Simulasi Pola Aliran Udara di Sekitar Bangunan Pengeringdengan Finite Element Method (FEM)
i
SIMULASI POLA ALIRANUDARA
DI SEKITAR BANGUNAN PENGERING
DENGAN FINITE ELEMENT METHOD (FEM)
Oleh
SULIATI
. F30 0831
1998
JURUSAN TEKNIK PERTANIAN
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
SuJiati, F 30.0831.
Simulasi Pola Aliran Udara Di Sekitar Bangllnan Pcngering
Dengan Finite Element Method (FEM) di bawah bimbingan Ir. Aricf Sabdo
Yuwono, MSc. dan Dr. Ir. Berry Suhardiyanto, MSc.
Ringkasan
Salah satu falctor penting dalam perancangan bangunan pengenng adalah
distribusi kecepatan udara di luar bangllnan pengering. Distribusi kecepatan lldara
dan arah geraknya dipengaruhi oleh bentuk bangunan yang dilewatinya. Informasi
yang didapat tentang distribusi kecepatan dan arah gerakan udara diharapkan dapat
bennanfaat untuk perancangan model bangunan pengering.
Untuk mendapatkan
infonnasi tersebut maim perlu dilakllkan pengamatan di lapangan dan prediksi secara
teoritis.
Tulisan ini membahas penerapan metode finite elemen (FEM) dalam simulasi
distribusi aliran udara di sekitar bangunan pengering model gable.
Simulasi
didasarkan pada dua dimensi yang diselesaikan dengan metode finite elemen, dimana
digunakan elemen segitiga linier.
Fonnulasi finite elemen dibuat berdasarkan
fonnulasi Taylor-Galerkin untuk persamaan Navier-Stokes.
Saluran dibuat berpenampang 1m x 1m sepanjang 4m, dimana di dalam
salman diletakkan sebuah model bangunan pengering. Penampang membujur saluran
dibagi menjadi III nodes, dan membentuk 174 elemen segitiga linier. Dari elemen
segitiga Iinier dibuat matrik dan diselesaikan dengan mengintegralkan persamaan
Laplace.
Matrik global yang diperoleh diselesaikan dengan metode Galerkin dan
eliminasi Gauss untuk menyelesaikan persamaan linier yang dihasilkan.
Dengan
menerapkan hasil dari eliminasi Gauss ke persamaan Navier-Stokes, maIm diperoleh
nilai kecepatan lIdara lIntlik liap elemen.
Kecepatan udara hasil analisis numerik menunjukkan hasil yang lebih rendah
dibandingkan dengan data eksperimen. Tetapi hasil analisis numerik menunjukkan
kecenderungan yang sama
dengan eksperimen untuk masing-masing ketinggian.
Pada daerah di depan model, kecepatan horisontal dari analisis numerik mengalami
penunman sampai negatif. Sedangkan dari hasil eksperimen tidak menghasilkan nilai
negatif.
Hal ini disebabkan oleh keterbatasan alat ukur yang dipakai.
Untuk
kecepatan vertikal, hasil analisis dengan eksperimen mempunyai kecenderungan yang
sama yaitu makin dekat dengan model bangunan, kecepatan vertikalnya makin besar.
Daerah di atas bangunan, kecepatan horisontalnya mempunyai kecenelerllngan
naik dan kecepatan vertikalnya cenelerung menurlln mengikuti model bangunan.
Seclangkan paela clacrah eli belakang model bangllnan menunjukkan kecepatan udara
yang rendah karena aliran terhalang model. Kecepatan vertikal yang diperoleh makin
kecil sampai negatif, sedangkan kecepatan horisontalnya meningkat sangat lambat.
Dengan FEM dapat dilakukan simulasi aliran udara di sekitar model bangunan
pengering. Hasil simlilasi menunjukkan bahwa pola aliran di sekitar model bangllnan
merupakan aliran turbulensi.
Aliran turbulensi ini terj adi akibat adanya bangunan
yang bersifat sebagai hambatan.
Pada daerah di atas model bangunan belum
dihasilkan aliran yang seragam yang disebabkan oleh kesalahan-kesalahan asumsi,
penentuan ukuran saluran dan model bangunan serta besamya bilangan Reynold
aliran yang masuk.
Model masih perlu dikembangkan agar dapat memasukkan
pengaruh aliran turblilen. Walaupun aplikasi model yang ditunjukkan pada tlilisan ini
terbatas untuk simlllasi aliran udara di sekitar bangunan pengerifig, tetapi formulasi
yang digunakan dapat diterapkan untuk problem lain yang memiliki bentuk
persamaan yang sejcnis, scperti lIntllk penyelesaian persamaan Euler clan NavierStokes lIntllk aliran compressible.
SIMULASI POLA ALIRAN UDARA
DI SEKITAR BANGUNAN PEN GERING
DENGAN FINITE ELEMENT METHOD (FEM)
Oleh
SULIATI
F 30831
SKRIPSI
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN
pada JUll.lsan Teknik Pertanian
Fakultas Teknologi Pertanian
Institut Pertanian Bogor
1998
JURUSAN TEKNIK PERTANIAN
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
SIMULASI POLA ALIRAN UDARA
DI SEKITAR BANGUNAN PEN GERING
DENGAN FINITE ELEMENT METHOD (FEM)
SKRIPSI
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN
pada Jurusan Teknik Pertanian
Fakultas Teknologi Pertanian
Institut Pertanian Bogor
Oleh:
SULIATI
F 30.0831
Dilahirkan di Jombang pacla tanggal29 Desember 1975
Tanggallulus, 8 Mei 1998
Menyetujui,
Bogor,
1998
KATAPENGANTAR
Alhamdulillah, segenap rasa syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah swt karena
hanya atas kehendak dan takdir-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi hasil penelitian.
Tak lupa sholawat dan salam penulis sampaikan kepada Rasulullah saw yang telah
mewariskan teladan dalam bertindak dan menyelesaikan masalah hidup.
Pada kesempatan ini, penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang tak
terhingga kepada :
I. l3apak Ir. Ariel' Sabdo Yuwono, MSc. dan Dr. II'. lIerry Suhllnliyanto, MSc.
selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan bimbingan dan pengarahan
untuk penyelesaian skripsi ini.
2. Ibu Ir. Diah Wulandani, MSi. selaku dosen penguji yang telah membelikan masukan
dalam penyelesaian skripsi ini.
3. Bapak dan Ibu dan adikku yang tersayang yang banyak memberi bantuan moral
maupun material.
4. Pak Ahmad selaku teknisi Lab. LBP Jurusan Teknik Pertanian yang banyak
membantu.
5. Sahabat-sahabatku: Dini, Eri, Idjah, Ita, Sri, Vita, Yayan, 'Anak-anak himaja' dan
leman-leman MP 30 yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu serta saudarasaudaraku di 'Baristar Veach' atas bantuannya.
Dalam penyelesaian skripsi ini masih banyak kelemahan dan kekurangan sehingga
skripsi ini jauh dari sempurna.
Untuk itu saran dan kritik yang bersifat membangun
amatlah diperlukan.
Bogor,
Mei 1998
penulis
DAFTAR lSI
KATA PENGANTAR .................................................................................... .
DAFT AR ISI....................................................................................................
11
DAFTAR TABEL............................................................................................
IV
DAFTAR GAMBAR.......................................................................................
V
DAFTARLAMPIRAN....................................................................................
VI
DAFT AR SIMBOL..... ...................................................................................
Vll
1. PENDAHULUAN ......................................................................................
1
A. Latar Belakang ......................................................................................
1
B. Tujuan....................................................................................................
2
II. TINJAUAN PUSTAKA.............................................................................
3
A. Bangunan Pengering..............................................................................
3
B. Pergerakan Udara di Sekitar Bangunan.. ...............................................
4
C. Persamaan Dinamika Aliran .. :...............................................................
8
1. Persamaan Navier-Stokes................................................................
9
2. Persamaan Lapisan Batas ................................................................
9
D. Simulasi Model untuk Pergerakan Udara... ........................................
10
III. METODE PENELITIAN...........................................................................
14
A. Tempat dan Waktu Penelitian ...............................................................
14
B. Bahan dan Alat ......................................................................................
14
C. Pembuatan Terowongan Angin dan Pengukuran ..................................
14
I. Terowongan Angin..........................................................................
14
2. Pengukuran.... .................................................................................
15
D. Analisa Numerik ...................................................................................
17
1. Persamaan Laplace..........................................................................
17
ii
2. Metode Finite Elemen... .................................................................
18
Pembuatan Simulasi... .........................................................................
21
I. Perhitungan Simulasi.. ....................................................................
21
2. Pengujian Hasil Simulasi.. ..............................................................
24
IV.HASIL DAN PEMBAHASAN ..................................................................
25
A. Hasil Penelitian......................................................................................
25
I. Aliran Udara dalam Terowongan.....................................................
25
2. Kl't'l'palall dall 'l'ckallilll I\llgill ........................................................
25
2.1. Tunnel Tanpa I11odel................................................................
25
2.2. Model Gable.. ..........................................................................
29
B. Hasil Simulasi...................................... ..................................................
32
V. KESIMPULAN DAN SARAN...................................................................
38
A. Kesimpulan............................................................................................
38
B. Saran......................................................................................................
38
LAMPlRAN ................................................................ :.................................
40
E.
DAFTAR PUSTAKA
iii
DAFTAR TABEL
Tabcl I.
Transmisi cahuya dun panas beberupa bahan transparan .............. .
iv
3
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.
Arah aliran udara yang melewati bangunan .. ........... ..... .............
6
Gambar 2.
Pola penyimpangan aliran udara dan peningkatan kecepatan
untuk rata-rata bentuk bangunan .............. ....... ..... .......... ..... .......
7
Gambar 3.
Gerakan udara pada beberapa bentuk ..... ......... ...... .......... ...........
7
Gambar 4.
Pola aliran udara .........................................................................
8
Gambar 5.
Koefisien aliran dan kecepatan sudut pada kondisi batas...........
10
Gambar 6.
Tahap-tahap simulasi sistem.......................................................
II
Gambar 7.
Model bangunan yang digunakan...............................................
16
Gambar 8.
Bentuk elemen segitiga linier .....................................................
18
Gall1bar 9.
Flow chart perhitungan simulasi.................................................
22
Gall1bar 10. Grafik hubungan antara kecepatan angin dengan ketinggian
dalam tunnel.... ....................... .... ............. ....... ........ .....................
26
G
SIMULASI POLA ALIRANUDARA
DI SEKITAR BANGUNAN PENGERING
DENGAN FINITE ELEMENT METHOD (FEM)
Oleh
SULIATI
. F30 0831
1998
JURUSAN TEKNIK PERTANIAN
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
SuJiati, F 30.0831.
Simulasi Pola Aliran Udara Di Sekitar Bangllnan Pcngering
Dengan Finite Element Method (FEM) di bawah bimbingan Ir. Aricf Sabdo
Yuwono, MSc. dan Dr. Ir. Berry Suhardiyanto, MSc.
Ringkasan
Salah satu falctor penting dalam perancangan bangunan pengenng adalah
distribusi kecepatan udara di luar bangllnan pengering. Distribusi kecepatan lldara
dan arah geraknya dipengaruhi oleh bentuk bangunan yang dilewatinya. Informasi
yang didapat tentang distribusi kecepatan dan arah gerakan udara diharapkan dapat
bennanfaat untuk perancangan model bangunan pengering.
Untuk mendapatkan
infonnasi tersebut maim perlu dilakllkan pengamatan di lapangan dan prediksi secara
teoritis.
Tulisan ini membahas penerapan metode finite elemen (FEM) dalam simulasi
distribusi aliran udara di sekitar bangunan pengering model gable.
Simulasi
didasarkan pada dua dimensi yang diselesaikan dengan metode finite elemen, dimana
digunakan elemen segitiga linier.
Fonnulasi finite elemen dibuat berdasarkan
fonnulasi Taylor-Galerkin untuk persamaan Navier-Stokes.
Saluran dibuat berpenampang 1m x 1m sepanjang 4m, dimana di dalam
salman diletakkan sebuah model bangunan pengering. Penampang membujur saluran
dibagi menjadi III nodes, dan membentuk 174 elemen segitiga linier. Dari elemen
segitiga Iinier dibuat matrik dan diselesaikan dengan mengintegralkan persamaan
Laplace.
Matrik global yang diperoleh diselesaikan dengan metode Galerkin dan
eliminasi Gauss untuk menyelesaikan persamaan linier yang dihasilkan.
Dengan
menerapkan hasil dari eliminasi Gauss ke persamaan Navier-Stokes, maIm diperoleh
nilai kecepatan lIdara lIntlik liap elemen.
Kecepatan udara hasil analisis numerik menunjukkan hasil yang lebih rendah
dibandingkan dengan data eksperimen. Tetapi hasil analisis numerik menunjukkan
kecenderungan yang sama
dengan eksperimen untuk masing-masing ketinggian.
Pada daerah di depan model, kecepatan horisontal dari analisis numerik mengalami
penunman sampai negatif. Sedangkan dari hasil eksperimen tidak menghasilkan nilai
negatif.
Hal ini disebabkan oleh keterbatasan alat ukur yang dipakai.
Untuk
kecepatan vertikal, hasil analisis dengan eksperimen mempunyai kecenderungan yang
sama yaitu makin dekat dengan model bangunan, kecepatan vertikalnya makin besar.
Daerah di atas bangunan, kecepatan horisontalnya mempunyai kecenelerllngan
naik dan kecepatan vertikalnya cenelerung menurlln mengikuti model bangunan.
Seclangkan paela clacrah eli belakang model bangllnan menunjukkan kecepatan udara
yang rendah karena aliran terhalang model. Kecepatan vertikal yang diperoleh makin
kecil sampai negatif, sedangkan kecepatan horisontalnya meningkat sangat lambat.
Dengan FEM dapat dilakukan simulasi aliran udara di sekitar model bangunan
pengering. Hasil simlilasi menunjukkan bahwa pola aliran di sekitar model bangllnan
merupakan aliran turbulensi.
Aliran turbulensi ini terj adi akibat adanya bangunan
yang bersifat sebagai hambatan.
Pada daerah di atas model bangunan belum
dihasilkan aliran yang seragam yang disebabkan oleh kesalahan-kesalahan asumsi,
penentuan ukuran saluran dan model bangunan serta besamya bilangan Reynold
aliran yang masuk.
Model masih perlu dikembangkan agar dapat memasukkan
pengaruh aliran turblilen. Walaupun aplikasi model yang ditunjukkan pada tlilisan ini
terbatas untuk simlllasi aliran udara di sekitar bangunan pengerifig, tetapi formulasi
yang digunakan dapat diterapkan untuk problem lain yang memiliki bentuk
persamaan yang sejcnis, scperti lIntllk penyelesaian persamaan Euler clan NavierStokes lIntllk aliran compressible.
SIMULASI POLA ALIRAN UDARA
DI SEKITAR BANGUNAN PEN GERING
DENGAN FINITE ELEMENT METHOD (FEM)
Oleh
SULIATI
F 30831
SKRIPSI
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN
pada JUll.lsan Teknik Pertanian
Fakultas Teknologi Pertanian
Institut Pertanian Bogor
1998
JURUSAN TEKNIK PERTANIAN
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
SIMULASI POLA ALIRAN UDARA
DI SEKITAR BANGUNAN PEN GERING
DENGAN FINITE ELEMENT METHOD (FEM)
SKRIPSI
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN
pada Jurusan Teknik Pertanian
Fakultas Teknologi Pertanian
Institut Pertanian Bogor
Oleh:
SULIATI
F 30.0831
Dilahirkan di Jombang pacla tanggal29 Desember 1975
Tanggallulus, 8 Mei 1998
Menyetujui,
Bogor,
1998
KATAPENGANTAR
Alhamdulillah, segenap rasa syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah swt karena
hanya atas kehendak dan takdir-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi hasil penelitian.
Tak lupa sholawat dan salam penulis sampaikan kepada Rasulullah saw yang telah
mewariskan teladan dalam bertindak dan menyelesaikan masalah hidup.
Pada kesempatan ini, penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang tak
terhingga kepada :
I. l3apak Ir. Ariel' Sabdo Yuwono, MSc. dan Dr. II'. lIerry Suhllnliyanto, MSc.
selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan bimbingan dan pengarahan
untuk penyelesaian skripsi ini.
2. Ibu Ir. Diah Wulandani, MSi. selaku dosen penguji yang telah membelikan masukan
dalam penyelesaian skripsi ini.
3. Bapak dan Ibu dan adikku yang tersayang yang banyak memberi bantuan moral
maupun material.
4. Pak Ahmad selaku teknisi Lab. LBP Jurusan Teknik Pertanian yang banyak
membantu.
5. Sahabat-sahabatku: Dini, Eri, Idjah, Ita, Sri, Vita, Yayan, 'Anak-anak himaja' dan
leman-leman MP 30 yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu serta saudarasaudaraku di 'Baristar Veach' atas bantuannya.
Dalam penyelesaian skripsi ini masih banyak kelemahan dan kekurangan sehingga
skripsi ini jauh dari sempurna.
Untuk itu saran dan kritik yang bersifat membangun
amatlah diperlukan.
Bogor,
Mei 1998
penulis
DAFTAR lSI
KATA PENGANTAR .................................................................................... .
DAFT AR ISI....................................................................................................
11
DAFTAR TABEL............................................................................................
IV
DAFTAR GAMBAR.......................................................................................
V
DAFTARLAMPIRAN....................................................................................
VI
DAFT AR SIMBOL..... ...................................................................................
Vll
1. PENDAHULUAN ......................................................................................
1
A. Latar Belakang ......................................................................................
1
B. Tujuan....................................................................................................
2
II. TINJAUAN PUSTAKA.............................................................................
3
A. Bangunan Pengering..............................................................................
3
B. Pergerakan Udara di Sekitar Bangunan.. ...............................................
4
C. Persamaan Dinamika Aliran .. :...............................................................
8
1. Persamaan Navier-Stokes................................................................
9
2. Persamaan Lapisan Batas ................................................................
9
D. Simulasi Model untuk Pergerakan Udara... ........................................
10
III. METODE PENELITIAN...........................................................................
14
A. Tempat dan Waktu Penelitian ...............................................................
14
B. Bahan dan Alat ......................................................................................
14
C. Pembuatan Terowongan Angin dan Pengukuran ..................................
14
I. Terowongan Angin..........................................................................
14
2. Pengukuran.... .................................................................................
15
D. Analisa Numerik ...................................................................................
17
1. Persamaan Laplace..........................................................................
17
ii
2. Metode Finite Elemen... .................................................................
18
Pembuatan Simulasi... .........................................................................
21
I. Perhitungan Simulasi.. ....................................................................
21
2. Pengujian Hasil Simulasi.. ..............................................................
24
IV.HASIL DAN PEMBAHASAN ..................................................................
25
A. Hasil Penelitian......................................................................................
25
I. Aliran Udara dalam Terowongan.....................................................
25
2. Kl't'l'palall dall 'l'ckallilll I\llgill ........................................................
25
2.1. Tunnel Tanpa I11odel................................................................
25
2.2. Model Gable.. ..........................................................................
29
B. Hasil Simulasi...................................... ..................................................
32
V. KESIMPULAN DAN SARAN...................................................................
38
A. Kesimpulan............................................................................................
38
B. Saran......................................................................................................
38
LAMPlRAN ................................................................ :.................................
40
E.
DAFTAR PUSTAKA
iii
DAFTAR TABEL
Tabcl I.
Transmisi cahuya dun panas beberupa bahan transparan .............. .
iv
3
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.
Arah aliran udara yang melewati bangunan .. ........... ..... .............
6
Gambar 2.
Pola penyimpangan aliran udara dan peningkatan kecepatan
untuk rata-rata bentuk bangunan .............. ....... ..... .......... ..... .......
7
Gambar 3.
Gerakan udara pada beberapa bentuk ..... ......... ...... .......... ...........
7
Gambar 4.
Pola aliran udara .........................................................................
8
Gambar 5.
Koefisien aliran dan kecepatan sudut pada kondisi batas...........
10
Gambar 6.
Tahap-tahap simulasi sistem.......................................................
II
Gambar 7.
Model bangunan yang digunakan...............................................
16
Gambar 8.
Bentuk elemen segitiga linier .....................................................
18
Gall1bar 9.
Flow chart perhitungan simulasi.................................................
22
Gall1bar 10. Grafik hubungan antara kecepatan angin dengan ketinggian
dalam tunnel.... ....................... .... ............. ....... ........ .....................
26
G