Simulasi aliran di atas bendungan labirin setengah lingkaran menggunakan ANSYS (1)

Simulasi aliran di atas bendungan labirin setengah lingkaran menggunakan ANSYS-fluent

Lendy Prasetyo

3Program Studi S1 Teknik Mesin, , Sekolah Tinggi Teknologi Warga Surakarta ,Surakarta, Indonesia Email : Lendyprasetyo97@gmail.com

ABSTRAK

Studi ini menyelidiki aliran bendung labirin setengah lingkaran di saluran terbuka dengan metode eksperimental dan numerik. Eksperimen dilakukan di saluran dengan panjang 3,5 m dan lebar 0,25 m dan tinggi 0,3 m di bawah lima laju aliran yang berbeda. Lima nilai debit yang berbeda di atas bendung digunakan. Dalam setiap eksperimen, laju aliran dan kedalaman aliran diukur. Proses numerik dipecahkan menggunakan persamaan matematika aliran fluida melalui dinamika fluida komputasional menggunakan kode ANSYS FLUENT. Model Volume Fluida (VOF) dirancang untuk kasus permukaan air dan udara yang tidak dapat bercampur. Model turbulensi kepsilon standar diuji. Hasil keseimbangan massa menunjukkan bahwa kesalahan maksimum antara debit masuk dan keluar saluran utama tidak melebihi 12% untuk nilai debit 4,31 L/detik. Hasil menunjukkan bahwa dengan meningkatkan laju aliran debit, persentase kesalahan menurun menjadi 0,4% untuk debit, 14,6 L/detik. Hasilnya menunjukkan bahwa profil permukaan air bebas yang diperoleh dari model numerik dibandingkan dengan nilai eksperimen sesuai dengan hasil eksperimen.

Kata Kunci (Semi- circular weirs, discharge coefficient, ANSYS, k-epsilon turbulence.

ABSTRAK

This study investigates the flow of a semicircular labyrinth weir in an open channel by experimental and numerical methods. The experiments were carried out in a channel with a length of 3.5m and width of 0.25m and 0.3m height under five different flow rates. Five different discharge values over the weir were used. In each experiment, flow rate and flow depth were measured. Numerical processes solved using mathematical equations of fluid flow through the computational fluid dynamics using ANSYS FLUENT code. The Volume of Fluid (VOF) model is designed for the case of water and air-immiscible faces. Standard k epsilon turbulence models were tested. A mass balance result indicates that the maximum error between the inlet and outlet discharges of the main channel does not exceed 12% for discharge values of 4.31 L/sec. The results indicate that by increasing the discharge flow rate, the percentage of error decreased to 0.4% for discharge, 14.6 L/sec. The findings show that the free water surface profile obtained from the numerical model compared to experimental values complies well with the experimental results.

Keywords: Semi- circular weirs, discharge coefficient, ANSYS, k-epsilon turbulence.

1.

PENDAHULUAN

Bendungan labirin adalah jenis bendungan nonlinier tertentu dengan bentuk yang berbeda dalam pandangan denah. Dinding bendungan labirin terhubung dalam denah dalam bentuk trapesium, setengah lingkaran, segitiga, persegi panjang, dan lengkung.

Jenis bendungan ini memiliki puncak yang lebih panjang dan debit yang lebih tinggi melewatinya di bawah beban atau ketinggian yang setara. Bendungan ini juga memiliki kinerja yang lebih baik pada beban hidrolik rendah; namun, efisiensi hidroliknya secara bertahap menurun sebagai akibat dari peningkatan beban, yang menyebabkan penurunan transmisivitas airnya..Bendung labirin pada umumnya dianggap sebagai bangunan yang ekonomis, bendungan labirin digunakan di daerah-daerah yang memiliki keterbatasan dalam hal tempat dan peningkatan lebar total lokasi bendungan dan/atau memiliki keterbatasan dalam hal banjir dalam hal kapasitas ruang dan peningkatan volume tambahan serta untuk memodifikasi dan meningkatkan kapasitas bendungan yang ada Dalam penelitian ini, model fisik bendung setengah lingkaran diteliti secara

eksperimental di laboratorium dan secara numerik dengan menggunakan kode ANSYS fluent. Kapasitas debit air yang mengalir di atas bendung dan profil alirannya diuji untuk model turbulensi k epsilon. Banyak peneliti mempelajari aliran di atas bendung

menggunakan simulasi numerik sebagai berikut: KorkmazDanGhaznawi [8]melakukan simulasi numerik aliran di atas bendung berpuncak lebar berdasarkan model penutupan turbulensi k-epsilon standar. Profil permukaan bebas yang dihitung berdasarkan metode volume fluida (VOF) sesuai dengan hasil pengukuran.Carrillo dan kawan-kawan [1]melakukan simulasi numerik aliran subkritis di hilir bendung labirin menggunakan ANSYS CFX. Hasil mereka dibandingkan dengan data eksperimen yang diperoleh sebelumnya pada saluran berskala cukup besar, termasuk bendung labirin trapesium dengan profil puncak seperempat lingkaran dan sudut dinding samping α sama dengan 30º. Mereka menunjukkan bahwa kesepakatan yang cukup baik diperoleh pada sifat aliran utama di hilir bendung, seperti kedalaman aliran, tekanan dasar, dan kecepatan yang cukup jauh dari pembalikan, kecuali di sekitar bendung.KhaliliDanKehormatan [9]telah membawa melakukan studi laboratorium komprehensif pada model fisik bendung sisi labirin setengah lingkaran dan model tersebut dievaluasi untuk tiga ketinggian dan tiga jari-jari. Mereka menyelidiki efek hidrolik bendung sisi pada peningkatan kapasitas debit.

Mereka menemukan bahwa parameter tak berdimensi dari tinggi bendung, panjang bendung, tinggi tengkuk, dan angka Froude hulu mempengaruhi koefisien debit (CD).

Yuce dan kawan-kawan [16] menyajikan simulasi dinamika fluida komputasional (CFD) untuk menyelidiki efek kemiringan bendung silinder pada distribusi kecepatan aliran, distribusi tekanan, dan distribusi kedalaman air di atas puncak bendung. Hasil mereka menunjukkan bahwa pola aliran dipengaruhi oleh sudut kemiringan terhadap arah aliran.

Mereka memperhatikan bahwa peningkatan sudut kemiringan meningkatkan kecepatan aliran di permukaan hilir bendung, dan dengan demikian meningkatkan nilai absolut tekanan negatif, di ujung bendung yang bergerak ke dalam. Jiang dan kawan-kawan [12]

menganalisis pengaruh sudut hulu terhadap aliran di atas bendung trapesium berpuncak lebar berdasarkan simulasi numerik menggunakan toolbox Open FOAM Konfigurasi bendung trapesium berpuncak lebar dengan hulu yang berbeda dipelajari dalam kondisi aliran bebas. Metode volume fluida (VOF) dan dua model turbulensi (model k-

standar) model dan SSTk- model) disajikan dalam simulasi numerik.Bahasa Inggris Shaghaghian DanSharifi1[5]mencoba menyelidiki karakteristik aliran di bendung labirin segitiga melalui Perangkat Lunak FLUENT. Dalam hal ini, menggunakan Model

GAMBIT, kondisi geometri dan pembentukan grid aliran dibuat untuk penyelesaian medan aliran. Menggunakan model numerik Fluent, kondisi batas dan kondisi medan aliran diterapkan untuk model tersebut. Safarrazavi Zadeh dkk. al. [14] secara eksperimental menyelidiki aliran di atas bendung labirin dengan bentuk setengah

lingkaran dan sinusoidal dalam saluran persegi panjang menggunakan laju kapasitas debit yang berbeda. Persamaan untuk memprediksi koefisien debit bendung labirin untuk kedua jenis disajikan.Noori [11]meningkatkan kapasitas pembuangan bendungan miring secara eksperimental dengan membulatkan puncak bendung dan menguji nilai koefisien debit (CD) untuk ketinggian bendung, sudut miring, dan diameter puncak yang berbeda. Ia menunjukkan bahwa bendung miring dengan puncak melingkar menawarkan kapasitas debit yang lebih tinggi dibandingkan dengan beberapa bentuk bendung lainnya. Ia menemukan bahwa nilai koefisien debit (CD) menurun sedikit seiring dengan

peningkatan muka air di atas bendung dan meningkat seiring dengan peningkatan tinggi bendung dan diameter puncak bendung serta bendung dengan sudut miring kecil memberikan nilai (C) yang lebih rendah.D).EhsanifarDan Ghodsian [4]mempelajari suatubendungan tuts piano dengan hidung di hulu dan puncak setengah lingkaran di outlet secara eksperimental dan numerik, mereka menemukan bahwa koefisien debit (CD) meningkat sekitar 14%. Signifikansi penelitian ini karena penelitian sebelumnya lebih banyak berfokus pada jenis bendung labirin, namun kurang memperhatikan bendung labirin dengan bentuk setengah lingkaran karena aliran yang melewati bendung jenis ini adalah tiga kali dimensi, dan rumit untuk menghitung profil permukaan secara

eksperimental. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk melakukan simulasi numerik untuk memeriksa kinerja hidrolik bendung labirin setengah lingkaran dalam hal profil

permukaan bebas, garis arus kecepatan, isosrface, fraksi volume air, distribusi tekanan, dan zona pemisahan aliran. Selain itu, profil permukaan bebas yang dihitung dari studi eksperimental dibandingkan dengan perhitungan numerik menggunakan ANSYS-fluent

2. LATAR BELAKANG TEORITIS

2.1 Persamaan Debit:

Penerapan persamaan kontinuitas pada penampang bendung labirin setengah lingkaran seperti yang ditunjukkan padaGbr. 1 puncak bendung dimana aliran berada pada kedalaman kritis, dan panjang puncak bendung (L) dikembangkan dengan luas penampang saluran yang berbentuk persegi panjang dengan (w), maka debit (Q) seperti pada persamaan (1)

Gambar.1. Sketsa definisi aliran di atas bendung setengah lingkaran.

Dimana:

T: debit yang melewati bendung dalam L/detik 𝐶𝑑 : Koefisien unit debit kurang

L: Panjang puncak bendung setengah lingkaran yang dikembangkan (m)

HT: Tinggi total air di atas bendung (HT= h+) h : Tinggi air di atas bendung dalam meter

g : Percepatan akibat gravitasi m2/s w: Lebar saluran (m) t : Ketebalan dinding setengah lingkaran (m)

p : Tinggi bendung (m)

B : Panjang dinding samping bendung (m) y1:Kedalaman air di saluran (m)

R: Jari jari bentuk setengah lingkaran (m)

2.2Pengaturan Model Numerik

Kode numerik berdasarkan metode volume terbatas digunakan untuk

menyelesaikan persamaan diferensial parsial kompleks aliran fluida yang melewati bendung. Hal ini akan dilakukan melalui dinamika fluida komputasional (CFD).

Untuk memperoleh berbagai karakteristik aliran dengan bendung setengah lingkaran, data eksperimen dalam literatur dipelajari secara numerik dengan kode FLUENT yang dihubungkan pada ANSYS V.14.

Persamaan yang mengatur gerak fluida dinamakan Navier-Stokes. Persamaan ini merupakan persamaan diferensial non-linier; oleh karena itu, persamaan ini memiliki sejumlah solusi analitis. Persamaan Navier-Stokes terdiri dari persamaan kontinuitas yang bentuk tiga dimensinya untuk fluida kental tak tetap disajikan sebagai berikut:

Desai Dan Patil [3] sebagai berikut:

Dimana :

Ax, Ay, Az: Area pecahan yang terbuka untuk mengalir ke arah (x,y,z).

u, v, w: Kecepatan masing-masing dalam arah (x, y, z).

fx, fy, fz: Percepatan viskos dalam arah (x, y, z).

Gx, Gy, Gz: Akselerasi tubuh

VF: Volume pecahan terbuka untuk mengalir.

Ini dilengkapi dengan persamaan konservasi massa:

Metode volume fluida (VOF) merupakan teknik pelacakan permukaan. Model ini dirancang untuk kasus dua atau lebih fluida yang tidak dapat bercampur (yaitu dapat bercampur) di mana posisi antarmuka antara fluida menjadi perhatian (bantuan ANSYS FLUENT). Model VOF digunakan untuk melacak antarmuka cairan-gas (air dan udara).

FLUENT menyediakan beberapa model turbulensi yang dapat menyelesaikan sistem multifase dengan sejumlah persamaan transpor yang berbeda. Dalam penelitian ini, model ke standar digunakan berdasarkan persamaan berikut:DesaiDanPatil [3]

Gk: Pembangkitan energi kinetik turbulensi akibat gradien kecepatan rata-rata.

Gb: Pembangkitan energi kinetik turbulensi akibat daya apung.

YM: Kontribusi dilatasi yang berfluktuasi dalam turbulensi kompresibel terhadap laju disipasi keseluruhan.

ρ: Kepadatan massa air. ^𝑘𝑔

𝑚3

σk, σε: Bilangan Prandtl turbulen untuk k dan ε, masing-masing dalam model standar

k: Energi kinetik turbulensi (m2/detik2 ) ε: Laju disipasi turbulensi (m2/detik3)

𝜇𝑡 : Viskositas pusaran kinetik turbulen (kg/m.detik2) Konstanta model k-ε Standar adalah:

𝐶1𝗌 = 1,44 𝐶2𝗌 = 1,92 𝐶 𝜇 =0.09 𝜎𝑘 = 1 𝜎𝗌 = 1.3

Model k-𝜀 standar

Model k-𝜀 standar adalah model semi empiris yang didasarkan pada persamaan transport model untuk energi kinetik turbulensi dan laju disipasi 𝜀. Dalam penurunan model k-𝜀, diasumsikan bahwa aliran sepenuhnya turbulen. Oleh karena itu, model k-𝜀 standar hanya valid untuk aliran yang sepenuhnya turbulen. Viskositas pusaran kinetik diselesaikan oleh menggabungkan k dan sebagai berikut:

3. METODOLOGI

3.1 Pekerjaan Eksperimental

Percobaan dilakukan pada saluran baja berlapis kaca yang diperkeras dan halus dengan panjang kerja 3,5 m. Luas penampang saluran adalah lebar 25 cm dan kedalaman 30 cm. Air disuplai ke saluran dari tangki penyimpanan beton bawah tanah dengan dimensi internal (panjang 7,5 m, lebar 2,5 m, dan kedalaman 1,0 m). Air diambil dari tangki penyimpanan bawah tanah oleh pompa sentrifugal yang digerakkan secara elektrik melalui pipa baja berdiameter 6 inci ke tangki atas yang menghasilkan debit total (50 liter/detik).

Lihat Gbr.2.

Gambar. 2. Diagram skematik saluran terbuka dengan bendung setengah lingkaran.

Rincian data yang diambil dari pekerjaan eksperimental seperti yang ditunjukkan sebelumnya ditunjukkan dengan jelas pada Tabel 1. Untuk mengukur debit total yang melewati saluran utama (Qin), bendung takik V dibuat di hilir tangki atas. Kedalaman air di bagian hulu bendung diukur (Hv) dan debit total saluran dihitung dengan menggunakan Persamaan (9). Mohammed [10]

Dimana:

Qv : debit di atas bendung dalam L/detik, dan

Hv : tinggi air di atas bendung takik-V dalam cm.

Untuk mengukur debit di atas bendung labirin, model bendung yang dibangun telah dipasang di 0,4 m dari hilir flume. Kedalaman air dalam flume uji diukur dengan menggunakan dua alat pengukur titik, skala Vernier dari alat pengukur titik memungkinkan pembacaan kedalaman dengan akurasi

0,05 mm, dan (y1) merupakan kedalaman air pada awal saluran.

Tabel 1.

Data eksperimen dari lima uji coba.

No Debit (L/detik)

y1 (m)

1 4.31 0.13

2 5.73 0.141

3.2 ANSYS Fluent 14.0

ANSYS CFD adalah perangkat lunak dinamika fluida komputasi yang digunakan oleh para insinyur untuk desain dan analisis. Alat-alat ini dapat mensimulasikan aliran fluida di lingkungan virtual misalnya dinamika fluida lambung kapal, mesin turbin gas termasuk kompresor, ruang bakar.

Perangkat lunak ini mengikuti 5 langkah penyelesaian

3.2.1 Geometri Model

Gambar.3. Geometri saluran terbuka dengan bendungsetengah lingkaran dengan lebar penuh.

3.2.2 Geometri Jaring

Dalam penelitian ini, metode hex mendominasi mesh digunakan untuk

menghitung grid mesh di seluruh domain padat seperti yang ditunjukkan pada Gambar.

4.Ukuran jaring harus cukup halus untuk memastikan fitur aliran menyebar keluar melalui semua bidang. Untuk tujuan ini, ukuran maksimum kisi dan ukuran muka maksimum diperiksa menjadi 0,008m sebagai kerapatan jaring yang lebih baik jika dibandingkan dengan data eksperimen yang ada. Opsi penghalusan tinggi dari ukuran diaktifkan dan ''perkiraan dan kelengkungan'' dari fungsi ukuran lanjutan dipilih.

Gambar.4. Deskripsi jaring saluran persegi panjang dengan bendung setengah lingkaran

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

Dalam studi ini, profil permukaan air sepanjang saluran utama dan di atas puncak bendungan diperkirakan dan hasil setiap bagian disimpulkan secara terpisah dalam konfigurasi berikut.

Gambar.5. scaled residuals

4.1 Distribusi Kecepatan

Titik-titik awal dari streamline kecepatan dihasilkan dan kemudian disebarkan pada bagian batas saluran masuk air. Garis-garis kecepatan yang bergerak melalui domain saluran utama dibagi menjadi permukaan, garis tengah dan garis dasar berdasarkan posisi mereka yang bergerak melewatinya. Gambar 6-7 menunjukkan garis-garis aliran bergerak langsung dari hulu saluran utama melewati bendung setengah lingkaran dan kemudian menuruni sebuah kurva dan terus menuju outlet hilir saluran utama

Gambar. 6 . Tata letak aliran di atas bendung untuk Q = 4,31 L/detik dan P = 0,13 m.

Gambar. 7 . Tata letak aliran di atas bendung untuk Q = 5,73 L/detik dan P = 0,141 m.

Gambar.8. Kontur distribusi kecepatan di sepanjang saluran untuk Q= 4,31 L/detik

Gambar.8. Kontur distribusi kecepatan di sepanjang saluran untuk Q= 5,73 L/detik

Gambar.9. Distribusi tekanan di sepanjang saluran untuk Q = 4,31 L / detik

Gambar.9. Distribusi tekanan di sepanjang saluran untuk Q = 5,73 L / detik

5. KESIMPULAN

Dalam penelitian ini, dilakukan penyelidikan numerik secara rinci mengenai aliran air yang melewati bendung labirin setengah lingkaran dalam saluran persegi panjang. Berdasarkan hasil penelitian ini, kesimpulannya dirangkum menjadi beberapa poin berikut:

1. Metode numerik mempelajari kinerja bendung yang sulit dihitung secara eksperimental, seperti kecepatan aliran, distribusi tekanan.

2. Dalam penyelidikan numerik, mesh 0 , 008m

dikenal sebagai kerapatan mesh yang lebih baik, untuk memastikan fitur aliran tersebar di seluruh domain komputasi dengan bendung semi melingkar

3. Model k-epsilon standar merupakan model turbulen terbaik untuk mensimulasikan aliran pada bendung semi melingkar, karena model ini memiliki persentase rata-rata kesalahan yang lebih kecil ketika datanya divalidasi dengan data eksperimen.

4. Arus kecepatan meningkat secara signifikan di sekitar bendungan, seperti terlihat dari perubahan warna hijau menjadi kuning

5. sebagian besar area dalam saluran memiliki tekanan yang hampir seragam (ditandai dengan warna kuning), yang menunjukkan bahwa aliran fluida mengalami sedikit perubahan tekanan

6. Peningkatan tekanan (ditandai dengan warna merah), tekanan meningkat drastis.

Hal ini kemungkinan besar terjadi karena adanya hambatan terhadap aliran fluida yang menyebabkannya.

REFERENSI

1. Ehsanifar, A., & Ghodsian, M. (2020). Studi Eksperimental dan Numerik Bendung Tuts Piano dengan Hidung Hulu dan Puncak Setengah Lingkaran di Outlet. Jurnal Hidrolika, 15(2), 31

2. Yuce, M. I., Al-Babely, A. A., & Al- Dabbagh, M. A. (2015).

Simulasi aliran pada bendung silinder miring. Canadian Journal of Civil Engineering, 42(6), 389-407

3. Desai, R., & Patil, L. (2015). Perbandingan Kinerja Berbagai Bendung Samping Labirin. International Journal of

Application or Innovation in Engineering & Management (IJAIEM), 4(6), 68-73.

4. Khalili, M., & Honar, T. (2017). Koefisien debit bendung sisi labirin setengah lingkaran pada aliran subkritis. Water SA, 43(3), 433-441.

5. Safarrazavi Zadeh, M., Esmaeili Varaki, M., & Biabani, R. (2021). Studi eksperimental tentang aliran di atas bendung labirin sinusoidal dan setengah lingkaran. ISH Journal of Hydraulic Engineering, 27(sup1), 304- 313.

6. Noori, B. M. A. (2020). Kinerja hidraulik bendung miring jambul melingkar. Jurnal Teknik Ain Shams, 11(4), 875- 888.

7. Bshkoj S. Hussein, Shaker A. Jalil (2024) Simulasi Perilaku Hidrodinamik Kinerja Aliran di Bendungan Sisi Labirin 1159-1171

8. ZAKWAN M., KHAN I. Estimasi Debit

koefisien untuk bendung samping. Air dan Energi Internasional.

62 (11), 71, 2020

9. NISTORAN Bahasa Indonesia: D.-E.G., SIMIONESCU S.-M., CÎRCIUMARU G., CHIHAIA R.-A. numeriksimulasi aliran diatas bendungan samping untuk

struktur pengalihandan asupan air. Seri Konferensi IOP: Bumi dan Ilmu Lingkungan. 1136 (1), 012035, 2023

10. ZAKWAN M., KHAN I. Estimasi Debit koefisien untuk bendung samping. Air dan Energi Internasional. 62 (11), 71, 2020