Analisis Aliran Fluida Dinamik Pada Draft Tube Turbin Air Ridwan Arief Subekti Puslit Tenaga Listrik dan Mekatronik – LIPI Komplek LIPI, Jl. Cisitu No.21/154 D Bandung 40135.
[email protected] Abstrak Draft tube sebagai saluran yang menghubungkan antara sudu gerak/runner dan outlet mempunyai fungsi utama untuk meningkatkan efisiensi turbin air dengan merubah energi kinetik menjadi energi potensial. Dalam mendisain suatu draft tube, kita dapat melakukan analisa komputasi aliran fluida dinamik pada sebuah model draft tube sebelum membuat prototipnya. Analisis komputasi aliran fluida dinamik pada suatu draft tube adalah salah satu cara untuk mengetahui karakteristik dari draft tube tersebut. Karakteristik itu meliputi tekanan statik, tekanan dinamik, tekanan total, kecepatan fluida, energi kinetik turbulen dan pola aliran fluida yang mengalir di dalam draft tube. Untuk itu telah dilakukan analisis komputasi aliran fluida dinamik pada draft tube turbin air. Draft tube berbentuk elbow dengan diameter 16 inchi. Pemodelan draft tube dilakukan dengan software GAMBIT 2.2.30 (Geometry and Mesh Building Intelligent Toolkit), sedang analisa komputasi aliran fluida dinamik dilakukan dengan software Fluent 6.2.16. Solver yang digunakan adalah 3 Dimensi, single precision dengan model viskos adalah k-epsilon (2 persamaan). Hasil analisa komputasi aliran fluida dinamik pada desain draft tube diketahui bahwa vektor kecepatan dan pola aliran yang terjadi di dalam draft tube tersebut adalah baik/smooth, tidak terjadi aliran yang berbalik/turbulen di dalam draft tube. Tekanan total pada sisi inlet 1162.1632 Pascal, tekanan total pada sisi outlet 1083.7635 Pascal dan pressure drop 6.74 %. Kata kunci : analisis, draft tube, fluent, komputasi aliran fluida dinamik, pola aliran, turbulen 1.
Pendahuluan
Draft tube adalah suatu komponen akhir lintasan air dari pembangkit listrik tenaga air. Draft tube diperlukan untuk membawa air keluar dari runner turbin menuju saluran bawah/tail-race. Air buangan tersebut akan bertemu kembali dengan saluran utama. Draft tube berperan penting untuk merubah energi kinetik dari aliran fluida menjadi energi potensial sehingga dapat meningkatkan efisiensi dari turbin air. Oleh karena itu, desain dari sebuah draft tube akan sangat mempengaruhi performa dari sistem pembangkit listrik tenaga air. Aliran fluida pada draft tube mempengaruhi unjuk kerja sebuah turbin air. Air sebagai media kerja turbin dianggap sebagai fluida yang tak kompresibel, yaitu fluida yang secara virtual massa jenisnya tidak berubah dengan tekanan. Fluida adalah zat yang berubah secara kontinu (terus-menerus) bila terkena tegangan geser, betapapun kecilnya tegangan geser tersebut. Rancang bangun draft tube yang sesuai akan meningkatkan sebagian dari head kecepatan pada saat meninggalkan turbin tersebut. Hal ini dapat meningkatkan energi dan efisiensi suatu turbin. Pemilihan dimensi merupakan salah satu cara mengoptimalkan draft tube. Oleh karena itu diperlukan analisis aliran fluida untuk mendapatkan dimensi draft tube yang optimal. Analisis aliran fluida pada draft tube dilakukan dengan analisis Computational Fluid Dynamics/CFD. CFD memungkinkan ilmuwan dan insinyur untuk melakukan “percobaan numeric” di dalam “laboratorium virtual”. Dengan melakukan analisis komputasi aliran fluida dinamik pada draft tube maka kita dapat mengetahui karakteristik fluida yang mengalir di dalam draft tube seperti tekanan statik, tekanan dinamik, tekanan total, kecepatan air, dan pola aliran yang terjadi di dalam draft tube tersebut. Dalam tulisan ini, akan dibahas tentang simulasi aliran fluida dinamik pada suatu disain draft tube turbin kaplan dengan daya 10 kW dimana draft tube tersebut mempunyai dimensi diameter 16 inchi.
2. Landasan Teori 2.1. Prinsip Kerja Draft Tube Draft tube adalah saluran diffuser lengkung yang menghubungkan runner dan outlet. outlet Fungsi utama draft tube adalah meningkatkan eningkatkan efisiensi turbin dengan merubah energi kinetik menjadi energi potensial secara menyeluruh dengan membuat head artificial. Selain itu draft tube juga berfungsi membuat embuat kondisi yang memungkinkan agar turbin dapat diletakkan di atas level muka air bawah/tailbawah/ water.. Perbedaan tekanan yang melalui runner menjadi besar dengan adanya draft tube, dikarenakan efek hisap yang timbul ul dari konstruksi ekspansi. Hasilnya adalah meningkatnya efisiensi turbin. Draft tube dapat dirancang dengan berbagai cara yang berbeda, namun beberapa variasi disain dipandang kurang penting dibandingkan dengan beberapa hal lain, seperti bentuk outlet yang berupa lingkaran atau segi empat dipandang kurang penting dibandingkan dengan luas penampang luar. Akan tetapi pembentukan elbow merupakan salah satu masalah yang rumit dalam merancang draft tube. Tantangan yang timbul adalah bagaimana membuat rancangan rancang dengan kerugian energi/energy energi/ losses yang kecil/minor dan tanpa resiko terjadi kerusakan yang diakibatkan oleh kavitasi. Salah satu bentuk draft tube pada suatu pembangkit listrik tenaga listrik dapat dilihat pada gambar di bawah ini.
Gambar 1. Draft tube pada pembangkit listrik tenaga air 2.2. Proses Simulasi Computational Fluid Dynamics Computational Fluid Dynamics/CFD Dynamics/CFD adalah analisis sistem yang melibatkan aliran fluida, heat transfer dan fenomena tertentu seperti reaksi re ksi kimia dengan simulasi komputer. Salah satu aplikasi penggunaan CFD adalah pada suatu mesin turbo. Tujuan utama pengembangan CFD adalah untuk menyediakan kemampuan yang dapat dibandingkan dengan peralatan peralata CAE (computer ( aided engineering) yang lain seperti rti code analysis stress. Keuntungan CFD dari pendekatan eksperimen sistem fluida antara lain: • Pengurangan waktu dan biaya dari disain baru • Kemampuan untuk mempelajari sistem dimana eksperimen terkendali sulit dikerjakan • Kemampuan untuk mempelajari sistem di bawah kondisi berbahaya. Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika kita melakukan simulasi CFD, yaitu: 1. Processing Processing merupakan langkah awal dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat model dalam paket CAD (Computer (Computer Aided Design), Design membuat mesh yang cocok/sesuai, kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat-sifat sifat sifat fluidanya. 2. Solving Solvers (program inti pencari solusi) CFD menghitung kondisi-kondisi kondisi kondisi yang diterapkan pada saat preprocessing. 3. Postprocessing Adalah langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan dalam langkah ini adalah mengorganisasi dan mengintrepertasi data hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva, dan animasi.
3. Metodologi 3.1. Pemodelan Draft Tube Langkah pertama dalam melakukan analisa aliran fluida dinamik adalah dengan melakukan pemodelan draft tube. Pemodelan draft tube dilakukan dengan bantuan dengan software GAMBIT 2.2.30 (Geometry and nd Mesh Building Intelligent Toolkit). Toolkit Adapun dimensi model draft tube adalah sebuah reduser ukuran 12x16”, elbow 16” 30 derajat dan pipa diameter 16” dengan panjang pipa 1 meter. Desain draft tube dapat digambarkan seperti pada gambar dibawah ini:
Gambar 3. Desain draft tube pada GAMBIT 3.2 Metode Perhitungan dan Analisis Langkah selanjutnya adalah melakukan analisa aliran fluida dinamik pada model draft tube. Untuk menganalisa model draft tube kita menggunakan software analisis komputasi fluida dinamik (Computational Computational Fluid Dynamics/CFD) Dynamics Fluent 6.2.16. Adapun parameter-parameter parameter yang kita masukan pada fluent dapat dilihat pada tabel dibawah ini. Tabel 1. Inputan fluent pada draft tube Item Besaran Solver 3 Dimensi, segregated Model viskositas k-epsilon (2 eqn) Material Water liquid (H2O) Density 998.2 kg/m3 Viscositas 0.001003 kg/m-s Tekanan operasi 101325 Pa Gravitasi 9.81 m/s2 arah sumbu Y negatif Kondisi batas sisi masuk Velocity Inlet Velocity Magnitude 1.5236 m/s Intensitas turbulen masuk 3.1676 % Diameter ter hidrolik masuk 0.27945 m Kondisi batas sisi keluar Outflow Faktor discretisasi Second order 4. Hasil dan an Pembahasan 4.1. Analisis Aliran Fluida luida Dinamik Fluent pada Draft Tube Setelah fluent melakukan perhitungan/iterasi, perhitungan/ maka outputan yang dapat kita ketahui antara lain adalah tekanan statik, tekanan dinamik, tekanan total, total kecepatan, dan pola aliran ran yang terjadi di dalam draft tube . Selanjutnya outputan yang terjadi pada masing-masing masing bidang draft tube dapat dilihat pada tabel di bawah ini :
Tabel 2. Hasil perhitungan area weighted average REFERENSI Inlet Interior reduserelbow Interior elbowpipa radialcoordinate-3.25 outlet Dinding reduser Dinding elbow Dinding pipa
Tekanan statik ( Pascal) 3.7015393 720.71641
Tekanan dinamik (Pascal) 1158.4559 415.04721
Tekanan total (Pascal) 1162.1632 1135.7636
Kecepatan (m/s) 1.5236 0.90895544
783.36226
325.58067
1108.9429
0.79998253
776.05863
320.57097
1096.6296
0.79569522
770.14703 403.98688 786.99954 776.15874
313.61333 641.41476 99.499377 211.4523
1083.7635 1043.9784 886.70746 987.63257
0.75219561 0.018294879 0 0
Catatan : Domain model draft tube berada pada radial koordinat 2.057974 2 sampai 3.772921. Radial-coordinate coordinate-3.25 adalah potongan penampang pada koordinat 3.25.
Sedangkan kontur tekanan, kecepatan, kecepatan dan pola aliran yang terjadi di dalam draft tube dapat dilihat pada gambar berikut ini :
Gambar 4.. Kontur tekanan total pada dinding dan bagian dalam draft tube Dari gambar kontur tekanan total, didapat bahwa tekanan total yang terjadi sebesar 5.22x102 Pascal sampai dengan 1.19x103 Pascal, Pascal dimana tekanan total tersebut adalah penjumlahan tekanan statik 2 0 yaitu sebesar -2.17x102 Pascal sampai dengan 9.16x10 9 Pascal dan tekanan dinamik 1.8x10 1 Pascal 3 sampai dengan 1.3x10 Pascal. Pascal Dari gambar di atas diketahui bahwa tekanan total pada bagian dalam draft tube relatif homogen, sedangkan tekanan total pada dinding draft tube lebih bervariasi. bervariasi Pada bagian dekat interior reduser dan elbow terjadi kevakuman dengan tekanan statik sebesar -2.17x102 Pascal.
Gambar 5.. Kontur vektor kecepatan pada dinding dan bagian dalam draft tube
Dari gambar di atas didapat diketahui bahwa vektor kecepatan yang terjadi sangat baik karena vektor kecepatannya memiliki arah yang sesuai dengan arah aliran air. Hal ini membuktikan bahwa aliran air tidak ada yang berbalik atau turbulen. Dari gambar di atas juga dapat diketahui besarnya kecepatan fluida yang mengalir di dalam draft tube yaitu sebesar 3,55x10-2 m/s sampai dengan 1,62x100m/s. Pada sisi inlet draft tube,, kecepatan rata-rata fluida yang mengalir adalah 1.5236 m/s, sedangkan kecepatan pada sisi outlet adalah 0.75219561 m/s. Kecepatan terendah terdapat pada dinding draft tube bagian bawah, dimana pada bagian tersebut kecepatanya mendekati nol.
Gambar 6. Kontur pola aliran di dalam draft tube Pola aliran fluida yang terjadi di dalam draft tube sangat baik (smooth), ( ), hal ini dapat kita lihat pada gambar di atas. Pada reduser dan belokan elbow draft tube tidak terjadi aliran berbaik atau turbulen. Hal ini tentu sangat baik dalam perancangan draft tube yang mana diperlukan pola aliran yang baik untuk mengurangi kerugian/losses losses pada draft tube tersebut. 4.2. Penurunan Tekanan pada p Draft Tube Dari hasil iterasi yang dilakukan fluent seperti yang terlihat pada tabel 2,, didapat bahwa : Tekanan total sisi inlet ( p1 ) : 1162.1632 Pa Tekanan total sisi outlet ( p2 ) : 1083.7635 Pa Sehingga didapat penurunan tekanan pada draft tube sebesar : ∆ p total = p1 - p2 = 1162.1632 Pascal - 1083.7635 Pascal = 78.3997 3997 Pascal Penurunan tekanan (%)
= ( ∆ p total / p1 ) x 100 % = (78.3997 / 1162.1632 ) x 100 % = 6.74 %
4.3. Validasi Hasil Iterasi Fluent Untuk mengetahui validitas hasil iterasi yang telah dilakukan oleh fluent dapat kita ketahui dari analisa mass flow rate pada sisi inlet dan outlet draft tube. Dari hasil perhitungan mass flow rate fluent didapat bahwa : Mass flow rate sisi inlet : 93.200356 93.20 kg/s Mass flow rate sisi outlet : -93.200256 kg/s (tanda – adalah karena arah aliran keluar draft tube) Net mass-flow : 9.9182129 e-5 kg/s Selanjutnya kita dapat menghitung perbandingan antara net mass flow dengan mass flow rate pada sisi inlet, yaitu : ( Net mass flow / Mass flow inlet ) x 100 % = (9.9182129 e-5 / 93.200356 ) x 100 % = 1.06 e-6 % Perbandingan antara net mass flow dengan mass flow rate sisi inlet adalah 1.06 e-6 %. Ini membuktikan bahwa perhitungan yang dilakukan oleh fluent dapat dipercaya karana perbandingan antara net mass flow dengan mass flow rate sisi inlet masih di bawah 1%.
5.
KESIMPULAN 1. Dari hasil iterasi yang dilakukan fluent didapat bahwa pressure total yang terjadi di sisi inlet draft tube ( p1 ) = 1162.1632 Pa, pressure total sisi outlet ( p2 ) = 1083.7635 Pa, sehingga didapat penurunan tekanan sebesar 78.3997 Pascal atau 6.74 %. 2. Kontur pola aliran yang terjadi di dalam saluran draft tube sangat baik karena tidak terjadi aliran turbulen atau aliran yang berbalik. 3. Validitas hasil perhitungan fluent dapat dipercaya. Hal ini dapat dilihat dari perhitunga net mass flow pada sisi inlet dan outlet draft tube yaitu sebesar 9.9182129e-05 kg/s, sedangkan persentase net mass flow dibanding pada mass flow rate pada sisi inlet saluran draft tube adalah sebesar 1,06 %, hal ini sangat baik karena masih jauh dibawah 1 %. 4. Dengan melakukan analisa aliran fluida dinamik pada suatu model, kita dapat mengetahui karakteristik dari model tersebut sehingga kita dapat merubah-rubah desain model agar didapatkan hasil yang optimum.
DAFTAR PUSTAKA [1] Arismunandar, Kuwahara. 1991. Buku Pegangan Teknik Tenaga Listrik Jilid 1- Pembangkitan dengan Tenaga Air, Cetakan keenam. Jakarta: Pradnya paramita. [2] Armand Arief Renaldi. 2007. CFD: Draft tube PLT. Mekanikal – Blog : Diakses tanggal 29 Januari 2008 dari http: //www.ccitonline.com/mekanikal/tiki-view_blog.php?blogId=279. [3] C.C. Warnick, Howard A. Mayo, James L. Carson dan Lee H. Sheldon. 1984. Hydropower Engineering. New Jersey: Prentice-Hall Inc, Englewood Cliffs. [4] Donni, R. 2007. CFD: Hukum Dasar Aliran Fluida. Mekanikal – Blog : Diakses tanggal 21 Januari 2009 dari http: //ccitonline.com/mekanikal/tiki-view_blog.php?blogId=234. [5] Firman Tuakia. 2008. Dasar-Dasar CFD Menggunakan Fluent. Bandung: Informatika. [6] Rhandyka Jili Prasanto. 2007. Analisa Aliran Dalam Beberapa Desain Draft Tube. MekanikalBlog : Diakses tanggal 20 Januari 2008 dari http: //www.ccitonline.com/mekanikal/tikiview_blog.php?blogId=279. [7] Victor L. Streeter, E. Benyamin Wylie. 1986. Mekanika Fluida, Edisi Delapan, Jilid 1 Terjemahan Arko Prijono. Jakarta: Erlangga.
