ANALYSIS OF THE FRICTION EFFECT FACTOR AT DROP PRESSURE CORRUGATED STEEL PIPES WITH COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) Yugo Kuswantoro, Dr. Ir. Ahmad Indra. S, Ridwan, ST, MT Undergraduate Program, Faculty of Industrial Technology, 2009 Gunadarma University http://www.gunadarma.ac.id Keyword : Corrugated Steel Pipe, Scratch Factor Analysis, CFD ABSTRACT Pipes is a fluid transport is very cheap, the pipe has a cross-section of various sizes and shapes. Pressure drop in pipe flow is very important to know in order to design the piping system. Pipe roughness, pipe length, pipe diameter, fluid type, speed and shape of the flow is very related to the decrease in pressure (Pressure Drop). The purpose of this study was to determine the effects of changes in friction factor (friction) against the pressure drop (pressure drop) in the corrugated steel pipe. Simulations in this study conducted to determine the technically important factor in the decrease in pressure (pressure drop) in the corrugated pipe. With the help of CFD applications performed variations of magnitude of the constant friction factor (friction) which affects the pressure drop.
ANALISIS PENGARUH FAKTOR GESEK TERHADAP PRESSURE DROP PADA PIPA BAJA BERGELOMBANG DENGAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS ( CFD ) 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.
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.
Dalam dunia industri tersebut
Pendahuluan Seiring dengan perkembangan
efisiensi
dan
kwalitas
produk
zaman, kebutuhan akan teknologi akan
mempunyai hubungan yang sangat
semakin meningkat. Teknologi kini
erat
tidak hanya konsumsi individu yang
diperlukan, karena dengan efisiensi
modern akan tetapi adalah bagian dari
yang
kehidupan sehari-hari yang akan selalu
diperlukan dapat ditekan dan harga
dibutuhkan dan akan terus mengalami
jual barang mereka lebih kompetitif
perkembangan
dengan
dan salah satu teknologi yang berguna
kebutuhan yang diinginkan manusia itu
dalam dunia industri untuk mencapai
sendiri.
tingkat efisiensi kerja yang tinggi
sesuai
dengan tinggi
jumlah maka
biaya biaya
yang yang
Industri merupakan salah satu
adalah dengan menggunakan pompa
sektor andalan dari setiap Negara
dan pipa guna pendistribusian fluida
termasuk Indonesia, kemajuan industri
cair dalam proses produksi.
akan lebih baik jika dipacu dan
Munculnya
ilmu
mekanika
didukung oleh kemajuan bidang ilmu
fluida karena mengikuti penemuan
pengetahuan
berbagai
hukum
dan
lahirnya
teknologi.
Ini
pengetahuan
dan
sejumlah kasus yang punya hubungan
teknologi berhubungan erat dengan
dengan keseimbangan dan gerakan
industri.
fluida.
disebabkan
teknologi
dan ilmu
Ilmu yang
pengetahuan umat
dan
manusia
Orang
mempelajari
pertama
dan
yang
memperkenalkan
kembangkan pada saat ini berdampak
ilmu ini adalah Leonardo Da Vinci
tidak hanya pada bidang komunikasi
pada pertengahan abad XV dengan
dan transportasi, tapi juga dibidang
karya tulisnya “On The Flow Of
industri yang semakin bersaing lagi
Water And River Structures” yang
dengan adanya era globalisasi.
didapatkannya
ketika
melakukan
observasi dan pengalaman membangun
berada, fluida selalu mempengaruhi
instalasi fluida.
berbagai
kegiatan
kita
dalam
Galileo
kehidupan sehari-hari kita baik itu
mengenai
dalam bentuk liquid ataupun gas.
dasar-dasar mekanika fluida. Dan pada
Berbagai fenomena dalam fluida dapat
tahun 1643 Toreicelli memperkenalkan
kita pelajari sebagai bagian dari ilmu
hukum tentang aliran bebas zat cair
fisika, atau secara khusus kita dapat
melewati lubang kemudian pada tahun
mendalaminya dalam ilmu mekanika
1650 diperkenalkan hukum distribusi
fluida.
Berikutnya dengan
study
muncul
sistematik
Pipa
tekanan dalam zat cair yang dikenal
merupakan
sarana
dengan hukum Pascal, yakni hukum
transportasi fluida yang murah. Pipa
tentang gesekan dalam fluida yang
memiliki berbagai ukuran dan bentuk
mengalir, yang sangat terkenal sampai
penampang.
saat ini dirumuskan oleh Isaac Newton.
penampangnya,
pipa
yang
berpenampang
lingkaran
(pipa
Dasar teori mekanika fluida dan hidrolika
kemudian
setelah
Daniel
menjadi
baku
Bernoulli
Dari
segi
bentuk
sirkular) adalah pipa yang paling banyak
digunakan.
Material
pipa
memperkenalkan ilmunya antara 1728-
bermacam-macam, yaitu plastic, baja,
1778 dengan menerbitkan 47 judul
pvc, logam, acrylic, dan lain-lain. Aliran fluida didalam pipa
buku tentang matematika, mekanika dan lain-lain. Salah satunya dengan
pada
tulisannya tentang dinamika fluida
penurunan tekanan seiring dengan
membuat rumusan yang merupakan
panjang pipa yang dilalui fluida
hukum
tersebut.
dasar
aliran
fluida
yang
kenyataannya
Menurut
mengalami
teori
dalam
menyatukan hubungan antara tekanan
mekanika fluida, hal ini disebabkan
(P), kecepatan (V) dan head (H) dari
karena fluida yang mengalir memiliki
fluida yang merupakan prinsip dari
viskositas.
teori mekanika fluida secara umum.
menyebabkan timbulnya gaya geser
Fluida adalah suatu yang tidak
Viskositas
ini
yang sifatnya menghambat. Untuk
bisa lepas dari kehidupan sehari-hari
melawan
kita, dimanapun dan kapanpun kita
diperlukan
gaya
geser
energi
tersebut sehingga
mengakibatkan adanya energi yang
untuk berkembang pula. Salah satu
hilang pada aliran fluida. Energi yang
efek perkembangan ilmu pengetahuan
hilang ini mengakibatkan penurunan
dan teknologi di bidang fluida adalah
tekanan aliran fluida atau disebut juga
perkembangan ilmu “Computational
kerugian
Fluid Dynamics” yaitu perhitungan
tekanan
(head
loses).
Mekanika fluida merupakan cabang
dan
pemecahan
berbagai
ilmu teknik mesin yang mempelajari
permasalahan dalam bidang fluida
keseimbangan dan gerakan gas maupun
dengan
zat cair serta gaya tarik dengan benda -
dengan metode numeric.
menggunakan
computer
benda disekitarnya atau yang dilalui
Computational
saat mengalir. Dimana pada dunia
Dynamics (CFD) adalah suatu
industri
sebagian
besar
fluidanya
bidang
ilmu
Fluid
yang
melakukan
mengalir pada pipa tertutup (closed
perhitungan secara numeric (metode
conduit flow) dan memiliki beberapa
numeric) untuk memecahkan berbagai
masalah utama yang terjadi antara lain :
permasalahan dalam fluida. Masalah
1. Terjadinya gesekan disepanjang
yang diselesaikan dalam CFD ini dalam bentuk persamaan-persamaan
dinding pipa. 2. Terjadinya kerugian tekanan
yang berlaku dalam ilmu fluida.
3. Terbentuknya turbulensi akibat
Penggunaan
teknologi
CFD
gerakan relative dalam molekul
(Computational Fluid Dynamics) saat
fluida
ini sudah sangat berkembang karena
yang
dipengaruhi
viskositas fluida.
kelebihannya
terutama
dalam
hal
Karena masalah-masalah diatas dapat
menganalisis suatu permasalahan yang
menyebabkan timbulnya kerugian pada
berkaitan
kinerja mesin fluida, maka diperlukan
fluida, perpindahan kalor dan massa
kajian yang mendalam dalam bidang
maupun
mekanika fluida supaya masalah -
didalamnya
masalah diatas dapat dipecahkan.
pembakaran) dalam waktu yang lebih
dengan fenomena
masalah yang
(seperti
aliran terlibat reaksi
Dewasa ini, seiring dengan
cepat dan mengeluarkan biaya yang
perkembangan ilmu pengetahuan dan
lebih kecil. Salah satu fenomena
teknologi, ilmu fluida semakin dituntut
fluida
yang
dapat
disimulasikan
dengan menggunakan teknologi CFD
benda itu akan berdeformasi (biasanya
yaitu fenomena yang terjadi pada aliran
sangat kecil), tetapi tidak akan terus
didalam
menerus
pipa
baja
bergelombang
berdeformasi
(mengalir).
Namun, cairan seperti air, minyak,
(Corrugated Steel Culvert Pipe ).
dan udara memenuhi definisi dari II
sebuah fluida. Secara umum fluida
Landasan Teori
2.1
dibagi menjadi dua, yaitu statika
Mekanika Fluida Mekanika
cabang
ilmu
fluida
teknik
mempelajari
merupakan mesin
keseimbangan
yang dan
gerakan gas maupun zat cair serta gaya tarik dengan benda-benda disekitarnya atau
yang
Sedangkan
dilalui
saat
mengalir.
istilah
fluida
didalam
mekanika mempunyai pengertian yang lebih luas dibanding yang kita lihat
fluida dan dinamika fluida. Statika fluida
adalah
bergerak
fluida
(diam),
yang
tidak
dinamika
fluida
adalah fluida yang bergerak. Dalam penerapannya, fluida tidak terlepas dari viskositas.
Viskositas secara
umum dapat didefinisikan sebagai ketahanan sebuah fluida terhadap deformasi / perubahan bentuk. [1]
dalam kehidupan sehari-hari, dimana fluida
adalah
cenderung
semua
bahan
berubah
yang
bentuknya
2.2
Mekanika fluida adalah ilmu yang mempelajari tentang tipe-tipe
sangat kecil. Fluida
secara sebagai
khusus zat
yang
berdeformasi terus menerus selama dipengaruhi Sebuah
suatu
tegangan
tegangan geser
geser.
terbentuk
apabila sebuah gaya tangensial bekerja pada
sebuah
Aliran
Fluida
walaupun mengalami gaya luar yang
didefinisikan
Macam-macam
permukaan.
Apabila
benda-benda padat biasanya seperti baja atau logam-logam lainnya dikenai oleh suatu tegangan geser, mula-mula
aliran fluida dalam medium yang berbeda-beda. Aliran fluida terbagi atas
beberapa
kategori,
dibagi
berdasarkan sifat-sifat yang paling dominan dari aliran tersebut, atau berdasarkan jenis dari fluida yang terkait. [2] Berdasarkan
pergerakannya
fluida terdiri dari : •
Steady Flow
aliran
•
Steady flow merupakan suatu
bergerak dalam lapisan-lapisan,
aliran fluida dimana kecepatannya
atau lamina-lamina dengan satu
tidak terpengaruh oleh perubahan
lapisan meluncur secara merata.
waktu,
Dalan
sehingga
kecepatan
aliran tersebut.
meredam
Non Steady Flow
kecenderungan
Non steady flow terjadi apabila
gerakan relative antara lapisan.
ada suatu perubahan kecepatan
Sehingga
pada
memenuhi
aliran
tersebut
terhadap
berfungsi
ini
viskositas
untuk
kecenderunganterjadinya
aliran
laminar
pasti
hukum
viskositas Newton, yaitu:
Uniform Flow
τ =μ
Uniform flow merupakam aliran
•
laminar
konstan pada setiap titik pada
perubahan waktu. •
aliran
du dy
fluida yang terjadi besar dan arah
(2.1)
dari vector-vektor kecepatan tidak
dimana :
berubah dari suatu titik ke titik
τ
berikutnya dalam aliran fluida
pada fluida (N/m2)
tersebut.
μ
Non Uniform Flow
dinamik fluida (kg/m.det)
Aliran ini terjadi jika besar dan
du/dy
arah
kecepatan ((m/det/m)
vector-vektor
kecepatan
fluida selalu berubah terhadap
•
= tegangan geser =
viskositas =
gradient
Aliran Turbulen
lintasannya. Ini terjadi apabila
Aliran
turbulen
luas penampang medium fluida
sebagai
aliran
juga berubah.
pergerakan
didefinisikan yang
dimana
partikel-partikel
fluida sangat tidak menentu Aliran fluida berdasarkan gaya yang
karena mengalami pencampuran
bekerja pada fluida tersebut:
serta
•
putaran
lapisan,
Aliran Laminar
yang
partikel
antar
mengakibatkan
didefinisikan
saling tukar momentum dari satu
sebagai aliran dengan fluida yang
bagian fluida kebagian fluida
Aliran
laminar
yang lain dalam skala yang besar.
1. Kedua aliran tersebut serupa
Dalam keadaan aliran turbulen
secara
maka
ukuran-ukuran
turbulensi
yang
terjadi
geometrik,
bersesuaian
yang
perbandingan yang konstan.
merata
kerugian aliran.
diseluruh
fluida
aliran
yang
bersesuaian
adalah
serupa
geometrik,
atau
[2]
Aliran Transisi
tekanan-tekanan di titik-titik
Aliran transisi merupakan aliran
yang bersesuaian mempunyai
peralihan dari aliran laminar ke
perbandingan konstan.
aliran turbulen.
Dalam menyimak dua situasi
Aliran
berdasarkan
bisa
tidaknya
aliran yang serupa secara geometrik Reynolds
dicompres :
•
mempunyai
2. Garis-garis secara
•
Compressible
flow,
dimana
menyimpulkan
bahwa
aliran-aliran tersebut akan serupa
aliran ini merupakan aliran yang
secara
dinamik
jika
mampu mampat.
persamaan diferensial umum yang
Incompressible flow, aliran tidak
menggambarkan aliran-aliran tersebut
mampu mampat.
indentik. [3]
Re = 2.3
yang
mengakibatkan tegangan geser sehingga menghasilkan kerugian-
•
linier
yakni
Bilangan Reynolds
persamaan-
VDρ
μ
Bilangan Reynolds digunakan untuk menentukan sifat pokok aliran,
(2.2)
apakah aliran tersebut laminar, transisi
υ=
atau turbulen. Osborne Reynolds telah mempelajari
untuk
mencoba
menentukan bila dua situasi aliran yang berbeda akan serupa secara dinamik bila memenuhi:
μ ρ
(2.3) Dengan
mensubtitusikan
persamaan (2.3) kedalam persamaan (2.2) maka akan didapat :
Re =
νD υ
dengan seiring tambahnya kenaikan temperatur hal ini disebabkan gayagaya kohesi pada zat cair
(2.4) dimana:
dipanaskan
akan
penurunan
dengan
mengalir (m/det)
semakin
cair yang menyebabkan turunnya viskositas dari zat cair tersebut. [4]
D = diameter dalam pipa (m) 3
ρ = massa jenis fluida (kg/m ) μ = viskositas dinamik fluida 2
(kg/m .det) 2
Viskositas dibagi menjadi dua macam: 1. Viskositas
dinamik
viskositas
mutlak
viscosity)
mempunyai
atau
(absolute nilai
υ = viskositas kinetik (m /s)
sama dengan hukum viskositas
Pada fluida air suatu aliran
Newton.
diamsusikan laminar bila aliran tersebut
μ=
mempunyai bilangan Reynolds (Re) kurang dari 2000, untuk aliran transisi berada pada bilangan Re 2000 < 3000 biasa juga disebut sebagai bilangan Reynolds
kritis,
sedangkan
aliran
turbulen mempunyai bilangan Reynolds lebih dari 3000.
ketahanan
τ du
dy
(kg/m.s) (2.5) dimana: τ
= tegangan geser pada
fluida (N/m2) du/dy
= gradient kecepatan
((m/s)/m)
Viskositas Viskositas
ukuran
mengalami
bertambahnya temperature pada zat
V = kecepatan fluida yang
2.4
bila
fluida
merupakan
sebuah
fluida
terhadap deformasi atau perubahan bentuk. Viskositas dipengaruhi oleh
2. Viskositas
kinematik
merupakan
perbandingan
antara
mutlak
terhadap kerapatan massa
υ=
temperatur, tekanan, kohesi dan laju perpindahan momentum molekulernya. Viskositas zat cair cenderung menurun
viskositas
(2.6) dimana:
μ ρ
(m2/s)
μ = nilai dari viskositas dinamik fluida (kg. m/s)
Nilai density dapat dipengaruhi oleh temperatur, semakin tingi temperatur
ρ = nilai kerapatan massa fluida 3
(kg/m )
maka kerapatan suatu fluida semakin berkurang karena disebabkan gaya
Tabel 2.1 Sifat-sifat air [4]
kohesi dari molekul-molekul semakin berkurang. [4]
2.6
Debit Aliran Debit
aliran
dipergunakan
untuk menghitung kecepatan aliran pada masing-masing pipa dimana [4]
rumus debit aliran : Q=
2.5
∀ t
Rapat Jenis (Density) Density atau rapat jenis (ρ)
sutau
zat
adalah
ukuran
bentuk
(2.8)
ini ditentukan dengan cara menghitung nisbah
(ratio)
massa
zat
yang
persamaan
kontinuitas didapat
konsentrasi zat tersebut dan dinyatakan dalam massa per satuan volume, sifat
dari
Q = VA Maka V =
Q A
terkandung dalam suatu bagian tertentu
1 Dimana A = πD 2 4
terhadap
Dengan memasukan A didapat
volume
bagian
tersebut.
Hubungannya dapat dinyatakan sebagai
V =
berikut:
ρ=
dm dv
Q 1 πD 2 4
(kg/m3)
(2.9) (2.7) dimana: m = massa fluida (kg) V = volume fluida (m3)
dimana : Q = debit aliran (m3/s) V = kecepatan aliran (m/s) A = luas penampang (m2)
∀ = volume fluida(m3)
z = tinggi suatu titik dari permukaan (m)
2.7
Persamaan-persamaan
yang
berkaitan dengan aliran fluida
2.8
Aliran di Dalam pipa
Persamaan kontinuitas [4]
Dalam
ρ . A.V = m = konstan
takmampu
(incompressible)
mampat didalam
(2.10)
aliran
pipa,
stedi
dinyatakan
dalam
dimana:
kerugian tinggi-tekan atau penurunan
ρ = massa jenis fluida (kg/m3)
tekanan (pressure drop).
A = luas penampang yang dilalui fluida
perhitungan
(m2)
umumnya dipakai persamaan Darcy
V = kecepatan aliran fluida (m/s)
Weisbach. [4]
Karena pada aliran incompressible
untuk mencari f (factor gesekan)
tidak ada perubahan aliran massa jenis
hf = f ⋅
maka berlaku:
didalam
L V2 ⋅ D 2⋅ g
Untuk
pipa
pada
(m) (2.13) dimana :
A.V = Q = konstan L = panjang pipa (m)
D = diameter pipa (m)
(2.11) dimana: Q
=
debit
aliran
(laju
=
kecepatan
rata-rata
aliran
(m/detik)
volumetrik)
V
Persamaan Bernoulli [2]
g = percepatan gravitasi (m/s2) f = friction factor (tidak berdimensi)
⎛ P ⎞ ⎛V 2 ⎜⎜ ⎟⎟ + ⎜⎜ ⎝ρ⎠ ⎝ 2
⎞ ⎟⎟ + g .z = konstan ⎠
(2.12)
untuk mencari taktor gesek f ( friction )
Aliran laminar
f =
dimana : P = tekanan pada suatu titik aliran fluida ( Pa )
ρ = massa jenis fluida (kg/m3) V = kecepatan fluida (m/s) g = percepatan gravitasi (m/s)
64 NR
(2.14)
Aliran turbulen
f =
diakibatkan
0,316 R1 / 4
nya.
Hal
ini
dapat
diartikan bahwa viskositas fluida (μ) konstan. (sesuai dengan hukum viskos
(2.15)
Newton), Pada
analisa
simulasi
sedangkan
fluida
Non-
atau
newtonian mengalami hubungan yang
eksperimen aliran fluida didalam pipa
tidak linier lagi antara besarnya
ketika berada disekitar pintu masuk
tegangan geser yang terjadi dan laju
kecepatan aliran diandaikan seragam
perubahan bentuknya. Suatu plastik
atau belum berkembang penuh. Untuk
ideal mempunyai tegangan searah
mencari aliran berkembang penuh dapat
tertentu dan hubungan linier yang
dicari dengan rumus sebagai berikut:
konstan antara tegangan geser dan laju
Le = 0,06. Re D aliran laminar
Untuk (2.16)
1 Le = 4,4. Re 6 D
Untuk
aliran turbulen
bentuk.
tiksotropik,
seperti
mempunyai
Suatu tinta
viskositas
zat cetak, yang
tergantung pada perubahan bentuk zat langsung sebelumnya dan mempunyai kecenderungan untuk mengental bila
(2.17)
2.9
perubahan
tidak bergerak. Pada umumnya gas Fluida Newtonian dan Fluida
Non-newtonian
Fluida ditinjau dari tegangan geser yang dihasilkan maka fluida
dan cairan encer cenderung bersifat Newtonian, sedangkan hidrokarbon berantai panjang yang kental mungkin bersifat Non-Newtonian. [4]
dapat dikelompokan dalam dua fluida yaitu, fluida Newtonian dan Nonnewtonian.
Fulida
Newtonian
mengalami hubungan yang linier antara besarnya tegangan geser dengan rate of share-nya yang berarti pada permukaan
Gambar 2.3 Diagram Rheologi [4]
dinding pipa tegangan gesernya yang terjadi dan laju perubahan bentuk yang
2.10
Pipa Baja Bergelombang
Pipa
merupakan
alat
transportasi fluida yang murah. Pipa
2.10.1 Sifat baja bergelombang
memiliki berbagai ukuran dan bentuk
-
Durability (Daya Tahan)
penampang salah satunya adalah pipa
-
Flexibelity (Kelenturan)
baja bergelombang. Namun pipa yang
-
Strength (Kekuatan)
berpenampang lingkaran (pipa sirkular)
-
Ease Of Installation (Instalasi
adalah
pipa
yang
paling
Mudah)
banyak
digunakan. Keistimewaan pipa baja bergelombang adalah bisa menjadi material pilihan untuk berbagai macam pemakaian seperti pengelolaan air,
-
Efesien dan Ekonomis
2.10.2 Aplikasi
Pipa
Baja
Bergelombang
1. Pembuangan Air
pembuangan air, penggantian jembatan
-
Jalan Raya
dan gorong-gorong. [5]
-
Jalan Kereta Api
memiliki
-
Lapangan Terbang
(OD),
-
Semburan Air / Air Tanah
Pipa
baja
bergelombang
dimensi diameter luar pipa
diameter dalam spiral (Di), diameter
2. Sistem Penahanan Jalan
yang
melintang
luar spiral (Do) dan panjang pitch pipa
-
baja bergelombang (P) seperti Gambar
dibawah jembatan
2.4
-
Kabel terowongan
Tampak samping :
-
Ventilasi
-
Tiang selongsong
2.10.3 Jenis Pipa
Tampak depan :
Dari sekian pembuatan pipa secara umum dapat dikelompokan menjadi dua bagian:
[3]
1. Jenis pipa tanpa sambungan (pembuatan pengelasan)
Gambar 2.4 Pipa Baja Bergelombang
pipa
tanpa
2. Jenis pipa dengan sambungan (pembuatan
pipa
dengan
suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagibagi menjadi beberapa bagian, hal ini
pengelasan)
sering 2.10.4 Macam
Sambungan
perpipaan
dapat
dikelompokan sebagai berikut: 1. Sambungan
dinamakan
sel
dan
meshing.
dengan
2. Sambungan
merupakan
sebuah
kontrol
penghitungan yang akan dilakukan
menggunakan pengelasan
adalah
aplikasi.
Kontrol-kontrol
penghitungan ini beserta kontrol-
dengan
menggunakan ulir Selain
prosesnya
dengan
Bagian-bagian yang terbagi tersebut
Perpipaan
Sambungan
disebut
kontrol
penghitungan
lainnya
merupakan pembagian ruang yang
sambungan
seperti
disebut tadi atau meshing. Nantinya,
diatas, terdapat pula penyambungan
pada setiap titik kontrol penghitungan
khusus yang menggunakan pengeleman
akan dilakukan penghitungan oleh
(perekat) serta pekeleman (untuk pipa
aplikasi dengan batasan domain dan
plastik dan pipa viber glass).Pada
boundary
pengilangannya
pipa
ditentukan. Prinsip inilah yang banyak
bertekanan rendah dan pipa dibawah 2”
dipakai pada proses penghitungan
sajalah yang menggunakan sambungan
dengan
ulir. [4]
komputasi komputer. Contoh lain
umumnya
condition
yang
menggunakan
telah
bantuan
penerapan prinsip ini adalah Finite 2.11
CFD (Computational Fluid
digunakan
Dinamics)
Computational Fluid Dynamics (CFD)
adalah
Element
metode
perhitungan
Analysis untuk
(FEA)
yang
menghitung
tegangan yang terjadi pada benda solid.
dengan sebuah control dimensi, luas
Sejarah CFD berawal pada
dan volume dengan memanfaatkan
tahun 60-an dan terkenal pada tahun
bantuan komputasi komputer untuk
70-an awalnya pemakaian konsep
melakukan perhitungan pada tiap-tiap
CFD hanya digunakan untuk aliran
elemen pembaginya. Prinsipnya adalah
fluida dan reaksi kimia, namun seiring
dengan
perkembangannya
industri
oleh aplikasi CFD adalah dengan
ditahun 90-an membuat CFD makin
kontrol-kontrol
dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain.
telah
Contoh sekarang ini banyak sekali
penghitungan
paket-paket sofware CAD menyertakan
melibatkan
konsep
persamaan-persamaan yang terlibat.
CFD
yang
dipakai
untuk
penghitungan
dilakukan
yang
maka
kontrol
tersebut
akan
dengan
memanfaatkan
menganalisa stress yang terjadi pada
Persaman-persamaan
desain yang dibuat. Pemakaian CFD
persamaan
secara
dengan memasukan parameter apa
umum
dipakai
untuk
yang
ini
adalah
membangkitkan
saja yang terlibat dalam domain.
memprediksi : •
Aliran dan panas
Misalnya ketika suatu model yang
•
Transfer massa
akan dianalisa melibatkan temperatur
•
Perubahan fasa seperti pada
berarti model tersebut melibatkan
proses melting pengembunan
persamaan energi atau konservasi dari
dan pendidihan
energi tersebut. Inisialisasi awal dari
•
Reaksi
kimia
seperti
Boundary condition adalah kondisi
pembakaran • • •
Gerakan
persamaan adalah boundary condition.
mekanis
seperti
dimana kontrol-kontrol perhitungan
piston dan fan
didefinisikan sebagai definisi awal
Tegangan dan tumpuan pada
yang akan dilibatkan ke kontrol-
benda solid
kontrol penghitungan yang berdekatan
Gelembung elektromagnetik CFD adalah penghitungan yang
mengkhususkan pada fluida. Mulai dari aliran fluida, heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida. Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida, konservasi energi, momentum, massa, serta species, penghitungan dengan CFD dapat dilakukan. Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan
dengannya
melalui
persamaan-
persamaan yang terlibat. [5] Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama: 1. Preposessor 2. Processor 3. Post processor Sub-Program Pre-processor
-
CAD (Membangun Geometri)
-
Membangun Mesh
-
Input Data Sifat Fluida Kerja
(massa
jenis,
viskositas,
dilakukan proses penghitungan datadata input dengan persamaan yang
konduktivitas dll.)
terlibat
-
penghitungan dilakukan hingga hasil
Input Kondisi Batasan Aliran
secara
iteratif.
Artinya
Sub-Program Processor (Solver)
menuju error terkecil atau hingga
Persamaan Dasar Aliran Fluida
mencapai
nilai
yang
konvergen.
-
Massa (Kontinuitas)
Penghitungan
-
Momentum
menyeluruh terhadap volume kontrol
-
Energi
dengan proses integrasi persamaan
Model Fisika
dilakukan
secara
diskrit. Tahap akhir merupakan tahap
-
Turbulensi
postprocessor
-
Reaksi (Pembakaran)
perhitungan
-
Radiasi
kedalam
dimana di
hasil
interpretasikan
gambar,
grafik
bahkan
animasi. Hal yang paling mendasar Sub-Program Post-Processor
mengapa
Menyajikan Hasil :
CFD) banyak sekali digunakan dalam
-
Pola Aliran (vektor dan kontur
dilakukan
-
sistem
Tekanan
dan
CFD
(Software
dunia industri, dengan CFD dapat
kecepatan, streamline, pathline dll.) Distribusi
konsep
analisa
dengan
terhadap
suatu
mengurangi
biaya
Distribusi Temperatur (untuk kasus
eksperimen dan tentunya waktu yang
non-isotermal)
panjang dalam melakukan eksperimen
Prepocessor dimana
data
adalah
diinput
pendefinisian
tahap
mulai
enggineering
tahap
yang
harus
serta
dilakukan menjadi lebih pendek. Hal
atau
ini yang mendasari pemakaian konsep
boundary condition. Ditahap ini juga
CFD adalah pemahaman lebih dalam
sebuah benda atau ruangan yang akan
akan
dianalisa dibagi-bagi dengan jumlah
diselesaikan dan pemahaman lebih
grid tertentu atau sering juga disebut
mengenai karakterisrik aliran fluida
dengan meshing. Tahap selanjutnya
dengan melihat hasil berupa grafik,
pendefinisian
adalah
domain
dari
tersebut. Atau dalam proses design
kondisi
processor,
pada
batas
tahap
ini
suatu
masalah
yang
akan
vektor, kontur dan bahkan animasi dari proses simulasi. [5] 3.2 III. Desain Pipa Baja Bergelombang
Langkah-langkah Simulasi
Untuk
memudahkan
simulasi dalam sub bab
Dan Tahapan Proses Simulasi
proses
ini akan
dijelaskan secara bertahap proses 3.1
Pipa Bergelombang
Pipa transportasi
simulasi
merupakan fluida.
Pipa
sarana memiliki
berbagai ukuran dan bentuk penampang salah
satunya
bergelombang.
adalah
Namun
pipa
pipa
yang
paling
yang banyak
digunakan. 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 yang menyebabkan timbulnya gaya geser 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).
geometri.
dari Secara
keseluruhan proses tersebut terdiri dari enam langkah yaitu : 1. Membuat model pipa baja bergelombang 2. Menentukan
kondisi
fisik model
Aliran fluida didalam pipa pada
yang
pembentukan
dimulai
pipa
berpenampang lingkaran (pipa sirkular) adalah
yang
3. Membuat mesh 4. Menentukan boundary condition 5. Menentukan parameter penyelesaian
dan
menjalankan simulasi 6. Menampilkan simulasi
hasil
yang akan disimulasikan pada skripsi
Mulai
ini adalah seperti gambar dibawah ini
Pembuatan model Pipa bergelombang
:
Menentukan kondisi fisik model
Langkah Pembuatan meshing
Membuat kondisi batasan
Menentukan parameter perhitungan numerik
Melaksanakan perhitungan atau komputasi
Gambar 3.2 Model aliran pipa bergelombang
Menampilkan hasil simulasi
3.2.2 Menentukan Kondisi Fisik
Selesai
Model
Gambar 3.1 Flowchart langkah pembuatan model CAD dan proses simulasi
3.2.1
Bergelombang
yang
perlu
dilakukan
pertama kali sebelum melakukan proses simulasi adalah membuat model aliran yang
terjadi
pada
pipa
baja
bergelombang. Dalam hal ini model yang dibuat adalah berupa model volume.
Asumsi
penyederhanaan
model yang dilakukan adalah dengan menganggap ketebalan pipa diabaikan. Dalam pembuatan model menggunakan SolidWork
Office
yang
perlu
dilakukan
selanjutnya adalah penentuan kondisi fisik dari model yaitu penentuan
Pembuatan Model Pipa Baja
Hal
Hal
Premium
2007
sebagai pembuat model. Dan model
model
penyelesaian,
fluida
yang
dipakai dan kondisi operasi. Penentuan model penyelesaian dibagi menjadi dua yaitu model penyelesaian analisis
tipe
Internal
flow
dan
External flow dan dalam hal ini analisis
Internal
flow
merupakan
pilihan yang tepat dalam menganalisis faktor
gesek
pada
pipa
baja
bergelombang, Dibawah ini adalah gambar dialog box dalam pemilihan tipe analisis untuk menentukan model penyelesaian.
dialog box untuk menentukan kondisi operasi.
Gambar 3.3 Penentuan model penyelesaian
Pemilihan jenis fluida merupakan salah satu faktor yang
Gambar 3.5 Menentukan kondisi operasi
penting dalam
menentukan hasil analisa yang akan diperoleh, dimana fluida ini terdiri dari
3.2.3 Meshing
fluida Newtonian, Non-newtonian dan
Meshing adalah proses dimana
Gas. Dan dalam analisis ini fluida yang
geometri secara keseluruhan dibagi-
dipakai adalah fluida Newtonian => air
bagi
( water).
Elemen-elemen kecil ini nantinya
dalam
elemen-elemen
kecil.
berperan sebagai kontrol surface atau volume
data
perhitungan
yang
kemudian tiap-tiap elemen ini akan menjadi
input
untuk
elemen
disebelahnya. Hal ini akan terjadi berulang-ulang Gambar 3.4 Pemilihan jenis fluida
hingga
domain
terpenuhi. Dalam meshing elemenelemen yang akan dipilih disesuaikan
Menentukan kondisi operasi dalam
dengan
melakukan analisis adalah suatu hal
geometri.
yang harus dilakukan peneliti dalam
dipakai adalah Result and Geometry
menentukan besarnya nilai Pressure,
Resolution, Setelah geometri berhasil
Temperature dan velocity yang di
di input selanjutnya adalah proses
berikan
meshing. Dalam penelitian ini semua
dalam
melakukan
proses
simulasi. Dibawah ini adalah gambar
kebutuhan Aplikasi
dan
bentuk
meshing yang
Boundary
konfigurasi tipe elemen di simulasi
condition
atau
merupakan definisi dari zona-zona
tetrahedron interval Result resolution
yang telah terdefinisi sebelumnya
sebesar 3 dan besarnya minimum gap
pada Result and Geometry Resolution.
size box sebesar 0.3322m. Dibawah ini
Dalam
adalah proses pembuatan meshing pipa
karakteristik
baja bergelombang melalui Result and
boundary
Geometry Resolution dan gambar hasil
didefinisikan
meshing :
Result and Geometry Resolution, di
menggunakan
elemen
hybrid
EFD
nilai-nilai
dari
masing-masing
tipe,
definisikan.
dan
yang
telah
sebelumnya
dalam
Karena
model
yang
digunakan adalah model aliran air sederhana maka boundary condition yang mungkin dan sesuai untuk mendefinisikan
keadaan
aktualnya
adalah velocity inlet untuk tempat Gambar 3.6 Proses pembuatan meshing
Berikut di bawah ini adalah gambar Pipa
Baja
Bergelombang
setelah
mengalami proses meshing.
masuknya air dari pompa. Dan outlet sebai tempat keluar air dari pipa bergelombang. kondisi
Pada
batasan
yang
skripsi
digunakan
adalah : Spesifikasi pipa baja bergelombang Tabel 3.1 Kapasitas Produk ( Product Capacity ) Diameter Pipa
Min. Ø 150 mm – Max.Ø 3600mm Gambar 3.7 Hasil meshing dari Result and Geometry Resolution
Tabel 3.2 Standart Aplikasi ( Application Standart )
3.2.4
Membuat Kondisi Batasan ( boundary condition )
ini
Unit : mm
Pitc Dept
Radi
Applicati
h
h
us
on
38
6.5
7.1
Ø150
68
75
13
25
17.5
17.5
Dalam
memberikan
data
input
boundary condition peneliti harus jelih –
karena
untuk
pengisian
terdapat
Ø800mm
beberapa hal yang harus dilakukan
Small
seperti pemilihan gambar permukaan
diameter
untuk lubang inlet ( Lid 1 ),
Ø300
–
menentukan arah sumbu referensi axis
Ø1.500m
, menentukan tipe boundary condition,
m
dan menentukan besarnya nilai flow
Medium
parameter.
diameter
gambar dialog box dalam features
Ø1.000 –
boundary condition yang akan tampil
Ø3.600m
dalam proses simulasi.
Di bawah ini adalah
m Large diameter Diameter Pipa : 2,8m Panjang
: 113,709m
Flow rate
: 19500 m³/h
Velocity
: 0,881 m/s
Friction Coef : 0,0509 Mayor loss
Gambar 3.8 Boundary condition
: 0,082m
3.2.5 Menentukan
Parameter
Perhitungan Numerik
Setelah selesai mendefinisikan Diameter Pipa : 3,3m
model yang akan disimulasikan maka
Panjang
: 884,697m
tahap selanjutnya adalah menentukan
Flow rate
: 39000 m³/h
parameter perhitungan numerik yang
Velocity
: 1,269 m/s
akan digunakan seperti kontrol solusi,
Friction Coef : 0,0482
melakukan initialize awal, monitor
Mayor loss
perhitungan numerik, dan kemudian
: 1,059m
melakukan proses iterasi simulasi, di dalam melakukan perhitungan secara
komputasi ini secara otomatis komputer
melihat hasil simulasi dari EFD dapat
akan melakukan perhitungan metode
dilakukan
elemen takhingga sampai mencapai
dilihat secara keseluruhan maupun
konvergensi,
target
proses
iterasi
akan
dengan tertentu
berbagai saja
cara, dengan
berhenti setelah terjadi konvergensi.
menentukan bidang, garis atau titik
Pada saat proses iterasi maka akan
pengamatan. Karena target utama
tampil
adalah
grafik
proses
perhitungan
untuk
melihat
bagaimana
perubahan
diameter
numerik dan display kontur tekanan
pengaruh
dalam pipa seperti gambar dibawah ini .
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
line)
untuk
menentukan apakah aliran yang terjadi sudah efektif atau belum.
Gambar 3.9 Grafik proses perhitungan numerik
Gambar 3.10 Hasil perhitungan numerik
3.2.6
Gambar 3.11 Kontur hasil simulasi
Menampilkan Hasil Simulasi
Setelah mencapai konvergensi dari solusi, maka tahap selanjutnya adalah
tahap
untuk
melihat
hasil
simulasi yang telah dilakukan. Dalam
Gambar 3.12 Isolines hasil simulasi
tekanan akan dilakukan menggunakan
Dari hasil gambar simulasi garis aliran
CFD.
Karena
dalam
(part lines) dibawah ini kita dapat
perubahan
menyimpulkan apakah pola aliran yang
mudah dilakukan. Oleh karena itu
terjadi dalam pipa baja bergelombang
dalam modeling pipa bergelombang
sudah efektif atau belum.
menggunakan software CAD yaitu
bentuk
modeling
geometri
lebih
SolidWork. Setelah itu dilakukan analisa
dimensional
khususnya
menyangkut perubahan geometri yang akan berpengaruh pada penurunan tekanan ( pressure drop ) pada aliran fluida didalam pipa. Dalam suatu aliran didalam Gambar 3.13 Flow trajectory hasil
pipa pada kenyataan terjadi penurunan
simulasi
tekanan yang disebabkan oleh faktorfaktor sebagai berikut antara lain
IV Pembahasan
panjang
4.1 Analisa perbandingan pressure
kecepatan,
kekasaran
pipa,
permukaan
dinding pipa sebelah dalam, sifat-sifat
bergelombang dengan cara
fluida,
empiris dan simulasi CFD.
viskositas.Perbandingan
telah dijelaskan pada bab II maka pada ini
akan
dimensional
dilakukan
mengenai
analisa
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
diameter
drop pada pipa baja
Berdasarkan dasar teori yang bab
pipa,
yang
berpengaruh
terhdap
kerapatan
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 Analisa pressure drop pipa baja bergelombang dengan metode empiris
Diketahui : Panjang ( L ) = 113,709 m Flowrate ( Q ) = 19500 m³/h
dimana : Q = debit aliran (m3/s)
Diameter ( D ) = 2,8 m
V = kecepatan aliran (m/s)
friction = 0,0509
A = luas penampang (m2)
Velocity ( V ) = 0,881 m/s
Dalam
skripsi
ini
suhu
air
Perhitungan debit aliran pipa baja
diasumsikan 20ºC sehingga ρ = 998,2
bergelombang diameter 2,8 meter
kg/m³ dan µ = 1,005 x 10 ³ N.s/m² (
9 1 jam = 3600 s (detik)
tabel 2.1 )
Flow rate pipa diameter 2,8 mm 19500 m³/h => 19500 : 3600 =
Re =
5,416 m³/s
Maka V =
ρVD = μ
998,2 × 0,881 × 2,8 2462,35976 = = −3 1,005 × 10 1,005 × 10 −3
Q A
2450109,214
Dimana luas penampang 1 A = πD 2 4
Faktor gesekan ( f ) = 0,0509
ΔP =
1 = .3,14.2,8 2 4
f ( L / D) ρV 2 = 2
0,0509.(113,709 / 2,8).998,2.0,8812 2
= 0,785 x 7,84 = 6,154 m² Dengan memasukan A didapat V =
Q A
=
1601,48905 = 800,75 Pa 2
Pada analisa simulasi atau eksperimen aliran didalam pipa tidak langsung berkembang penuh, sehingga untuk
V =
5,416 6,154
= 0,881 m/s Jadi kecepatan aliran fluida untuk pipa baja bergelombang dengan diameter 2,8 m sebesar 0,881 m/s
mencari aliran berkembang penuh dapat dicari dengan cara sebagai berikut : 1 Le = 4,4. Re 6 D
Le = D.4,4. Re
1
= 2,8.4,4.2450109,214
4.1.3 Perhitungan
6
1
debit
aliran
pipa baja bergelombang diameter 6
= 143,05 m
3,3 meter 9 1 jam = 3600 s (detik)
4.1.2
Perhitungan
penurunan
Flow rate pipa diameter 3,3 m
tekanan ( pressure drop )
39000 m³/h => 39000 : 3600
untuk
= 10,833 m³/s
pipa
baja
bergelombang diameter 2,8 meter
Maka V =
Untuk melakukan perhitungan perhitungan secara empiris, maka data yang diperoleh adalah sebagai berikut.
Q A
Dimana luas penampang 1 A = πD 2 4
Diketahui : Panjang ( L ) = 113,709 Diameter ( D ) = 2,8 m Percepatan gravitasi ( g ) = 9,81 m/s² Kecepatan rata-rata aliran ( V ) = 0,881
1 = .3,14.3,3 2 4 = 0,785 x 10,89 = 8,548 m² Dengan memasukan A didapat
m/s friction factor = 0,0509 L V2 hf = f ⋅ ⋅ D 2⋅ g
113,709 0,8812 = 0,0509 ⋅ ⋅ 2,8 2 ⋅ 9,81
113,709 0,78 = 0,0509 ⋅ ⋅ 2,8 19,62 = 0,0509 . 40,62 . 0,040 = 0,082 m
V =
Q A
V =
10,833 8,548
= 1,269 m/s Jadi kecepatan aliran fluida pipa
baja
bergelombang
untuk dengan
diameter 3,3m sebesar 1,269 m/s dimana : Q = debit aliran (m3/s) V = kecepatan aliran (m/s) A = luas penampang (m2)
Dalam skripsi ini suhu air diasumsikan
Diketahui :
20ºC sehingga ρ = 998,2 kg/m³ dan µ =
Panjang ( L ) = 884,697 m
1,005 x 10 ³ N.s/m² ( tabel 2.1 )
Diameter ( D ) = 3,3 m Percepatan gravitasi ( g ) = 9,81 m/s²
Re = =
ρVD 998,2 × 1,269 × 3,3 = μ 1,005 × 10 −3
4180,16214 1,005 × 10 −3
Kecepatan rata-rata aliran ( V ) = 1,269 m/s friction factor = 0,0482 hf = f ⋅
= 4159365,313 Faktor gesek ( f ) = 0,0482 ΔP =
f ( L / D) ρV 2 = 2
0,0482.(884,697 / 3,3).998,2.1,269 2 =
2
884,697 1,269 2 ⋅ 3,3 2 ⋅ 9,81
= 0,0482 ⋅
884,697 1,61 ⋅ 3,3 19,62 = 1,059 m
Pada analisa simulasi atau eksperimen aliran didalam pipa tidak langsung berkembang penuh, sehingga untuk mencari aliran berkembang penuh dapat dacari dengan cara sebagai berikut :
4.2 Analisa pressure drop pada pipa baja
bergelombang
dengan
metode simulasi CFD 4.2.1 Analisa pressure drop pipa baja bergelombang diameter 0,28 meter
1 Le = 4,4. Re 6 D
Re model = Re prototype
Le = D.4,4. Re 1
= 0,0482 ⋅
= 0,0482 . 268,09 . 0,082
20771,52883 = 10385,76 Pa 2
3,3.4,4.4159365,313
L V2 ⋅ D 2⋅ g
6
1
Re =
=
6
Dalam
= 184,14 m
ρVD μ
skripsi
ini
suhu
air
diasumsikan 20ºC sehingga ρ = 998,2 4.1.4
Perhitungan
penurunan
kg/m³ dan µ = 1,005 x 10 ³ N.s/m² (
tekanan ( pressure drop )
tabel 2.1 )
untuk
Diketahui : Re model = 2450109,214
pipa
baja
bergelombang diameter 3,3 meter
Diameter pipa 0,28 meter Ditanya : V model
Re =
ρVD μ
=
998,2 ×V × 0,28 1,005 × 10 −3
=
2450109,214 V model = =
aliran fluida didalam pipa yang terjadi pada pipa baja bergelombang . Untuk dapat mengetahui pressure drop yang
2450109,214 × 1,005 × 10 0,28 × 998,2
−3
terjadi pada aliran fluida di dalam pipa penulis mencoba untuk meneliti dan
2462359,76 × 10 −3 279,496
menganalisa
hal
melakukan simulasi.
= 8810 × 10 −3 = 8,81 m/s
itu
dengan
Simulasi ini
dilakukan dengan debit aliran sebesar 0,54 m³/s ,panjang pipa 1 m dan
1 Dimana luas penampang A = πD 2 4
diameter 0,28 m.
1 = .3,14.0,28 2 4 = 0,785 x 0,0784 = 0,0615 m² Diketahui : A model = 0,0615 m²
Gambar 4.1 Kontur tekanan statis
V model = 8,81 m/s
pada pipa baja bergelombang
Ditanya : Q model Jawab : Q model = V model
x
A
model = 8,81 m/s x 0,0615 m² = 0,54 m³/s f model = f prototype ( f = 0,0509 ) ΔP =
f ( L / D) ρV 2 = 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
Gambar 4.2 Isolines pipa baja bergelombang
Gambar 4.5 Grafik velocity Gambar 4.3 Flow trajectory pipa
perhitungan simulasi
baja bergelombang
Tabel 4.1 Hasil perhitungan
Pada gambar hasil simulasi diatas
simulasi
menunjukkan penurunan tekanan ( pressure drop ) yang terjadi pada pipa baja
bergelombang
dengan
nilai
tekanan maksimum sebesar 99620,7 Pa dan
nilai
minimumnya
sebesar
-
71,9121 Pa. Dan banyaknya iterasi yang terjadi sebanyak 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 : Diketahui : Tekanan
awal
(
P
13678,44202 Pa Tekanan akhir ( Poutlet) = Gambar 4.4 Grafik pressure perhitungan simulasi
18940,52465 Pa Diameter pipa ( D ) = 0,28m Panjang pipa ( L ) = 1m
inlet)
=
Kecepatan aliran ( V ) = 8,81 m/s
Kecepatan rata-rata aliran ( V ) = 8,81
Massa jenis fluida ( ρ ) = 998,2 kg/m³
m/s
( suhu air 20º C )
friction factor = 0,0381
Ditanya : f ( faktor gesek )
Ditanya
Jawab : ΔP = P output – P input =
(pressure drop)
18940,52465 Pa – 13678,44202 Pa
Jawab :
:
= 5262,08263 Pa
hf = f ⋅
= 5262,08 Pa
ΔP =
penurunan
f ( L / D) ρV 2 2
tekanan
L V2 ⋅ D 2⋅ g
= 0,0381 ⋅
1 8,812 ⋅ 0,28 2 ⋅ 9,81
= 0,0381 ⋅
1 77,61 ⋅ 0,28 19,62
maka f = = =
ΔΡ.2.D L.ρ .V 2 5262,08 × 2 × 0,28 1 × 998,2 × 8,812
= 0,0381 . 3,571 . 3,955 = 0,538 m
2946,764 77476,391
Jadi
= 0,0381
besarnya
penurunan
(pressure drop)
tekanan
untuk pipa baja
Jadi besarnya nilai faktor gesek (
bergelombang dengan diameter 0,28m
friction ) untuk pipa baja
sebesar 0,538 m
bergelombang dengan diameter 0,28m sebesar 0,0381 Setelah
4.2.2 Analisa pressure drop pipa
mengetahui
besarnya
nilai
baja bergelombang diameter 0,33 m
faktor gesek (friction) maka kita dapat mengetahui
penurunan
Re model = Re prototype
tekanan
Re =
(pressure drop) seperti dibawah ini :
ρVD μ
Diketahui :
Dalam
Panjang ( L ) = 1 m
diasumsikan 20ºC sehingga ρ = 998,2
Diameter ( D ) = 0,28 m
kg/m³ dan µ = 1,005 x 10 ³ N.s/m² (
Percepatan gravitasi ( g ) = 9,81 m/s²
tabel 2.1 )
skripsi
ini
suhu
air
Diketahui : Re model = 4159365,313
ΔP =
Diameter pipa 0,33 meter
=
0,0482.(1 / 0,33).998,2.12,69 2 2
Ditanya : V model Re =
f ( L / D) ρV 2 2
ρVD 998,2 ×V × 0,33 = μ 1,005 × 10 −3
=
= 4159365,313
23478,69251 = 11739,34 Pa 2 Analisa ini dilakukan dengan
4159365,313 × 1,005 × 10 −3 V model = 0,33 × 998,2
tujuan untuk mengetahui pressure drop aliran fluida didalam pipa yang
4180162,14 × 10 −3 = 329,406
terjadi pada pipa baja bergelombang . Untuk dapat mengetahui pressure
= 12690 × 10 −3 = 12,69 m/s
drop yang terjadi pada aliran fluida di
1 Dimana luas penampang A = πD 2 4
dalam pipa penulis mencoba untuk meneliti dan menganalisa hal itu
1 = .3,14.0,33 2 4
dengan melakukan simulasi. Simulasi
= 0,785 x 0,1089
sebesar 1,083 m³/s, panjang pipa 1 m
= 0,0854 m²
dan diameter 0,33 meter.
ini dilakukan dengan debit aliran
Diketahui : A model = 0,0854 m² V model = 12,69 m/s Ditanya : Q model Jawab : Q model = V model
x
A
model
= 12,69 m/s x 0,0854 m²
Gambar 4.6 Kontur tekanan statis pada pipa baja bergelombang
= 1,083 m³/s f model = f prototype ( f = 0,0482 )
daftar tabel hasil perhitungan simulasi dibawah ini :
Gambar 4.7 Isolines pipa baja bergelombang
Gambar 4.9 Grafik pressure perhitungan simulasi
Gambar 4.8 Flow trajectory pipa
Gambar 4.10 Grafik velocity
baja bergelombang
perhitungan simulasi
Pada gambar hasil simulasi diatas menunjukkan penurunan tekanan (
Tabel 4.2 Hasil perhitungan
pressure drop ) yang terjadi pada pipa
simulasi
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 mengetahui besarnya nilai koefisien faktor gesek ( friction ) pada
gambar
pipa
bergelombang
tersebut Dengan melihat grafik dan
Jadi besarnya nilai faktor gesek ( friction
)
untuk
pipa
baja
bergelombang dengan diameter 0,33m sebesar 0,0583 Setelah mengetahui besarnya nilai
Diketahui : Tekanan awal ( P inlet) = 25483,6548
faktor gesek (friction) maka kita dapat mengetahui
Pa Tekanan akhir ( P outlet) =
penurunan
tekanan
(pressure drop) seperti dibawah ini :
39696,36704Pa Diameter pipa ( D ) = 0,33m Panjang pipa ( L ) = 1m Kecepatan aliran ( V ) = 12,69 m/s Massa jenis fluida ( ρ ) = 998,2 kg/m³ ( suhu air 20º C ) Ditanya : f ( faktor gesek ) Jawab : ΔP = P outlet – P inlet = 39696,36704 Pa – 25483,6548 Pa = 14212,71224 Pa = 14212,71 Pa
Diketahui : Panjang ( L ) = 1 m Diameter ( D ) = 0,33 m Percepatan gravitasi ( g ) = 9,81 m/s² Kecepatan rata-rata aliran ( V ) = 12,69 m/s friction factor = 0,0583 Ditanya
:
(pressure drop) Jawab : hf = f ⋅
ΔP =
f ( L / D) ρV 2 2
maka f =
penurunan
L V2 ⋅ D 2⋅ g
= 0,0583 ⋅
1 12,69 2 ⋅ 0,33 2 ⋅ 9,81
1 161,03 ⋅ 0,33 19,62
ΔΡ.2.D L.ρ .V 2
=
14212,71 × 2 × 0,33 1 × 998,2 × 12,69 2
= 0,0583 ⋅
=
9380,388 160746,235
= 0,0583 . 3,030 . 8,207
= 0,0583
= 1,449 m
tekanan
Jadi
besarnya
(pressure drop)
penurunan
tekanan
semakin besar diameter pada
untuk pipa baja
pipa baja bergelombang maka
bergelombang dengan diameter 0,33 m
pengaruh
sebesar 1,449 m
(friction) yang terjadi semakin
faktor
gesek
kecil dan hal itu juga yang menyebabkan tekanan
penurunan drop)
(pressure
semakin kecil. 2. Pengaruh
faktor
gesek
terhadap velocity, debit aliran dan presure drop pada masing-
Gambar 4.11 Vektor Plot Kecepatan
masing
Di Sekitar Ulir
pipa
baja
bergelombang perhitungan
melalui empiris
dan
simulasi CFD diketahui bahwa : a. Perhitungan pada
pipa baja
bergelombang diameter 2,8 m dengan cara empiris Gambar 4.12 Vektor Plot Kecepan
•
Velocity sebesar 0,881 m/s
•
Nilai faktor gesek (friction) sebesar 0,0509
V PENUTUP Kesimpulan
•
m³/s
Setelah dilakukan analisa fluida di dalam pipa baja bergelombang
•
dengan menggunakan metode CFD maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Hasil simulasi yang dilakukan pada pipa baja bergelombang dengan variasi diameter dimana
Debit aliran sebesar 5,41 Penurunan tekanan (pressure drop) sebesar 0,082 m
b. Perhitungan
pada
pipa
baja
bergelombang diameter 0,28 m dengan cara simulasi CFD •
Velocity sebesar 8,81 m/s
•
Nilai faktor gesek (friction)
Fluida Teknik, Jakarta: Gramedia
sebesar 0,0381
Pustaka Utama. 1993. 2. Victor L. Streeter & E. Benjamin
•
Debit aliran sebesar 0,54 m³/s
•
Penurunan tekanan (pressure
Wylie. Mekanika Fluida, Jakarta:
drop) sebesar 0,538 m
Erlangga.1993.
c. Perhitungan pada
pipa baja
3. Bruce R. Munson & Donald F. Fluida,
bergelombang diameter 3,3 m
Young,
dengan cara empiris
Jakarta: Erlangga. 2005.
Mekanika
4. Raswani,
•
Velocity sebesar 1,269 m/s
•
Nilai faktor gesek (friction)
Penggambaran
sebesar 0,0482
Perpipaan, Universitas Indonesia.
Debit aliran sebesar 10,83
Jakarta, 1987.
•
5. Ahmad
m³/s •
Perencanaan
dan Sistem
Fauzan,
Rancangan
Circular
Hovercraft
Penurunan tekanan (pressure
Bangun
drop) sebesar 1,059 m
dan Analisa Aliran pada Bagian
pipa baja
yang Mempengaruhi Cushion
bergelombang diameter 0,33 m
Pressure dengan Computational
dengan cara simulasi CFD
Fluid Dynamics, Jakarta. 2006.
d. Perhitungan pada
•
Velocity sebesar 12,69 m/s
•
Nilai 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
6. Situs
internet
:http://www.EFD.lab.com 7. Situs
internet
csp.co.id
:http://www.pt-
