Jurnal
e-Dinamis, Volume. 7, No.3 Desember
2013
ISSN 2338-1035
SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA POMPA HIDRAM DENGAN TINGGI AIR JATUH 2.3 M DENGAN MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CFD 1,2
Herto Mariseide Marbun1 , Mulfi Hazwi2 Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara, Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 Medan Indonesia Email:
[email protected] Abstrak
Penelitian ini bertujuan untuk mensimulasikan aliran fluida pada pompa hidram dengan menggunakan perangkat lunak CFD, simulasi yang digunakan adalah untuk aliran stedi, inkompresibel, turbulen, dan tiga dimensi. Fluida air (water liquid) berakselerasi melalui pipa masuk dan masuk ke badan pompa, badan pompa mengalami kompresi dan akhirnya menekan air ke tabung udara dan kemudian menyalurkan air ke pipa keluaran. Simulasi diatur dengan mengkondisikan pada saat katup limbah tertutup dan pada saat katup penghantar tertutup. Simulasi terdiri dari sembilan rangkaian yaitu tiga bukaan (panjang langkah) katup limbah, tiga bukaan katup penghantar dan tiga perbedaan volume tabung udara. Hasil simulasi didapatkan dengan membandingkan hasil simulasi dengan hasil pengujian. Diperoleh penyimpangan terendah antara hasil simulasi dan hasil pengujian adalah 0,78 % dan penyimpangan tertinggi antara hasil simulasi dan hasil pengujian adalah 9,19 %. Kata kunci : Pompa Hidram, Simulasi, CFD
Abstract This research aims to simulate a fluid flow for hydram pump using CFD software, The simulation is performed by steady flow, incompressible, turbulent and three-dimensional. Water fluid (water liquid) accelerates through the inlet pipe and entry into the pump body, pump body have a compression and then press the water into the air vessel and then draining the water into the outlet pipe. This simulate is set by conditioning when waste valve is closed and when delivery valve is closed. Simulation consist of nine series namely three waste valve opening (stride length), three delivery valve opening and three different volume of air vessel. Simulation result obtained by comparing simulation result and experiment result. Obtained the lowest deviation between simulation result and experiment result is 0,97 % and the highest deviation between simulation result and experiment result is 8,3 %. Keyword : Hydram Ram Pump, Simulate, CFD
1. Pendahuluan Kenyataan telah menunjukkan bahwa ada banyak daerah dipedesaan yang mengalami kesulitan penyediaan air, baik untuk kebutuhan rumah tangga maupun untuk kegiatan pertanian. Untuk menanggulangi masalah-masalah penyediaan air baik untuk kehidupan maupun untuk kegiatan pertanian, peternakan dan perikanan khususnya didaerah pedesaan, maka penggunaan pompa Hidraulik Ram Automatik sangat menguntungkan dalam kehidupan
masyarakat di pedesaan. Pompa hidraulik ram bekerja tanpa menggunakan bahan bakar atau tambahan energi dari luar. Pompa ini memanfaatkan tenaga aliran air yang jatuh dari tempat suatu sumber yang tinggi dan sebagian dari air itu dipompakan dengan pompa hidram ke tempat yang lebih tinggi. Pompa hidraulik ram ini sangat tepat untuk daerah-daerah yang penduduknya mempunyai keterampilan teknis yang terbatas, karena pemeliharaan yang dibutuhkan sederhana.
136
Jurnal
e-Dinamis, Volume. 7, No.3 Desember
Adapun tujuan penelitian ini adalah mensimulasikan aliran fluida dalam pompa hidram, mensimulasikan distribusi kecepatan dan tekanan dan menghitung besar penyimpangan. Batasan masalah dalam penelitian ini seperti fluida yang digunakan adalah air, dimensi pompa digambar dengan perangkat lunak CAD, Variabel yang dibandingkan adalah kecepatan pada katup limbah (vw) sesuai dengan variasi panjang langkahnya dan tekanan badan pompa (P1) dan tekanan tabung udara (P2) sesuai dengan variasi volume tabung udararnya, dan simulasi menggunakan perangkat lunak Computational Fluid Dynamics (CFD). 2. Tinjauan Pustaka Aliran fluida baik cair maupun gas adalah suatu zat yang sangat lazim dalam kehidupan sehari-hari. Misalnya pengkondisian udara bagi bangunan dan mobil, pembakaran di motor bakar, aliran kompleks pada alat penukar kalor dan reaktor kimia, dan lain-lain, yang mana cukup menarik untuk diteliti, diselidiki, dan analisis. Untuk kebutuhan penelitian bahkan sampai dengan tingkat desain, perlu dibutuhkan suatu alat yang mampu menganalisis atau memprediksi dengan cepat dan akurat. Maka berkembanglah suatu ilmu yang dinamakan Computational Fluid Dynamic (CFD) yang dalam bahasa Indonesia dikenal dengan Komputasi Aliran Fluida Dinamik [1]. a. Pengertian Umum CFD Secara umum CFD terdiri dari dua kata yaitu sebagai berikut [2] : • Computational : segala sesuatu yang berhubungan dengan matematika dan metode numerik atau komputasi. • Fluid Dynamic : dinamika dari segala sesuatu yang mengalir. Ditinjau dari istilah di atas, CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat yang mengalir. Maka secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan
2013
ISSN 2338-1035
menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika). b. Proses Simulasi CFD
Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika melakukan simulasi pada solver CFD, yaitu sebagai berikut [2] : 1. Preprocessing Hal ini merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat model dalam paket CAD (Computer Aided Design), membuat mesh yang sesuai, kemudian menrapkan kondisi batas dan sifat-sifat fluidanya. 2. Solving Solvers (program inti pencari solusi) CFD menghitung kondisi-kondisi yang diterapkan saat preprocessing. 3. Postprocessing Hal ini adalah langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan pada langkah ini adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data hasil simulasi CFD yang biasa berupa kurva, gambar, dan animasi. Beberapa prosedur yang digunakan pada semua pendekatan program CFD, yaitu sebagai berikut[3] : • Pembuatan geometri dari model atau problem. • Bidang atau volume yang diisi fluida dibagi menjadi sel-sel kecil (meshing). • Pendefinisian model fisiknya, misalnya persamaan-persamaan gerak + entalpi + konversi species (zat-zat yang kita defenisikan, biasanya berupa komponen dari suatu reaktan). • Pendefinisian kondisi-kondisi batas, termasuk di dalamnya sifat-sifat dan perilaku dari batas-batas model atau problem. Untuk kasus transient, kasus awal juga didefinisikan. • Persamaan-persamaan matematika yang memabangun CFD diselesaikan secara iteratif, bisa
137
Jurnal
e-Dinamis, Volume. 7, No.3 Desember
dalam kondisi tunak (steady state) atau transient. • Analisis dan visualisasi dari solusi CFD. c. Persamaan Pembentuk Aliran
Pemodelan dengan metode komputasi pada dasarnya menggunakan persamaan dasar dinamika fluida, momentum, dan energi. Persamaanpersamaan ini merupakan pernyataan matematis untuk tiga prinsip dasar fisika : 1. Hukum Kekekalan Massa (The Conservation of Mass) 2. Hukum Kekekalan Momentum (The Conservation of Momentum) sebagai interpretasi dari hukum kedua Newton (Newton Second’s Law of Motion) 3. Hukum Kekekalan Energi (The Conservation Of Energi) 1. Hukum Kekekalan Massa (The Conservation of Mass) Konsep utama dari hukum ini adalah laju kenaikan massa dalam volume control adalah sama dengan laju net aliran fluida ke dalam elemen batas. Secara sederhana dapat ditulis :
2013
ISSN 2338-1035
Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi [3] 2. Hukum Kekekalan Momentum (The Coservation of Momentum) Hukum kekekalan momentum ini merupakan interpretasi dari hukum ke-2 Newton (arah sumbu-x) yaitu : Secara umum hukum kekekalan momentum (The Conservation of Momentum) arah sumbu-x 3 dimensi dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut.
Dengan cara dan bentuk yang sama persamaan kekekalan momentum 3 dimensi arah sumbu-y dan arah sumbu-z dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut.
Secara umum hukum kekekalan massa (The Conservation of Mass) 3 dimensi dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut.
Gambar 2. Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-x pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi [3]
Gambar 1.Hukum Kekekalan Massa pada
3. Hukum Kekekalan Energi (The Conservation of Energy) Hukum ini merupakan aplikasi dari hukum ketiga fisika (termodinamika) yaitu laju perubahan energi dalam suatu elemen adalah sama dengan jumlah net fluks panas yang masuk ke dalam elemen dan kerja yang digunakan dalam elemen tersebut. Pernyataan ini dapat ditulis dalam bentuk persamaan: 138
Jurnal
e-Dinamis, Volume. 7, No.3 Desember
2013
ISSN 2338-1035
$ $: $ $: $ $: 78 $! 9 9 $! $, 9 9 $, $. 9 9 $. ; 12 5 67
Gambar 3. Kerja yang Dikenakan pada Sebuah Elemen Arah Sumbu-x [3]
Gambar 4. Fluks Panas yang Melintasi Permukaan Sebuah Elemen [3] Secara umum kerja yang dikenakan arah sumbu-x, sumbu-, dan sumbu-z dapat ditulis dengan persamaan berikut. ! "## , "## . "##
&+,! - $%& $%&' &'( &)!! ( $*& &+.!( &' $%& &'/ &'/! 0 12 $! $, $. $!
3+!,- $*3 3),, - $*& &+., $%3' 3'( 3' $*3 &'/ &'/, 0 12 $, $! $, $.
4+,.- $%4 4'( 4+!.( $*4 4)..( $%4' 4' $%4 &'/ &'/. 0 12 $! $, $. $.
Sedangkan persamaan fluks panas yang melintasi permukaan sebuah elemen data ditulis dengan persamaan berikut.
d. Diskritisasi pada CFD Pada dasarnya FLUENT hanya menghitung pada titik-titik simpul mesh geometri sehingga pada bagian di antara titik simpul tersebut harus dilakukan interpolasi untuk mendapatkan nilai kontinyu pada seluruh domain. Terdapat beberapa skema interpolasi yang sering digunakan, yaitu : - First-order upwind scheme Skema interpolasi yang paing ringan dan cepat mencapai konvergen, tetapi ketelitiannya hanya orde satu. Ketika skema ini dipilih, nilai bidang <= adalah sama dengan nilai pusat sell < dalam sell upstream. Skema ini memungkinkan digunakan pada penyelesaian berbasis tekanan dan rapatan (density) - Second-order upwind scheme Menggunakan persamaan yang lebih teliti sampai orde 2, sangat baik digunaan pada mesh tri/tet dimana arah aliran tidak sejajar dengan mesh. Karena metode interpolasi yang digunakan lebih rumit, maka lebih lambat mencapai konvergen. Ketika skema ini dipilih, nilai bidang <= dikomputasi mengikuti bentuk :
<=>?@A < BC D EF Dimana, < dan BC adalah nilai pusat
sell dan gradient dalam sell upstream, dan EF adalah vektor perpindahan dari pusat luasan sell upstream ke bidang pusat luasan. - Quadratic Upwind Interpolation (QUICK) scheme Diaplikasikan untuk mesh quad/hex dan hybrid, tetapi jangan digunakan untuk elemen mesh tri, dengan alian fluida yang berputar/swirl. Ketelitiannya mencapai orde 3 pada ukuran mesh yang seragam. Untuk bidang e pada Gambar 5, jika aliran dari kiri ke kanan, seperti itu nilai dapat ditulis sebagai berikut : GH I J
KL KM K& QKM KM G' GN O %P#I( J G' G O KM KL KM KL K& KM K& KM 4
139
Jurnal
e-Dinamis, Volume. 7, No.3 Desember
Gambar 5. Volume control satu dimensi [3]
2013
ISSN 2338-1035
Semakin kecil ukuran mesh pada model, maka hasil yang didapatkan akan semakin teliti, tetapi membutuhkan daya komputasi dan waktu yang lebih lama dibandingkan dengan mesh yang memiliki ukuran lebih besar. Oleh karena itu, besar ukuran mesh harus diatur sedemikian rupa (smooth meshing) sehingga diperoleh hasil yang teliti dan diusahakan daya komputasi yang dibutuhkan tidak terlalu besar.
θ = 1 dalam persamaan di atas hasil dalam pusat interpolasi orde 2 dimana θ = 0 hasil nilai orde kedua. Biasanya skema P
QUICK diperoleh dengan kedaaan I . R Implementasi pada FLUENT menggunakan variabel, solusi dependen nilai , dipilih supaya menghindari pengenalan solusi ekstrim yang baru. 3. Metode Penelitian a. Pembuatan Model Pembuatan model pompa hidram dalam simulasi ini mengacu kepada bentuk dan dimensi pompa yang sebenarnya. Pembuatan model CAD dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak SolidWorks.
Gambar 6. Model Hidram
Gambar 6. Model Hidram
Gambar 7. Model hidram yang telah di mesh
c.
Solution Solver
1. Jenis aliran Fluida yang digunakan dalam simulasi adalah air dengan sifat-sifat sebagai berikut: • Temperatur konstan T = 20 0C • Kerapatan (densitas) konstan, S TTRDQUVWXYZ • Viskositas kinematik, [ PD\QU]UP\^_U UY` Xa Dengan membandingkan nilai diatas dengan nilai kritis bilangan Reynold, maka jenis aliran adalah turbulen. Dari asumsi fluida yang digunakan adalah dengan temperature dan densitas tetap sehingga jenis alirannya adalah isothermal dan inkompresible.
b. Meshing Unit-unit volume pada simulasi ANSYS diinterpretasikan dengan pembentukan mesh atau grid. Ukuran mesh yang diterapkan pada model akan mempengaruhi ketelitian analisis CFD. 140
Jurnal
e-Dinamis, Volume. 7, No.3 Desember
2. Boundary Condition
2013
ISSN 2338-1035
pengaturan simulasi yang dilakukan. Jenis aliran yang telah ditentukan sebelumnya juga diatur pada bagian ini di dalam FLUENT. Tabel 3. Pengaturan simulasi
Gambar 8. Kondisi batas pada saat katup penghantar tertutup Tabel 1. Kondisi batas pada saat katup penghantar tertutup
4. Hasil dan Analisa Sebagaimana tujuan akhir dari penelitian ini adalah mensimulasikan aliran fluida pada pompa hidram. Seperti telah dijelaskan di bab 3 bahwa simulasi ini terdiri atas dua kondisi yaitu pada saat katup penghantar tertutup, dan pada saat katup limbah tertutup. a. Simulasi Pada Saat Katup Penghantar Tertutup.
(a) Gambar 9. Kondisi batas pada saat katup limbah tertutup Tabel 2. Kondisi batas pada saat katup limbah tertutup
(b)
3. Pengaturan Simulasi Pengaturan simulasi yang dimaksud adalah menentukan beberapa aspek yang diperlukan dalam simulasi seperti bentuk solver yang dipilih, material, jenis viskos, sesuai dengan asumsi yang dilakukan. Tabel 3 menunjukkan 141
Jurnal
e-Dinamis, Volume. 7, No.3 Desember
2013
ISSN 2338-1035
(c) (b)
Gambar 10. Vektor kecepatan dengan panjang langkah (a) 25 mm, (b) 20 mm dan (c) 15 mm. Dari gambar 10 diatas kontur dan vektor kecepatan pada katup limbah dapat kita lihat kecepatan pada tiap panjang langkah atau bukaan katup limbah berbeda, yaitu kecepatan pada katup limbah semakin meningkat seiring dengan besarnya panjang langkah atau bukaan katup limbah. Pada panjang langkah 15 mm kecepatan tertinggi adalah 1,105 m/s, pada panjang langkah 20 kecepatan tertinggi adalah 1,339 m/s dan pada panjang langkah 25 mm kecepatan tertinggi adalah 1,727 m/s. Sebagai perbandingan terhadap hasil pengujian maka akan dicari kecepatan rata-rata tiaptiap panjang langkah dan untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada bagian lampiran hasil simulasi. b. Simulasi Pada Saat Katup Limbah Tertutup
(c)
Gambar 11. Kontur tekanan dengan volume tabung (a) 0,0061 m3; (b) 0,0082 m3; dan (c) 0,0102 m3. Dari gambar 11 diatas dapat kita lihat bahwa kontur dari badan pompa, nilai tekanan yang diberikan tiap tabung menurun seiring naiknya volume tabung. Dan berikut adalah diagram batang perbedaan antara hasil simulasi dan hasil pengujian.
(a)
Gambar 12. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian pada panjang langkah katup limbah 15 mm
142
Jurnal
e-Dinamis, Volume. 7, No.3 Desember
2013
ISSN 2338-1035
Gambar 17. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian tekanan badan pompa pada volume tabung 0,0082 m3.
Gambar 13. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian pada panjang langkah katup limbah 20 mm.
Gambar 14. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian pada panjang langkah katup limbah 25 mm.
Gambar 18. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian tekanan tabung pada volume tabung 0,0082 m3. Gambar 15. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian tekanan badan pompa pada volume tabung 0,0061 m3.
Gambar 16. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian tekanan tabung pada volume tabung 0,0061 m3.
Gambar 19. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian tekanan badan pompa pada volume tabung 0,0102 m3.
143
Jurnal
e-Dinamis, Volume. 7, No.3 Desember
Gambar 20. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian tekanan tabung pada volume tabung 0,0102 m3. Menghitung besar penyimpangan antara hasil simulasi dan analisa: Kbc'defde g
Kbc&hdib#jHef&kbde g !UP\\Ul Kbc&hdib
Dan berikut penyimpangannya.
adalah
besar
2013
ISSN 2338-1035
Periode 3: Akibat semakin bertambahnya kecepatan aliarn dimana kecepatan telah mencapai titik maksimum katup limbah mulai tertutup tekanan dalam pompa hidram mulai naik. Periode 4: Akibat katup buang tertutup terjadi palu air yang menyebabkan air didorong ke katup penghantar dan kecepatan aliran pipa pemasukan mengalami penurunan. Periode 5: Adanya tekanan kedalam pipa pemasukan menyebabkan hisapan kecil dalam pompa hidram yang meneyebabkan katup buang terbuka dan juga pengaruh beban katup limbah. Siklus terulang kembali.
Tabel 4. hasil simulasi dan hasil pengujian dan penyimpangannya.
c. Grafik satu siklus kerja pompa hidram Secara sederhana bentuk ideal dari tekanan dan kecepatan aliran pada ujung pipa pemasukan dan kedudukan katup limbah selama satu siklus kerja pompa hidram terjadi dalam lima periode yaitu: Periode 1: Akhir siklus sebelumnya disana kecepatan aliran mulai bertambah. Periode 2: Aliran mulai bertambah seiring katup limbah yang terbuka dan tekanan yang terjadi mulai bertambah secara bertahap mulai dari 0.3 bar hingga mencapai titik maksimum.
Gambar 21. Grafik satu pompa hidram
siklus kerja
144
Jurnal
e-Dinamis, Volume. 7, No.3 Desember
2013
ISSN 2338-1035
5. Kesimpulan
Daftar Pustaka
Dari hasil simulasi yang dilakukan maka dapat disimpulkan sebagai berikut :
[1] Çengel, Yunus. A. dan Robert H. Turner. 2004. Fundamental of Thermal Fluid Sciences, New York: Mc. Graw Hill [2] Tuakia, Firman. 2008. Dasar-dasar CFD menggunakan FLUENT. [3] Ambarita, Himsar. 2010. Persamaan Pembentuk Aliran. Teknik Mesin USU
1. Telah dilakukan simulasi dengan menampilkan distribusi tekanan dan distribusi kecepatan pada pompa hidram dengan kondisi masing-masing proses kerja Hidram. 2. Setelah menghitung penyimpangan antara hasil simulasi dan hasil pengujian. Maka didapatkan kecepatan katup limbah meningkat seiring meningkatnya panjang langkah katup limbah, dari hasil simulasi kecepatan (v) katup limbah untuk tiap panjang langkahnya adalah 0,5639; 0,7534 dan 1,0191 m/s sedangkan hasil pengujian adalah 0,5175; 0,7959 dan 1,1128 m/s. Demikian juga dengan tekanan badan pompa (P1) dan tekanan tabung (P2), tekanan menurun seiring semakin besarnya volume tabung. Hasil simulasi tekanan P1 dengan volume 0,0061 m3 adalah 1,1622534 Bar sedangkan hasil pengujian adalah 1,19 Bar dan hasil simulasi tekanan (P2) dengan volume 0,0061 m3 adalah 1,1609234 Bar sedangkan hasil pengujian adalah 1,17, hasil simulasi tekanan P1 dengan volume 0,0082 m3 adalah 1,1192458 Bar sedangkan hasil pengujian adalah 1,16 Bar dan hasil simulasi tekanan P2 dengan volume 0,0082 m3 adalah 1,1174902 Bar sedangkan hasil pengujian adalah 1,13 Bar, Hasil simulasi tekanan P1 dengan volume 0,0102 m3 adalah 1,0868658 Bar sedangkan hasil pengujian adalah 1,12 Bar dan hasil simulasi tekanan P2 dengan volume 0,0102 m3adalah 1,0852968 Bar sedangkan hasil pengujian adalah 1,10 Bar. 3. Setelah membandingkan data antara hasil simulasi dan hasil pengujian, diperoleh penyimpangan tertinggi ada pada kecepatan (v) pada panjang langkah 25 mm yaitu 9,19 %, sedangkan penyimpangan terendah ada pada tekanan tabung (P2) pada volume 0,0061 m3 yaitu 0,78 % .
145
