STUDI PARAMETER MODEL PENANGKAP ANGIN PADA SISTEM TOWER PENDINGINAN EVAPORASI MENGGUNAKAN CFD UNTUK MENDAPATKAN LAJU OPTIMAL UDARA

i

TUGAS AKHIR

STUDI PARAMETER MODEL PENANGKAP ANGIN PADA

SISTEM TOWER PENDINGINAN EVAPORASI

MENGGUNAKAN CFD UNTUK MENDAPATKAN LAJU

OPTIMAL UDARA

Diajukan Untuk Memenuhi Tugas Dan Syarat Guna Memperoleh Gelar Sarjana S1 Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah

Surakarta

Disusun :

ABDULLAH

NIM : D.200.110.053

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

iii .

vi MOTTO

“Mencari ilmu itu adalah wajib bagi setiap muslim laki-laki dan muslim perempuan”

(Al-Hadits)

“Sesungguhnya Allah tidak akan merubah nasib suatu kaum, kecuali kaum itu sendiri yang merubah apa-apa yang ada pada diri mereka ”

(Q.S Ar-Ra’d:11)

“Sepandai apapun kita, setinggi apapun jabatan kita, sehebat apapun kita, Hormatilah orang yang lebih tua”

vii

PERSEMBAHAN

Syukur Alhamdulillah, hamba haturkan atas rahmat, karunia dan keridhaan Allah SWT yang menggenggam dan penguasa seluruh jiwa ini. Berkat keridhaan-Nya karya sederhana ini dapat terselesaikan dengan baik. Dengan rasa syukur karya ini penulis persembahkan untuk:

v Ibunda tercinta Ro’idah serta ayahanda tercinta Damiri yang tak kenal lelah melangkah untuk mendidik dan mengasuh buah hatinya dengan sentuhan penuh kasih sayang.

v Kakak yang penulis banggakan Muhammad Hasyim serta adikku tersayang Doni Setiawan, terima kasih atas doa, dukungan, motivasi, dan semangatnya.

v Sahabat dan teman perjuangan Andre, Eko, Agung, Riski, Jamal terima kasih atas kerja samanya selama penelitian.

v Teman-teman Teknik Mesin angkatan 2011, Punto, Toriq, Ony, Shobar, Adnan, Agus, Andi, serta teman-teman lain yang tidak dapat disebutkan satu persatu, terima kasih atas kebersamaan, bantuan, dan dukungannya selama menempuh masa studi. Sehingga penulis bisa sampai pada titik ini.

v LPM CAMPUS, Ikatan Keluarga Mahasiswa Sumatera Selatan (IKMASS) sebagai tempat bagi penulis mengais pengalaman serta keluarga baru di tanah rantau.

viii

KATA PENGANTAR

Assalamu’alaikum Wr. Wb.

Syukur Alhamdulillah, penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas berkah dan rahmat-Nya sehingga penyusunan laporan penelitian ini dapat terselesaikan dengan baik.

Adapun Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan Sidang Sarjana S-1 pada jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.

Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapatkan bantuan dari berbagai pihak, dengan segala kerendahan hati dan penuh keikhlasan, penulis menyampaikan terima kasih kepada:

1. Bapak Ir. Sri Sunarjono, MT., Ph.D,.sebagai Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.

2. Bapak Tri Widodo Besar Riyadi, ST., Msc., Ph.D, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin.

3. Bapak Ir. Sarjito, MT., Ph.D Selaku pembimbing utama yang telah memberikan pengarahan, bimbingan dan saran hingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan.

4. Bapak Nur Aklis, ST,. M.Eng. Selaku pembimbing pendamping yang telah berkenan untuk memberikan bimbingan dan arahannya. 5. Bapak Ir. Tri Tjahjono, MT. selaku dosen pembimbing akademik

ix

6. Dosen Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta yang telah memberi ilmu pengetahuan kepada penulis selama mengikuti kegiatan kuliah.

Akhir kata, penulis mohon maaf atas kekurangan dan kesalahan dalam penulisan Tugas Akhir ini, yang disebabkan adanya keterbatasan-keterbatasan antara lain waktu, dana, literature yang ada, dan pengetahuan yang penulis miliki. Harapan penulis semoga kekurangan tersebut dapat terpenuhi pada penulis selanjutnya.

Tugas Akhir ini semoga dapat bermanfaat khususnya bagi penulis dan pihak lain pada umumnya, Aamiin Ya Rabbal’alamiin.

Wassalamu’alaikum Wr. Wb.

Surakarta, Oktober 2016

x

STUDI PARAMETER MODEL PENANGKAP ANGIN PADA SISTEM TOWER PENDINGINAN EVAPORASI MENGGUNAKAN CFD UNTUK

MENDAPATKAN LAJU OPTIMAL UDARA Abdullah , Sarjito, Nur Aklis

Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura

Email : abdullah859103@gmail.com ABSTRAK

Penelitian ini merupakan pengembangan dari peneliti-peneliti sebelumnya, yang meneliti wind catcher (penagkap angin) menggunakan computational fluid dynamic (CFD). Dimana dalam penelitian sebelumnya tidak dilakukan variasi bentuk baffle. Tujuan penelitian ini adalah untuk membandingkan kemampuan dua tipe wind catcher dalam mendapatkan laju udara yang optimal. Tipe yang pertama yaitu wind catcher dirancang tanpa baffle dan tipe yang kedua yaitu wind catcher dirancang menggunakan baffle yang terdiri dari; wind catcher dengan berbentuk baflle silinder, baffle persegi, baffle berbentuk plus dengan empat lubang, dan wind catcher baffle gabungan delapan lubang.

Simulasi dilakukan dengan variasi kecepatan udara masuk 0.5m/s sampai 5m/s pada ketinggian 11,5 m. Karena bentuk benda yang kompleks maka digunakan unstructured mesh. Pada wind catcher tanpa baffle menghasilkan elemen sebanyak 1237341, sedangkan wind catcher dengan baffle silinder menghasilkan elemen sebanyak 2090432, baffle persegi menghasilkan elemen sebanyak 2366514, baffle plus menghasilkan elemen sebanyak 4425278, dan baffle gabungan menghasilkan elemen sebanyak 7747840. Awalnya, turbulen model k-epsilon dipilih dalam simulasi ini karena waktu yang dibutuhkan bisa lebih cepat.

Studi parameter model wind catcher dilakukan dua tahap, tahap yang pertama adalah membandingkan kemampuan performa dari kelima bentuk wind catcher. Dimana pada studi ini diketahui bahwa wind catcher empat lubang dengan baffle berbentuk plus memiliki hasil yang paling optimal, dan yang kedua adalah studi perpanjangan baffle. dimana pada studi ini wind catcher tersebut dimodifikasi dengan memperpanjang baffle dengan panjang 1m. Dari hasil perbandingan tersebut dapat diketahui bahwa wind catcher dengan satu baffle diperpanjang memiliki hasil yang

xi

optimal. Selanjutnya simulasi wind catcher diteruskan dengan studi inflation boundary layer dan studi berbagai model turbulen. Pada studi inflation boundary layer, jumlah maximum layer divariasikan dari: 5, 10, 15, dan 20 dengan kecepatan udara 5 m/s. Hasil yang paling optimal diperoleh pada studi dengan maximum layer yang berjumlah 10. Setelah diketahui maximum layer tersebut memiliki hasil yang paling optimal selanjutnya dilakukan simulasikan kembali dengan studi berbagai model turbulen. Model turbulen yang digunakan sebagai parameter, yaitu: turbulen model k-epsilon, Shear Stress Transport, BSL Reynold Stress, dan SSG Reynold Stress. Kecepatan udara yang digunakan sama seperti pada studi inflation boundary layer sebelumnya yaitu 5 m/s. Studi ini menunjukan bahwa turbulen model SSG Reynold Stress mampu memperoleh hasil yang optimal. Seluruh pengujian dilakukan secara komputasi menggunakan ANSYS,versi 15.0.

xii

STUDY OF PARAMETERS WIND CATCHER MODEL ON EVAPORATION COOLING TOWER SYSTEM USING CFD

TO GET THE OPTIMAL RATE OF AIR Abdullah, Sarjito, Nur Aklis Department of Mechanical Enginering,

Universitas Muhammdiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura

Email:abdullah859103@gmail.com

ABSTRACT

This research is an extension of previous researchers about wind catcher using computational fluid dynamic (CFD). The previous research did not use baffle variations. The aim of the research work was to compare two type ability of wind catcher in obtaining optimum mass flow rate. The first type was wind catcher was designed without baffle and second type was wind catcher designed using baffle that consisted of; wind catcher with cylinder baffle, square baffle, plus with four holes baffle, and combined wind catcher with eight holes baffle.

Simulation was carried out in vary of incoming wind speed of 0.5m/s to 5m/s at 11,5m height. Due to the complexity of geometry then unstructured mesh was adopted. The wind catcher without baffle resulted total element of 1237341, whereas, wind catcher with cylinder baffle resulted in 2090432 element, square baffle resulted element of 2366514, baffle plus resulted in element of 4425278, and combined baffle produced element of 7747840. Initially, The k-epsilon turbulen model was selected in this simulation as it is robust in time.

The parametric study of wind catcher model was carried out in two steps; the first step was comparing performa of five shape of wind catcher. Where, the wind catcher with four holes with plus baffle resulting optimum mass flow rate, and the second performance was demonstrated by studying effect of extension baffle. In this study, wind catcher was modified by extending baffle of 1m. Result of the comparison study showed that wind catcher with one extension baffle resulted an optimal performance. Further simulation was by investigating different inflation boundary layer and different turbulen model. In studying inflation boundary layer, total maximum of layer was varying from: 5, 10, 15, dan 20 at wind speed of 5 m/s. The optimum performance was reached by maximum layer of 10. The

xiii

study of turbulence model was carried out at all simulation involved k-epsilon, Shear Stress Transport, BSL Reynold Stress, dan SSG Reynold Stress turbulence model. The wind speed was set as same as in studying inflation boundary layer of 5 m/s. The Studi showed that SSG Reynold Stress turbulen model was able to reach an optimum performance. All simulation was carried out using ANSYS,version 15.0.

xiv

DAFTAR ISI

Halaman Judul ... i

Pernyataan Keaslian Skripsi ... ii

Halaman Persetujuan ... iii

Halaman Pengesahan ... iv

Lembar Soal Tugas Akhir ... v

Lembar Motto... vi

Persembahan ... vii

Kata pengantar ... vii

Abstrak ... x

Daftar Isi ... xiv

Daftar Gambar ... xvii

Daftar Tabel ... ix Daftar Simbol ... xx BAB I PENDAHULUAN 1.1.Latar Belakang … ... 1 1.2.Perumusan masalah ... 4 1.3.Batasan Masalah ... 4 1.4.Tujuan Penelitian ... 5 1.5.Sistematika Penulisan... 5

BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI 2.1 .Tinjauan Pustaka ... 6

xv

2.2.1 Aliran laminer ... 11

2.2.2. Aliran Transisi ... 12

2.2.3. Aliran Turbulen... 12

2.2.4. Konsep Dasar Aliran Fluida ... 13

2.2.5. Pendinginan Evaporasi ... 18

2.2.6 Computational Fluid Dynamic ... 20

2.2.7. Model Turbulen Pada CFD ... 24

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Diagram Alir Penelitian ... 29

3.2. Desain Wind Catcher ... 30

3.3. Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD) ... 31

3.3.1. Geometri Wind Catcher... 32

3.3.2. Messhing... 33

3.3.3. Boundary Condition. ... 36

3.3.4. Solution Convergence... 37

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Validasi Data ... 40

4.2. Hasil Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD). ... 42

4.2.1. Studi Parameter Model Penangkap Angin ... 42

4.2.2. Studi Perpanjangan Baffle. ... 47

4.2.3. Studi Perbedaan Inflation Boundary Layer... 49

4.2.4. Studi Berbaai Model Turbulen... 51

xvi BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan ... 54 5.2. Saran ... 55 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

xvii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Jenis-jenis Aliran Fluida... 12

Gambar 2.2 Lapisan Batas Disepanjang Plat Datar ... 16

Gambar 2.3 Aliran Separasi Yang Terjadi Pada Silinder ... 16

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ... 29

Gambar 3.2 Wind Catcher Tanpa Baffle... 30

Gambar 3.3 Wind Catcher Dengan baffle Persegi... 30

Gambar 3.4 Wind Catcher Dengan Baffle Silinder ... 30

Gambar 3.5 Wind Catcher Dengan Baffle Silang ... 31

Gambar 3.6 Wind Catcher Dengan Baffle Gabungan... 31

Gambar 3.7 Computational Domain ... 33

Gambar 3.8 Permukaan Grid... 35

Gambar 3.9 Letak Boundary Condition ... 36

Gambar 3.10Solution Convergence ... 38

Gambar 4.1 Hubungan Kecepatan Angin Terhadap Massflow Dibagian Outlet ... 39

Gambar 4.2 Tipe-tipe Baffle yang diteliti... 40

Gambar 4.3 Mass Flow Pada Plan Outlet... 41

Gambar 4.4 Korelasi Kecepatan Angin Di Komputasional Domain Dengan Variasi Baffle... 43

xviii

Gambar 4.6Hubungan Kecepatan Angin Dengan Perpanjangan Baffle..46

Gambar 4.7 Pengaruh Jumlah Maximum Layer Terhadap Elemen dan

Massflow... 48

Gambar 4.8Hubungan Model Turbulen Terhadap Mass flow... 49

xix

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1Tingkat Kelembutan Mesh ... 34

Tabel 3.2Pengatura Inflation Pada Proses Mesh ... 34

Tabel 3.3 Hasil Messhing ... 35

Tabel 3.4Ringkasan Boundary Condition Pada CFD... 37

Tabel 4.1Ukuran Kelembutan Messh ... 38

Tabel 4.2 Pengaruh Bentuk Baffle Terhadap Mass Flow (kg/s) yang dihasilkan ... 42

Tabel 4.3 Hasil Perpanjangan Baffle Terhadap Mass Flow... 45

Tabel 4.4 Hasil Perbedaan Inflation Boundary Layer Pada Kecepatan udara 5 m/s. ... 47

xx

DAFTAR SIMBOL

A : Luas area (m2) D : Diameter dalam (m) V : Kecepatan (m/s) Q : Debit (m3/s)

ṁ : Laju aliran massa (kg/s) p : Tekanan (Pa) ρ : Densitas udara (kg/m3) j : Relatif humadity (%) Re : Bilangan reynold µ : viskositas dinamik (kg/m.s) U : vector kecepatan (m/s) U : Kecepatan arah x (m/s) V : Kecepatan arah y (m/s) W : Kecepatan arah z (m/s) K : Termal konduktivitas (W/m.K) T : Temperatur (0C) R : Konstanta udara (J/kg.K) Cv : Panas spesifik i : internal energy (J/kg) SMx : Momentum x (N/m3) SMy : Momentum y (N/m3) SMz : Momentum z (N/m3)

xxi Si : Massa energy dalam (W/m3)

Φ : Fungsi penghilangan kekentalan (W/3) k : Energy kinetic turbulen (m2/s2)