4. Vektor kecepatan dengan panjang langkah 20 mm atau bukaan katup limbah 19,98 derajat. ... 45
Gambar 4.5. Kontur kecepatan dengan panjang langkah 15 mm atau bukaan katup
15,25 derajat ... 45
Gambar 4.6. Vektor kecepatan dengan panjang langkah 15 mm atau bukaan katup 15,25 derajat ... 46
Gambar 4.7. Kontur kecepatan dengan katup 1/3 terbuka. ... 47
Gambar 4.8. Vektor kecepatan dengan katup 1/3 terbuka. ... 48
Gambar 4.9. Kontur kecepatan dengan katup 2/3 terbuka. ... 48
Gambar 4.10. Vektor kecepatan dengan katup 2/3 terbuka ... 49
Gambar 4.11. Kontur kecepatan dengan katup terbuka penuh ... 49
Gambar 4.12. Vektor kecepatan dengan katup terbuka penuh... 50
Gambar 4.13. Kontur tekanan dengan volume tabung 0,0061 m3 ... 51
Gambar 4.14. Kontur tekanan dengan volume tabung 0,0082 m3 ... 52
Gambar 4.15. Kontur tekanan dengan volume tabung 0,0102 m3 ... 52
Gambar 4.16. kontur tekanan dengan volume tabung 0,0061 m3 pada saat katup penghantar tertutup penuh...53
Gambar 4.17. kontur tekanan dengan volume tabung 0,0082 m3 pada saat katup penghantar tertutup penuh...54
Gambar 4.18. kontur tekanan dengan volume tabung 0,0102 m3 pada saat katup penghantar tertutup penuh...54
Gambar 4.19. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ... 56
Gambar 4.20. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ... 57
Gambar 4.21. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ... 58
Gambar 4.22. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ... 59
Gambar 4.23. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ... 60
Gambar 4.24. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ... 61
Gambar 4.25. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ... 62
Tabel 3.1 Data hasil pengujian ... 39
Tabel 3.2 Kondisi Batas pada saat katup limbah tertutup... 41
Tabel 3.3 Kondisi Batas pada saat katup penghantar tertutup ... 41
Tabel 3.4 Pengaturan Simulasi ... 42
DAFTAR SIMBOL
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
