Simulasi Aliran Fluida Pada Pompa Hidram Dengan Tinggi Air Jatuh 2,3 m Dengan Menggunakan Perangkat Lunak CFD

SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA POMPA HIDRAM

DENGAN TINGGI AIR JATUH 2.3 M DENGAN

MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CFD

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

HERTO MARISEIDE MARBUN NIM. 080401037

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan rahmatnya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “Simulasi Aliran Fluida Pada Pompa Hidram Dengan Tinggi Air Jatuh

2,3 m Dengan Menggunakan Perangkat Lunak CFD”.

Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat nasehat, semangat, dan motivasi dari berbagai pihak, penulis dapat menyelesaikannya. Secara khusus penulis mengucapkan terima kasih yang sebanyak-banyaknya kepada :

1. Orang tua penulis D. Marbun dan N. Sianturi yang memberikan dukungan moral dan materi kepada penulis

2. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc selaku dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.

3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Ir. Syahril Gultom, MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara dan juga sekaligus menjadi dosen pembanding penulis.

4. Bapak Ir. Alfian, MSc selaku dosen wali.

5. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita selaku dosen CFD yang bersedia memberikan waktunya untuk berdiskusi.

6. Teman-teman penulis Franciscus sitompul dan Uccok sinaga yang sama-sama berusaha mengerjakan skripsi tentang pompa hidram.

7. Nehemia, Indra Purba dan Fadli Ryan Arikundo selaku teman asistensi yang sama-sama berjuang untuk menyelesaikan perbaikan skripsi.

8. Teman-teman mesin 2008 serta abang senior dan semua rekan mahasiswa teknik mesin yang membantu dalam penyelesaian skripsi ini.

Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis sangat membutuhkan saran dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima Kasih.

Medan, 6 Juni 2013

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 %.

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 %.

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i

ABSTRAK ... ii

DAFTAR ISI ... iv

DAFTAR GAMBAR ... vi

DAFTAR TABEL ... ix

DAFTAR SIMBOL ... x

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 3

1.3 Batasan Masalah ... 3

1.4 Manfaat Penelitian ... 3

1.5 Sistematika Penulisan ... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1 Klasifikasi aliran ... 5

2.1.1.Aliran kompresibel dan inkompresibel ... 5

2.1.2.Aliran laminar dan aliran turbulen ... 6

2.2 Bilangan Reynold ... 6

2.3 Pompa Hidram ... 7

2.3.1.Komponen utama pompa hidram dan fungsinya ... 8

2.4 Sistem operasi pompa hidram ... 12

2.5 Computational Fluid Dynamic (CFD) ... 14

2.5.1. Pengertian umum CFD ... 14

2.5.2. Penggunaan CFD ... 15

2.5.3. Manfaat CFD ... 16

2.5.4. Proses simulasi CFD ... 17

2.5.5. Metode Diskritisasi CFD ... 18

2.6 Pengenalan software CFD ... 18

2.6.1. Struktur program CFD ... 19

2.6.2. Langkah penyelesaian masalahdan perencanaan analisis CFD .. 19

2.6.3. Pendekatan numerik pada CFD ... 22

2.6.4. Persamaan pembentuk aliran ... 22

2.6.5. Diskritisasi (metode interpolasi) pada CFD ... 26

2.7 Model Turbulensi (Turbulence modeling) ... 28

2.7.1. Permodelan k-epsilon (k-ε) ... 29

2.7.2. Permodelan k-omega (k-ω) ... 30

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 31

3.1 Proses Pre-Processing ... 31

3.1.2. Pembuatan mesh (grid generation) ... 34

3.2 Menentukan solution solver ... 37

3.2.1. Menentukan jenis aliran ... 37

3.2.2. Menentukan kondisi batas (Boundary condition) ... 39

3.2.3. Pengaturan simulasi ... 42

3.3 Menjalankan simulasi (run)... 42

BAB IV HASIL DAN ANALISA ... 43

4.1 Simulasi pada saat katup penghantar tertutup ... 43

4.2 Simulasi pada saat katup limbah tertutup ... 47

4.3 Simulasi perbedaan volume tabung udara ... 51

4.4 Hasil Simulasi ... 55

4.5 Perbandingan terhadap hasil pengujian ... 55

4.5.1. Kecepatan Pada Katup Limbah Pada Bukaan Katup 15,25 Derajat Atau Panjang Langkah 15 mm ... 56

4.5.2. Kecepatan Pada Katup Limbah Pada Bukaan Katup 19,98 Derajat Atau Panjang Langkah 20 mm ... 57

4.5.3. Kecepatan Pada Katup Limbah Pada Bukaan Katup 24,44 Derajat Atau Panjang Langkah 25 mm ... 58

4.5.4. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Volume Tabung Udara 0,0061 m3_{... 59}

4.5.5. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Volume 0,0061 m3 _{... 60}

4.5.6. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Volume Tabung Udara 0,0082 m3_{... 61}

4.5.7. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Volume 0,0082 m3 _{... 62}

4.5.8. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Volume Tabung Udara 0,0102 m3_{... 63}

4.5.9. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Volume 0,0102 m3 _{... 64}

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 65

5.1 Kesimpulan ... 65

5.2 Saran ... 66 DAFTAR PUSTAKA

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Daerah aliran laminar dan turbulen pada plat datar ... 6

Gambar 2.2. Perbandingan tinggi tekanan input dan tekanan output. ... 7

Gambar 2.3. Korelasi antara debit input dan debit output pompa hidram. ... 8

Gambar 2.4. Jenis-jenis Desain Katup Limbah ... 9

Gambar 2.5. Bagian – Bagian Katup Limbah. ... 9

Gambar 2.6. Instalasi Pengujian Pompa Hidram ... 12

Gambar 2.7 Siklus Pemompaan Pompa Hidram ... 13

Gambar 2.8 Alur penyelesaian masalah CFD (problem solving) ... 21

Gambar 2.9. Hukum Kekekalan Massa pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi ... 23

Gambar 2.10 Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-x pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi... 24

Gambar 2.11 Kerja yang Dikenakan pada Sebuah Elemen Arah Sumbu-x ... 25

Gambar 2.12 Fluks Panas yang Melintasi Permukaan Sebuah Elemen ... 25

Gambar 2.13 Volume control satu dimensi ... 28

Gambar 3.1. Model pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang langkah 15 mm atau bukaan katup limbah 15.25 derajat ... 31

Gambar 3.2. Model pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang langkah 20 mm atau bukaan katup limbah 19.98 derajat ... 32

Gambar 3.3. Model pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang langkah 25 mm atau bukaan katup limbah 24.44 derajat ... 32 Gambar 3.4. Model pada saat katup limbah tertutup dengan katup penghantar 1/3 terbuka ... 32

Gambar 3.5. Model pada saat katup limbah tertutup dengan katup penghantar 2/3 terbuka. ... 33

Gambar 3.6. Model pada saat katup limbah tertutup dengan katup penghantar terbuka penuh dan model pompa dengan volume tabung 0,0061 m3_{. ... 33}

Gambar 3.7. Model pompa dengan volume tabung 0,0082 m3_{. ... 33}

Gambar 3.8. Model pompa dengan volume tabung 0,0102 m3_{. ... 34}

Gambar 3.9. Model yang telah di mesh saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang langkah 15 mm atau bukaan katup limbah 15.25 derajat ... 34

Gambar 3.10. model yang telah di mesh pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang langkah 20 mm atau bukaan katup limbah 19.98 derajat . 35 Gambar 3.11. Model yang telah di mesh pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang langkah 25 mm atau bukaan katup limbah 24.44 derajat. ... 35

Gambar 3.12. Model yang telah di mesh pada saat katup limbah tertutup dengan katup penghantar 1/3 terbuka. ... 35

Gambar 3.13. model yang telah di mesh pada saat katup limbah tertutup dengan katup penghantar 2/3 terbuka. ... 36

Gambar 3.14. Model yang telah di mesh pada saat katup limbah tertutup dengan katup penghantar terbuka penuh dan model pompa dengan volume tabung 0,0061 m3_{. ... 36}

Gambar 3.15. Model yang telah di mesh dengan volume tabung 0,0082 m3 _{... 36}

Gambar 3.16. Model yang telah di mesh dengan volume tabung 0,0102 m3 _{... 37}

Gambar 3.17. Letak Kondisi Batas. ... 39

Gambar 3.18. Keterangan Kondisi Batas bagian c yaitu pada keadaan katup bola dibuka 1/6 bukaan ... 40

Gambar 3.19. Letak Kondisi Batas...41

Gambar 4.1. Kontur kecepatan dengan panjang langkah 25 mm atau bukaan katup limbah 24,44 derajat. ... 43

Gambar 4.2. Vektor kecepatan dengan panjang langkah 25 mm atau bukaan katup limbah 24,44 derajat. ... 44

Gambar 4.3. Kontur kecepatan dengan panjang langkah 20 mm atau bukaan katup limbah 19,98 derajat. ... 44

Gambar 4.5. Kontur kecepatan dengan panjang langkah 15 mm atau bukaan katup

15,25 derajat ... 45

Gambar 4.6. Vektor kecepatan dengan panjang langkah 15 mm atau bukaan katup 15,25 derajat ... 46

Gambar 4.7. Kontur kecepatan dengan katup 1/3 terbuka. ... 47

Gambar 4.8. Vektor kecepatan dengan katup 1/3 terbuka. ... 48

Gambar 4.9. Kontur kecepatan dengan katup 2/3 terbuka. ... 48

Gambar 4.10. Vektor kecepatan dengan katup 2/3 terbuka ... 49

Gambar 4.11. Kontur kecepatan dengan katup terbuka penuh ... 49

Gambar 4.12. Vektor kecepatan dengan katup terbuka penuh... 50

Gambar 4.13. Kontur tekanan dengan volume tabung 0,0061 m3 _{... 51}

Gambar 4.14. Kontur tekanan dengan volume tabung 0,0082 m3 _{... 52}

Gambar 4.15. Kontur tekanan dengan volume tabung 0,0102 m3 _{... 52}

Gambar 4.16. kontur tekanan dengan volume tabung 0,0061 m3 _{pada saat katup} penghantar tertutup penuh...53

Gambar 4.17. kontur tekanan dengan volume tabung 0,0082 m3 _{pada saat katup} penghantar tertutup penuh...54

Gambar 4.18. kontur tekanan dengan volume tabung 0,0102 m3 _{pada saat katup} penghantar tertutup penuh...54

Gambar 4.19. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ... 56

Gambar 4.20. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ... 57

Gambar 4.21. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ... 58

Gambar 4.22. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ... 59

Gambar 4.23. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ... 60

Gambar 4.24. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ... 61

Gambar 4.25. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ... 62

Gambar 4.26. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ... 63

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Data hasil pengujian ... 39

Tabel 3.2 Kondisi Batas pada saat katup limbah tertutup... 41

Tabel 3.3 Kondisi Batas pada saat katup penghantar tertutup ... 41

DAFTAR SIMBOL

Simbol Arti Satuan

M Bilangan Mach

v Kecepatan aliran m/s

c Kecepatan suara m/s

Re Bilangan reynold

u Viskositas kinematik M2_/s

d Diameter pipa m

L Panjang pipa masuk m

H Head supply m

h Head output m

N Jumlah ketukan katup limbah per menit

m massa kg

a Percepatan m/s2

̇ Laju aliran fluida Kg/s

T Temperatur 0_C

Kerapatan (density) Kg/m3

Viskositas Kg/m s

v Volume tabung m3

P1 Tekanan badan pompa Bar

P2 Tekanan tabung Bar

a Inlet

b Katup penghantar c Outlet delivery d Katup limbah d Lobang limbah

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 %.

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 %.

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Pompa hidram pertama kali dibuat oleh John Whitehurst seorang peneliti asal Inggris pada tahun 1772. Pompa hidram buatan Whitehurst masih berupa hidram manual, di mana katup limbah masih digerakkan secara manual. Pompa ini pertama kali digunakan untuk menaikkan air sampai ketinggian 4,9 meter (16 kaki). Pada tahun 1783, Whitehusrt memasang pompa sejenis ini di Irlandia untuk keperluan air bersih sehari - hari.

Pompa hidram otomatis pertama kali dibuat oleh seorang ilmuwan Prancis bernama Joseph Michel Montgolfier pada tahun 1796. Desain pompa buatan Montgolfier sudah menggunakan 2 buah katup (waste valve dan delivery valve) yang bergerak secara bergantian. Pompa ini kemudian digunakan untuk menaikkan air untuk sebuah pabrik kertas di daerah Voiron. Satu tahun kemudian, Matius Boulton, memperoleh hak paten atas pompa tersebut di Inggris.

Pada tahun 1820, melalui Easton’s Firma yang mengkhususkan usahanya di bidang air dan sistem drainase, Josiah Easton mengembangkan hidram hingga menjadi usaha ram terbaik dalam penyediaan air bersih untuk keperluan rumah tangga, peternakan dan masyarakat desa. Pada tahun 1929, usaha Eastons ini dibeli oleh Green and Carter, yang kemudian meneruskan manufaktur ram tersebut.

Di Benua Amerika, hak paten hidram pertama kali di pegang oleh J. Cernau dan SS Hallet, di New York. Pompa tersebut sebagian besar digunakan di daerah pertanian dan peternakan. Memasuki periode berikutnya, kepopuleran hidram mulai berkurang, seiring berkembangnya pompa elektrik.

Di kawasan Asia, pompa hidram mulai dioperasikan di Taj Mahal, Agra, India pada tahun 1900. Pompa hidram yang di pasang di daerah tersebut adalah 16 .

Air merupakan sarana yang penting dalam kehidupan manusia dan hewan maupun tumbuh-tumbuhan. Disamping itu juga merupakan sumber tenaga yang disediakan oleh alam sebagai pembangkit tenaga mekanis. Kenyataan telah menunjukkan bahwa ada banyak daerah dipedesaan yang mengalami kesulitan penyediaan air, baik untuk kebutuhan rumah tangga maupun untuk kegiatan pertanian. Sebenarnya untuk mengatasi keadaan tersebut, pemakaian pompa air, baik yang digerakkan oleh tenaga listrik maupun oleh tenaga diesel telah lama dikenal oleh masyarakat desa, tetapi pada kenyataannya masih banyak masyarakat pedesaan yang belum memilikinya. Hal ini disebabkan karena kemampuan daya beli masyarakat desa masih terbatas, dan pada penggunaan suatu unit pompa-pompa bermesin dibutuhkan tenaga operator yang terampil. Disamping itu, alat tersebut harus mempunyai kualitas yang baik dan tersedianya suku cadang yang mudah diperoleh dipasaran bebas.

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. Pada berbagai situasi, penggunaan pompa hidraulik ram memiliki keuntungan dibandingkan penggunaan jenis pompa lainnya, yaitu tidak membutuhkan bahan bakar atau tambahan tenaga dari sumber lain, tidak membutuhkan pelumasan, bentuknya sederhana, biaya pembuatan dan pemeliharaannya murah dan tidak membutuhkan keterampilan teknik tinggi untuk membuatnya. Pompa ini bekerja 24 jam per hari.

Pompa hidraulik ram ini sangat tepat untuk daerah-daerah yang penduduknya mempunyai keterampilan teknis yang terbatas, karena pemeliharaan yang dibutuhkan sederhana. Pada kesempatan ini penulis ingin menunjukkan bahwa, siapapun yang memiliki bakat teknis yang minimal dapat melakukan survei, merencanakan dan membuat sendiri hidraulik ram dari bahan-bahan yang mudah diperoleh dan melakukan pemeliharaan yang diperlukan.

1.2 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penulisan penelitian ini adalah sebagai berikut. 1. Mensimulasikan aliran fluida dalam pompa hidram.

2. Mensimulasikan distribusi kecepatan dan tekanan dalam pompa hidram. 3. Menghitung besar penyimpangan yang terjadi antara hasil pengujian dan hasil

simulasi.

1.3 Batasan Masalah

Untuk memberikan gambaran yang lebih jelas mengenai masalah yang dikaji dalam penulisan skripsi, maka perlu diberikan batasan masalah sebagai berikut :

1. Fluida kerja yang digunakan dalam penelitian ini adalah air. 2. Dimensi pompa digambar dengan perangkat lunak CAD. 3. Kondisi aliran fluida pada saat simulasi diasumsikan steady.

4. Simulasi menggunakan perangkat lunak Computational Fluid Dynamics (CFD)

5. Parameter yang akan dianalisa adalah aliran fluida pada pompa.

6. Variabel yang akan dibandingkan adalah kecepatan pada katup limbah (vw)

sesuai dengan variasi panjang langkah atau bukaan katupnya, dan tekanan badan pompa (P1) dan tekanan tabung udara (P2) sesuai dengan variasi

volume tabung udararnya. 1.4 Manfaat Penelitian

Adapun manfaat dari penelitian ini adalah :

1. Menambah wawasan dalam menggunakan perangkat lunak untuk desain rekayasa (engineering).

2. Penelitian ini diharapakan dapat menjadi salah satu usaha mensosialisasikan teknologi hidram sebagai solusi dalam penyediaan air bersih bagi masyarakat.

1.5 Sistematika Penulisan

Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun secara sistematis dan mempermudah pembaca memahami tulisan ini, maka skripsi ini dibagi dalam beberapa bagian yaitu halaman judul, lembar pengesahan, abstrak, kata pengantar, daftar isi, daftar gambar dan daftar tabel.

Dalam penulisan laporan ini akan dijelaskan secara rinci penjelasan tentang penelitian tersebut yaitu mulai dengan Bab 1 yaitu tentang pendahuluan. Pada bab ini akan dijelaskan pendahuluan mengenai latar belakang judul skripsi tersebut dan juga sejarah dari pompa hidram, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah, sistematika penulisan dan metodologi penulisan skripsi. Setelah bab 1 kemudian dilanjutkan dengan bab 2. Pada bab 2 ini menjelaskan tentang tinjauan pustaka yaitu membahas mengenai teori-teori yang berhubungan dengan penulisan skripsi. Dasar teori didapatkan dari berbagai sumber, diantaranya berasal dari buku - buku pedoman, jurnal, paper, tugas akhir, e-mail, e-book, dan enews.

Dalam simulasi ada hal-hal yang perlu diperhatikan dalam melakukan proses simulasi. Hal ini akan dibahas pada bab 3 yaitu metodologi penelitian. Pada bab ini akan dibahas mengenai langkah-langkah penelitian, alat dan bahan yang dipakai pada pengujian. Setelah selesai melakukan penelitian maka data hasil pengujian akan diolah dan dianalisa pada bab 4 berisikan penyajian hasil yang diperoleh dari simulasi CFD dan membandingkan hasil simulasi dengan hasil pengujian. Setelah selesai menganalisa dan membahas. Hasil-hasil dan kesimpulan akan dijelaskan pada bab 5 yaitu kesimpulan dan saran.

Literatur-literatur atau referensi buku yang dipakai dalam penyusunan laporan ini akan ditulis di daftar pustaka dan berikutnya akan dilampirkan hal-hal yang perlu dilampirkan.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Klasifikasi Aliran

Fluida adalah zat yang terus menerus mengalami deformasi dibawah penerapan tegangan geser (tangensial) tidak peduli seberapa kecil tegangan geser. Fluida terdiri dari cairan dan gas (atau fase uap). Perbedaan antara keadaan fluida dan solid jelas jika anda membandingkan karakteristik fluida dan solid. Terdapat beberapa cara untuk mengklasifikasikan jenis aliran fluida dan akan dijabarkan secara umum dibawah ini.[3]

2.1.1 Aliran Kompresibel dan Inkompresibel

Fluida diklasifikasikan kompresibel atau inkompresibel berdasarkan variasi rapat massa fluida tersebut selama mengalir. Aliran di mana perbedaan dalam massa jenis dapat diabaikan disebut inkompresibel. Ketika perbedaan massa jenis aliran yang tidak dapat diabaikan, aliran ini disebut kompresibel. Pada kenyataannya tidak ada fluida yang massa jenisnya konstan, tetapi ada beberapa masalah aliran fluida yang dapat disederhanakan dengan menganggap massa jenisnya konstan. Hal ini tidak mengurangi keakuratan solusi yang didapat. Parameter yang menjadi acuan utama untuk menentukan suatu aliran kompresibel atau tidak, dilihat dari nilai Mach Number (M), yang didefinisikan sebagai rasio antara kecepatan aliran lokal terhadap kecepatan suara lokal.[3]

=

………..(2.1)

Dimana

M = bilangan Mach v = kecepatan aliran (m/s) c = kecepatan suara (m/s)

2.1.2. Aliran Laminar dan Aliran Turbulen

Sebagian aliran fluida teratur dan mengalir mulus sedangkan yang lainnya mengalir tidak teratur. Berdasarkan struktur alirannya, aliran fluida dibedakan menjadi aliran laminar dan aliran turbulen. Gambar 2.3 menunjukkan region jenis aliran pada suatu plat. Untuk aliran laminar kecepatan pada suatu titik akan tetap terhadap waktu. Sedangkan aliran turbulen kecepatannya akan mengindikasikan suatu fluktuasi yang acak. Dalam aliran turbulen, profil kecepatan pada suatu titik dihasilkan dari gerak acak partikel fluida berdasarkan waktu dalam jarak dan arah. Jika kita mengambil kecepatan rata-rata terhadap waktu, maka kecepatan sesaat dapat dihitung dengan menambahkan kecepatan rata-rata dengan kecepatan fluktuasi. [3]

Gambar 2.1 Daerah aliran laminar dan turbulen pada plat datar [3] 2.2. Bilangan Reynold

Dalam analisis aliran fluida terdapat suatu bilangan tanpa dimensi yang disebut bilangan Reynod yang merupakan perbandingan antara gaya inersial dan

gaya viskositas dirumuskan: [10]

= ………(2.2)

Dimana, v = Kecepatan Rata-Rata dari Fluida (m/s)

u = Viskositas kinematik air (1,02 x 10-6 _m2_{/s) diambil 20}o_C

Jenis aliran : Re < 2300 laminar

2300 < Re < 4000 transisi Re > 4000 turbulen

2.3. Pompa Hidram

Pompa hidraulik ram merupakan suatu alat yang digunakan untuk menaikkan air dari tempat rendah ke tempat yang lebih tinggi secara automatik dengan energi yang berasal dari air itu sendiri (Hanafie dan De Longh, 1979). Beragam penelitian pernah dilakukan untuk mungkaji performansi dari pompa ini. Pada tahun 2008, S. Imam Wahyudi dan Fauzi Fachrudin melakukan penelitian untuk mencari korelasi tekanan dan debit air pompa hidram. Berdasarkan pengujian yang dilakukan, didapatkan sebuah korelasi antara tekanan input dan tekanan output pompa hidram. Hasil yang didapatkan untuk korelasi tekanan input dan output di sajikan pada diagram di bawah ini. [4]

Dari diagram yang disajikan di atas, didapatkan rata-rata tinggi tekanan output adalah 7 kali tinggi tekanan input pompa hidram. Pengujian berikutnya dilakukan untuk mendapatkan korelasi antara debit input dan output pompa hidram. Berdasarkan hasil pengujian dan perhitungan yang dilakukan, korelasi antara debit input dan output pompa hidram di sajikan pada diagram di bawah ini.

Gambar 2.3. Korelasi antara debit input dan debit output pompa hidram.[4] 2.3.1 Komponen Utama Pompa Hidram dan Fungsinya

Beberapa komponen utama sebuah pompa hidram dijelaskan pada uraian di bawah ini:

1. Katup Limbah (Waste Valve)

Katup limbah merupakan salah satu komponen terpenting pompa hidram, oleh sebab itu katup limbah harus dirancang dengan baik sehingga berat dan gerakannya dapat disesuaikan. Katup limbah sendiri berfungsi untuk mengubah energi kinetik fluida kerja yang mengalir melalui pipa pemasukan menjadi energi tekanan dinamis fluida yang akan menaikkan fluida kerja menuju tabung udara. [4]

Beberapa desain katup limbah yang sering digunakan diantaranya:

Gambar 2.4. Jenis-jenis Desain Katup Limbah [4]

Adapun bagian – bagian sebuah katup limbah dapat dilihat dari gacmbar dibawah ini:

Gambar 2.5. Bagian – Bagian Katup Limbah. Keterangan gambar :

1

2

3

3. Karet Katup 4. Plat Katup

2. Katup Penghantar (Delivery Valve)

Katup penghantar adalah sebuah katup satu arah yang berfungsi untuk menghantarkan air dari badan hidram menuju tabung udara untuk selanjutnya dinaikkan menuju tangki penampungan. Katup penghantar harus dibuat satu arah agar air yang telah masuk ke dalam tabung udara tidak dapat kembali lagi ke dalam badan hidram. Katup penghantar harus mempunyai lubang yang besar sehingga memungkinkan air yang dipompa memasuki ruang udara tanpa hambatan pada aliran (Hanafie dan De Longh, 1979).

3. Tabung Udara (Air Chamber)

Tabung udara harus dibuat dengan perhitungan yang tepat, karena tabung udara digunakan untuk memampatkan udara di dalamnya dan untuk menahan tekanan dari siklus ram. Selain itu, dengan adanya tabung udara memungkinkan air melewati pipa penghantar secara kontinyu. Jika tabung udara penuh terisi air, tabung udara akan bergetar hebat, dapat menyebabkan tabung udara pecah. Jika terjadi kasus demikian, ram harus segera dihentikan. Pendapat dari beberapa ahli, untuk menghindari hal – hal di atas, volume tabung udara harus dibuat sama dengan volume dari pipa penghantar.

4. Katup Udara (Air Valve)

Udara dalam tabung udara, secara perlahan – lahan akan ikut terbawa ke dalam pipa penghantar karena pengaruh turbulensi air. Akibatnya, udara dalam pipa perlu diganti dengan udara baru melalui katup udara. Ukuran katup udara harus disesuaikan sehingga hanya mengeluarkan semprotan air yang kecil setiap kali langkah kompresi. Jika katup udara terlalu besar, udara yang masuk akan terlampau banyak dan ram hanya akan memompa udara. Namun jika katup udara kurang besar, udara yang masuk terlampau sedikit, ram akan bergetar hebat,

memungkinkan tabung udara pecah. Oleh karena itu, katup udara harus memiliki ukuran yang tepat.

5. Pipa Masuk (Driven Pipe)

Pipa masuk adalah bagian yang sangat penting dari sebuah pompa hidram. Dimensi pipa masuk harus diperhitungan dengan cermat, karena sebuah pipa masuk harus dapat menahan tekanan tinggi yang disebabkan oleh menutupnya katup limbah secara tiba-tiba. Untuk menentukan panjang sebuah pipa masuk, bisa digunakan referensi yang telah tersedia seperti di bawah ini :

6H < L < 12H (Eropa dan Amerika Utara) L = h + 0.3 (h/H) (Eytelwein)

L = 900 H/(N2*D) (Rusia) L = 150 < L/D < 1000 (Calvert)

Dengan :

L = Panjang pipa masuk H = Head supply

h = Head output

D = Diameter pipa masuk

N = Jumlah ketukan katup limbah per menit

Menurut beberapa penelitian seperti yang telah dilakukan Teferi Taye (1998) dan yang terakhir baru-baru ni saudara daniel dan parulian (2012), referensi perhitungan panjang pipa masuk oleh Calvert memberikan hasil yang lebih baik dengan efisiensi 30 %. [4]

2.4. Sistem Operasi Pompa Hidram

Gambar 2.6 menunjukkan diagram seluruh komponen sistem pompa hydraulic ram pump. Pompa hydraulic ram pump adalah suatu peralatan yang unik dimana peralatan ini menggunakan energi dari aliran air yang memiliki ketinggian jatuh rendah (H) sebagai energi penggerak untuk memompa sebagian air ke tempat yang jauh lebih tinggi dari head sumber air (h). Aliran air yang kontinu mengakibatkan pengeoperasian pompa ini juga kontinu dengan tidak menggunakan sumber energi lain. [5]

Gambar 2.6. Instalasi Pengujian Pompa Hidram [6]

Pompa hydram adalah suatu alat yang sederhana dan secara struktur, terdiri atas dua bagian yang bergerak yaitu: katup pembuangan (waste valve), dan katup pengeluaran (delivery valve). Unit ini juga terdiri atas tangki penyimpan udara (air chamber) dan katup udara masuk (snifter valve). Pengoperasian pompa hydram pump adalah intermitent akibat siklus pembukaan dan penutupan dari katup buang dan pengeluaran. Penutupan katup buang yang secara tiba-tiba akan mengakibatkan peningkatan tekanan surge yang tinggi di dalam pipa penggerak (drive pipe) yang dikenal sebagai water hammer. Tangki penyimpan udara dibutuhkan untuk mencegah tekanan yang tinggi ini dan digunakan untuk memompakan air yang mengalir secara intermitent menjadi suatu aliran yang kontinu. Katup udara memberikan udara masuk ke hydram pump menggantikan udara yang diabsorb oleh air akibat tekanan yang tinggi dan percampuran di dalam tangki udara (air chamber).

Siklus pemompaan pompa jenis ini dapat dibagi menjadi empat periode, yang didasarkan pada posisi katup pembuangan seperti yang terlihat dalam gambar berikut ini :

Gambar 2.7 Siklus Pemompaan Pompa Hidram [5] Dengan urutan penjelasan langkah sebagai berikut :

A.Akselerasi : Katup pembuangan terbuka dan air mulai mengalir dari sumber dan keluar melalui katup pembuangan. Aliran mengalami percepatan akibat pengaruh ketinggian sumber (H), sampai kecepatan nol dicapai di dalam pipa penggerak.

B.Kompresi : Katup pembuangan terus menutup dan akhirnya tertutup penuh. Dan pada saat itu air bergerak sangat cepat dan tiba-tiba kesegala arah yang kemudian mengumpulkan energi gerak yang berubah menjadi energi tekan. C.Delivery : Katup pembuangan tertutup penuh dan tetap tertutup. Penutupan

tiba-tiba mengakibatkan tekanan yang tinggi di dalam hydram dan pada katup kendali (check valve) yang melebihi tekanan penyaluran statis. Katup kendali didorong terbuka dan pemompaan berlangsung sampai kecepatan maksimum dan proses pemompaan berhenti, dibawah pengaruh perlambatan head tekanan

D.Rekoil : Katup penyaluran tertutup. Tekanan dekat tekanan katup kendali jauh lebih tinggi daripada tekanan sumber statis dan aliran balik terhadap sumber aliran. Peristiwa ini disebut kegiatan pembalikan (action recoil). Peristiwa pembalikan mengakibatkan ruang vakum di hydram, secara temporari mendorong sejumlah kecil udara diisap masuk ke dalam hydram melalui katup udara. Tekanan pada bagian bawah katup pembuangan juga terkurangi dan bersamaan dengan pengaruh beratnya sendiri, katup pembuangan membuka secara automatis. Air di dalam pipa penggerak kembali ke tekanan sumber statis sebagaimana sebelumnya dan siklus berikutnya dimulai.

Peristiwa ini secara otomatis diulang pada saat pemompaan.[5]

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 yang sebelumnya, kecepatan air melalui ram mulai bertambah, air melalui katup limbah yang sedang terbuka timbul tekanan negatif yang kecil dalam ram.

Periode 2. Aliran bertambah sampai maksimum melalui katup limbah yang terbuka dan tekanan dalam pipa-pipa masuk juga bertambah secara bertahap.

Periode 3. Katup limbah mulai menutup dengan demikan menyebabkan naiknya tekanan dalam ram. Kecepatan aliran dalam pipa pemasukan telah mencapai maksimum.

Periode 4. Katup limbah tertutup, menyebabkan terjadinya water hammer yang mendorong air melalui katup penghantar. Kecepatan dalam pipa pemasukan berkurang dengan cepat.

Periode 5. Denyut tekanan terpukul kedalam pipa pemasukan, menyebabkan timbulnya hisapan kecil dalam ram. Katup limbah terbuka karena hisapan dan beban dari katup limbah. Air mulai mengalir lagi melalui katup limbah dan siklus hidraulik ram terulang lagi.

Gambar 2.8 Diagram satu siklus kerja pompa hidram

2.4.1 Peningkatan Tekanan Pada Pompa Hidram Akibat Peristiwa Palu Air

Prinsip kerja pompa hidram adalah membuat air yang mengalir melalui pipa masuk berhenti secara tiba – tiba, yang akan mengakibatkan terjadinya kenaikan head tekanan pada air. Untuk peningkatan tekanan akibat penutupan katup secara gradual, dapat dihitung menggunakan:

v = kecepatan aliran, m/s L = panjang pipa pemasukan, m g = percepatan gravitasi, m/s2

t = waktu penutupan katup limbah, s

2.5. Computational Fluid Dynamic (CFD)

Dalam aplikasinya, 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.

2.5.1 Pengertian Umum CFD

Secara umum CFD terdiri dari dua kata yaitu sebagai berikut :

 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 menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika). Pada dasarnya, persamaan-persamaan pada fluida dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan-persamaan diferensial parsial atau dikenal dengan istilah PDE (Partial Differential Equation) yang mempresentasikan hukum-hukum kekekalan massa (kontinuitas), momentum dan energy yang diubah ke dalam bentuk numerik (persamaan linear) dengan teknik diskritisasi.

Pengembangan sebuah perangkat lunak (software) CFD mampu memberikan kekuatan untuk mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, benda-benda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dan struktur, dan sistem akustik hanya dengan permodelan di komputer. Dengan menggunakan software ini, dapat dibuat virtual prototype dari sebuah sistem atau alat yang ingin dianalisa dengan menerapkan kondisi nyata di lapangan. Dengan menggunakan software CFD akan didapatkan data-data, gambar-gambar, atau kurva-kurva yang menujukkan prediksi dari performansi keandalan sistem yang akan didesain. [8]

2.5.2 Penggunaan CFD

Dalam aplikasinya, CFD dipergunakan untuk :

1. Insinyur, khususnya dalam hal teknik refrigerasi dan pengkondisian udara untuk mendesain tempat atau ruangan sesuai kebutuhan seperti refrigerator, air-conditioner, termal storage, dan lain sebagainya.

2. Arsitek untuk mendesain ruang atau lingkungan yang aman dan nyaman. 3. Desainer kendaraan untuk meningkatkan karakter aerodinamiknya.

4. Analisis kimia untuk memaksimalkan hasil dari reaksi kimia dalam peralatan. 5. Bidang petrokimia untuk strategi optimal dari oil recovery.

6. Bidang kedokteran untuk mengobati penyakit arterial (computational hemodynamics).

7. Metereologis untuk meramalkan cuaca dan memperingkatkan akan terjadinya bencana alam.

8. Analisis failure untuk mencari sumber-sumber kegagalan misalnya pada suatu sistem pembakaran atau aliran uap panas.

9. Organisasi militer untuk mengembangkan senjata dan mengestimasi seberapa besar kerusakan yang diakibatkanya.

Penggunaan CFD umumnya berhubungan dengan keempat hal berikut :

 Studi konsep dari desain baru

 Pengembangan produk secara detail

 Analisis kegagalan atau troubleshooting

 Desain ulang (re-design) [2] 2.5.3 Manfaat CFD

Ditinjau dari segi manfaat terdapat tiga hal yang merupakan alasan kuat kenapa harus menggunakan CFD, yakni : insight, foresight, dan efficiency (Firman Tuakia, 2008).

1. Insight – Pemahaman Mendalam

Apabila dalam mendesain sebuah sistem atau alat yang sulit untuk dibuat prototype-nya atau sulit untuk dilakukan pengujian, analisis CFD memungkinkan untuk digunakan secara virtual ke dalam alat/sistem yang dapat disaksikan melalui CFD yang belum tentu dapat dilihat dengan cara lainnya. 2. Foresight – Prediksi Menyeluruh

Dikarenakan CFD adalah alat untuk memprediksi apa yang terjadi pada alat/sistem yang didesain dengan satu atau lebih kondisi batas, maka dapat ditentukan desain yang optimal.

3. Efficiency – Efisiensi Waktu dan Biaya

Foresight yang diperoleh dari CFD dapat membantu untuk mendesain lebih cepat dan lebih hemat biaya. Analisis atau simulasi CFD akan mempersingat waktu riset dan desain sehingga juga akan mempercepat produk untuk sampai ke pasaran.

2.5.4 Proses Simulasi CFD

Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika melakukan simulasi pada solver CFD, yaitu sebagai berikut (Firman Tuakia, 2008) :

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 :

 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 dalam kondisi tunak (steady state) atau transient.

2.5.5 Metode Diskritisasi CFD

Secara matematis CFD mengganti persamaan-persamaan diferensial parsial dari kontinuitas, momentum dan energi dengan persamaan-persamaan linear. CFD merupakan pendekatan dari persoalan yang asalnya kontinum (memiliki jumlah sel tak terhingga) menjadi model yang diskrit (jumlah sel terhingga).

Perhitungan atau komputasi aljabar untuk memecahkan persamaan-persamaan diferensial parsial ini ada beberapa metode (metode diskritisasi), diantaranya adalah :

- Metode beda hingga (finite difference method) - Metode elemen hingga (finite element method) - Metode volume hingga (finite volume method) - Metode elemen batas (boundary element method)

- Metode skema resolusi tinggi (high resolution scheme method)

Metode diskritisasi yang dipilih umumnya menetukan kestabilan dari program numerik/CFD yang dibuat program software yang ada. Oleh karena itu diperlukan kehati-hatian dalam cara mendiskritkan model khususnya cara mengatasi bagian yang kosong atau diskontinu.

2.6 Pengenalan Software CFD

Menurut Himsar Ambarita (2010), ada beberapa software yang digunakan dalam pengembangan kode CFD seperti Fluent, CFX, dan lain-lain yaitu jenis program CFD yang menggunakan metode volume hingga (finite volum method). CFD menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga dapat menyelesaiakan kasus aliran fluida dengan mesh (grid) yang terstruktur sekalipun dengan cara yang relatif mudah. Jenis mesh yang didukung oleh CFD adalah tipe 2D triangular-quadritelar, 3D tetrahedral-hexahedral-pyramid-wedge, dan mesh campuran (hybrid) juga memungkinkan untuk memperhalus atau memperbesar mesh yang sudah ada.

Bahasa program ditulis dalam bahasa C, sehingga memiliki struktur data yang efisien dan fleksibel, juga dapat digunakan bersama dengan arsitektur klien/server, sehingga dapat dijalankan sebagai proses terpisah secara simultan pada klien desktop workstation dan komputer server. Semua fungsi yang

dibutuhkan untuk menghitung suatu solusi dan menampilkan hasilnya dapat diakses pada melalui menu yang interaktif.

Beberapa alasan menggunakan solver CFD, yaitu sebagai berikut :

 Mudah untuk digunakan

 Model yang realistik (tesedia berbagai pilhan solver)

 Diskritisasi meshing model yang efisien

 Cepat dalam penyajian hasil (bisa dengan parallel komputer)

 Visualisasi yang mudah dimengerti 2.6.1 Struktur Program CFD

Dalam satu paket program CFD terdapat beberapa produk, yaitu :

 CFX, Fluent, dll sebagai solver.

 GAMBIT, dll merupakan preprocessor untuk membuat pemodelan dan meshing.

 Tgrid, preprocessor tambahan yang dapat membuat volume mesh dari boundary mesh yang sudah ada.

 Filter untuk mengimpor mesh permukaan dan atau volume dari program CAD/CAE seperti ANSYS, CGNS, I-DEAS, NASTRAN, PATRAN, dll. Geometri dan mesh dapat dibuat menggunakan GAMBIT. Selain itu dapat juga menggunakan Tgrid untuk membuat mesh volume triangular, tetrahedral, atau hybrid dari mesh bidang yang sudah ada. [8]

2.6.2 Langkah Penyelesaian Masalah dan Perencanaan Analisis CFD Ada beberapa hal yang perlu diperhatikan ketika akan meyelesaikan suatu kasus dengan menggunakan software CFD yang dalam hal ini FLUENT, yaitu : 1) Menentukan tujuan pemodelan

2) Pemilihan model komputasional 3) Pemilihan model fisik

4) Penentuan prosedur

2) Memilih solver yang tepat untuk model tersebut (2D atau 3D) 3) Mengimpor mesh model (grid)

4) Melakukan pemeriksaan pada mesh model 5) Memilih formulasi solver

6) Memilih persamaan dasar yang akan dipakai dalam analisis, misalnya : laminar, turbulen, reaksi kimia, perpindahan kalor dan lain-lain.

7) Menentukan sifat material yang akan dipakai 8) Menentukan kondisi batas

9) Mengatur parameter kontrol solusi 10) Initialize the flow field

11) Melakukan perhitungan/iterasi 12) Memeriksa hasil iterasi

13) Menyimpan hasil iterasi

14) Jika perlu, memperhalus grid kemudian dilakukan iterasi ulang untuk mendapatkan hasil yang lebih baik. [8]

Mulai Pembuatan geometri _{dan meshing}

Pendefinisian bidang batas pada geometri

Pengecekan mesh

Mesh baik

Tidak

Ya Data sifat

fisik

Penentuan kondisi batas

Proses numerik

Iterasi eror?

Plot distribusi tekanan dan kecepatan Ya

Tidak

2.6.3 Pendekatan Numerik pada CFD

Menurut Firman Tuakia (2008), persamaan yang digunakan dalam CFD untuk perhitungan pada penyelesaian masalah adalah menggunakan diferensial parsial. Disamping itu, perhitungan juga digunakan untuk menganalisa model perpindahan panas, laju aliran massa, perubahan fase, reaksi kimia sebagai proses pembakaran, model turbulensi, perpindahan mekanis semisal perputaran poros, deformasi dari struktur pejal, dan lain sebagainya.

Untuk mendapatkan persamaan dasar proses aliran fluida, filosofi berikut selalu diikuti :

 Memilih prinsip fisika dasar dari hukum-hukum fisika (Hukum Kekekalan Massa, Hukum Kedua Newton, Hukum Kekekalan Energi).

 Menerapkan prinsip-prinsip fisika di dalam model aliran maupun reaksi pada aliran fluida.

Dari penerapan, diuraikan persamaan matematis yang meliputi prinsip-prinsip dasar fisika.

2.6.4 Persamaan Pembentuk Aliran

Pemodelan dengan metode komputasi pada dasarnya menggunakan persamaan dasar dinamika fluida, momentum, dan energi. Persamaan-persamaan 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 Energy) 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 :

Secara umum hukum kekekalan massa (The Conservation of Mass) 3 dimensi dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut.

+

+

+

+

+ +

=

………. (2.5)

Gambar 2.10 Hukum Kekekalan Massa pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi [1] 2. Hukum Kekekalan Momentum (The Coservation of Momentum)

Hukum kekekalan momentum ini merupakan interpretasi dari hukum ke-2 Newton (arah sumbu-x) yaitu :

=

………..……. (2.6)

Secara umum hukum kekekalan momentum (The Conservation of Momentum) arah sumbu-x 3 dimensi dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut.

= − +

+

+

+

………... (2.7) Dengan cara dan bentuk yang sama persamaan kekekalan momentum 3 dimensi arah sumbu-y dan arah sumbu-z dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut.

= − +

+

+

+

………...… (2.8)

= − +

+

+

+

………...…...(2.9)

Gambar 2.11 Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-x pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi [1]

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 :

Gambar 2.12 Kerja yang Dikenakan pada Sebuah Elemen Arah Sumbu-x [1]

Secara umum kerja yang dikenakan arah sumbu-x, sumbu-, dan sumbu-z dapat ditulis dengan persamaan berikut.

̇ = −

( )

+

( )

+

+

( )

+

... (2.11)

̇ = −

( )

+

+

+

+

…….… (2.12)

̇ = −

( )

+

( )

+

+

( )

+

………. (2.13)

Sedangkan persamaan fluks panas yang melintasi permukaan sebuah elemen data ditulis dengan persamaan berikut.

̇ =

̇ +

+

+

………. (2.14)

Dengan mensubtitusi persamaan (2.8) dan (2.9) ke dalam persamaan (2.7) di atas akan diperoleh sebuah persamaan (2.10), (2.11), (2.12) untuk hukum kekekalan energi dimana i, j, k = 1, 2, 3 yang menunjukkan arah sumbu-x, -y, dan –z.

( )

+

( )

=

−

+ ̇ +

……….. (2.15)

Dimana Φ adalah fungsi disipasi dengan bentuk sebagai berikut.

2.6.5 Diskritisasi (metode interpolasi) 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 :

, = + ∇ . r⃗

………...(2.16)

Dimana, dan ∇ adalah nilai pusat sell dan gradient dalam sell upstream, dan

r⃗ 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 2.13, jika aliran dari kiri ke kanan, seperti itu nilai dapat ditulis sebagai berikut :

= ₊ + ₊ + (1 − ) + 2₊ + ₊

………..(2.17)

Gambar 2.14Volume control satu dimensi [9]

θ = 1 dalam persamaan di atas hasil dalam pusat interpolasi orde 2 dimana

θ = 0 hasil nilai orde kedua. Biasanya skema QUICK diperoleh dengan kedaaan θ =1₈. Implementasi pada FLUENT menggunakan variabel, solusi dependen nilai , dipilih supaya menghindari pengenalan solusi ekstrim yang baru.

2.7. Model Turbulensi (Turbulence Modeling)

Aliran turbulen adalah suatu karakteristik yang terjadi karena adanya peningkatan kecepatan aliran. Peningkatan ini mengakibatkan perubahan momentum, energi, dan massa tentunya. Karena terlalu mahalnya untuk melakukan analisa secara langsung dari aliran turbulen yang memiliki skala kecil dengan frekuensi yang tinggi, maka diperlukan suatu manipulasi agar menjadi lebih mudah dan murah.Salah satunya adalah dengan permodelan turbulen (turbulence model). Meskipun demikian, modifikasi persamaan yang meliputi penambahan variabel yang tidak diketahui, dan permodelan turbulen perlu untuk menentukan variabel yang diketahui. FLUENT sendiri menyediakan beberapa permodelan, diantaranya adalah k-ε dan k-ω. [9]

2.7.1 Permodelan k-epsilon (k-ε)

Permodelan turbulensi k-epsilon (k-ε) terdiri atas dua bentuk yaitu : a. Permodelan k-epsilon (k-ε) standard

Model ini merupakan model turbulensi semi empiris yang lengkap. Walaupun masih sederhana, memungkinkan untuk dua persamaan yaitu kecepatan turbulen (turbulent velocity) dan skala panjang (length scale) ditentukan secara bebas independent). Model ini dikembangkan oleh Jones dan Launder. Kestabilan, ekonomis (dari segi komputansi), dan akurasi yang cukup memadai membuat model ini sering digunakan dalam simulasi fluida dan perpindahan panas.

b. Permodelan k-epsilon (k-ε) Re-Normalization Group (RNG)

Model ini diturunkan dengan menggunakan metode statistik yang teliti (teori renormalisasi kelompok). Model ini merupakan perbaikan dari metode k-epsilon standard, jadi bentuk persamaan yang digunakan sama. Perbaikan yang dimaksud meliputi:

- Model RNG memiliki besaran tambahan pada persamaan laju disipasi (epsilon), sehingga mampu meningkatkan akurasi untuk aliran yang terhalang secara tiba-tiba.

- Efek putaran pada turbulensi juga telah disediakan, sehingga meningkatkan akurasi untuk jenis aliran yang berputar (swirl flow).

Jenis model ini menyediakan formulasi analitis untuk bilangan Prandtl turbulen, sementara model k-epsilon standard menggunakan nilai bilangan Prandtl yang ditentukan pengguna (kostan). Model RNG menyediakan formulasi untuk bilangan Reynold rendah, sedang model standard merupakan model untuk Reynold tinggi .

2.7.2 Permodelan k-omega (k-ω)

Permodelan turbulensi dengan k-omega (k-ω) juga terdiri dari dua yang akan dijelaskan di bawah ini.

a. Permodelan k-omega (k-ω) standard

Model yang terdapat dalam FLUENT merupakan model berdasarkan Wilcox k-omega yang memasukkan beberapa modifikasi untuk menghitung efek aliran pada bilangan Reynold rendah, kompresibilitas, dan penyebaran aliran geser (shear flow).Selain itu, model ini juga mampu diaplikasikan untuk aliran dalam saluran maupun aliran bebas geseran (free shear flow).

b. Permodelan k-omega (k-ω) dengan Shear Stress Transport (SST)

Model ini dikembangkan oleh Menter untuk memadukan formulasi model k-omega standard yang stabil dan akurat pada daerah dekat ke dinding dengan model k-epsilon yang memiliki kelebihan pada aliran free stream. Model ini mirip dengan k-omega standard dengan memiliki beberapa perbaikan, yaitu:

- Model k-omega standard dan k-epsilon yang telah diubah dikalikan dengan suatu fungsi pencampuran dan kedua model digunakan bersama-sama, sehingga lebih akurat untuk daerah dekat dinding maupun untuk aliran yang jauh dari dinding dan free stream flow.

- Definisi viskositas turbulen dimodifikasi untuk menghitung perubahan tegangan geser turbulen.

- Konstanta model berbeda dengan model k-omega standar.

- Melibatkan sebuah besaran dari penurunan damped cross diffusion pada persamaan omega.

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Proses Pre-Processing

Proses pre-processing merupakan proses yang dilakukan sebelum pengujian (simulasi). Proses ini mencakup pembuatan model, dan pembuatan mesh (meshing).

3.1.1 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. Model simulasi dalam penelitian ini ditunjukkan pada gambar dibawah ini.

Gambar 3.1. Model pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang langkah 15 mm atau bukaan katup limbah 15.25 derajat

Gambar 3.2. Model pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang langkah 20 mm atau bukaan katup limbah 19.98 derajat

Gambar 3.3. Model pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang langkah 25 mm atau bukaan katup limbah 24.44 derajat

Gambar 3.4. Model pada saat katup limbah tertutup dengan katup penghantar 1/3 terbuka

Gambar 3.5. Model pada saat katup limbah tertutup dengan katup penghantar 2/3 terbuka.

Gambar 3.6. Model pada saat katup limbah tertutup dengan katup penghantar terbuka penuh dan model pompa dengan volume tabung 0,0061 m3.

Gambar 3.8. Model pompa dengan volume tabung 0,0102 m3_.

3.1.2. Pembuatan mesh (grid generation)

Unit-unit volume pada simulasi ANSYS diinterpretasikan dengan pembentukan mesh atau grid. Ukuran mesh yang diterapkan pada model akan mempengaruhi ketelitian analisis CFD. 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.

Gambar 3.9. Model yang telah di mesh saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang langkah 15 mm atau bukaan katup limbah 15.25 derajat

Gambar 3.10. model yang telah di mesh pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang langkah 20 mm atau bukaan katup limbah 19.98 derajat

Gambar 3.11. Model yang telah di mesh pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang langkah 25 mm atau bukaan katup limbah 24.44 derajat.

Gambar 3.13. model yang telah di mesh pada saat katup limbah tertutup dengan katup penghantar 2/3 terbuka.

Gambar 3.14. Model yang telah di mesh pada saat katup limbah tertutup dengan katup penghantar terbuka penuh dan model pompa dengan volume tabung 0,0061

m3.

Gambar 3.16. Model yang telah di mesh dengan volume tabung 0,0102 m3

3.2. Menentukan Solution Solver 3.2.1 Menentukan Jenis Aliran.

Fluida yang digunakan dalam simulasi adalah air dengan sifat-sifat sebagai berikut:

1. Temperatur konstan T = 20 0_C

2. Kerapatan (densitas) konstan, = 998.2 /

3. Viskositas kinematik, =1.02 10−6 2_/

Maka dengan menggunakan persamaan 2.2 dan parameter-parameter yang telah disebutkan sebelumnya, bilangan Reynold dapat dihitung untuk menentukan jenis aliran sebagai berikut:

Diketahui : v = sesuai dengan variasi langkah atau bukaan katup limbah dan variasi volume tabung udara sebagai berikut.

v (langkah 15 mm) = 0,2951 m/s v (langkah 20 mm) = 0,4428 m/s v (langkah 25 mm) = 0,6112 m/s v (tabung 0,0061 m3_{) = 0,2951 m/s}

v (tabung 0,0082 m3_{) = 0,3412 m/s}

v (tabung 0,0102 m3_{) = 0,3251 m/s}

Untuk v (langkah 15 mm) = 0,2951 m/s

=

=

. , /

. /

=

16027,98 Untuk v (langkah 20 mm) = 0,4428 m/s

=

=

. , /

. /

=

24050,12 Untuk v (langkah 25 mm) = 0,6112 m/s

=

=

. _. , _/ /

=

33196,55

Untuk v (tabung 0,0061 m3_{) = 0,2951 m/s sama dengan bilangan Reynold}

Untuk v (langkah 15 mm).

Untuk v (tabung 0,0082 m3_{) = 0,3412 m/s}

=

=

. , /

. /

=

18531,84 Untuk v (tabung 0,0102 m3_{) = 0,3251 m/s}

=

=

. _. , _/ /

Dengan membandingkan nilai diatas dengan nilai kritis bilangan Reynold, maka jenis aliran untuk semua kecepatan adalah turbulen. Dari asumsi fluida yang digunakan adalah dengan temperature dan densitas tetap sehingga jenis alirannya adalah isothermal dan inkompresible.

3.2.2 Menentukan Kondisi Batas (Boundary Condition)

Sebelum menentukan kondisi batas, ada baiknya diketahui data-data hasil pengujian sebagai data yang akan dimasukkan sebagai kondisi batas dan juga sebagai data yang akan dibandingkan nantinya dengan hasil simulasi, berikut adalah data hasil pengujian.

Tabel 3.1. Data Hasil Pengujian [7]

Kecepatan (v) pada panjang langkah 15 mm 0,5175 m/s Kecepatan (v) pada panjang langkah 20 mm 0,7959 m/s Kecepatan (v) pada panjang langkah 25 mm 1,1128 m/s Tekanan badan pompa (P1) pada volume tabung 0,0061 m3 1,19 Bar

Tekanan tabung (P2) pada volume tabung 0,0061 m3 1,17 Bar

Tekanan badan pompa (P1) pada volume tabung 0,0082 m3 1,16 Bar

Tekanan tabung (P2) pada volume tabung 0,0082 m3 1,13 Bar

Tekanan badan pompa (P1) pada volume tabung 0,0102 m3 1,12 Bar

Tekanan tabung (P2) pada volume tabung 0,0102 m3 1,10 Bar

Kondisi batas diatur pada setiap sisi pompa. Untuk memperjelas letak kondisi batas pada penelitian ini selengkapnya ditampilkan pada gambar dan dijelaskan pada tabel dibawah ini.

Kondisi 1. Pada Saat Katup Limbah Tertutup

Pada kondisi ini dipakai untuk enam simulasi yaitu tiga simulasi variasi bukaan katup penghantar dan tiga simulasi variasi volume tabung. Pada saluran delivery terdapat katup bola dimana saluran ini akan dibuka 1/6 bukaan sesuai dengan pengujian yang dilakukan dilapangan sebagai ganti pipa keluaran, berikut adalah kondisi batasnya.

Gambar 3.17. Letak Kondisi Batas

Gambar 3.18. Keterangan kondisi batas bagian c yaitu pada keadaan katup bola dibuka 1/6 bukaan.

a

d c b

Tabel 3.2 Kondisi Batas pada saat katup limbah tertutup

Kondisi Batas Jenis Nilai

a. Inlet

b. Katup penghantar c. Outlet Delivery d. Katup limbah

Velocity inlet Wall Pressure Outlet

Wall

0.2951, 0,3412, 0,3251 (m/s) -

0 Pa (gauge) -

Kondisi 2. Pada Saat Katup Penghantar Tertutup

Pada kondisi ini dipakai untuk simulasi variasi panjang langkah atau bukaan katup limbah.

Gambar 3.19. Letak Kondisi Batas Tabel 3.3 Kondisi Batas pada saat katup penghantar tertutup

Kondisi Batas Jenis Nilai

a. Inlet

b. Katup penghantar c. Katup limbah d. Lobang limbah

velocity inlet Wall Wall Pressure outlet

0.2951, 0.4428, 0.6112 (m/s) -

-

0 Pa (gauge)

c a

d b

3.2.3 Pengaturan Simulasi (Simulation Setting)

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 3.4 menunjukkan pengaturan simulasi yang dilakukan. Jenis aliran yang telah ditentukan sebelumnya juga diatur pada bagian ini di dalam FLUENT.

Tabel 3.4 Pengaturan Simulasi

Aspek Pengaturan

Model Solver (Solver Model) Model Viskos (Viscous Model)

Material

KondisiOperasi (Operating Condition) Inisiasi (Initialize)

Residual Monitor

Pressure based, 3D, Steady Turbulent k-ε Standard

Water liquid with constant density,

= 998.2 /

101325 Pa

Velocity Inlet

10-4

3.3 Menjalankan Simulasi (Run)

Setelah proses pre-processor dan solution telah selesai diatur, maka simulasi dimulai (run) hingga solusi yang konvergen tercapai.

BAB IV

HASIL DAN ANALISA

Sebagaimana tujuan akhir dari penelitian ini adalah mensimulasikan aliran fluida pada pompa hidram, menampilkan distribusi kecepatan dan tekanan dan selanjutnya nanti membandingkannya dengan hasil pengujian. Sebagaimana telah dijelaskan di bab 3 bahwa simulasi ini terdiri atas dua kondisi yaitu pada saat katup penghantar tertutup, dan pada saat katup limbah tertutup. Maka penjelasannya adalah sebagai berikut:

4.1. Simulasi Pada Saat Katup Penghantar Tertutup

Pada kondisi ini, air mengalir dari reservoir melalui pipa masuk menuju badan pompa dan perlahan-lahan nantinya akan menutup katup limbah. Karena katup penghantar tutup, jadi air belum memasuki tabung, maka pada keadaan ini tabung udara tidak ikut disimulasikan karena proses hanya terjadi pada badan pompa. Pada keadaan ini akan ditampilkan gambar simulasi pergerakan pada katup limbah sesuai dengan panjang langkah atau sudut bukaan katup limbah.

Gambar 4.2. Vektor kecepatan dengan panjang langkah 25 mm atau bukaan katup limbah 24,44 derajat.

Gambar 4.3. Kontur kecepatan dengan panjang langkah 20 mm atau bukaan katup limbah 19,98 derajat.

Gambar 4.4. Vektor kecepatan dengan panjang langkah 20 mm atau bukaan katup limbah 19,98 derajat.

Gambar 4.5. Kontur kecepatan dengan panjang langkah 15 mm atau bukaan katup 15,25 derajat

Gambar 4.6. Vektor kecepatan dengan panjang langkah 15 mm atau bukaan katup 15,25 derajat

Dari gambar 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 tiap-tiap panjang langkah dan untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada bagian lampiran hasil simulasi.

4.2. Simulasi Pada Saat Katup Limbah Tertutup

Pada kondisi ini setelah air yang mengalir dari reservoir perlahan-lahan menutup katup limbah hingga sampai tertutup penuh, tekanan air perlahan-lahan akan membuka katup penghantar dan terjadi proses palu air. Pada keadaan ini akan ditampilkan gambar simulasi aliran fluida dalam pompa hidram sesuai dengan bukaan katup nya yang perlahan-lahan terbuka.

Gambar 4.7. Kontur kecepatan dengan katup 1/3 terbuka. Keterangan :

a. Katup limbah. b. Katup penghantar.

Pada gambar kontur kecepatan diatas dapat dilihat bahwa kecepatan pada tabung dan badan pompa sedikit berbeda. Pada keadaan ini katup penghantar (b) berangsur-angsur terbuka (1/3, 2/3 dan 3/3) dan katup limbah (a) dalam keadaan tertutup, hal ini sama dengan kontur kecepatan yang lain, perbedaannya adalah kecepatan yang dihasilkan tiap bukaan yang berbeda.

a b

Gambar 4.8. Vektor kecepatan dengan katup 1/3 terbuka.

Gambar 4.10. Vektor kecepatan dengan katup 2/3 terbuka

Gambar 4.12. Vektor kecepatan dengan katup terbuka penuh.

Dari gambar kontur dan vektor kecepatan yang ditampilkan yaitu simulasi pompa hidram pada saat katup penghantar berangsur-angsur terbuka. Pada bagian tabung dapat kita lihat kecepatan berangsur-angsur naik seiring semakin terbukanya katup limbah, tetapi pada saat katup terbuka penuh, kecepatan sedikit menurun. Pada sub bab ini hanya menampilkan hasil simulasi pada saat katup penghantar berangsur-angsur terbuka dan tidak akan dibandingkan dengan hasil pengujian karena data pada keadaan ini tidak ada. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada lampiran perhitungan rata-rata kecepatan pada katup limbah tiap-tiap panjang langkah.

4.3. Simulasi Perbedaan Volume Tabung Udara.

Pada sub bab ini akan ditampilkan contour tekanan pada pompa hidram dengan variasi masing-masing tabung udara yaitu volume 0,0061 m3_{, 0,0082 m}3_,

dan 0,0102 m3_{. Pada simulasi dibawah ini atau pada gambar 4.13 sampai dengan}

4.15 dikondisikan katup hantar dalam keadaan terbuka penuh (fully open) dan pipa keluaran dalam keadaan 1/6 terbuka seperti yang dilakukan pada saat pengujian. Pada gambar akan ditampilkan tekanan tiap sisi pompa hidram seperti pada tabung, badan pompa dan pipa keluaran.

Gambar 4.13. Kontur tekanan dengan volume tabung 0,0061 m3 pada saat katup penghantar terbuka penuh.

Keterangan :

a. Katup limbah. b. Katup penghantar.

Pada gambar kontur tekanan diatas dapat kita lihat bahwa tekanan pada tabung dan badan pompa berbeda sedikit, hal ini disebabkan karena peningkatan tekanan yang terjadi akibat adanya palu air. Pada keadaan ini katup limbah (a) dalam keadaan tertutup dan katup penghantar dalam keadaan terbuka, Hal ini sama dengan kontur tekanan yang lain, perbedaannya adalah tekanan yang

b

Gambar 4.14. Kontur tekanan dengan volume tabung 0,0082 m3 _{pada saat katup}

penghantar terbuka penuh

Gambar 4.15. Kontur tekanan dengan volume tabung 0,0102 m3 _{pada saat katup}

penghantar terbuka penuh

Dari gambar diatas dapat kita lihat bahwa warna dari badan pompa, tabung udara seperti sama hal ini karena tekanannya berada pada satu nilai warna skala, tetapi sebenarnya berbeda tekanan tiap bagian pompa, untuk lebih jelasnya dapat

dilihat pada bagian lampiran data hasil simulasi dimana nantinya akan ditampilkan tekanan rata-rata pada badan pompa dan tabung.

Pada simulasi dibawah ini atau pada gambar 4.16 sampai dengan 4.18 dikondisikan katup hantar dalam keadaan tertutup dan katup limbah dalam keadaan terbuka dan pipa keluaran dalam keadaan 1/6 terbuka seperti yang dilakukan pada saat pengujian. Pada gambar akan ditampilkan tekanan tiap sisi pompa hidram seperti pada tabung, badan pompa dan pipa keluaran.

Gambar 4.16. Kontur tekanan dengan volume tabung 0,0061 m3 _{pada saat katup}

penghantar tertutup penuh. Keterangan :

a. Katup limbah. b. Katup penghantar.

Pada gambar kontur tekanan diatas dapat kita lihat bahwa tekanan pada tabung dan badan pompa berbeda, hal ini disebabkan karena katup penghantar (b) dalam keadaan tertutup, akibatnya badan pompa kehilangan tekanan dan mengakibatkan katup limbah (a) terbuka. Hal ini sama dengan kontur tekanan

b

Gambar 4.17. Kontur tekanan dengan volume tabung 0,0082 m3 _{pada saat katup}

penghantar tertutup penuh

Gambar 4.18. Kontur tekanan dengan volume tabung 0,0102 m3 _{pada saat katup}

Dari tiga kontur tekanan tabung yang diatas dapat dilihat bagaimana perbedaan tekanan pada tiap bagian tabung antara pada saat katup hantar terbuka dan katup limbah tertutup dengan pada saat katup hantar tertutup dan katup limbah terbuka. Keadaan ini sesuai dengan hasil pengujian karena pada saat katup hantar tertutup, katup limbah akan terbuka. Dari kontur diatas dapat dilihat tekanan badan pompa menurun seiring dengan terbukanya katup limbah dan katup hantar tertutup.

4.4. Hasil Simulasi

Setelah dilakukan simulasi maka diperoleh hasil simulasi. Hasil simulasi adalah hasil rata-rata yang diperoleh dari setiap grid atau titik pada bagian-bagian pompa. Berikut adalah hasil simulasinya.

Tabel 4.1 Hasil simulasi

Kecepatan (v) pada panjang langkah 15 mm 0,5639 m/s Kecepatan (v) pada panjang langkah 20 mm 0,7534 m/s Kecepatan (v) pada panjang langkah 25 mm 1,0191 m/s Tekanan badan pompa (P1) pada volume tabung 0,0061 m3 1,1622534 Bar

Tekanan tabung (P2) pada volume tabung 0,0061 m3 1,1609234 Bar

Tekanan badan pompa (P1) pada volume tabung 0,0082 m3 1,1192458 Bar

Tekanan tabung (P2) pada volume tabung 0,0082 m3 1,1174902 Bar

Tekanan badan pompa (P1) pada volume tabung 0,0102 m3 1,0868658 Bar

Tekanan tabung (P2) pada volume tabung 0,0102 m3 1,0852968 Bar

4.5. Perbandingan Terhadap Hasil Pengujian

Pada sub bab ini akan dijelaskan mengenai perbandingan antara hasil simulasi menggunakan solver CFD dengan hasil pengujian dilapangan. Nilai yang diambil dari hasil simulasi adalah nilai rata-rata dari semua grid atau titik, perhitungannya dapat dilihat pada lampiran.

4.5.1 Kecepatan Pada Katup Limbah Pada Bukaan Katup 15,25 Derajat Atau Panjang Langkah 15 mm.

Dari hasil simulasi diperoleh kecepatan pada katup limbah setelah menghitung kecepatan rata-ratanya adalah 0,5639 m/s, sedangkan kecepatan dari hasil pengujian adalah 0,5175 m/s. Berikut ini adalah grafik perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi.

Gambar 4.19. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian.

Simpangan kecepatan antara hasil simulasi dan hasil pengujian adalah sebagai berikut :

= − 100 %

= 0,5639 − 0,5175_0,5639 100 % = 8,23 %

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Simulasi Pengujian

Keceptan

(m/

s)

4.5.2 Kecepatan Pada Katup Limbah Pada Bukaan Katup 19,98 Derajat Atau Panjang Langkah 20 mm.

Dari hasil simulasi diperoleh kecepatan pada katup limbah setelah menghitung kecepatan rata-ratanya adalah 0,7534 m/s, sedangkan kecepatan dari hasil pengujian adalah 0,7959 m/s. Berikut ini adalah grafik perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi.

Gambar 4.20. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian.

Simpangan kecepatan antara hasil simulasi dan hasil pengujian adalah sebagai berikut :

= − 100 %

= 0,7534 − 0,7959_0,7534 100 % = 5,64 %

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Simulasi Pengujian Kecepatan (m /s) Metode

4.5.3. Kecepatan Pada Katup Limbah Pada Bukaan Katup 24,44 Derajat Atau Panjang Langkah 25 mm.

Dari hasil simulasi diperoleh kecepatan pada katup limbah setelah menghitung kecepatan rata-ratanya adalah 1,0191 m/s, sedangkan kecepatan dari hasil pengujian adalah 1,1128 m/s. Berikut ini adalah grafik perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi.

Gambar 4.21. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian.

Simpangan kecepatan antara hasil simulasi dan hasil pengujian adalah sebagai berikut :

= − 100 %

= 1,0191 − 1,1128_1,0191 100 % = 9,19 %

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Simulasi Pengujian

Kecepatan

(m

/s)

4.5.4. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Volume Tabung Udara 0,0061 m3. Dari hasil simulasi diperoleh tekanan badan pompa setelah menghitung tekanan rata-ratanya adalah 1,1622534 Bar, sedangkan tekanan dari hasil pengujian adalah 1,19 Bar. Berikut ini adalah grafik perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi.

Gambar 4.22. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. Simpangan tekanan antara hasil simulasi dan hasil pengujian adalah sebagai berikut :

= − 100 %

= 1,1622534 − 1,19_1,1622534 100 % = 2,39 %

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Simulasi Pengujian Tek ana n (Ba r) Metode

4.5.5. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Volume 0,0061 m3.

Dari hasil simulasi diperoleh tekanan tabung udara setelah menghitung tekanan rata-ratanya adalah 1,1609234 Bar, sedangkan tekanan dari hasil pengujian adalah 1,17 Bar. Berikut ini adalah grafik perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi.

Gambar 4.23. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. Simpangan tekanan antara hasil simulasi dan hasil pengujian adalah sebagai berikut :

= − 100 %

= 1,1609234 − 1,17_1,1609234 100 % = 0,78 %

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Simulasi Pengujian Tek ana n (Ba r) Metode

4.5.6. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Volume Tabung Udara 0,0082 m3. Dari hasil simulasi diperoleh tekanan badan pompa setelah menghitung tekanan rata-ratanya adalah 1,1192458 Bar, sedangkan tekanan dari hasil pengujian adalah 1,16 Bar. Berikut ini adalah grafik perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi.

Gambar 4.24. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. Simpangan tekanan antara hasil simulasi dan hasil pengujian adalah sebagai berikut :

= − 100 %

= 1,1192458 − 1,16_1,1192458 100 % = 3,64 %

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Simulasi Pengujian Tek ana n (Ba r) Metode

4.5.7. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Volume 0,0082 m3.

Dari hasil simulasi diperoleh tekanan tabung udara setelah menghitung tekanan rata-ratanya adalah 1,1174902 Bar , sedangkan tekanan dari hasil pengujian adalah 1,13 Bar. Berikut ini adalah grafik perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi.

Gambar 4.25. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. Simpangan tekanan antara hasil simulasi dan hasil pengujian adalah sebagai berikut :

= − 100 %

= 1,1174902 − 1,13_1,1174902 100 % = 1,12 %

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Simulasi Pengujian

Tek

ana

n

(Ba

r)

4.5.8. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Volume Tabung Udara 0,0102 m3. Dari hasil simulasi diperoleh tekanan badan pompa setelah menghitung tekanan rata-ratanya adalah 1,086858 Bar, sedangkan tekanan dari hasil pengujian adalah 1,12 Bar. Berikut ini adalah grafik perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi.

Gambar 4.26. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. Simpangan tekanan antara hasil simulasi dan hasil pengujian adalah sebagai berikut :

= − 100 %

= 1,086858 − 1,12_1,086858 100 % = 3,05 %

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Simulasi Pengujian

Tek

ana

n

(Ba

r)

4.5.9. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Volume 0,0102 m3.

Dari hasil simulasi diperoleh tekanan tabung udara setelah menghitung tekanan rata-ratanya adalah 1,0852968 Bar, sedangkan tekanan dari hasil pengujian adalah 1,10 Bar. Berikut ini adalah grafik perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi.

Gambar 4.27. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. Simpangan tekanan antara hasil simulasi dan hasil pengujian adalah sebagai berikut :

= − 100 %

= 1,0852968 − 1,10_1,0852968 100 % = 1,35 %

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Simulasi Pengujian

tek

ana

n (Ba

r)

4.6 Menghitung Peningkatan Tekanan Akibat Penutupan Katup Gradual

Untuk peningkatan tekanan akibat penutupan katup secara gradual, dapat dihitung menggunakan rumus:

∆ℎ =

Dimana: v = kecepatan aliran pipa pemasukan (0,2951 m/s) L = panjang pipa pemasukan (15 m)

g = percepatan gravitasi (9,8 m/s2₎

t = waktu selama 1 ketukan ( s ) t =

n = jumlah ketukan dalam 1 menit dari hasil pengujian (30 kali) t =

t = 2 s

∆ℎ =

,_{, ⁄} / = 0,2259 m

Dengan cara yang sama akan diperoleh Δh untuk variasi panjang langkah katup limbah dan variasi tabung dalam tabel berikut :

Tabel 4.2 Besar peningkatan tekanan gradual untuk variasi panjang langkah katup limbah dan variasi tabung

Variabel Δh (m)

Panjang langkah 15 mm _0,2259

Panjang langkah 20 mm _0,2485

Panjang langkah 25 mm _0,2495

Volume tabung 0,0061 m3

0,2259 Volume tabung 0,0082 m3

4.6.1 Grafik Satu Siklus Kerja Pompa Hidram

Sebelum menggambar grafik siklus pompa hidram, berikut adalah data pompa hidram sesuai dengan data sheet hasil pengujian yaitu diambil pada head 3,3 m.

Tabel 4.3. Tekanan pada Badan Pompa Head

Panjang langkah katup limbah

(mm)

Tekanan Badan Pompa (Bar)

15 _1,33

3,3 m 20 _1,4

25 _1,45

Dari hasil pengujian juga didapat tekanan pada badan pompa pada saat katup limbah terbuka adalah 0,3 Bar

Pada saat aliran air mulai bertambah dan melalui katup limbah yang sedang terbuka, terjadi tekanan vakum atau tekanan dibawah atmosfer yang artinya air dalam badan pompa tidak bisa keluar melalui katup limbah.

Tabel 4.4. Kecepatan aliran pipa pemasukan Head

Panjang langkah katup limbah

(mm)

Kecepatan ( v1 )

(m/s)

15 _0,3412

3,3 m 20 _0,5488

25 _0,8821

Pada saat katup penghantar perlahan lahan menutup terjadi tekanan yang mengarah kebawah (ke badan pompa) yang mengakibatkan air mengarah ke pipa masuk atau terjadi hisapan (arus balik) kecil ke arah pipa masuk.

Gambar 4.28. Grafik satu siklus kerja pompa hidram. Keterangan gambar:

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.

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.