ANALISIS PENGARUH FAKTOR GESEK TERHADAP PRESSURE DROP PADA PIPA BAJA BERGELOMBANG DENGAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS ( CFD ) Dr. Ir. Ahmad Indra. S *), Ridwan, ST, MT *), Yugo Kuswantoro**) E-mail :
[email protected] *)
Dosen Teknik Mesin Universitas Gunadarma
**)
Alumni Teknik Mesin Universitas Gunadarma Abtraksi
Pipa merupakan alat transportasi fluida yang sangat murah, pipa memiliki berbagai ukuran dan bentuk penampang. Penurunan tekanan aliran didalam pipa sangat penting untuk diketahui guna merancang sistem perpipaan. Kekasaran pipa, panjang pipa, diameter pipa, jenis fluida, kecepatan dan bentuk aliran adalah hal yang sangat terkait dengan penurunan tekanan (Pressure Drop). Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui efek dari perubahan faktor gesek ( friction ) terhadap penurunan tekanan (pressure drop) pada pipa baja bergelombang. Simulasi dalam penelitian ini dilakukan untuk mengetahui secara teknis faktor penting pada penurunan tekanan (pressure drop) pada pipa bergelombang. Dengan bantuan aplikasi CFD dilakukan variasi besarnya nilai konstanta faktor gesek ( friction ) yang mempengaruhi penurunan tekanan. Kata Kunci: Pipa Baja Bergelombang, Analisis Faktor Gesek, CFD
I.
dan
Pendahuluan Seiring
dengan
teknologi.
Ini
disebabkan
ilmu
perkembangan
pengetahuan dan teknologi berhubungan
zaman, kebutuhan akan teknologi akan
erat dengan industri. Ilmu pengetahuan
semakin meningkat. Teknologi kini tidak
dan
hanya konsumsi individu yang modern
kembangkan pada saat ini berdampak
akan tetapi adalah bagian dari kehidupan
tidak hanya pada bidang komunikasi dan
sehari-hari yang akan selalu dibutuhkan
transportasi, tapi juga dibidang industri
dan akan terus mengalami perkembangan
yang
sesuai dengan kebutuhan yang diinginkan
adanya era globalisasi.
manusia itu sendiri. Industri
teknologi
semakin
yang
umat
bersaing lagi
manusia
dengan
Dalam dunia industri tersebut satu
efisiensi dan kwalitas produk mempunyai
Negara
hubungan yang sangat erat dengan
termasuk Indonesia, kemajuan industri
jumlah biaya yang diperlukan, karena
akan lebih baik jika dipacu dan didukung
dengan efisiensi yang tinggi maka biaya
oleh kemajuan bidang ilmu pengetahuan
yang diperlukan dapat ditekan dan harga
sektor
andalan
merupakan dari
salah
setiap
jual barang mereka lebih kompetitif
dan
membuat
rumusan
yang
merupakan
salah satu teknologi yang berguna dalam
hukum
dunia industri untuk mencapai tingkat
menyatukan hubungan antara tekanan
efisiensi kerja yang tinggi adalah dengan
(P), kecepatan (V) dan head (H) dari
menggunakan
fluida yang merupakan prinsip dari teori
pompa
dan
pipa
guna
pendistribusian fluida cair dalam proses
aliran
fluida
yang
mekanika fluida secara umum.
produksi.
Fluida adalah suatu yang tidak
Munculnya ilmu mekanika fluida karena
dasar
mengikuti
penemuan
berbagai
bisa lepas dari kehidupan sehari-hari kita, dimanapun dan kapanpun kita berada,
hukum dan lahirnya sejumlah kasus yang
fluida
punya hubungan dengan keseimbangan
kegiatan kita dalam kehidupan sehari-hari
dan gerakan fluida. Orang pertama yang
kita baik itu dalam bentuk liquid ataupun
mempelajari dan memperkenalkan ilmu ini
gas. Berbagai fenomena dalam fluida
adalah
Leonardo
pertengahan
Da
abad
XV
selalu
berbagai
Vinci
pada
dapat kita pelajari sebagai bagian dari
dengan
karya
ilmu fisika, atau secara khusus kita dapat
tulisnya “On The Flow Of Water And River
mendalaminya
Structures”
fluida.
yang
mempengaruhi
didapatkannya
ketika
melakukan observasi dan pengalaman membangun instalasi fluida.
Pipa
dalam
ilmu
mekanika
merupakan
sarana
transportasi fluida yang murah. Pipa
Berikutnya muncul Galileo dengan
memiliki berbagai ukuran dan bentuk
study sistematik mengenai dasar-dasar
penampang.
mekanika fluida. Dan pada tahun 1643
penampangnya,
Toreicelli memperkenalkan hukum tentang
berpenampang lingkaran (pipa sirkular)
aliran bebas zat cair melewati lubang
adalah
kemudian pada tahun 1650 diperkenalkan
digunakan.
hukum distribusi tekanan dalam zat cair
macam, yaitu plastic, baja, pvc, logam,
yang dikenal dengan hukum Pascal, yakni
acrylic, dan lain-lain.
hukum tentang gesekan dalam fluida yang
Dari
pipa
segi
bentuk
pipa yang
Material
yang
paling pipa
banyak
bermacam-
Aliran fluida didalam pipa pada
mengalir, yang sangat terkenal sampai
kenyataannya
saat ini dirumuskan oleh Isaac Newton.
tekanan seiring dengan panjang pipa
mengalami
penurunan
Dasar teori mekanika fluida dan
yang dilalui fluida tersebut. Menurut teori
hidrolika kemudian menjadi baku setelah
dalam mekanika fluida, hal ini disebabkan
Daniel Bernoulli memperkenalkan ilmunya
karena fluida yang mengalir memiliki
antara 1728-1778 dengan menerbitkan 47
viskositas. Viskositas ini menyebabkan
judul buku tentang matematika, mekanika
timbulnya
dan
menghambat. Untuk melawan gaya geser
lain-lain.
tulisannya
Salah
tentang
satunya dinamika
dengan fluida
tersebut
gaya
geser
diperlukan
yang
energi
sifatnya sehingga
mengakibatkan adanya energi yang hilang
bidang
pada aliran fluida. Energi yang hilang ini
computer dengan metode numeric.
fluida
dengan
menggunakan
mengakibatkan penurunan tekanan aliran
Computational
fluida atau disebut juga kerugian tekanan
Dynamics (CFD) adalah suatu
(head loses). Mekanika fluida merupakan
bidang ilmu yang melakukan perhitungan
cabang
secara numeric (metode numeric) untuk
ilmu
teknik
mesin
yang
Fluid
mempelajari keseimbangan dan gerakan
memecahkan
gas maupun zat cair serta gaya tarik
dalam fluida. Masalah yang diselesaikan
dengan benda - benda disekitarnya atau
dalam CFD ini dalam bentuk persamaan-
yang dilalui saat mengalir. Dimana pada
persamaan yang berlaku dalam ilmu
dunia industri sebagian besar fluidanya
fluida.
mengalir pada pipa tertutup (closed conduit
(Computational Fluid Dynamics) saat ini
flow) dan memiliki beberapa masalah
sudah
utama yang terjadi antara lain :
kelebihannya
1. Terjadinya gesekan disepanjang dinding pipa.
berbagai
Penggunaan sangat
permasalahan
teknologi
berkembang terutama
CFD karena
dalam
hal
menganalisis suatu permasalahan yang berkaitan dengan masalah aliran fluida,
2. Terjadinya kerugian tekanan 3. Terbentuknya
perpindahan kalor dan massa maupun
turbulensi
akibat
fenomena
yang
terlibat
didalamnya
gerakan relative dalam molekul
(seperti reaksi pembakaran) dalam waktu
fluida yang dipengaruhi viskositas
yang lebih cepat dan mengeluarkan biaya
fluida.
yang lebih kecil. Salah satu fenomena
Karena masalah-masalah diatas dapat
fluida yang dapat disimulasikan dengan
menyebabkan timbulnya kerugian pada
menggunakan
kinerja mesin fluida, maka diperlukan
fenomena
kajian
didalam
yang
mendalam
dalam
bidang
mekanika fluida supaya masalah - masalah
teknologi
yang pipa
terjadi baja
CFD
yaitu
pada
aliran
bergelombang
(Corrugated Steel Culvert Pipe ).
diatas dapat dipecahkan. Dewasa perkembangan
ini, ilmu
seiring
dengan
pengetahuan
dan
II
Landasan Teori
2.1
teknologi, ilmu fluida semakin dituntut untuk berkembang pula. Salah satu efek perkembangan
ilmu
teknologi
bidang
di
pengetahuan fluida
dan
adalah
perkembangan ilmu “Computational Fluid Dynamics”
yaitu
perhitungan
dan
pemecahan berbagai permasalahan dalam
Mekanika Fluida Mekanika
cabang
ilmu
fluida teknik
merupakan mesin
yang
mempelajari keseimbangan dan gerakan gas maupun zat cair serta gaya tarik dengan benda-benda disekitarnya atau yang dilalui saat mengalir. Sedangkan istilah
fluida
didalam
mekanika
mempunyai pengertian yang lebih luas
dibanding yang kita lihat dalam kehidupan
Berdasarkan pergerakannya aliran fluida
sehari-hari, dimana fluida adalah semua
terdiri dari :
bahan yang cenderung berubah bentuknya walaupun
mengalami
gaya
luar
•
yang
Steady flow merupakan suatu aliran
sangat kecil.
fluida dimana kecepatannya tidak
Fluida secara khusus didefinisikan sebagai
zat
menerus
Steady Flow
yang
selama
terpengaruh oleh perubahan waktu,
berdeformasi
terus
sehingga kecepatan konstan pada
dipengaruhi
suatu
setiap titik pada aliran tersebut.
tegangan geser. Sebuah tegangan geser
•
Non Steady Flow
terbentuk apabila sebuah gaya tangensial
Non steady flow terjadi apabila ada
bekerja pada sebuah permukaan. Apabila
suatu perubahan kecepatan pada
benda-benda padat biasanya seperti baja
aliran tersebut terhadap perubahan
atau logam-logam lainnya dikenai oleh
waktu.
suatu tegangan geser, mula-mula benda
•
Uniform Flow
itu akan berdeformasi (biasanya sangat
Uniform flow merupakam aliran
kecil), tetapi tidak akan terus menerus
fluida yang terjadi besar dan arah
berdeformasi (mengalir). Namun, cairan
dari vector-vektor kecepatan tidak
seperti air, minyak, dan udara memenuhi
berubah dari suatu titik ke titik
definisi dari sebuah fluida. Secara umum
berikutnya
fluida dibagi menjadi dua, yaitu statika
tersebut.
fluida dan dinamika fluida. Statika fluida
•
dalam
aliran
fluida
Non Uniform Flow
adalah fluida yang tidak bergerak (diam),
Aliran ini terjadi jika besar dan arah
dinamika
fluida
adalah
fluida
yang
vector-vektor
bergerak.
Dalam
penerapannya,
fluida
selalu
tidak terlepas dari viskositas.
kecepatan
berubah
fluida terhadap
Viskositas
lintasannya. Ini terjadi apabila luas
secara umum dapat didefinisikan sebagai
penampang medium fluida juga
ketahanan
berubah.
sebuah
fluida
deformasi / perubahan bentuk.
terhadap [1]
Aliran fluida berdasarkan gaya yang 2.2
Macam-macam Aliran Fluida
bekerja pada fluida tersebut:
Mekanika fluida adalah ilmu yang
•
Aliran Laminar
mempelajari tentang tipe-tipe aliran fluida
Aliran laminar didefinisikan sebagai
dalam medium yang berbeda-beda. Aliran
aliran dengan fluida yang bergerak
fluida terbagi atas beberapa kategori,
dalam lapisan-lapisan, atau lamina-
dibagi berdasarkan sifat-sifat yang paling
lamina
dominan
meluncur secara merata. Dalan
dari
aliran
tersebut,
atau
berdasarkan jenis dari fluida yang terkait. [2]
aliran
dengan laminar
satu ini
lapisan viskositas
berfungsi
untuk
meredam
kecenderungan-kecenderungan terjadinya gerakan relative antara lapisan.
Sehingga
aliran
Aliran •
tidaknya
Compressible flow, dimana aliran ini merupakan aliran yang mampu
memenuhi pasti hukum viskositas
mampat. •
τ =µ
bisa
dicompres :
laminar
Newton, yaitu:
berdasarkan
Incompressible flow, aliran tidak mampu mampat.
du dy
(2.1) 2.3
dimana : τ
Bilangan
= tegangan geser pada
fluida (N/m ) µ
=
viskositas
dinamik
digunakan
apakah aliran tersebut laminar, transisi
fluida (kg/m.det)
atau turbulen. Osborne Reynolds telah
du/dy
mempelajari untuk mencoba menentukan
= gradient kecepatan
bila dua situasi aliran yang berbeda akan
((m/det/m)
serupa secara dinamik bila memenuhi:
Aliran Turbulen Aliran turbulen didefinisikan sebagai
1. Kedua
aliran
tersebut
serupa
pergerakan
secara geometrik, yakni ukuran-
partikel-partikel fluida sangat tidak
ukuran linier yang bersesuaian
menentu
mempunyai perbandingan yang
aliran
yang
dimana karena
mengalami
konstan.
pencampuran serta putaran partikel antar lapisan, yang mengakibatkan
2. Garis-garis
aliran
yang
adalah
serupa
saling tukar momentum dari satu
bersesuaian
bagian fluida kebagian fluida yang
secara geometrik, atau tekanan-
lain dalam skala yang besar. Dalam
tekanan
keadaan
maka
bersesuaian
terjadi
perbandingan konstan.
aliran
turbulensi
turbulen yang
Dalam
mengakibatkan tegangan geser yang
di
titik-titik
yang
mempunyai
menyimak
dua
situasi
merata diseluruh fluida sehingga
aliran yang serupa secara geometrik
menghasilkan
Reynolds menyimpulkan bahwa aliran-
aliran.
kerugian-kerugian
aliran
[2]
dinamik •
Reynolds
untuk menentukan sifat pokok aliran,
2
•
Bilangan Reynolds
transisi
merupakan
aliran
peralihan dari aliran laminar ke aliran turbulen.
jika
akan
serupa
secara
persamaan-persamaan
diferensial umum yang menggambarkan
Aliran Transisi Aliran
tersebut
aliran-aliran tersebut indentik. [3]
Re =
VDρ
Viskositas dipengaruhi oleh temperatur,
µ
tekanan, kohesi dan laju perpindahan momentum molekulernya. Viskositas zat cair cenderung menurun dengan seiring
(2.2)
tambahnya kenaikan temperatur hal ini
µ υ= ρ
disebabkan gaya-gaya kohesi pada zat cair bila dipanaskan akan mengalami penurunan
(2.3) Dengan
mensubtitusikan
persamaan (2.3) kedalam persamaan (2.2) maka akan didapat :
dengan
semakin
bertambahnya temperature pada zat cair yang menyebabkan turunnya viskositas dari zat cair tersebut. [4] Viskositas dibagi menjadi dua macam:
νD Re = υ
1. Viskositas
dinamik
viskositas
mutlak
atau (absolute
viscosity) mempunyai nilai sama
(2.4)
dengan
hukum
viskositas
Newton.
dimana:
µ=
V = kecepatan fluida yang mengalir (m/det) D = diameter dalam pipa (m) ρ = massa jenis fluida (kg/m ) =
viskositas
dinamik
du
dy
(kg/m.s) 3
µ
τ
fluida
2
(kg/m .det)
(2.5) dimana: τ
= tegangan geser pada 2
fluida (N/m ) 2
υ = viskositas kinetik (m /s) Pada
fluida
air
suatu
du/dy aliran
= gradient kecepatan
((m/s)/m)
diamsusikan laminar bila aliran tersebut mempunyai bilangan Reynolds (Re) kurang
2. Viskositas kinematik merupakan
dari 2000, untuk aliran transisi berada pada
perbandingan antara viskositas
bilangan Re 2000 < 3000 biasa juga
mutlak
disebut sebagai bilangan Reynolds kritis,
massa
sedangkan
aliran
turbulen
mempunyai
υ=
bilangan Reynolds lebih dari 3000.
2.4
Viskositas Viskositas
fluida
merupakan
ukuran ketahanan sebuah fluida terhadap deformasi
atau
perubahan
bentuk.
terhadap
µ ρ
kerapatan
(m2/s)
(2.6) dimana: µ = nilai dari viskositas dinamik fluida (kg. m/s)
Debit aliran dipergunakan untuk
ρ = nilai kerapatan massa fluida 3
(kg/m )
menghitung Tabel 2.1 Sifat-sifat air [4]
kecepatan
aliran
pada
masing-masing pipa dimana rumus debit aliran :
[4]
Q=
∀ t
(2.8) dari persamaan kontinuitas didapat
Q = VA Maka V =
2.5
Dimana A =
Rapat Jenis (Density) Density atau rapat jenis (ρ) sutau
V =
tersebut dan dinyatakan dalam massa per satuan volume, sifat ini ditentukan dengan cara menghitung nisbah (ratio) massa zat yang terkandung dalam suatu bagian tertentu terhadap volume bagian tersebut. Hubungannya dapat dinyatakan sebagai
1 πD 2 4
Dengan memasukan A didapat
zat adalah ukuran bentuk konsentrasi zat
Q 1 πD 2 4
(2.9) dimana : Q = debit aliran (m3/s)
berikut:
V = kecepatan aliran (m/s)
dm ρ= dv
A = luas penampang (m2)
3
(kg/m )
∀ = volume fluida(m3)
(2.7) dimana:
2.7
m = massa fluida (kg) density
dapat
Persamaan-persamaan
dipengaruhi
oleh
Persamaan kontinuitas [4]
ρ . A.V = m = konstan
temperatur, semakin tingi temperatur maka
(2.10)
kerapatan suatu fluida semakin berkurang karena
disebabkan
gaya
yang
berkaitan dengan aliran fluida
V = volume fluida (m3) Nilai
Q A
kohesi
molekul-molekul semakin berkurang. [4]
dari
dimana: ρ = massa jenis fluida (kg/m3) A = luas penampang yang dilalui fluida
2.6
Debit Aliran
(m2) V = kecepatan aliran fluida (m/s)
Karena pada aliran incompressible tidak
g = percepatan gravitasi (m/s2)
ada perubahan aliran massa jenis maka
f = friction factor (tidak berdimensi)
berlaku:
untuk mencari taktor gesek f ( friction )
A.V = Q = konstan
Aliran laminar
f = (2.11) dimana:
64 NR
Q = debit aliran (laju volumetrik)
Persamaan Bernoulli [2]
(2.14)
⎛ P ⎞ ⎛V 2 ⎞ ⎟⎟ + g.z = konstan ⎜⎜ ⎟⎟ + ⎜⎜ ⎝ρ⎠ ⎝ 2 ⎠
Aliran turbulen
f =
(2.12) dimana : P = tekanan pada suatu titik aliran fluida ( Pa )
suatu
titik
dari
permukaan (m)
2.8
berada
disekitar
pintu
masuk
dicari dengan rumus sebagai berikut:
Le = 0,06. Re D
stedi
didalam
pipa,
aliran laminar
atau penurunan tekanan (pressure drop). Untuk perhitungan didalam pipa pada dipakai
persamaan
aliran turbulen
Untuk
(2.17)
Darcy
[4]
2.9
untuk mencari f (factor gesekan)
L V2 hf = f ⋅ ⋅ D 2⋅ g
Untuk
(2.16) 1 Le = 4,4. Re 6 D
dinyatakan dalam kerugian tinggi-tekan
Weisbach.
atau
mencari aliran berkembang penuh dapat
Dalam aliran takmampu mampat
umumnya
simulasi
atau belum berkembang penuh. Untuk
Aliran di Dalam pipa
(incompressible)
analisa
kecepatan aliran diandaikan seragam
g = percepatan gravitasi (m/s) tinggi
Pada ketika
V = kecepatan fluida (m/s) =
(2.15) eksperimen aliran fluida didalam pipa
ρ = massa jenis fluida (kg/m3)
z
0,316 R1 / 4
Fluida Newtonian dan Fluida
Non-newtonian Fluida
(m) (2.13) dimana :
L = panjang pipa (m) D = diameter pipa (m) V = kecepatan rata-rata aliran (m/detik)
ditinjau
dari
tegangan
geser yang dihasilkan maka fluida dapat dikelompokan dalam dua fluida yaitu, fluida Newtonian dan Non-newtonian. Fulida Newtonian mengalami hubungan yang linier antara besarnya tegangan geser dengan rate of share-nya yang
berarti
pada
permukaan
pipa
(pipa sirkular) adalah pipa yang paling
tegangan gesernya yang terjadi dan laju
banyak digunakan. Keistimewaan pipa
perubahan bentuk yang diakibatkan nya.
baja bergelombang adalah bisa menjadi
Hal ini dapat diartikan bahwa viskositas
material pilihan untuk berbagai macam
fluida (µ) konstan. (sesuai dengan hukum
pemakaian
viskos Newton), sedangkan fluida Non-
pembuangan air, penggantian jembatan
newtonian
dan gorong-gorong. [5]
mengalami
dinding
hubungan
yang
seperti
pengelolaan
air,
tidak linier lagi antara besarnya tegangan
Pipa baja bergelombang memiliki dimensi
geser yang terjadi dan laju perubahan
diameter luar pipa (OD), diameter dalam
bentuknya. Suatu plastik ideal mempunyai
spiral (Di), diameter luar spiral (Do) dan
tegangan searah tertentu dan hubungan
panjang pitch pipa baja bergelombang (P)
linier yang konstan antara tegangan geser
seperti Gambar 2.4
dan laju perubahan bentuk. Suatu zat
Tampak samping :
tiksotropik, seperti tinta cetak, mempunyai viskositas
yang
perubahan
tergantung
bentuk
sebelumnya
zat
dan
pada langsung
mempunyai
kecenderungan untuk mengental bila tidak
Tampak depan :
bergerak. Pada umumnya gas dan cairan encer
cenderung
bersifat
Newtonian,
sedangkan hidrokarbon berantai panjang yang
kental
Newtonian.
mungkin
bersifat
Non-
[4]
Gambar 2.4 Pipa Baja Bergelombang
2.10.1 Sifat baja bergelombang
Gambar 2.3 Diagram Rheologi [4]
2.10
-
Durability (Daya Tahan)
-
Flexibelity (Kelenturan)
-
Strength (Kekuatan)
-
Ease Of
Pipa Baja Bergelombang Pipa merupakan alat transportasi
fluida yang murah. Pipa memiliki berbagai ukuran dan bentuk penampang salah satunya adalah pipa baja bergelombang. Namun pipa yang berpenampang lingkaran
Installation (Instalasi
Mudah) -
Efesien dan Ekonomis
2.10.2 Aplikasi
Pipa
Bergelombang 1. Pembuangan Air
Baja
-
Jalan Raya
-
Jalan Kereta Api
2.11
-
Lapangan Terbang
Dinamics)
-
Semburan Air / Air Tanah
(Computational
Computational
2. Sistem Penahanan
(CFD)
Jalan yang melintang dibawah
-
CFD
jembatan
adalah
Fluid
metode
Fluid
Dynamics perhitungan
dengan sebuah control dimensi, luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan
-
Kabel terowongan
komputasi komputer untuk melakukan
-
Ventilasi
perhitungan
-
Tiang selongsong
pembaginya. Prinsipnya adalah suatu
pada
tiap-tiap
elemen
ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan
2.10.3 Jenis Pipa Dari
sekian
pembuatan
pipa
secara umum dapat dikelompokan menjadi dua bagian:
[3]
1. Jenis
penghitungan
dibagi-bagi
menjadi beberapa bagian, hal ini sering disebut
dengan
sel
dan
prosesnya
dinamakan meshing. Bagian-bagian yang pipa
tanpa
(pembuatan
sambungan
terbagi
tanpa
kontrol
pipa
pengelasan)
tersebut
merupakan
penghitungan
sebuah
yang
akan
dilakukan adalah aplikasi. Kontrol-kontrol
2. Jenis pipa dengan sambungan (pembuatan
pipa
dengan
pengelasan)
penghitungan ini beserta kontrol-kontrol penghitungan
lainnya
merupakan
pembagian ruang yang disebut tadi atau meshing. Nantinya, pada setiap titik
2.10.4 Macam Sambungan Perpipaan Sambungan
perpipaan
dapat
dikelompokan sebagai berikut:
kontrol
penghitungan
penghitungan
oleh
akan
dilakukan
aplikasi
dengan
batasan domain dan boundary condition
1. Sambungan dengan menggunakan pengelasan
yang telah ditentukan. Prinsip inilah yang banyak
2. Sambungan dengan menggunakan
dipakai
penghitungan
pada
dengan
proses
menggunakan
ulir
bantuan komputasi komputer. Contoh lain
Selain sambungan seperti diatas,
penerapan
prinsip
ini
adalah
Finite
terdapat pula penyambungan khusus yang
Element Analysis (FEA) yang digunakan
menggunakan pengeleman (perekat) serta
untuk menghitung tegangan yang terjadi
pekeleman (untuk pipa plastik dan pipa
pada benda solid.
viber
glass).Pada
pengilangannya
Sejarah CFD berawal pada tahun
umumnya pipa bertekanan rendah dan
60-an dan terkenal pada tahun 70-an
pipa
awalnya pemakaian konsep CFD hanya
dibawah
2”
sajalah
menggunakan sambungan ulir.
[4]
yang
digunakan untuk aliran fluida dan reaksi
kimia,
namun
seiring
dengan
terlibat dalam domain. Misalnya ketika
perkembangannya industri ditahun 90-an
suatu
membuat CFD makin dibutuhkan pada
melibatkan
berbagai aplikasi lain. Contoh sekarang ini
tersebut melibatkan persamaan energi
banyak sekali paket-paket sofware CAD
atau konservasi dari energi tersebut.
menyertakan konsep CFD yang dipakai
Inisialisasi awal dari persamaan adalah
untuk menganalisa stress yang terjadi
boundary condition. Boundary condition
pada desain yang dibuat. Pemakaian CFD
adalah kondisi dimana kontrol-kontrol
secara umum dipakai untuk memprediksi :
perhitungan didefinisikan sebagai definisi
model
yang
akan
temperatur
dianalisa
berarti
model
•
Aliran dan panas
awal yang akan dilibatkan ke kontrol-
•
Transfer massa
kontrol penghitungan yang berdekatan
•
Perubahan proses
fasa
melting
seperti
pada
pengembunan
dengannya
melalui
persamaan yang terlibat.
persamaan[5]
dan pendidihan
Secara umum proses penghitungan CFD
•
Reaksi kimia seperti pembakaran
terdiri atas 3 bagian utama:
•
Gerakan mekanis seperti piston
1. Preposessor
dan fan
2. Processor
Tegangan dan tumpuan pada
3. Post processor
•
Sub-Program Pre-processor
benda solid
-
CAD (Membangun Geometri)
CFD adalah penghitungan yang
-
Membangun Mesh
mengkhususkan pada fluida. Mulai dari
-
Input Data Sifat Fluida Kerja
aliran fluida, heat transfer dan reaksi kimia
(massa
yang terjadi pada fluida. Atas prinsip-
konduktivitas dll.)
prinsip dasar mekanika fluida, konservasi
-
•
Gelembung elektromagnetik
jenis,
viskositas,
Input Kondisi Batasan Aliran
energi, momentum, massa, serta species,
Sub-Program Processor (Solver)
penghitungan
Persamaan Dasar Aliran Fluida
CFD
dapat
sederhana
proses
-
Massa (Kontinuitas)
penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi
-
Momentum
CFD
-
Energi
dilakukan.
dengan
Secara
adalah
dengan
kontrol-kontrol
penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol
penghitungan
melibatkan
dengan
Model Fisika
akan
-
Turbulensi
memanfaatkan
-
Reaksi (Pembakaran)
-
Radiasi
tersebut
persamaan-persamaan
yang
terlibat.
Persaman-persamaan
ini
adalah
persamaan yang membangkitkan dengan
Sub-Program Post-Processor
memasukan parameter apa saja yang
Menyajikan Hasil :
-
Pola Aliran (vektor dan kontur
dalam akan suatu masalah yang akan
kecepatan, streamline, pathline dll.)
diselesaikan
-
mengenai
Distribusi Tekanan dan Distribusi
Temperatur
(untuk
kasus
non-
isotermal) diinput
pemahaman
karakterisrik
melihat
hasil
lebih
aliran
fluida
berupa
grafik,
vektor, kontur dan bahkan animasi dari
Prepocessor adalah tahap dimana data
dengan
dan
mulai
dari
proses simulasi. [5]
pendefinisian
domain serta pendefinisian kondisi batas atau boundary condition. Ditahap ini juga
III. Desain Pipa Baja Bergelombang Dan Tahapan Proses Simulasi
sebuah benda atau ruangan yang akan dianalisa dibagi-bagi dengan jumlah grid
3.1
Pipa
tertentu atau sering juga disebut dengan meshing.
Tahap
selanjutnya
adalah
processor, pada tahap ini dilakukan proses penghitungan
data-data
input
dengan
persamaan yang terlibat secara iteratif. Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai
nilai
Penghitungan menyeluruh
yang
terhadap
volume
secara kontrol
dengan proses integrasi persamaan diskrit. Tahap
akhir
merupakan
tahap
postprocessor dimana hasil perhitungan di interpretasikan kedalam gambar, grafik bahkan animasi. Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (Software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri, dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi tentunya
biaya
waktu
melakukan
eksperimen
yang
eksperimen
panjang tersebut.
dan dalam Atau
merupakan
sarana
transportasi fluida. Pipa memiliki berbagai ukuran dan bentuk penampang salah satunya
adalah
Namun
pipa
pipa yang
bergelombang. berpenampang
lingkaran (pipa sirkular) adalah pipa yang paling banyak digunakan. Aliran fluida didalam pipa pada
konvergen.
dilakukan
Pipa Bergelombang
kenyataannya
mengalami
penurunan
tekanan seiring dengan panjang pipa yang dilalui fluida tersebut. Menurut teori dalam mekanika fluida, hal ini disebabkan karena fluida yang mengalir memiliki viskositas.
Viskositas
ini
menyebabkan timbulnya gaya geser yang sifatnya menghambat. Untuk melawan gaya geser tersebut diperlukan energi sehingga mengakibatkan adanya energi yang hilang pada aliran fluida. Energi yang hilang ini mengakibatkan penurunan tekanan aliran fluida atau disebut juga kerugian tekanan (head loses).
dalam proses design enggineering tahap yang
harus
dilakukan
menjadi
lebih
pendek. Hal ini yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih
yang
3.2
Langkah-langkah Simulasi
Untuk
memudahkan
proses
Gambar 3.1 Flowchart langkah
simulasi dalam sub bab ini akan dijelaskan
pembuatan model CAD dan proses
secara bertahap proses simulasi yang
simulasi
dimulai
dari
pembentukan
geometri.
Secara keseluruhan proses tersebut terdiri
3.2.1
dari enam langkah yaitu :
Pembuatan Model Pipa Baja Bergelombang Hal yang perlu dilakukan pertama
1. Membuat model pipa baja bergelombang
adalah membuat model aliran yang terjadi
2. Menentukan kondisi fisik model
model volume. Asumsi penyederhanaan boundary
condition 5. Menentukan
parameter
Dalam pembuatan model menggunakan
dan
SolidWork Office Premium 2007 sebagai
menjalankan simulasi simulasi
model yang dilakukan adalah dengan menganggap ketebalan pipa diabaikan.
penyelesaian 6. Menampilkan
pada pipa baja bergelombang. Dalam hal ini model yang dibuat adalah berupa
3. Membuat mesh 4. Menentukan
kali sebelum melakukan proses simulasi
pembuat model. Dan model yang akan hasil
disimulasikan pada skripsi ini adalah seperti gambar dibawah ini :
Mulai
Pembuatan model Pipa bergelombang
Menentukan kondisi fisik model
Langkah Pembuatan meshing
Gambar 3.2 Model aliran pipa
Membuat kondisi batasan
bergelombang Menentukan parameter perhitungan numerik
3.2.2 Melaksanakan perhitungan atau komputasi
Menampilkan hasil simulasi
Menentukan
Kondisi
Fisik
Model Hal
yang
perlu
dilakukan
selanjutnya adalah penentuan kondisi fisik dari model yaitu penentuan model
Selesai
penyelesaian, fluida yang dipakai dan kondisi operasi.
Penentuan
model
dibagi
besarnya nilai Pressure, Temperature
menjadi dua yaitu model penyelesaian
dan velocity yang di berikan dalam
analisis tipe Internal flow dan External flow
melakukan proses simulasi. Dibawah ini
dan dalam hal ini analisis Internal flow
adalah
merupakan
menentukan kondisi operasi.
pilihan
penyelesaian
yang
tepat
dalam
gambar
dialog
box
untuk
menganalisis faktor gesek pada pipa baja bergelombang, Dibawah ini adalah gambar dialog box dalam pemilihan tipe analisis untuk menentukan model penyelesaian.
Gambar 3.5 Menentukan kondisi operasi Gambar 3.3 Penentuan model
3.2.3
Meshing Meshing adalah proses dimana
penyelesaian
geometri secara keseluruhan dibagi-bagi Pemilihan jenis fluida merupakan salah
dalam
satu
elemen
faktor
menentukan
yang hasil
penting analisa
yang
dalam akan
elemen-elemen kecil
ini
kecil.
Elemen-
nantinya
berperan
sebagai kontrol surface atau volume data
diperoleh, dimana fluida ini terdiri dari
perhitungan
fluida Newtonian, Non-newtonian dan Gas.
elemen ini akan menjadi input untuk
Dan dalam analisis ini fluida yang dipakai
elemen disebelahnya. Hal ini akan terjadi
adalah fluida Newtonian => air ( water).
berulang-ulang hingga domain terpenuhi.
yang
kemudian
tiap-tiap
Dalam meshing elemen-elemen yang akan
dipilih
disesuaikan
dengan
kebutuhan dan bentuk geometri. Aplikasi meshing yang dipakai adalah Result and Geometry Resolution, Setelah geometri berhasil
di
input
selanjutnya
adalah
proses meshing. Dalam penelitian ini Gambar 3.4 Pemilihan jenis fluida
semua konfigurasi tipe elemen di simulasi menggunakan
Menentukan
kondisi
operasi
dalam
melakukan analisis adalah suatu hal yang harus dilakukan peneliti dalam menentukan
tetrahedron
elemen
interval
hybrid
Result
atau
resolution
sebesar 3 dan besarnya minimum gap
size box sebesar 0.3322m. Dibawah ini
sederhana maka boundary condition yang
adalah proses pembuatan meshing pipa
mungkin dan sesuai untuk mendefinisikan
baja bergelombang melalui Result and
keadaan aktualnya adalah velocity inlet
Geometry Resolution dan gambar
untuk tempat masuknya air dari pompa.
hasil
meshing :
Dan outlet sebai tempat keluar air dari pipa bergelombang. Pada skripsi ini kondisi batasan yang digunakan adalah : Spesifikasi pipa baja bergelombang Tabel 3.1 Kapasitas Produk ( Product Capacity ) Diameter Pipa Min. Ø 150 mm – Max.Ø 3600mm
Gambar 3.6 Proses pembuatan meshing Berikut di bawah ini adalah gambar Pipa
Tabel 3.2 Standart Aplikasi
Baja Bergelombang setelah mengalami
( Application Standart )
proses meshing. Unit : mm Pitch
Depth
Radius
38
6.5
7.1
Application
Ø150
–
Ø800mm Small diameter 68
13
17.5
Gambar 3.7 Hasil meshing dari Result
Ø300
–
Ø1.500mm
and Geometry Resolution
Medium diameter
3.2.4
Membuat
Kondisi
Batasan
(
75
25
17.5
boundary condition ) Boundary definisi
dari
condition
zona-zona
Large
telah
diameter
terdefinisi sebelumnya pada Result and Geometry Resolution. Dalam EFD nilainilai dan karakteristik dari masing-masing boundary tipe, yang telah didefinisikan sebelumnya dalam Result and Geometry Resolution, di definisikan. Karena model yang digunakan adalah model aliran air
–
Ø3.600mm
merupakan yang
Ø1.000
Diameter Pipa : 2,8m Panjang
: 113,709m
Flow rate
: 19500 m³/h
Velocity
: 0,881 m/s
Friction Coef
: 0,0509
Mayor loss
: 0,082m
melakukan proses iterasi simulasi, di dalam melakukan perhitungan secara
Diameter Pipa : 3,3m
komputasi ini secara otomatis komputer
Panjang
: 884,697m
akan
Flow rate
: 39000 m³/h
elemen
Velocity
: 1,269 m/s
konvergensi, proses iterasi akan berhenti
Friction Coef
: 0,0482
setelah terjadi konvergensi. Pada saat
Mayor loss
: 1,059m
proses iterasi maka akan tampil grafik
melakukan
perhitungan
takhingga
sampai
metode mencapai
proses perhitungan numerik dan display Dalam memberikan data input boundary
kontur
condition peneliti harus jelih karena untuk
gambar dibawah ini .
tekanan
dalam
pipa
seperti
pengisian terdapat beberapa hal yang harus dilakukan seperti pemilihan gambar permukaan untuk lubang inlet ( Lid 1 ), menentukan arah sumbu referensi axis , menentukan tipe boundary condition, dan menentukan besarnya nilai flow parameter. Di bawah ini adalah gambar dialog box dalam features boundary condition yang akan tampil dalam proses simulasi.
Gambar 3.9 Grafik proses perhitungan numerik
Gambar 3.8 Boundary condition
Gambar 3.10 Hasil perhitungan numerik
3.2.5
Menentukan
Parameter
Perhitungan Numerik Setelah
selesai
3.2.6
mendefinisikan
Menampilkan Hasil Simulasi Setelah mencapai konvergensi
model yang akan disimulasikan maka
dari
tahap
menentukan
adalah tahap untuk melihat hasil simulasi
parameter perhitungan numerik yang akan
yang telah dilakukan. Dalam melihat hasil
digunakan
seperti
kontrol
solusi,
simulasi
melakukan
initialize
awal,
monitor
dengan berbagai cara, dilihat secara
perhitungan
numerik,
dan
kemudian
keseluruhan maupun target tertentu saja
selanjutnya
adalah
solusi,
dari
maka
EFD
tahap
dapat
selanjutnya
dilakukan
dengan menentukan bidang, garis atau titik pengamatan. Karena target utama adalah untuk
melihat
bagaimana
pengaruh
perubahan diameter terhadap pressure drop akibat faktor gesek (friction) mulai dari inlet sampai outlet, maka akan dilihat vektor kecepatan baik itu keseluruhan maupun bidang yang dibuat sebelumnya, dan kontur serta melihat garis aliran (path
Gambar 3.13 Flow trajectory hasil
line) untuk menentukan apakah aliran yang
simulasi
terjadi sudah efektif atau belum. IV Pembahasan 4.1 Analisa perbandingan pressure drop pada pipa baja bergelombang dengan cara empiris dan simulasi CFD. Berdasarkan dasar teori yang telah dijelaskan pada bab II maka pada bab Gambar 3.11 Kontur hasil simulasi
ini
akan
dilakukan
analisa
dimensional mengenai faktor-faktor yang mempengaruhi
penurunan
tekanan
(
pressure drop ). Untuk mengetahui hal tersebut maka perlu dilakukan simulasi dengan menggunakan software CFD, perubahan dari variabel-variabel fungsi yang berpengaruh terhdap tekanan akan dilakukan menggunakan CFD. Karena dalam Gambar 3.12 Isolines hasil simulasi
modeling
perubahan
bentuk
geometri lebih mudah dilakukan. Oleh
Dari hasil gambar simulasi garis aliran (part
karena
lines) dibawah ini kita dapat menyimpulkan
bergelombang
apakah pola aliran yang terjadi dalam pipa
CAD
baja bergelombang sudah efektif atau
dilakukan analisa dimensional khususnya
belum.
menyangkut perubahan geometri yang akan
itu yaitu
dalam
modeling
menggunakan SolidWork.
berpengaruh
pada
pipa
software
Setelah
itu
penurunan
tekanan ( pressure drop ) pada aliran fluida didalam pipa.
Dalam suatu aliran didalam pipa pada kenyataan terjadi penurunan tekanan
= 0,785 x 7,84 = 6,154 m² Dengan memasukan A didapat
yang disebabkan oleh faktor-faktor sebagai berikut antara lain panjang pipa, diameter pipa, kecepatan, kekasaran permukaan
V =
Q A
V =
5,416 6,154
dinding pipa sebelah dalam, sifat-sifat fluida,
kerapatan
viskositas.Perbandingan
dan
Pressure
Drop
pada pipa baja bergelombang dengan cara empiris dan simulasi dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui sejauh mana selisih atau perbedaan Pressure drop dengan cara empiris dan dengan cara simulasi pada CFD. 4.1.1
= 0,881 m/s Jadi kecepatan aliran fluida
baja bergelombang dengan diameter 2,8 m sebesar 0,881 m/s dimana : Q = debit aliran (m3/s)
Analisa pressure drop pipa baja
V = kecepatan aliran (m/s)
bergelombang dengan metode
A = luas penampang (m2)
empiris Diketahui : Panjang ( L ) = 113,709 m Flowrate ( Q ) = 19500 m³/h
Dalam skripsi ini suhu air diasumsikan 20ºC sehingga ρ = 998,2 kg/m³ dan µ = 1,005 x 10 ³ N.s/m² ( tabel 2.1 )
Diameter ( D ) = 2,8 m friction = 0,0509
Re =
Velocity ( V ) = 0,881 m/s Perhitungan
debit
aliran
pipa
baja
ρVD = µ
1 jam = 3600 s (detik)
998,2 × 0,881 × 2,8 2462,35976 = = −3 1,005 × 10 1,005 × 10 −3
Flow rate pipa diameter 2,8 mm
2450109,214
bergelombang diameter 2,8 meter 9
untuk pipa
19500 m³/h => 19500 : 3600 = 5,416 m³/s
Q Maka V = A Dimana luas penampang
1 A = πD 2 4
Faktor gesekan ( f ) = 0,0509
f ( L / D ) ρV 2 ∆P = = 2 0,0509.(113,709 / 2,8).998,2.0,8812 2 =
1 = .3,14.2,8 2 4
1601,48905 = 800,75 Pa 2
Pada analisa simulasi atau eksperimen aliran
didalam
pipa
tidak
langsung
berkembang
penuh,
sehingga
untuk
Flow rate pipa diameter 3,3 m
mencari aliran berkembang penuh dapat
39000 m³/h => 39000 : 3600
dicari dengan cara sebagai berikut :
= 10,833 m³/s
1 Le = 4,4. Re 6 D
Le = D.4,4. Re =
2,8.4,4.2450109,214
4.1.2
Q A
Maka V = 1
Dimana luas penampang
6
1
1 A = πD 2 4
= 143,05 m
6
( pressure drop ) untuk pipa baja
1 = .3,14.3,3 2 4
bergelombang
= 0,785 x 10,89
Perhitungan penurunan tekanan
diameter
2,8
= 8,548 m²
meter Untuk
melakukan
perhitungan
Dengan memasukan A didapat
perhitungan secara empiris, maka data yang diperoleh adalah sebagai berikut.
V =
Q A
V =
10,833 8,548
Diketahui : Panjang ( L ) = 113,709 Diameter ( D ) = 2,8 m Percepatan gravitasi ( g ) = 9,81 m/s² Kecepatan rata-rata aliran ( V ) = 0,881 m/s friction factor = 0,0509
hf = f ⋅
2
L V ⋅ D 2⋅ g
= 1,269 m/s Jadi kecepatan aliran fluida baja
bergelombang
untuk pipa
dengan
diameter
3,3m sebesar 1,269 m/s dimana : Q = debit aliran (m3/s)
= 0,0509 ⋅
113,709 0,8812 ⋅ 2,8 2 ⋅ 9,81
V = kecepatan aliran (m/s) A = luas penampang (m2) Dalam skripsi ini suhu air diasumsikan
113,709 0,78 = 0,0509 ⋅ ⋅ 2,8 19,62
20ºC sehingga ρ = 998,2 kg/m³ dan µ = 1,005 x 10 ³ N.s/m² ( tabel 2.1 )
= 0,0509 . 40,62 . 0,040 = 0,082 m
4.1.3
Perhitungan debit aliran pipa
baja bergelombang diameter 3,3 meter 9
1 jam = 3600 s (detik)
Re =
ρVD = µ
998,2 × 1,269 × 3,3 4180,16214 = 1,005 × 10 −3 1,005 × 10 −3 = 4159365,313
Faktor gesek ( f ) = 0,0482
∆P =
= 1,059 m
f ( L / D ) ρV 2 = 2
4.2 Analisa pressure drop pada pipa baja
bergelombang
dengan
metode simulasi CFD
0,0482.(884,697 / 3,3).998,2.1,269 2 2
4.2.1 Analisa pressure drop pipa baja bergelombang diameter 0,28 meter
20771,52883 = 10385,76 Pa = 2
Re model = Re prototype
Pada analisa simulasi atau eksperimen
Re =
aliran
didalam
berkembang
pipa
tidak
penuh,
langsung
sehingga
untuk
mencari aliran berkembang penuh dapat dacari dengan cara sebagai berikut :
3,3.4,4.4159365,313
1
6
Dalam skripsi ini suhu air diasumsikan 20ºC sehingga ρ = 998,2 kg/m³ dan µ = 1,005 x 10 ³ N.s/m² ( tabel 2.1 ) Diketahui : Re model = 2450109,214
1 Le = 4,4. Re 6 D
Le = D.4,4. Re
ρVD µ
Diameter pipa 0,28 meter Ditanya : V model 1
=
6
= 184,14 m
Re =
ρVD µ
=
998,2 ×V × 0,28 1,005 × 10 −3
2450109,214 4.1.4
Perhitungan penurunan tekanan
V model =
( pressure drop ) untuk pipa baja bergelombang
diameter
3,3
meter Diketahui : Panjang ( L ) = 884,697 m Diameter ( D ) = 3,3 m
2450109,214 × 1,005 × 10 −3 0,28 × 998,2
=
2462359,76 × 10 −3 279,496
= 8810 × 10
−3
= 8,81 m/s
Dimana luas penampang A =
Percepatan gravitasi ( g ) = 9,81 m/s²
1 πD 2 4
Kecepatan rata-rata aliran ( V ) = 1,269 m/s friction factor = 0,0482
hf = f ⋅
L V2 ⋅ D 2⋅ g
884,697 1,269 2 = 0,0482 ⋅ ⋅ 3,3 2 ⋅ 9,81
= 0,0482 ⋅
1 = .3,14.0,28 2 4 = 0,785 x 0,0784 = 0,0615 m² Diketahui : A model = 0,0615 m² V model = 8,81 m/s
884,697 1,61 ⋅ 3,3 19,62
Ditanya : Q model
= 0,0482 . 268,09 . 0,082
Jawab : Q model = V model x A model
=
= 8,81 m/s x 0,0615 m² = 0,54 m³/s
Gambar 4.2 Isolines pipa baja
f model = f prototype ( f = 0,0509 )
bergelombang
f ( L / D ) ρV 2 ∆P = = 2
0,0509.(1 / 0,28).998,2.8,812 = 2 14084,10108 = 7042,05 Pa 2 Analisa
ini
dilakukan
dengan
tujuan untuk mengetahui pressure drop aliran fluida didalam pipa yang terjadi pada
Gambar 4.3 Flow trajectory pipa baja
pipa baja bergelombang . Untuk dapat
bergelombang
mengetahui pressure drop yang terjadi
Pada
pada aliran fluida di dalam pipa penulis
menunjukkan
mencoba untuk meneliti dan menganalisa
pressure drop ) yang terjadi pada pipa
hal
simulasi.
baja bergelombang dengan nilai tekanan
Simulasi ini dilakukan dengan debit aliran
maksimum sebesar 99620,7 Pa dan nilai
sebesar 0,54 m³/s ,panjang pipa 1 m dan
minimumnya sebesar -71,9121 Pa. Dan
diameter 0,28 m.
banyaknya iterasi yang terjadi sebanyak
itu
dengan
melakukan
gambar
hasil
simulasi
penurunan
diatas
tekanan
(
80 iterasi. Dari data hasil simulasi diatas dapat kita lakukan perhitungan untuk mengetahui
besarnya
nilai
koefisien
faktor gesek ( friction ) pada gambar pipa bergelombang tersebut dengan melihat grafik dan daftar tabel hasil perhitungan simulasi dibawah ini : Gambar 4.1 Kontur tekanan statis pada pipa baja bergelombang
Gambar 4.4 Grafik pressure perhitungan simulasi
∆P = P output – P input =
Jawab :
18940,52465 Pa – 13678,44202 Pa = 5262,08263 Pa = 5262,08 Pa
∆P = Gambar 4.5 Grafik velocity perhitungan simulasi
maka
Tabel 4.1 Hasil perhitungan simulasi
f =
f ( L / D ) ρV 2 2
∆Ρ.2.D L.ρ .V 2
=
5262,08 × 2 × 0,28 1 × 998,2 × 8,812
=
2946,764 77476,391
= 0,0381 Jadi besarnya nilai faktor gesek ( friction ) untuk pipa baja bergelombang dengan diameter 0,28m sebesar 0,0381 Setelah mengetahui besarnya nilai faktor gesek
(friction)
maka
kita
dapat
mengetahui penurunan tekanan (pressure drop) seperti dibawah ini : Diketahui : Panjang ( L ) = 1 m Diameter ( D ) = 0,28 m Percepatan gravitasi ( g ) = 9,81 m/s² Diketahui :
Kecepatan rata-rata aliran ( V ) = 8,81
Tekanan awal ( P inlet) = 13678,44202 Pa
m/s
Tekanan akhir ( Poutlet) = 18940,52465 Pa
friction factor = 0,0381
Diameter pipa ( D ) = 0,28m
Ditanya : penurunan tekanan (pressure
Panjang pipa ( L ) = 1m
drop)
Kecepatan aliran ( V ) = 8,81 m/s
Jawab :
Massa jenis fluida ( ρ ) = 998,2 kg/m³ ( suhu air 20º C ) Ditanya : f ( faktor gesek )
hf = f ⋅
L V2 ⋅ D 2⋅ g
1 = .3,14.0,33 2 4
1 8,812 ⋅ 0,28 2 ⋅ 9,81
= 0,0381 ⋅
= 0,785 x 0,1089 = 0,0854 m²
1 77,61 ⋅ 0,28 19,62
= 0,0381 ⋅
Diketahui : A model = 0,0854 m²
= 0,0381 . 3,571 . 3,955
V model = 12,69 m/s
= 0,538 m Jadi
Ditanya : Q model
besarnya
(pressure
drop)
penurunan untuk
tekanan pipa
Jawab : Q model = V model x A model = 12,69 m/s x 0,0854 m²
baja
= 1,083 m³/s
bergelombang dengan diameter 0,28m sebesar 0,538 m
f model = f prototype ( f = 0,0482 )
4.2.2 Analisa pressure drop pipa baja
∆P =
bergelombang diameter 0,33 m Re model = Re prototype
Re =
ρVD µ
20ºC sehingga ρ = 998,2 kg/m³ dan µ =
=
0,0482.(1 / 0,33).998,2.12,69 2 2 =
Dalam skripsi ini suhu air diasumsikan
f ( L / D ) ρV 2 2
23478,69251 = 11739,34 Pa 2 Analisa
ini
dilakukan
dengan
1,005 x 10 ³ N.s/m² ( tabel 2.1 )
tujuan untuk mengetahui pressure drop
Diketahui : Re model = 4159365,313
aliran fluida didalam pipa yang terjadi
Diameter pipa 0,33 meter
pada pipa baja bergelombang . Untuk
Ditanya : V model
dapat mengetahui pressure drop yang
ρVD µ
terjadi pada aliran fluida di dalam pipa
Re =
=
998,2 ×V × 0,33 1,005 × 10 −3
menganalisa hal itu dengan melakukan
= 4159365,313
4159365,313 × 1,005 × 10 −3 V model = 0,33 × 998,2 −3
=
4180162,14 × 10 329,406
=
12690 × 10 −3 = 12,69 m/s
Dimana luas penampang A =
penulis mencoba untuk meneliti dan
1 πD 2 4
simulasi. Simulasi ini dilakukan dengan debit aliran sebesar 1,083 m³/s, panjang pipa 1 m dan diameter 0,33 meter.
mengetahui
besarnya
nilai
koefisien
faktor gesek ( friction ) pada gambar pipa bergelombang tersebut Dengan melihat grafik dan daftar tabel hasil perhitungan simulasi dibawah ini :
Gambar 4.6 Kontur tekanan statis pada pipa baja bergelombang
Gambar 4.9 Grafik pressure perhitungan simulasi
Gambar 4.7 Isolines pipa baja bergelombang Gambar 4.10 Grafik velocity perhitungan simulasi
Tabel 4.2 Hasil perhitungan simulasi
Gambar 4.8 Flow trajectory pipa baja bergelombang Pada
gambar
menunjukkan
hasil
simulasi
penurunan
diatas
tekanan
(
pressure drop ) yang terjadi pada pipa baja bergelombang
dengan
nilai
tekanan
maksimum sebesar 176256 Pa dan nilai minimumnya sebesar -29559 Pa. Dan banyaknya iterasi yang terjadi
sebanyak
91 iterasi. Dari data hasil simulasi diatas dapat
kita
lakukan
perhitungan
untuk
Diketahui : Panjang ( L ) = 1 m Diameter ( D ) = 0,33 m Percepatan gravitasi ( g ) = 9,81 m/s² Diketahui :
Kecepatan rata-rata aliran ( V ) = 12,69
Tekanan awal ( P inlet) = 25483,6548 Pa
m/s
Tekanan akhir ( P outlet) = 39696,36704Pa
friction factor = 0,0583
Diameter pipa ( D ) = 0,33m
Ditanya : penurunan tekanan (pressure
Panjang pipa ( L ) = 1m
drop)
Kecepatan aliran ( V ) = 12,69 m/s
Jawab :
Massa jenis fluida ( ρ ) = 998,2 kg/m³
L V2 hf = f ⋅ ⋅ D 2⋅ g
( suhu air 20º C ) Ditanya : f ( faktor gesek ) Jawab : ∆P = P outlet – P inlet = 39696,36704 Pa – 25483,6548 Pa
= 0,0583 ⋅
1 12,69 2 ⋅ 0,33 2 ⋅ 9,81
= 0,0583 ⋅
1 161,03 ⋅ 0,33 19,62
= 14212,71224 Pa = 14212,71 Pa
∆P =
f ( L / D ) ρV 2 2
= 0,0583 . 3,030 . 8,207 = 1,449 m
maka
f =
∆Ρ.2.D L.ρ .V 2
Jadi
(pressure
14212,71 × 2 × 0,33 = 1 × 998,2 × 12,69 2 =
besarnya drop)
penurunan untuk
tekanan pipa
baja
bergelombang dengan diameter 0,33 m sebesar 1,449 m
9380,388 160746,235
= 0,0583 Jadi besarnya nilai faktor gesek ( friction ) untuk pipa baja bergelombang dengan diameter 0,33m sebesar 0,0583 Setelah mengetahui besarnya nilai faktor gesek
(friction)
maka
kita
dapat
mengetahui penurunan tekanan (pressure drop) seperti dibawah ini :
Gambar 4.11 Vektor Plot Kecepatan Di Sekitar Ulir
•
Penurunan tekanan (pressure drop) sebesar 0,082 m
b. Perhitungan
pada
pipa
baja
bergelombang diameter 0,28 m dengan cara simulasi CFD
Gambar 4.12 Vektor Plot Kecepan
•
Velocity sebesar 8,81 m/s
•
Nilai
faktor
gesek
(friction)
sebesar 0,0381
V PENUTUP
•
Debit aliran sebesar 0,54 m³/s
•
Penurunan tekanan (pressure
Kesimpulan
drop) sebesar 0,538 m
Setelah dilakukan analisa fluida di
c.
Perhitungan
pada
pipa
baja
dalam pipa baja bergelombang dengan
bergelombang
menggunakan metode CFD maka dapat
dengan cara empiris
diambil kesimpulan sebagai berikut :
•
Velocity sebesar 1,269 m/s
•
Nilai
1. Hasil simulasi yang dilakukan pada pipa baja bergelombang dengan
faktor
gesek
3,3
m
(friction)
sebesar 0,0482
variasi diameter dimana semakin
•
Debit aliran sebesar 10,83 m³/s
besar diameter pada pipa baja
•
Penurunan tekanan (pressure
bergelombang maka
pengaruh
faktor gesek (friction) yang terjadi
drop) sebesar 1,059 m d. Perhitungan
pada
pipa
baja
semakin kecil dan hal itu juga yang
bergelombang diameter 0,33 m
menyebabkan penurunan tekanan
dengan cara simulasi CFD
(pressure drop) semakin kecil.
•
Velocity sebesar 12,69 m/s
•
Nilai
2. Pengaruh faktor gesek terhadap velocity, debit aliran dan presure drop pada masing-masing pipa baja
bergelombang
melalui
perhitungan empiris dan simulasi CFD diketahui bahwa : a. Perhitungan
pada
bergelombang
pipa
diameter
baja
2,8
m
dengan cara empiris •
Velocity sebesar 0,881 m/s
•
Nilai
faktor
gesek
(friction)
sebesar 0,0509 •
diameter
Debit aliran sebesar 5,41 m³/s
faktor
gesek
(friction)
sebesar 0,0583 •
Debit aliran sebesar 1,083 m³/s
•
Penurunan tekanan (pressure drop) sebesar 1,449 m
DAFTAR PUSTAKA 1. Reuben M. Olson & Steven J. Wright, Dasar-Dasar
Mekanika
Fluida
Teknik, Jakarta: Gramedia Pustaka Utama. 1993.
2. Victor L. Streeter & E. Benjamin Wylie. Mekanika
Jakarta:
Fluida,
Erlangga.1993. 3. Bruce R. Munson & Donald F. Young, Mekanika Fluida, Jakarta: Erlangga. 2005. 4. Raswani,
Perencanaan
dan
Penggambaran Sistem Perpipaan, Universitas Indonesia. Jakarta, 1987. 5. Ahmad Fauzan, Rancangan Bangun Circular
Hovercraft
Aliran
pada
Mempengaruhi dengan
dan
Analisa
Bagian
yang
Cushion
Computational
Pressure Fluid
Dynamics, Jakarta. 2006.
6. Situs internet :http://www.EFD.lab.com 7. Situs csp.co.id
internet
:http://www.pt-
