SIMULASI ALIRAN UDARA 3D PADA COMBUSTION CHAMBER ENGINE GE.J47-GE-17 DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE FLUENT
Skripsi
Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mencapai Derajat Sarjana Strata 1 (S1)
Disusun Oleh : Rudy Afrian 05050006
JURUSAN TEKNIK PENERBANGAN SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI ADISUTJIPTO YOGYAKARTA 2010
i
LEMBAR PERSETUJUAN PEMBIMBING SKRIPSI DENGAN JUDUL
SIMULASI ALIRAN UDARA 3D PADA COMBUSTION CHAMBER ENGINE GE.J47-GE-17 DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE FLUENT
Yang Dipersiapkan Oleh: Nama
:
Rudy Afrian
Nim
:
05050006
Jurusan
:
Teknik Penerbangan
Telah Memenuhi Persyaratan dan Siap Untuk Diujikan Disetujui Pada Tanggal
Dosen Pembimbing I
Dosen Pembimbing II
M. Ardi Cahyono .ST, MT
Karseno KS, INZ, SE, MM ii
LEMBAR PENGESAHAN
SIMULASI ALIRAN UDARA 3D PADA COMBUSTION CHAMBER ENGINE GE.J47-GE-17 DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE FLUENT Yang Dipersiapkan Dan Disusun Oleh RUDY AFRIAN 05050006 Telah dipertahankan di depan tim penguji skripsi pada tanggal 3 Juni 2010 dan dinyatakan telah memenuhi syarat guna memperoleh gelar Sarjana Teknik Susunan Tim Penguji
Nama Lengkap
Tanda Tangan
Ketua Penguji
: M. Ardi Cahyono. ST, MT
..................
Penguji I
: Karseno KS, INZ, SE, MM
..................
Penguji II
: Ir. Heru Yudanarsa
..................
Penguji III
: Muhammad Yusuf, ST
..................
Yogyakarta,......................... Jurusan Teknik Penerbangan Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto Ketua Jurusan
Ir. Djarot Wahju Santoso, MT iii
PERNYATAAN
Yang Bertanda Tangan Di Bawah Ini :
Nama
:
Rudy Afrian
Nim
:
05050006
Jurusan
:
Teknik Penerbangan
Judul Skripsi :
Simulasi Aliran Udara 3D Pada Combustion Chamber Engine GE.J47-GE-17 Dengan Menggunakan Software Fluent.
Menyatakan bahwa skripsi ini adalah hasil pekerjaan saya sendiri dan sepanjang pengetahuan saya tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau telah dipergunakan dan diterima sebagai persyaratan penyelesaian studi pada universitas atau instansi lain kecuali pada bagian-bagian tertentu yang telah dinyatakan dalam teks.
Yogyakarta,............................ Yang Menyatakan,
Rudy Afrian 05050006
iv
MOTTO
“Jadilah seperti air mengalir, dimana setinggi apapun bendungan yang di buat, tetapi pasti akan selalu mendapatkan jalan untuk keluar.....”
“Modal terbaik adalah keyakinan, kekuatan terhebat adalah semangat, kesalahan terbesar adalah menyerah, dan hal yang paling tak berguna adalah kesombongan....”
“ Janganlah kamu menunggu sesuatu keberuntungan, tetapi harus berdoa dan berusaha dengan segenap kemampuan, dan bersyukurlah atas sesuatu yang telah didapatkan....”
“Ketika kamu dalam kesulitan dan kemalangan ingatlah janji ALLAH, karena sesungguhnya sesudah kesulitan dan kemalangan itu akan ada kemudahan. (QS. Alam Nasyrah)”
“You can if you think you can....”
“Handle your self....”
“Hidup hanya sekali jadi janganlah disia-siakan karena waktu terus berjalan dan tidak diputat kembali....”
“Terima dan nikmatilah apapun yang kamu miliki dengan ikhlas, karena itu akan membuat kamu tenang lahir dan batin....”
v
LEMBAR PERSEMBAHAN
Skripsi ini saya persembahkan untuk :
Allah SWT. Bapak, Ibu, dan kakak-kakak tercinta. Teman – teman seperjuangan. Kampus STTA.
vi
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat ALLAH S.W.T yang telah memberikan Rahmat serta Hidayah-Nya kepada penulis, karena dengan Rahmat dan Hidayah-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “Simulasi Aliran Udara 3D Pada Combustion Chamber Engine GE.J47-GE-17 Dengan Menggunakan Software Fluent”. Skripsi ini
disusun
sebagai
salah
satu
syarat
akademis
untuk
menyelesaikan pendidikan S-1 Study Teknik Penerbangan Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto Yogyakarta.
vii
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis sangat bersyukur atas terselesaikannya Tugas Akhir ini. Semua ini tidaklah akan tercapai tanpa adanya bantuan dari berbagai pihak, maka pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. ALLAH S.W.T atas segala limpahan karuniaNya. 2. Kedua Orang tua dan kakak – kakak saya tercinta atas cinta kasih, do’a, harapan, serta dukungan moral maupun material. 3. Bp. Ir. Suyitmadi, MT selaku ketua STT Adisutjipto Yogyakarta. 4. Bp. Ir. Djarot Wahju Santoso, MT selaku ketua jurusan teknik penerbangan STT Adisutjipto Yogyakarta. 5. Bp. Ardi Cahyono, MT selaku pembimbing satu. 6. Bp. Karseno KS, INZ, SE, MM, selaku pembimbing dua. 7. Teman – teman seperjuangan yang memberikan informasi, data – data, dan masukan-masukan yang sangat membantu. 8. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu.
Tiada lain yang dapat penulis berikan, semoga semua budi baik yang diberikan kepada penulis mendapatkan balasan dari ALLAH S.W.T. Amien.
viii
SIMULASI ALIRAN UDARA 3D PADA COMBUSTION CHAMBER ENGINE GE.J47-GE-17 DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE FLUENT Oleh: Rudy Afrian 05050006 Combustion Chamber merupakan salah satu bagian dari engine yang berguna untuk tempat pembakaran dimana diharapkan terjadi proses campuran antara bahan bakar dan udara, untuk menghasilkan gas pembakaran pada temperatur dan tekanan tertentu. Untuk dapat melihat aliran – aliran udara yang terjadi di dalam combustion chamber harus dilakukan pensimulasian. Dalam rangka mengetahui bagaimana aliran-aliran udara tersebut bergerak, kecepatan aliran udara, dan temperature yang terdapat di dalam combustion chamber engine GE.J47-GE-17. Maka penulis disini ingin melakukan simulasi secara komputasional dengan menggunakan software Fluent. Fluent merupakan program komputer yang digunakan untuk berbagai macam simulasi seperti aliran fluida, reaksi kimia, dan fenomena-fenomena lainnya. Dari hasil simulasi software Fluent yang dibahas dalam penelitian ini, didapat hasil Iterasi yang merupakan nilai kecepatan dan temperatur kemudian dikonversikan kedalam bentuk grafik. Simulasi juga dilakukan pada model dengan menghilangkan bagian swirlnya. Dengan demikian, didapatkan hasil yang antara lain bahwa combustion chamber yang menggunakan swirl memiliki karakteristik aliran udara yang merata dibandingkan dengan yang tidak menggunakan swirl.
Kata Kunci : Combustion Chamber. Fluent, Swirl, Kecepatan, Temperatur.
ix
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL
............................................................. i
LEMBAR PERSETUJUAN
............................................................. ii
LEMBAR PENGESAHAN
............................................................. iii
LEMBAR PERNYATAAN
............................................................. iv
MOTTO
................................................................................................. v
HALAMAN PERSEMBAHAN KATA PENGANTAR
............................................................. vi
......................................................................... vii
UCAPAN TERIMA KASIH ......................................................................... viii ABSTRAK
................................................................................................. ix
DAFTAR ISI ................................................................................................. x DAFTAR TABEL
..................................................................................... xii
DAFTAR GAMBAR ..................................................................................... xiii DAFTAR SIMBOL ..................................................................................... xvii BAB I PENDAHULUAN 1.1
Latar belakang
............................................................. 1
1.2
Rumusan Masalah
............................................................. 2
1.3
Maksud dan Tujuan
............................................................. 3
1.4
Batasan Masalah
............................................................. 3
1.5
Manfaat Penelitian
............................................................. 4
1.6
Sistematika Penulisan
................................................. 5
BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1
2.2
Siklus Turbin Gas
............................................................. 6
2.1.1
Siklus Ideal Turbin Gas
..................................... 6
2.1.2
Siklus Turbin Gas Sederhana ..................................... 7
Persamaan Energi Yang Umum Untuk Proses Aliran Tunak. 8 x
2.2.1 2.3
2.4
2.5
Penerapan Persamaan Energi Yang Umum Untuk Proses Aliran Tunak ............................................................. 10
Ruang bakar (Combustion Chamber) dan Pembakaran........... 13 2.3.1
Desain Ruang Bakar (Combustion Chamber)............. 13
2.3.2
Jenis – jenis Ruang Bakar
2.3.3
Persyaratan Kontruksi Ruang Bakar Turbin Gas......... 17
2.3.4
Proses Pembakaran
..................................... 15
................................................. 19
Aliran Turbulen dan Model k-epsilon Standar 2.4.1
Aliran Turbulen
2.4.2
Model k-epsilon Standard
............. 22
................................................. 22 ..................................... 24
Fluent ..................................................................................... 26
BAB III METODE PENELITIAN 3.1
Metode Penelitian
............................................................. 28
3.1.1
Obyek Penelitian
................................................. 28
3.1.2
Pengumpulan dan Analisis Data
......................... 30
3.2
Langkah – Langkah Penelitian
..................................... 31
3.3
Analisis dan Perhitungan Data
..................................... 32
BAB IV SIMULASI DAN PEMBAHASAN 4.1
Simulasi
......................................................................... 36
4.2
Pembahasan Hasil Simulasi ................................................. 100
BAB V PENUTUP 5.1
Kesimpulan
......................................................................... 102
5.2
Saran ..................................................................................... 102
DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................... 104 LAMPIRAN
xi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Diagram P-v dan T-s Siklus Turbin Gas Ideal (Siklus Brayton)..... 7 Gambar 2.2 Sistem dan Batas Sistem ................................................................. 9 Gambar 2.3 Sistem Ruang Bakar
................................................................. 12
Gambar 2.4 Temperatur Nyala Adiabatik
..................................................... 12
Gambar 2.5 Skema Ruang Bakar Turbin Gas dan Zona Pembakaran (Aliran Lurus) ......................................................................................... 14 Gambar 2.6 Aliran Udara dan Gas di Ruang Bakar ......................................... 14 Gambar 2.7 Ruang Bakar Jenis Can ................................................................. 16 Gambar 2.8 Ruang Bakar Jenis Annular
..................................................... 16
Gambar 2.9 Ruang Bakar Jenis Can-annular ..................................................... 17 Gambar 2.10 Distribusi Temperatur Pada Ruang Bakar
............................. 19
Gambar 2.11 Pengaruh Tempeature Terhadap Batas Nyala ............................. 19 Gambar 2.12 Pembagian Aliran Udara di Dalam Ruang Bakar
................. 21
Gambar 3.1 Engine GE.J47 ............................................................................. 29 Gambar 3.2 Irisan Penampang Engine GE.J47
......................................... 29
Gambar 3.3 Diagram Alur Penelitian ................................................................. 31 Gambar 3.4 Dimensi Ruang Bakar Mesin GE.J47-GE-17
............................. 32
Gambar 4.1 Tampilan Windows ketika Gambit Dijalankan ............................. 36 Gambar 4.2 Koordinat Titik- Titik Penyusunan Combustion Chamber
..... 39
Gambar 4.3 Garis – Garis Lurus (Straight) Penyusun Combustion Chamber ... 43 Gambar 4.4 Garis – Garis Lengkung (Arc) Penyusun Combustion Chamber ... 45 Gambar 4.5 Bagian – Bagian Yang Menyusun Combustion Chamber Gambar 4.6 Titik – Titik Koordinat Dilution Air Holers
xii
..... 47
............................. 49
Gambar 4.7 Coordinate sys untuk Dilution Air Holes
............................. 50
Gambar 4.8 Pembentukan Cylinder Pada Ruang Bakar
............................. 51
Gambar 4.9 Combustion Chamber Disertai Dengan Dilution Air Holes
..... 53
Gambar 4.10 Garis – Garis Penyusun Swirl ..................................................... 56 Gambar 4.11 Bagian – Bagian Penyusul Swirl
......................................... 57
Gambar 4.12 Bagian Swirl yang telah Dihapus
......................................... 59
Gambar 4.13 Bagian Tengah Swirl
................................................................. 61
Gambar 4.14 Penggabungan Bagian Swirl Dengan Bagian Tengah Swirl
..... 62
Gamabr 4.15 Bidang Inlet, Outlet, dan Dilution Air Holes ............................. 63 Gambar 4.16 Bagian 39 (yang berwarna merah)
......................................... 65
Gambar 4.17 Bagian 39 Yang Telah di Split Dengan Swirl ............................. 65 Gambar 4.18 Proses Mesh Garis Yang Pertama
......................................... 67
Gambar 4.19 Proses Mesh Garis Yang Pertama dan Kedua ............................. 68 Gambar 4.20 Proses Mesh Volume Combustion Chamber
............................. 69
Gambar 4.21 Examine Mesh ............................................................................. 69 Gambar 4.22 Kualitas Mesh Combustion Chamber ......................................... 70 Gambar 4.23 Kondisi Batas Wall
................................................................. 73
Gambar 4.24 Kondisi Batas Wall, Velocity Inlet, dan Outflow
................. 73
Gambar 4.25 Mengekspor File Mesh ................................................................. 74 Gambar 4.26 Bagian Tengah Combustion Chamber Kreasi Penulis ................. 75 Gambar 4.27 Mesh Garis Combustion Chamber Kreasi Penulis
................. 76
Gambar 4.28 Mesh Garis Bagian Dilution Air Holes ......................................... 76 Gambar 4.29 Mesh Volume Combustion Chamber Kreasi Penulis ................. 77 Gambar 4.30 Kualitas Mesh Volume Combustion Chamber Kreasi Penulis ..... 77 Gambar 4.31 Kondisi Batas Combustion Chamber Kreasi Penulis ................. 78 xiii
Gambar 4.32 Menjalankan Fluent
................................................................. 78
Gambar 4.33 Pengecekan Grid Combustion Chamber Engine GE.J47-GE-17.. 79 Gambar 4.34 Pengecekan Grid Combustion Chamber Engine GE.J47-GE-17 Kreasi Penulis ............................................................................. 80 Gambar 4.35 Penyekalaam Grid
................................................................. 81
Gambar 4.36 Pengaturan Panel Grid Display..................................................... 81 Gambar 4.37 Tampilan Grid Combustion Chamber Engine GE.J47-GE-17 ..... 82 Gambar 4.38 Tampilan Grid Combustion Chamber Engine GE.J47-GE-17 Kreasi Penulis ............................................................................. 82 Gambar 4.39 Panel Solver
............................................................................. 83
Gambar 4.40 Pengaturan Panel Energy
..................................................... 83
Gambar 4.41 Pengaturan Panel Viscous Model
......................................... 84
Gambar 4.42 Pengaturan Panel Materials
..................................................... 85
Gambar 4.43 Pengaturan Panel Set Units
..................................................... 86
Gambar 4.44 Pengaturan Kondisi Batas Untuk Fluida
............................. 86
Gambar 4.45 Pengaturan Kondisi Batas Untuk Inlet dan Dilution Holes (DH). 87 Gambar 4.46 Pengaturan Kondisi Batas Untuk Outlet
............................. 88
Gambar 4.47 Pengaturan Kondisi Batas Untuk Semua Dinding dan Swirl ..... 88 Gambar 4.47 Pengaturan Panel Solution Controls
......................................... 89
Gambar 4.48 Pengaturan Panel Solution Initialization
............................. 89
Gambar 4.49 Pengaturan Panel Residual Monitors ......................................... 90 Gambar 4.50 Pengaturan Panel Iterasi
..................................................... 90
Gambar 4.51 Grafik Iterasi Combustion Chamber Engine GE.J47-GE-17 ..... 91 Gambar 4.52 Grafik Iterasi Combustion Chamber Engine GE.J47-GE-17 Kreasi Penulis ............................................................................. 91
xiv
Gambar 4.53 Pengaturan Panel Flux Report dan Hasilnya Pada Combustion Chamber Engine GE.J47-GE-17 ......................................... 92 Gambar 4.54 Pengaturan Panel Flus Report dan Hasilnya Pada Combustion Chamber Engine GE.J47-GE-17 Kreasi Penulis ................. 92 Gambar 4.55 Pengaturan Panel Plane Surface
......................................... 93
Gambar 4.56 Pengaturan Panel Contours dan Panel Grid Display ................. 94 Gambar 4.57 Kontur Prediksi Kecepatan di Dalam Combustion Chamber ..... 94 Gambar 4.58 Kontur Prediksi Kecepatan Combustion Chamber Engine GE.J47-GE-17 Kreasi Penulis ..................................................... 95 Gambar 4.59 Kontur Prediksi Temperatur Combustion Chamber Engine GE.J47-GE-17 ............................................................................. 95 Gambar 4.60 Kontur Prediksi Temperatur Combustion Chamber Engine GE.J47-GE-17 Kreasi Penulis ..................................................... 96 Gambar 4.61 Pengaturan Panel Vectors dan Panel Grid Display
................. 96
Gambar 4.62 Vektor Prediksi Kecepatan Pada Combustion Chamber Engine GE.J47-GE-17 ............................................................................. 97 Gambar 4.63 Vektor Prediksi Kecepatan Pada Combustion Chamber Engine GE.J47-GE-17 Kreasi Penulis ..................................................... 98 Gambar 4.64 Pengaturan Panel Path Lines
..................................................... 99
Gambar 4.65 Garis – Garis Lintasan Prediksi Kecepatan Pada Combustin Chamber Engine GE.J47-GE-17 ......................................... 99 Gambar 4.66 Garis – Garis Lintasan Prediksi Kecepatan Pada Combustion Chamber Engine GE.J47-GE-17 Kreasi Penulis ................. 100
xv
DAFTAR SIMBOL C
kecepatan
g
percepatan gravitasi
h
entalpi per satuan berat
I
itenstas turbulen
J
faktor pengubah satuan
k
kinetik turbulen
l
panjang
L
panjang
m
massa
p
tekanan
Q
perpindahan panas
Re D
Bilangan Reynolds
S
luas permukaan
T
temperatur
u
energi dalam per satuan berat
v
volume spesifik
V
kecepatan
w
kerja persatuan berat
W
kerja kinetik
z
tinggi diukur dari garis datum
μ
viskositas dinamis
ρ
massa jenis
ԑ
epsilon
σ
perbandingan kecepatan
β
sudut
xvi
