Pendekatan computational fluid dynamic pada sistem penghisapan mesin pemanen ikan dan udang
PENDEKATAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC PADA
SISTEM PENGHISAPAN MESIN PEMANEN
IKAN DAN UDANG
AYNAL FUADI
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Pendekatan
Computational Fluid Dynamic Pada Sistem Penghisapan Mesin Pemanen Ikan
dan Udang adalah benar karya saya dengan arahan dari pembimbing dan belum
diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber
informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak
diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam
Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Februari 2014
Aynal Fuadi
NIM F14090122
ABSTRAK
AYNAL FUADI. Pendekatan Computational Fluid Dynamic Pada Sistem
Penghisapan Mesin Pemanen ikan dan udang. Dibimbing oleh SAM HERODIAN.
Kegiatan pemanenan ikan dan udang dengan cara mekanis masih
mengalami kekurangan ketika dioperasikan. Dengan menggunakan metode
tersebut, persentase kematian ikan dan udang tinggi serta banyak diantaranya
mengalami kerusakan akibat komoditi tersebut menyentuh pompa mesin secara
langsung. Sehingga dibutuhkan sistem penghisapan yang baru untuk mengatasi
masalah tersebut. Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk mencari
kombinasi posisi inlet-outlet yang sesuai dengan pendekatan CFD. Pendekatan
CFD digunakan dalam menganalisis model aliran air pada tiga bentuk tangki
penampungan dengan 15 kombinasi posisi inlet-outlet pada setiap tangki
penampungan. Kecepatan aliran tertinggi (2.321 m/s) terjadi pada kombinasi
dimana inlet di tengah, outlet di bawah, dan keduanya berada pada satu muka
dengan tangki penampungan tipe tiga. Nilai bilangan Reynolds terkecil
(24005.04) di tangki penampungan terjadi pada kombinasi dimana posisi inlet di
tengah, outlet di bawah, dan keduanya berada di sisi muka berbeda dengan tangki
penampungan tipe tiga. Penentuan kombinasi posisi inlet-outlet dipilih tidak
hanya berdasarkan kecepatan aliran dan nilai bilangan Reynolds, melainkan juga
berdasarkan turbulensi yang terjadi dan jumlah sudut tangki penampungan. Oleh
karena itu, kombinasi posisi yang dipilih ialah kombinasi posisi inlet di bawah,
outlet di bawah, dan keduanya pada sisi muka berbeda dengan tangki
penampungan tipe tiga.
Kata kunci: CFD, kombinasi posisi, aliran air, bentuk tangki penampungan
ABSTRACT
AYNAL FUADI. Computational Fluid Dynamic Approach on Suction System of
Fish-Shrimp Harvesting Machine. Supervised by SAM HERODIAN.
Shrimp harvesting using mechanical technique still has disadvantage when
operated. By using it, percentage of dead fish-shrimp is high and some of them
can be damaged because of the commodity touch the pump of machine directly.
Thus, it need a new suction system to fix the problem. The aim of this research is
to find the proper combination of inlet-outlet channel position based on CFD
approach. CFD approach was used to analyze water flow model on three kind of
reservoirs with 15 combination of inlet-outlet position on every reservoir type.
The highest velocity (2.321 m/s) of the flow came from the combination where
inlet on the middle, outlet on the bottom, and both were in the same side with
reservoir type three. The smallest Reynolds number (24005.04) came from the
combination where inlet on the middle, outlet on the bottom, and both were in the
opposite side with reservoir type three. Determination of inlet-outlet combination
not only based on flow velocity and Reynolds number but also turbulence and the
number of reservoir edge. So that, the chosen combination was inlet on the bottom,
outlet on the bottom, and both were in the opposite side with reservoir type three.
Key words : CFD, position combination, water flow, shape of reservoir
PENDEKATAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC PADA
SISTEM PENGHISAPAN MESIN PEMANEN
IKAN DAN UDANG
AYNAL FUADI
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknologi Pertanian
pada
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014
Judul Skripsi : Pendekatan Computational Fluid Dynamic Pada Sistem
Penghisapan Mesin Pemanen Ikan dan Udang
Nama
: Aynal Fuadi
NIM
: F14090122
Disetujui oleh
Dr. Ir. Sam Herodian, MS
Pembimbing Akademik
Diketahui oleh
Dr. Ir. Desrial, M.Eng
Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji syukur Alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena
atas rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul
“Pendekatan computational fluid dynamic pada sistem penghisapan mesin
pemanen ikan dan udang”.
Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada Dr. Ir. Sam Herodian, MS
selaku dosen Pembimbing Akademik yang senantiasa memberikan bimbingan dan
arahan kepada penulis. Terima kasih penulis ucapkan kepada Ir. Mad Yamin, MT
dan Dr. Edy Hartulistiyoso selaku dosen penguji. Ucapan terima kasih juga
disampaikan kepada ayah, ibu, kakak, serta adik atas segala doa, dukungan, dan
kasih sayang. Terima kasih kepada Dini Anriany atas segala waktu, doa,
dukungan, dan kesabaran yang telah diberikan kepada penulis. Terima kasih juga
penulis ucapkan kepada satu teman bimbingan (Bani, Iqbal, Heru, dan Stevy),
teman-teman yang telah membantu selama penelitian (Naufal, Endah, Amajida,
Ina, Sandy, sujarwedi dan lain-lain), para teknisi Departemen TMB, serta segenap
teman-teman TEP Orion 46 atas semangat dan dukungan yang telah diberikan.
Penulis berharap semoga tulisan ini bermanfaat dan memberikan kontribusi
yang nyata terhadap perkembangan ilmu pengetahuan di bidang teknologi
pertanian.
Bogor, Februari 2014
Aynal Fuadi
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR TABEL
vii
DAFTAR LAMPIRAN
viii
PENDAHULUAN
Latar Belakang
1
Tujuan Penelitian
2
Ruang Lingkup Penelitian
2
TINJAUAN PUSTAKA
Aliran Fluida
2
Metode Komputasi Dinamika Fluida
3
Penelitian yang Pernah Dilakukan
3
METODOLOGI PENELITIAN
Waktu dan Tempat Penelitian
6
Bahan dan Alat
6
Prosedur Penelitian
7
HASIL DAN PEMBAHASAN
Cara Kerja Sistem Penghisap
12
Simulasi Kecepatan Air
13
Bilangan Reynolds
22
Pemilihan Desain
23
SIMPULAN DAN SARAN
27
DAFTAR PUSTAKA
27
LAMPIRAN
28
RIWAYAT HIDUP
70
DAFTAR TABEL
1
Kombinasi posisi 2 muka
10
2 Kombinasi posisi 1 muka
3 Kecepatan aliran air di tangki penampungan 1
4 Kecepatan aliran air di tangki penampungan 2
5 Kecepatan aliran air di tangki penampungan 3
10
16
19
22
DAFTAR GAMBAR
1 Bentuk tangki penampungan 1
2 Bentuk tangki penampungan 2
3 Bentuk tangki penampungan 3
4 Skema tahapan simulasi menggunakan CFD
5 Skema mekanisme sistem penghisapan secara keseluruhan
6 Cut plots velocity kombinasi posisi inlet atas-outlet atas 2 muka
tangki penampungan 1
7 Flow trajection velocity kombinasi posisi inlet atas-outlet atas 2
muka tangki penampungan 1
8 Cut plots velocity kombinasi posisi inlet tengah-outlet bawah 1 muka
tangki penampungan 1
9 Flow trajection velocity kombinasi posisi inlet tengah-outlet bawah 1
muka tangki penampungan 1
10 Cut plots velocity kombinasi posisi inlet atas-outlet bawah 2 muka
tangki penampungan 2
11 Flow trajection velocity kombinasi posisi inlet atas-outlet bawah 2
muka tangki penampungan 2
12 Cut plots velocity kombinasi posisi inlet tengah-outlet atas 1 muka
tangki penampungan 2
13 Flow trajection velocity kombinasi posisi inlet tengah-outlet atas 1
muka tangki penampungan 2
14 Cut plots velocity kombinasi posisi inlet atas-outlet atas 2 muka
tangki penampungan 3
15 Flow trajection velocity kombinasi posisi inlet atas-outlet atas 2
muka tangki penampungan 3
16 Cut plots velocity kombinasi posisi inlet bawah-outlet tengah 1 muka
tangki penampungan 3
17 Flow trajection velocity kombinasi posisi inlet bawah-outlet tengah 1
muka tangki penampungan 3
18 Grafik perbandingan kecepatan aliran di saluran inlet
19 Grafik perbandingan bilangan Reynolds di dalam tangki
penampungan
8
9
9
11
13
14
14
15
15
17
17
18
18
20
20
21
21
25
26
DAFTAR LAMPIRAN
1 Spesifikasi pompa air
2 Contoh perhitungan kapasitas pemanenan
3 Perhitungan kebutuhan daya penggerak pompa air sentrifugal dan
efisiensi pompa (Hafizh 2013)
4 Hasil simulasi CFD di tangki penampungan 1
5 Data kecepatan aliran hasil simulasi di tangki penampungan 1
6 Hasil simulasi CFD di tangki penampungan 2
7 Data kecepatan aliran hasil simulasi di tangki penampungan 2
8 Hasil simulasi CFD di tangki penampungan 3
9 Data kecepatan aliran hasil simulasi di tangki penampungan 3
10 Kecepatan aliran di dalam tangki penampungan 1 pada setiap kombinasi
11 Kecepatan aliran di dalam tangki penampungan 2 pada setiap kombinasi
12 Kecepatan aliran di dalam tangki penampungan 3 pada setiap kombinasi
13 Bilangan Reynolds di dalam tangki penampungan 1 pada setiap kombinasi
14 Bilangan Reynolds di dalam tangki penampungan 2 pada setiap kombinasi
15 Bilangan Reynolds di dalam tangki penampungan 3 pada setiap kombinasi
16 Gambar teknik mesin pemanen ikan dan udang
28
29
30
31
39
40
48
49
57
58
59
60
61
62
63
64
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Indonesia merupakan negara kepulauan yang memiliki banyak laut serta
sungai, sehingga komoditi dari sektor perikanan sangat vital bagi penduduk
Indonesia. Produk yang dihasilkan dari sektor perikanan merupakan sumber
protein hewani yang memiliki kandungan gizi tinggi sehingga sangat baik untuk
dikonsumsi oleh masyarakat, termasuk produk udang dan ikan. Udang dan ikan
merupakan komoditas sektor perikanan yang memiliki posisi penting bagi
perekonomian di Indonesia dengan pemasaran di dalam maupun di luar negeri.
Sehingga keseluruhan proses produksi menjadi hal yang sangat diperhatikan agar
diperoleh produk yang berkualitas tinggi, salah satu proses yang terpenting adalah
dalam proses pemanenan itu sendiri.
Sejauh ini mekanisme pemanenan udang dan ikan masih menggunakan cara
tradisional. Cara yang paling modern untuk memanen udang dan ikan adalah
dengan menggunakan jaring (trawl) yang di bagian mulutnya dialiri arus listrik
dan ditarik oleh tiga sampai empat orang dengan mengelilingi tambak. Hal ini
selain dapat mengakibatkan udang dan ikan stress yang pada akhirnya berdampak
pada kematian, juga beresiko bagi pemanen yang harus masuk ke dalam tambak
(Mujiman dan Suyanto 2004).
Kendala yang dihadapi dalam pemanenan hasil perikanan adalah banyaknya
sumber daya manusia yang dibutuhkan, sedangkan ketersediaannya sangat rendah.
Hal ini akan mengakibatkan biaya produksi bertambah. Selain itu, kendala lain
yang dihadapi adalah hasil panen yang masih banyak mengalami kecacatan dan
tingkat mortalitas yang tinggi. Meskipun sudah menerapkan pemanenan mekanis
namun kendala ini masih belum teratasi sepenuhnya.
Pada penelitian sebelumnya (Maulaya 2012) telah dibuat mesin pemanen
ikan dan udang tipe vakum. Mesin pemanen ikan dan udang tipe vakum ini
merupakan solusi untuk menjawab berbagai kendala pemanenan yang terjadi
karena komoditas panen tidak langsung bersentuhan secara fisik dengan pompa
yang digunakan. Mesin ini merupakan tindak lanjut dari penelitian sebelumnya
(Gumilang 2011) mengenai mekanisme sistem penghisap baru yang dihasilkan
untuk mesin pemanen ikan dan udang. Mesin ini diharapkan dapat membantu
proses pemanenan ikan dan udang di tambak, yakni dengan menghasilkan
kapasitas pemanenan yang tinggi dan penggunaan tenaga kerja yang relatif sedikit
sehingga dapat menurunkan biaya produksi. Penelitian yang dilakukan oleh
Gumilang hanya menggunakan satu bentuk tangki dengan ukuran yang tidak sama
seperti ukuran tangki yang dibuat oleh Maulaya. Diperlukan sebuah teknik untuk
membuat sistem penghisapan yang baru dengan opsi bentuk tangki penampungan
lebih dari satu tanpa mengeluarkan biaya yang cukup banyak. Salah satunya
dengan melakukan simulasi CFD (Computational Fluid Dynamic).
CFD dapat menduga nilai dan pola aliran fluida pada mesin pemanen ikan
dan udang. Simulasi yang dilakukan berupa pola aliran fluida yang terjadi pada
tabung serta selang penghisap dan pengeluaran. Teknik ini merupakan suatu
metode perhitungan memprediksi dan pendekatan aliran fluida secara numerik
dengan bantuan komputer.
2
Aliran fluida dalam kehidupan nyata memiliki banyak sekali jenis dan
karakteristik tertentu yang begitu kompleks. CFD melakukan pendekatan dengan
metode numerasi serta menggunakan persamaan-persamaan fluida. Dari simulasi
yang dilakukan maka akan didapatkan sistem penghisapan, ukuran, dan bentuk
desain yang baru untuk mengetahui kecepatan aliran hisap yang dihasilkan.
Sehingga terciptalah prototipe mesin yang sesuai dengan aliran fluida yang telah
dimodelkan dengan CFD.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk melakukan simulasi aliran fluida pada
sistem penghisap mesin pemanen ikan dan udang dengan menggunakan CFD serta
pembuatan gambar teknik mesin pemanen ikan dan udang sesuai dengan hasil
simulasi CFD.
Ruang Lingkup Penelitian
Ruang lingkup dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan sistem
penghisap yang memiliki kecepatan aliran air yang sesuai sesuai dengan
kecepatan renang ikan dan udang dari tiga bentuk tabung serta 15 kombinasi
posisi saluran inlet-outlet yang disimulasikan.
TINJAUAN PUSTAKA
Aliran Fluida
Menurut Ranald (dalam Erizal 2007), fluida adalah zat-zat yang mampu
mengalir dan menyesuaikan diri dengan bentuk wadah dan tempatnya. Aliran dari
suatu fluida nyata lebih rumit daripada aliran suatu fluida ideal. Aliran fluida
dapat dibagi menjadi tiga, yakni aliran laminar, aliran transisi dan aliran turbulen.
Ketiga jenis aliran tersebut diatur oleh hukum-hukum yang berbeda.
Aliran laminar memiliki partikel-partikel fluida yang bergerak di
sepanjang lintasan-lintasan lurus, sejajar dalam lapisan-lapisan. Dalam aliran
laminar ini, viskositas berfungsi untuk meredam kecendrungan terjadinya gerakan
relatif antara lapisan.
Aliran turbulen memiliki partikel-partikel yang bergerak secara
serampangan ke semua arah. Dalam keadaan aliran turbulen, maka turbulensi
yang terjadi membangkitkan tegangan geser yang merata diseluruh fluida
sehingga menghasilkan kerugian-kerugian aliran.
Aliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran
turbulen. Bilangan Reynolds merupakan bilangan tak berdimensi yang dapat
membedakan suatu aliran itu dinamakan laminar, transisi atau turbulen.
3
………...………………………………………………...(1)
dimana:
V = Kecepatan (rata-rata) fluida yang mengalir (m/s)
D = Diameter dalam pipa (m)
ρ = Massa jenis fluida (kg/m3)
µ = Viskositas dinamik fluida (kg/ms) atau (Ns/ m2)
Dilihat dari kecepatan aliran, dikategorikan laminar bila aliran tersebut
mempunyai bilangan Re kurang dari 2300, untuk aliran transisi berada pada pada
bilangan Re 2300 dan 4000 biasa juga disebut sebagai bilangan Reynolds kritis,
sedangkan aliran turbulen mempunyai bilangan Re lebih dari 4000.
Metode Komputasi Dinamika Fluida
CFD merupakan pemanfaatan program komputer untuk membuat suatu
prediksi apa yang terjadi secara kuantitatif pada saat fluida mengalir. Dengan
menggunakan CFD, prediksi aliran fluida pada berbagai sistem dapat dilakukan
dengan biaya yang relatif murah dan waktu yang singkat dibanding dengan
metode eksperimen (Tuakia 2008).
Secara umum, proses dalam CFD dibagi dalam tiga tahapan yaitu
prapemrosesan (pre-processing), pencarian solusi (solving), dan pascapemrosesan
(post-processing) (Tuakia 2008).
Prapemrosesan, merupakan langkah pertama dalam membangun dan
menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat model paket
CAD (Computer Aided Design), membuat mesh yang sesuai, kemudian
menerapkan kondisi batas dan sifat-sifat fluidanya.
Pencarian solusi, mengitung kondisi-kondisi yang diterapkan pada saat
prapemrosesan.
Pascapemrosesan, langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan
pada langkah ini adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data hasil
simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva, dan animasi.
Penelitian yang Pernah Dilakukan
Perancangan Mekanisme Sistem Penghisap Pada Mesin Pemanen Udang
dan Ikan (Gumilang 2011)
Penelitian ini dilakukan pengujian fungsional sebanyak dua kali terhadap
sistem model yang dibuat untuk mendapatkan data. Pengujian dilakukan
dengan perlakuan 15 kombinasi. Pengujian pertama bertujuan untuk
memperoleh data mengenai debit, kecepatan aliran, tekanan, dan jenis aliran
pada sistem penghisap. Pengujian selanjutnya bertujuan untuk mengetahui
kinerja fungsional sistem penghisap.
Berdasarkan data yang diperoleh diketahui bahwa debit yang terjadi
relatif stabil, yaitu berkisar antara 0.57 l/s – 0.58 l/s. Nilai kecepatan yang
4
diperoleh pada penampang hidrolik pertama dengan ukuran penampang
hidrolik yang kecil berkisar antara 2.02 m/s – 2.04 m/s, sedangkan untuk nilai
kecepatan pada penampang hidrolik yang besar berkisar antara 0.01 m/s – 0.02
m/s. Tekanan yang terjadi pada penampang hidrolik yang berukuran kecil
sebesar 2.943 x 104 kPa, sedangkan tekanan yang terjadi pada penampang
hidrolik yang berukuran besar bernilai 1.461 x 102 kPa. Jenis aliran yang
terjadi pada penampang hidrolik dengan ukuran kecil adalah jenis aliran
turbulen karena nilai bilangan Reynolds yang diperoleh lebih besar dari 2300,
yaitu berkisar antara 44720 – 45263, sedangkan jenis aliran yang terjadi pada
penampang hidrolik dengan ukuran besar adalah jenis aliran laminar karena
nilai bilangan Reynolds yang diperoleh lebih kecil dari 2300, yaitu berkisar
antara 2236 – 2263.
Kombinasi paling optimum untuk penempatan posisi pipa pemasukan
dan pipa pengeluaran adalah pada kombinasi atas (pipa pemasukan) – atas
(pipa pengeluaran), hal tersebut bukan hanya dipengaruhi oleh faktor dari
fluida saja melainkan dengan mempertimbangkan tingkah laku komoditas pada
saat dipanen yang cenderung berkumpul di bagian bawah saringan yang
terdapat pada fish trap. Pengujian yang dilakukan berupa pengujian pemanenan
komoditas dan dilihat tingkat kelulusan hidupnya. Berdasarkan data yang
diperoleh dari 15 kali ulangan diketahui bahwa tingkat kelulusan hidupnya
besar yaitu 98.9%. Hal ini menunjukkan bahwa mekanisme sistem penghisap
berfungsi baik sesuai dengan yang diharapkan.
Rancang Bangun Prototipe Mesin Pemanen Udang Tipe Vakum (Maulaya
2013)
Pada penelitian ini, dilakukan pembuatan prototipe dari mekanisme yang
telah dirancang pada penelitian sebelumnya (Gumilang 2011). Pembuatan
prototipe ini bertujuan untuk melakukan pengujian apakah rancangan mesin
yang dibuat untuk pemanenan ikan dan udang dapat berjalan sesuai yang
diharapkan atau tidak. Sistem yang dirancang pada mesin ini yaitu komoditas
tidak masuk melewati pompa (impeller) sehingga ikan dan udang tidak akan
rusak atau mati. Mesin yang dirancang memiliki dua tangki penampungan yang
berfungsi untuk menampung sementara hasil pemanenan yang telah terhisap
dan beberapa saluran distribusi utama seperti saluran inlet yang berfungsi
mendistribusikan air dan komoditas ke tangki penampungan, saluran outlet
yang berfungsi mendistribukan air dari tangki penampungan keluar sistem
melalui pompa air, saluran perpindahan yang berfungsi untuk menyalurkan air
dari tangki satu ke tangki lainnya selama proses pemanenan, serta saluran
buang yang berfungsi untuk membuang air keluar sistem (tambak). Dalam
pengoperasian mesin ini, digunakan dua pompa yaitu pompa air dan pompa
vakum. Pompa air yang digunakan memiliki power sebesar 3.1 kW dengan
kecepatan putar 3600 rpm dan berfungsi untuk menghisap komoditas yang
berada di dalam kolam sedangkan pompa vakum berfungsi untuk
mempertahankan keadaan vakum dalam sistem dengan cara menghisap udara
yang masuk ke dalam sistem dan membuangnya ke lingkungan.
Berdasarkan data yang diperoleh diketahui bahwa terjadi penurunan
debit aliran yang cukup drastis saat mesin dioperasikan. Penurunan ini
diakibatkan oleh kebocoran yang terjadi pada beberapa bagian, seperti lubang
5
intake, sambungan antara selang dengan pipa, sambungan perpipaan dan keran
(valve), sambungan las pada tangki, sehingga kondisi sistem pada mesin ini
tidak 100% dalam kondisi vakum. Debit tertinggi yang diperoleh pada tangki
pertama sebesar 3.11 l/s dengan kecepatan hisap sebesar 0.38 m/s. Sedangkan
pada tangki kedua, debit aliran tertinggi yang diperoleh sebesar 4.02 l/s dengan
kecepatan hisap sebesar 0.50 m/s. Ikan yang terhisap oleh mesin hanya pada
awal pengoperasian saja yang debitnya masih cukup besar. Setelah dilakukan
instalasi pompa vakum pada tangki kedua, debit tertinggi dapat mencapai 5.27
l/s dengan kecepatan hisap sebesar 0.65 m/s dan debit terendahnya yaitu 4.75
l/s dengan kecepatan hisap sebesar 0.59 m/s. Untuk debit rata-rata sebesar 4.97
l/s dengan kecepatan hisap rata-rata 0.61 m/s.
Nilai tekanan yang diperoleh dari kedua penampang yaitu dari
penampang hidrolik dengan ukuran diameter 4 inci menjadi penampang
hidrolik dengan ukuran 60 cm adalah sebesar 78.40 kPa dan 15.92 kPa.
Sebelum instalasi pompa vakum, jenis aliran yang terjadi ada tiga jenis, yaitu
aliran turbulen, aliran transisi, dan aliran laminar. Aliran jenis turbulen terjadi
pada penampang hidrolik kecil selama operasi, yaitu pada selang dengan
diameter 4 inci. Setelah instalasi pompa vakum, jenis aliran yang terjadi adalah
aliran turbulen. Jenis aliran ini terjadi selama pengoperasian mesin, baik pada
saluran inlet maupun tangki penampungan. Pada saluran inlet, nilai bilangan
Reynolds yang terjadi berkisar antara 54842.31 sampai 85554.01. Sedangkan
pada tangki, nilai bilangan Reynolds yang terjadi berkisar antara 7293.68
sampai 11378.15.
Modifikasi dan Uji Fungsional Mesin Pemanen Udang Tipe Vakum
(Hafizh 2013)
Penelitian ini melakukan modifikasi pada mesin sebelumnya yang telah
dibuat oleh Maulaya (2013). Modifikasi yang dilakukan ialah pada saluran inlet
dan pompa air. Saluran inlet dibuat menjadi lebih kecil dengan diameter 2.5
inci setelah sebelumnya berdiameter 4 inci. Tujuan dari memperkecil diameter
saluran inlet adalah untuk meningkatkan kecepatan hisap sehingga komoditas
dapat terhisap ke dalam tangki penampungan. Pemilihan saluran inlet 2.5 inci
berdasarkan pada dimensi dari udang yang bisa masuk atau terhisap oleh
saluran inlet yaitu dengan panjang 6 – 8 cm dan tinggi 5 – 6 cm. Pompa air
yang digunakan pada penelitian ini memiliki power yang lebih besar dari
penelitian sebelumnya. Pompa air yang dipergunakan memiliki power sebesar
4.1 kW dengan kecepatan putar 3600 rpm. Power pompa yang besar akan
menghasilkan debit yang besar pula, sehingga dengan memperbesar power
pompa dan ditunjang saluran inlet yang diperkecil maka akan diperoleh
kecepatan hisap yang tinggi. Pemilihan pompa ini disesuaikan dengan target
waktu pemanenan selama 1.8 jam.
Pengambilan data dilakukan pada kedua tangki, yaitu tangki pertama
dengan mulut hisap dan saluran inlet 4 inci tanpa menggunakan instalasi
pompa vakum dan tangki kedua dengan mulut hisap 4 inci dan saluran inlet 2.5
inci dengan menggunakan instalasi pompa vakum. Beradasarkan hasil
pengukuran, debit tertinggi pada tangki pertama sebesar 2.06 l/s dengan
kecepatan hisap sebesar 0.25 m/s, sedangkan debit tertinggi pada tangki kedua
sebesar 1.77 l/s dengan kecepatan hisap sebesar 0.56 m/s. Debit rata-rata pada
6
tangki pertama sebesar 1.84 l/s dengan kecepatan hisap rata-rata 0.23 m/s,
sedangkan debit rata-rata pada tangki kedua sebesar 1.63 l/s dan 0.52 m/s.
Debit rata-rata pada tangki pertama memiliki nilai yang sama pada penelitian
sebelumnya, namun debit rata-rata pada tangki penampungan kedua memiliki
nilai yang lebih kecil dari penelitian sebelumnya. Hal ini terjadi karena adanya
kebocoran yang lebih banyak dibandingkan sebelumnya yakni kebocoran pada
saat mengganti saluran inlet dan kebocoran pada intake pompa.
Nilai tekanan pada penampang hidrolik kecil di tangki pertama sebesar
78.40 kPa sedangkan pada penampang hidrolik besar (tangki) sebesar 15.89
kPa. Pada tangki 2, nilai tekanan pada penampang hidrolik yang berukuran
kecil sebesar 78.40 kPa sedangkan tekanan pada penampang hidrolik besar
sebesar 6.20 kPa. Jenis aliran yang terjadi pada tangki pertama adalah aliran
turbulen dan aliran transisi. Aliran turbulen terjadi pada penampang hidrolik
kecil (saluran inlet) sedangkan pada penampang hidrolik besar (tangki) terjadi
aliran turbulen dan aliran transisi. Nilai bilangan Reynolds pada penampang
kecil berkisar 17010.66 – 43286.04. Sedangkan bilangan Reynolds pada
penampang besar berkisar 2263.23 – 5759.11. Pada tangki kedua, jenis aliran
yang terjadi adalah aliran turbulen dan transisi. Aliran turbulen terjadi pada
penampang hidrolik kecil (saluran inlet) yang berdiameter 2.5 inci sedangkan
pada penampang hidrolik besar (tangki) terjadi aliran transisi. Nilai bilangan
Reynolds pada penampang kecil berkisar 32683.39 – 44622.39. Sedangkan
bilangan Reynolds pada penampang besar berkisar 2717.78 – 3710.56.
METODE PENELITIAN
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Engineering Design Studio (EDS),
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut
Pertanian Bogor untuk proses perancangan konsep desain pada bulan Juni 2013
hingga Juli 2013. Sedangkan untuk simulasi aliran fluida dengan CFD dilakukan
di Laboratorium Lingkungan Bangunan Pertanian, Gedung Fakultas Teknologi
Pertanian, Institut Pertanian Bogor pada bulan Agustus 2013 hingga Oktober 2013.
Bahan dan Alat
Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian adalah seperangkat
komputer dan software gambar yang mendukung. Software gambar dan simulasi
yang digunakan adalah SolidWorks 2011 karena software tersebut sudah terdapat
feature untuk melakukan simulasi aliran fluida yakni feature Flow Simulation.
Penggunaan SolidWorks untuk simulasi dikarenakan software tersebut dapat
dengan mudah menghitung kekuatan fluida dan memahami dampak dari aliran
fluida tersebut untuk pencapaian kinerja produk. Peralatan lain yang digunakan
adalah alat tulis, mesin hitung, software Microsoft Excel 2010, software Microsoft
Word 2010, dan mesin cetak (printer).
7
Prosedur Penelitian
Identifikasi Masalah
Perkembangan budidaya udang dan ikan yang cukup pesat harus diiringi
dengan penggunaan teknologi yang dapat mendukung proses pengolahan
komoditi tersebut. Sejauh ini, teknologi dalam proses pemanenan udang dan ikan
belum mendapatkan perhatian khusus dan masih mempergunakan alat dan cara
tradisional. Penggunaan alat dan cara tradisional ini mengakibatkan udang dan
ikan mengalami stress serta pemanenan yang kurang efektif dan efisien. Untuk
meningkatkan efektivitas dan efisiensi dalam proses pemanenan, salah satu cara
yang dapat dilakukan adalah dengan mempergunakan sistem pemanenan secara
mekanis. Menilik hal tersebut maka perlu dirancang sebuah mekanisme sistem
penghisapan yang baru untuk dipergunakan dalam mesin pemanen ikan dan udang.
Selain itu dibutuhkan pula sebuah teknik yang dapat memodelkan aliran fluida
pada sistem penghisap mesin pemanen ikan dan udang tanpa mengeluarkan biaya
yang cukup banyak. Salah satunya adalah dengan menggunakan teknik CFD,
yaitu sebuah teknik yang dapat memodelkan aliran fluida tersebut dan hanya
membutuhkan seperangkat Personal Computer (PC).
Pengembangan dan Perumusan Ide Desain
Melakukan analisis dari permasalahan yang ada dan pengumpulan ide-ide
pemecahan masalah dengan mempertimbangkan berbagai aspek yang terkait.
Dalam tahapan ini mekanisme, bentuk, dan posisi dari berbagai komponen
direncanakan dengan batasan permasalahan yang akan dipecahakan. Untuk
memudahkan simulasi, gambar yang akan dirancang hanya tangki penampungan
dan saluran inlet. Hal ini dikarenakan hanya bagian itu saja yang dilewati oleh air.
Sedangkan gambar yang lain seperti kerangka mesin dan roda dapat diabaikan
karena tidak mempengaruhi laju air yang mengalir di dalam mesin pemanen ikan
dan udang.
Pembuatan Konsep Gambar
Dalam proses ini ide desain yang telah dikembangkan akan dikonsepkan
dalam beberapa gambar yang mempunyai beberapa parameter yang berbeda.
Bentuk tangki penampungan ikan atau udang
Bentuk tangki penampungan yang dibuat memiliki tiga bentuk dengan
volume ± 200 liter. Hal ini sesuai dengan perhitungan yang telah dilakukan
sebelumnya (Maulaya 2012). Perhitungan volume tangki berdasarkan
kapasitas pemanenan dalam 1 batch:
Massa udang yang diinginkan
: 45 kg
Asumsi massa jenis udang
: 0.74 kg/liter (Hamdani 2005)
Perbandingan volume udang dan air optimum : 1:2 (Karim 2006)
Maka untuk melakukan operasi 1 batch pemanenan, volume tangki yang
didesain adalah:
�=
.
�
=
�/
.
8
Tangki penampungan 1 adalah gabungan dari silinder yang mempunyai
diameter 0.6 meter dan tinggi 0.6 meter serta kerucut yang mempunyai
diameter 0.6 meter dan tinggi 0.26 meter. Di bagian paling bawah kerucut
terdapat lubang distribusi hasil pemanenan sebesar 0.1 meter. Selain itu
terdapat pula lubang untuk saluran inlet sebesar 0.1 meter dan lubang
outlet sebesar 0.05 meter. Bentuk Tangki dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1 Bentuk tangki penampungan 1
Tangki penampungan 2 berbentuk bola yang mempunyai diameter 0.72
meter. Di bagian paling bawah bola terdapat lubang distribusi hasil
pemanenan sebesar 0.1 meter. Selain itu terdapat pula lubang untuk
saluran inlet sebesar 0.1 meter dan lubang outlet sebesar 0.05 meter.
Bentuk Tangki dapat dilihat pada Gambar 2.
Tangki penampungan 3 adalah gabungan dari silinder yang mempunyai
diameter 0.6 meter dan tinggi 0.6 meter serta setengah bola yang
mempunyai diameter 0.6 meter dan tinggi 0.26 meter. Di bagian paling
bawah setengah bola terdapat lubang distribusi hasil pemanenan sebesar
0.1 meter. Selain itu terdapat pula lubang untuk saluran inlet sebesar 0.1
meter dan lubang outlet sebesar 0.05 meter. Bentuk Tangki dapat dilihat
pada Gambar 3.
9
Gambar 2 Bentuk tangki penampungan 2
Gambar 3 Bentuk tangki penampungan 3
Ketinggian tangki penampungan ikan atau udang
Ketinggian tangki penampungan 1 dan tangki penampungan 3 adalah
1.01 meter, sedangkan tinggi tangki penampungan 2 adalah 1.12 meter. Tinggi
tangki penampungan 2 berbeda dari tangki penampungan 1 dan 3 dikarenakan
dimensi tinggi tangki tersebut yang berbeda.
Kombinasi posisi saluran inlet dan saluran outlet di tangki penampungan
Kombinasi posisi saluran inlet dan saluran outlet dibuat menjadi 15
kombinasi di setiap tangki penampungan. Penentuan kombinasi ini
ditunjukkan untuk mengetahui kecepatan aliran, bilangan Reynolds, serta jenis
aliran yang terjadi untuk dijadikan acuan dasar sebagai penentuan kombinasi
10
posisi yang paling sesuai nantinya. Penentuan kombinasi ini disajikan pada
Tabel 1 dan Tabel 2.
Tabel 1 Kombinasi posisi 2 muka
No
Posisi Inlet
Posisi Outlet
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Atas
Atas
Atas
Tengah
Tengah
Tengah
Bawah
Bawah
Bawah
Atas
Tengah
Bawah
Atas
Tengah
Bawah
Atas
Tengah
Bawah
Tabel 2 Kombinasi posisi 1 muka
No
Posisi Inlet
Posisi Outlet
1
2
3
4
5
6
Atas
Atas
Tengah
Tengah
Bawah
Bawah
Tengah
Bawah
Atas
Bawah
Atas
Tengah
Simulasi CFD
Simulasi dengan CFD dilakukan dengan membuat model terlebih dahulu
serta menggunakan beberapa asumsi yakni sebagai berikut:
Model yang akan didesain untuk simulasi hanyalah saluran inlet dan
tangki penampungan karena komoditas yang akan dipanen hanya
melewati dua bagian tersebut.
Gravitasi berpengaruh terhadap kecepatan aliran karena perbedaan
ketinggian dari muka saluran inlet dengan tangki penampungan.
Sistem di dalam tabung diasumsikan vakum dan tidak ada kebocoran
yang terjadi di dalam sistem.
Suhu air diasumsikan sebesar 20 oC dan tekanan sebesar 1 atm.
Debit air yang digunakan sebagai parameter yang akan dimasukkan
sebesar 0.0167 m3/s. Debit ini diambil dari sebuah pompa yang memiliki
tenaga 5.5 HP dan daya hisap 8 m. Spesifikasi pompa dapat dilihat di
lampiran 1.
11
Langkah-langkah proses simulasi aliran fluida di mesin pemanen ikan dan
udang menggunakan CFD terdapat pada feature Flow Simulation yang ada di
SolidWorks dapat dilihat pada Gambar 4.
Mulai
Pembuatan geometri
Pengecekan geometri
Geometri baik?
Tidak
Ya
Pengecekan
Penentuan general setting
Penentuan computational
domain, boundary condition,
dan goal
Proses numerik (solver)
Iterasi error?
Ya
Tidak
Analisis kecepatan aliran air
Pemilihan dan
penyempurnaan desain
Selesai
Gambar 4 Skema tahapan simulasi menggunakan CFD
Langkah pertama adalah pembuatan dan pengecekan geometri. Geometri
yang dibuat ialah saluran inlet posisi atas, tengah, dan bawah serta tiga bentuk
tangki penampungan. Saluran inlet dibuat menjadi tiga bentuk sesuai dengan
posisi lubang inlet yang ada di tangki penampungan yakni atas, tengah, dan bawah.
12
Posisi lubang inlet dan outlet di setiap tangki penampungan diatur agar memiliki
jarak yang sama antar letak posisinya.
Selanjutnya adalah penentuan general setting. Pada bagian ini diatur
konfigurasi model dengan parameter lingkungan yang sesuai dengan data
penelitian maupun asumsi-asumsi yang telah dibuat. Pada unit system, diatur
satuan-satuan yang akan ditampilkan pada output simulasi. Analisis aliran pada
model dipilih internal karena akan melihat bagaimana aliran air di dalam geometri,
dalam hal ini adalah saluran inlet dan tangki penampungan. Aliran di dalam
sistem akan dipengaruhi oleh gravitasi karena ada perbedaan ketinggian yang
terjadi antara bagian muka saluran inlet dengan tangki penampungan. Sehingga
pengaruh gravitasi dapat dimasukkan dalam pengaturan analysis type dan di
setting secara default
Fluida yang akan dianalisis adalah air, sehingga diatur pada tampilan default
fluid. Kondisi dinding model pada wall conditions diatur secara default dan tidak
perlu mengubahnya. Sebagai kondisi awal dan kondisi batas, dimasukkan nilai
parameter tekanan air dan suhu normal air pada setiap kondisi di tampilan initial
conditions. Setelah itu hasil dan resolusi geometri model akan ditampilkan pada
result and geometry resolution dan tidak perlu ada yang dirubah.
Tahapan selanjutnya ialah penentuan computational domain, boundary
conditions, dan goals. Domain dibuat untuk daerah batasan luar dari model yang
akan dianalisis. Panjang dan lebar domain pada model tidak terlalu mempengaruhi
karena domain berada di luar model. Oleh karena itu ukuran domain dibuat secara
default. Selain itu sebelum dimasukkan nilai-nilai kondisi batas, model
ditampilkan secara section view dan dipilih front plane. Section view berguna
untuk memotong secara simetris suatu gambar. Hal ini dikarenakan agar terlihat
aliran air yang mengalir di dalam model. Pemotongan ini tidak akan
mempengaruhi hasil analisis dikarenakan model dipotong secara simetris.
Kegiatan terakhir yang dilakukan dalam kegiatan solving ialah running. Running
dapat berjalan ketika langkah-langkah diatas terpenuhi. Sehingga akan diketahui
letak kesalahan dalam penentuan langkah-langkah sebelumnya dengan tidak
berjalannya proses running.
Tahapan terakhir adalah post-processor. Tahap ini merupakan tampilan
yang akan disajikan program CFD setelah proses running selesai. Tampilan ini
dapat berupa gambar kontur, vektor, arah aliran, animasi, hasil angka dari
perhitungan program, mesh, dan lain-lain. Tampilan tersebut merupakan hasil
akhir (goals) dari yang sudah ditentukan sebelumnya.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Cara Kerja Sistem Penghisap
Contoh skema dari mekanisme kerja sistem penghisap yang akan
disimulasikan disajikan pada Gambar 5.
13
Aliran air dan komoditas
Aliran air
Gambar 5 Skema mekanisme sistem penghisapan secara keseluruhan
dimana:
1. Kolam penampungan
2. Saluran inlet
3. Tangki penampungan
4. Saluran outlet
5. Pompa air
6. Saluran buang
Mekanisme kerja dari sistem penghisap ini adalah air dan komoditas yang
akan dipanen, dihisap dengan menggunakan tenaga yang berasal dari arus listrik
pompa. Sebelum berlangsungnya proses pemanenan, terlebih dahulu saluran inlet,
tangki penampungan, dan saluran outlet diisi oleh air agar pompa dapat
menghisap air dan komoditas di dalam kolam penampungan (1). Air dan
komoditas yang terhisap akan masuk ke dalam saluran inlet (2). Setelah melewati
saluran inlet, air dan komoditas yang telah terhisap akan masuk ke dalam tangki
penampungan (3) yang lubang outlet tangki tersebut dipasangi jaring-jaring kawat.
Komoditas yang telah terhisap tidak dapat masuk ke dalam lubang outlet tangki
penampungan karena ada jaring-jaring kawat di lubang outlet tersebut, sehingga
hanya air yang akan terhisap ke dalam saluran outlet (4) dan akan menuju pompa
air (5). Air yang telah melewati pompa akan dikeluarkan melalui saluran buang
(6). Setelah tangki penampungan penuh oleh komoditas yang dipanen, pompa
dimatikan dan komoditas dikeluarkan melalui lubang pengeluaran yang berada di
bawah tangki penampungan. Setelah komoditas dikeluarkan, mekanisme
pemanenan akan berjalan seperti sebelumnya.
Simulasi Kecepatan Air
Simulasi Kecepatan Aliran Air di Tangki Penampungan 1
Hasil simulasi di tangki penampungan 1 berupa cut plots velocity dan flow
trajection velocity. Contoh simulasi distribusi kecepatan air untuk kombinasi 2
14
muka ditunjukkan pada Gambar 6 dan Gambar 7, sedangkan untuk 1 muka
ditunjukkan pada Gambar 8 dan Gambar 9. Hasil simulasi pada tangki
penampungan 1 selengkapnya dapat dilihat pada Lampiran 4 dan Lampiran 5.
Air dengan suhu 20oC dan komoditas dihisap oleh sebuah pompa dengan
debit maksimum 0.0167 m3/s melalui lubang saluran inlet menuju lubang saluran
outlet. Air dan komoditas akan menuju tangki penampungan sebelum menuju
saluran outlet untuk menampung komoditas dan hanya air yang akan menuju
saluran outlet. Berdasarkan hasil simulasi, kecepatan aliran air tertinggi pada
saluran inlet terdapat pada kombinasi inlet tengah-outlet atas 2 muka, inlet tengahoutlet tengah 2 muka, dan inlet tengah-outlet bawah 2 muka serta inlet tengahoutlet atas 1 muka, dan inlet tengah-outlet bawah 1 muka sebesar 2.32 m/s.
Gambar 6 Cut plots velocity kombinasi posisi inlet atas-outlet atas 2 muka tangki
penampungan 1
Gambar 7 Flow trajection velocity kombinasi posisi inlet atas-outlet atas 2 muka
tangki penampungan 1
15
Gambar 8 Cut plots velocity kombinasi posisi inlet tengah-outlet bawah 1 muka
tangki penampungan 1
Gambar 9 Flow trajection velocity kombinasi posisi inlet tengah-outlet bawah 1
muka tangki penampungan 1
Arah aliran bergerak lurus maju sepanjang saluran inlet. Kecepatan aliran
air yang melewati saluran inlet tetap konstan dan tidak mengalami penurunan
yang cukup besar. Hal itu ditandai dengan warna yang sama pada cut plots
velocity yakni warna biru muda.
Setelah melewati saluran inlet, air akan menuju ke tangki penampungan dan
akan terjadi penurunan kecepatan karena ukuran diameter tangki penampungan
yang lebih besar dari diameter lubang inlet. Pada beberapa kombinasi posisi inletoutlet, terjadi turbulensi yakni pada saat aliran air masuk dari saluran inlet ke
tangki penampungan. Namun, ada beberapa kombinasi posisi inlet-outlet yang
tidak terjadi turbulensi di tangki penampungannya yakni kombinasi inlet atasoutlet bawah 1 muka, inlet atas-outlet tengah 1 muka, dan inlet bawah-outlet
bawah 2 muka. Aliran air yang tidak terjadi turbulensi pada beberapa kombinasi,
langsung menuju saluran outlet dari saluran inlet setelah melewati tangki
penampungan. Berdasarkan hasil simulasi, kecepatan aliran air pada tangki
16
penampungan hampir semuanya bernilai sama yakni 0.041 m/s dan hanya pada
kombinasi posisi inlet atas-outlet bawah 1 muka yang memiliki nilai kecepatan
yang berbeda sekaligus yang terkecil yakni 0.040 m/s. Nilai kecepatan aliran yang
terjadi di saluran inlet dan tangki penampungan dapat dilihat pada Tabel 3.
Tabel 3 Kecepatan aliran air di tangki penampungan 1
Kecepatan (m/s)
Kombinasi Tabung
Saluran Inlet
Tangki
Penampungan
Outlet Atas 2 Muka
2.315
0.041
Outlet Tengah 2 Muka
2.315
0.041
Outlet Bawah 2 Muka
2.315
0.041
Outlet Tengah 1 Muka
2.315
0.041
Outlet Bawah 1 Muka
2.315
0.040
Outlet Atas 2 Muka
2.320
0.041
Outlet Tengah 2 Muka
2.320
0.041
Outltet Bawah 2 Muka
2.320
0.041
Outlet Atas 1 Muka
2.320
0.041
Outlet Bawah 1 Muka
2.320
0.041
Outlet Atas 2 Muka
2.313
0.041
Outlet Tengah 2 Muka
2.313
0.041
Outlet Bawah 2 Muka
2.313
0.041
Outlet Atas 1 Muka
2.313
0.041
Outlet Tengah 1 Muka
2.313
0.041
Inlet Atas
Inlet Tengah
Inlet Bawah
Simulasi Kecepatan Aliran Air di Tangki Penampungan 2
Hasil simulasi di tangki penampungan 2 berupa cut plots velocity dan flow
trajection velocity. Contoh simulasi distribusi kecepatan air untuk kombinasi 2
muka ditunjukkan pada Gambar 10 dan Gambar 11, sedangkan untuk 1 muka
ditunjukkan pada Gambar 12 dan Gambar 13. Hasil simulasi pada tangki
penampungan 2 selengkapnya dapat dilihat pada Lampiran 6 dan Lampiran 7.
Air dengan suhu 20oC dan komoditas dihisap oleh sebuah pompa dengan
debit maksimum 0.0167 m3/s melalui lubang saluran inlet menuju lubang saluran
outlet. Air dan komoditas akan menuju tangki penampungan sebelum menuju
17
saluran outlet untuk menampung komoditas dan hanya air yang akan menuju
saluran outlet. Berdasarkan hasil simulasi, kecepatan aliran air tertinggi pada
saluran inlet terdapat pada kombinasi inlet atas-outlet atas 2 muka dan inlet atasoutlet bawah 2 muka, serta inlet atas-outlet tengah 1 muka dan inlet atas-outlet
bawah 1 muka, sebesar 2.279 m/s. Arah aliran bergerak lurus maju sepanjang
saluran inlet. Kecepatan aliran air yang melewati saluran inlet tetap konstan dan
tidak mengalami penurunan yang cukup besar. Hal itu ditandai dengan warna
yang sama pada cut plots velocity yakni warna biru muda.
Gambar 10 Cut plots velocity kombinasi posisi inlet atas-outlet bawah 2 muka
tangki penampungan 2
Gambar 11 Flow trajection velocity kombinasi posisi inlet atasoutlet bawah 2 muka tangki penampungan 2
18
Gambar 12 Cut plots velocity kombinasi posisi inlet tengah-outlet atas 1 muka
tangki penampungan 2
Gambar 13 Flow trajection velocity kombinasi posisi inlet tengahoutlet atas 1 muka tangki penampungan 2
Setelah melewati saluran inlet, air akan menuju ke tangki penampungan dan
akan terjadi penurunan kecepatan karena ukuran diameter tangki penampungan
yang lebih besar dari diameter lubang inlet. Pada kombinasi inlet atas-outlet
bawah 2 muka, inlet bawah-outlet atas 1 muka, inlet bawah-outlet tengah 2 muka,
inlet tengah-outlet atas 2 muka, dan inlet tengah-outlet bawah 1 muka terjadi
turbulensi yang kecil serta pada inlet tengah-outlet atas terjadi turbulensi yang
besar. Sedangkan pada kombinasi posisi inlet-outlet yang tersisa tidak terjadi
turbulensi di tangki penampungannya. Pada kombinasi posisi inlet atas-outlet atas
2 muka, inlet atas-outlet tengah 2 muka, dan inlet bawah-outlet atas 2 muka serta
inlet atas-oulet atas 1 muka, inlet atas-outlet tengah 1 muka, dan inlet bawahoutlet tengah 1 muka, vektor bergerak memutar di dinding tangki penampungan
menuju saluran outlet. Pada kombinasi posisi inlet bawah-outlet bawah 2 muka
dan inlet tengah-outlet tengah 2 muka, vektor bergerak langsung menuju saluran
outlet. Sedangkan pada kombinasi posisi inlet tengah-outlet bawah 2 muka, vektor
19
menabrak dinding sisi belakang tangki penampungan sebelum menuju saluran
outlet. Berdasarkan hasil simulasi, kecepatan aliran air pada tangki penampungan
hampir semuanya bernilai sama yakni 0.040 m/s dan hanya pada kombinasi posisi
inlet bawah-outlet atas 1 muka, inlet tengah-outlet atas 1 muka, serta inlet atasoutlet bawah 2 muka yang memiliki nilai kecepatan yang berbeda sekaligus yang
terbesar yakni 0.041 m/s. Nilai kecepatan aliran yang terjadi di saluran inlet dan
tangki penampungan dapat dilihat pada Tabel 4.
Tabel 4 Kecepatan aliran air di tangki penampungan 2
Kecepatan (m/s)
Kombinasi Tabung
Saluran Inlet
Tangki
Penampungan
Outlet Atas 2 Muka
2.279
0.040
Outlet Tengah 2 Muka
2.273
0.040
Outlet Bawah 2 Muka
2.279
0.041
Outlet Tengah 1 Muka
2.279
0.040
Outlet Bawah 1 Muka
2.279
0.040
Outlet Atas 2 Muka
2.273
0.040
Outlet Tengah 2 Muka
2.273
0.040
Outltet Bawah 2 Muka
2.273
0.040
Outlet Atas 1 Muka
2.273
0.041
Outlet Bawah 1 Muka
2.273
0.040
Outlet Atas 2 Muka
2.278
0.040
Outlet Tengah 2 Muka
2.278
0.040
Outlet Bawah 2 Muka
2.278
0.040
Outlet Atas 1 Muka
2.273
0.041
Outlet Tengah 1 Muka
2.273
0.040
Inlet Atas
Inlet Tengah
Inlet Bawah
Simulasi Kecepatan Aliran Air di Tangki Penampungan 3
Hasil simulasi di tangki penampungan 3 berupa cut plots velocity dan flow
trajection velocity. Contoh simulasi distribusi kecepatan air untuk kombinasi 2
muka ditunjukkan pada Gambar 14 dan Gambar 15, sedangkan untuk 1 muka
20
ditunjukkan pada Gambar 16 dan Gambar 17. Hasil simulasi pada tangki
penampungan 3 selengkapnya dapat dilihat pada Lampiran 8 dan Lampiran 9.
Air dengan suhu 20oC dan komoditas dihisap oleh sebuah pompa dengan
debit maksimum 0.0167 m3/s melalui lubang saluran inlet menuju lubang saluran
outlet. Air dan komoditas akan menuju tangki penampungan sebelum menuju
saluran outlet untuk menampung komoditas dan hanya air yang akan menuju
saluran outlet. Berdasarkan hasil simulasi, kecepatan aliran air tertinggi pada
saluran inlet terdapat pada kombinasi inlet tengah-outlet bawah 1 muka sebesar
2.321 m/s. Arah aliran bergerak lurus maju sepanjang saluran inlet. Kecepatan
aliran air yang melewati saluran inlet tetap konstan dan tidak mengalami
penurunan yang cukup besar. Hal itu ditandai dengan warna yang sama pada cut
plots velocity yakni warna biru muda.
Gambar 14 Cut plots velocity kombinasi posisi inlet atas-outlet atas 2 muka
tangki penampungan 3
Gambar 15 Flow trajection velocity kombinasi posisi inlet atasoutlet atas 2 muka tangki penampungan 3
21
Gambar 16 Cut plots velocity kombinasi posisi inlet bawah-outlet tengah 1 muka
tangki penampungan 3
Gambar 17 Flow trajection velocity kombinasi posisi inlet bawahoutlet tengah 1 muka tangki penampungan 3
Setelah melewati saluran inlet, air akan menuju ke tangki penampungan dan
akan terjadi penurunan kecepatan karena ukuran diameter tangki penampungan
yang lebih besar dari diameter lubang inlet. Turbulensi yang besar terjadi pada
kombinasi posisi inlet atas-outlet bawah 1 muka, inlet atas-outlet tengah 1 muka,
dan inlet bawah-outlet tengah 1 muka, sedangkan turbulensi kecil terjadi pada
kombinasi posisi inlet atas-outlet atas 2 muka, inlet atas-outlet tengah 2 muka,
inlet atas-outlet bawah 2 muka, inlet tengah-outlet atas 2 muka, inlet tengah-outlet
bawah 2 muka, inlet bawah-outlet tengah 2 muka dan inlet tengah-outlet atas 1
muka. Pada kombinasi posisi yang tersisa, tidak terjadi turbulensi melainkan
vektor bergerak langsung menuju saluran outlet yakni pada kombinasi inlet
bawah-outlet bawah 2 muka, vektor memutar menuju saluran outlet yakni pada
kombinasi posisi inlet bawah-outlet atas 1 muka, dan vektor menabrak dinding
tangki penampungan sisi belakang sebelum menuju saluran outlet yakni pada
kombinasi posisi inlet bawah-outlet atas 2 muka. Berdasarkan hasil simulasi,
22
kecepatan aliran air pada tangki penampungan yang memiliki nilai terbesar
terdapat pada kombinasi posisi inlet bawah-outlet tengah 2 muka, inlet bawahoutlet bawah 2 muka, dan inlet bawah-outlet tengah 1 muka yakni sebesar
0.042 m/s. Nilai kecepatan aliran yang terjadi di saluran inlet dan tangki
penampungan dapat dilihat pada Tabel 5.
Tabel 5 Kecepatan aliran air di tangki penampungan 3
Kecepatan (m/s)
Kombinasi Tabung
Saluran Inlet
Tangki
Penampungan
Outlet Atas 2 Muka
2.314
0.041
Outlet Tengah 2 Muka
2.314
0.040
Outlet Bawah 2 Muka
2.314
0.040
Outlet Tengah 1 Muka
2.315
0.040
Outlet Bawah 1 Muka
2.314
0.040
Outlet Atas 2 Muka
2.318
0.041
Outlet Tengah 2 Muka
2.318
0.040
Outlet Bawah 2 Muka
2.318
0.040
Outlet Atas 1 Muka
2.318
0.041
Outlet Bawah 1 Muka
2.321
0.040
Outlet Atas 2 Muka
2.318
0.041
Outlet Tengah 2 Muka
2.318
0.042
Outlet Bawah 2 Muka
2.317
0.042
Outlet Atas 1 Muka
2.318
0.041
Outlet Tengah 1 Muka
2.318
0.042
Inlet Atas
Inlet Tengah
Inlet Bawah
Bilangan Reynolds
Bilangan Reynolds berfungsi untuk menentukan jenis aliran yang terjadi di
dalam sistem. Berdasarkan bilangan Reynolds, aliran dibagi menjadi tiga jenis
yaitu aliran laminar, aliran transisi, dan aliran turbulen. Aliran laminar terjadi jika
bilangan Reynolds ≤ 2300, aliran turbulen terjadi jika bilangan Reynolds ≥ 4000,
dan aliran transisi terjadi jika bilangan Reynolds berada di tengah-tengah dari nilai
aliran laminar dan aliran turbulen. Jenis aliran yang terjadi di dalam tangki
23
penampungan 1, tangki penampungan 2, dan tangki penampungan 3 maupun
saluran inlet-nya adalah aliran turbulen. Nilai bilangan Reynolds pada setiap
tangki penampungan dapat dilihat pada Lampiran 13, Lampiran 14, dan Lampiran
15.
Kombinasi posisi yang memiliki bilangan Reynolds terkecil pada saluran
inlet tangki penampungan 1 adalah semua kombinasi posisi yang inlet-nya berada
di bawah dengan nilai bilangan Reynolds sebesar 233367.23, sedangkan semua
kombinasi posisi yang inlet-nya berada di tengah memiliki nilai bilangan
Reynolds terbesar yakni 234073.49. Nilai bilangan Reynolds terkecil yang terjadi
pada tangki penampungan 1 terdapat pada kombinasi posisi inlet atas-outlet
bawah 1 muka yakni sebesar 24103.58, sedangkan nilai bilangan Reynolds
terbesar terdapat pada kombinasi posisi inlet atas-outlet tengah 2 muka yakni
sebesar 24863.37.
Kombinasi posisi yang memiliki bilangan Reynolds terkecil pada saluran
inlet tangki penampungan 2 adalah semua kombinasi posisi yang inlet-nya berada
di tengah serta kombinasi posisi inlet atas-outlet tengah 2 muka, inlet bawahoutlet atas 1 muka dan inlet bawah-outlet tengah 1 muka dengan nilai bilangan
Reynolds sebesar 229331.48, sedangkan sisa kombinasi posisi yang inlet-nya
berada di atas memiliki nilai bilangan Reynolds terbesar yakni 229936.84. Nilai
bilangan Reynolds terkecil yang terjadi pada tangki penampungan 2 terdapat pada
kombinasi posisi inlet tengah-outlet bawah 2 muka yakni sebesar 28407.30,
sedangkan nilai bilangan Reynolds terbesar terdapat pada kombinasi posisi inlet
bawah-outlet atas 1 muka yakni seb
SISTEM PENGHISAPAN MESIN PEMANEN
IKAN DAN UDANG
AYNAL FUADI
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Pendekatan
Computational Fluid Dynamic Pada Sistem Penghisapan Mesin Pemanen Ikan
dan Udang adalah benar karya saya dengan arahan dari pembimbing dan belum
diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber
informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak
diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam
Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Februari 2014
Aynal Fuadi
NIM F14090122
ABSTRAK
AYNAL FUADI. Pendekatan Computational Fluid Dynamic Pada Sistem
Penghisapan Mesin Pemanen ikan dan udang. Dibimbing oleh SAM HERODIAN.
Kegiatan pemanenan ikan dan udang dengan cara mekanis masih
mengalami kekurangan ketika dioperasikan. Dengan menggunakan metode
tersebut, persentase kematian ikan dan udang tinggi serta banyak diantaranya
mengalami kerusakan akibat komoditi tersebut menyentuh pompa mesin secara
langsung. Sehingga dibutuhkan sistem penghisapan yang baru untuk mengatasi
masalah tersebut. Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk mencari
kombinasi posisi inlet-outlet yang sesuai dengan pendekatan CFD. Pendekatan
CFD digunakan dalam menganalisis model aliran air pada tiga bentuk tangki
penampungan dengan 15 kombinasi posisi inlet-outlet pada setiap tangki
penampungan. Kecepatan aliran tertinggi (2.321 m/s) terjadi pada kombinasi
dimana inlet di tengah, outlet di bawah, dan keduanya berada pada satu muka
dengan tangki penampungan tipe tiga. Nilai bilangan Reynolds terkecil
(24005.04) di tangki penampungan terjadi pada kombinasi dimana posisi inlet di
tengah, outlet di bawah, dan keduanya berada di sisi muka berbeda dengan tangki
penampungan tipe tiga. Penentuan kombinasi posisi inlet-outlet dipilih tidak
hanya berdasarkan kecepatan aliran dan nilai bilangan Reynolds, melainkan juga
berdasarkan turbulensi yang terjadi dan jumlah sudut tangki penampungan. Oleh
karena itu, kombinasi posisi yang dipilih ialah kombinasi posisi inlet di bawah,
outlet di bawah, dan keduanya pada sisi muka berbeda dengan tangki
penampungan tipe tiga.
Kata kunci: CFD, kombinasi posisi, aliran air, bentuk tangki penampungan
ABSTRACT
AYNAL FUADI. Computational Fluid Dynamic Approach on Suction System of
Fish-Shrimp Harvesting Machine. Supervised by SAM HERODIAN.
Shrimp harvesting using mechanical technique still has disadvantage when
operated. By using it, percentage of dead fish-shrimp is high and some of them
can be damaged because of the commodity touch the pump of machine directly.
Thus, it need a new suction system to fix the problem. The aim of this research is
to find the proper combination of inlet-outlet channel position based on CFD
approach. CFD approach was used to analyze water flow model on three kind of
reservoirs with 15 combination of inlet-outlet position on every reservoir type.
The highest velocity (2.321 m/s) of the flow came from the combination where
inlet on the middle, outlet on the bottom, and both were in the same side with
reservoir type three. The smallest Reynolds number (24005.04) came from the
combination where inlet on the middle, outlet on the bottom, and both were in the
opposite side with reservoir type three. Determination of inlet-outlet combination
not only based on flow velocity and Reynolds number but also turbulence and the
number of reservoir edge. So that, the chosen combination was inlet on the bottom,
outlet on the bottom, and both were in the opposite side with reservoir type three.
Key words : CFD, position combination, water flow, shape of reservoir
PENDEKATAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC PADA
SISTEM PENGHISAPAN MESIN PEMANEN
IKAN DAN UDANG
AYNAL FUADI
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknologi Pertanian
pada
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014
Judul Skripsi : Pendekatan Computational Fluid Dynamic Pada Sistem
Penghisapan Mesin Pemanen Ikan dan Udang
Nama
: Aynal Fuadi
NIM
: F14090122
Disetujui oleh
Dr. Ir. Sam Herodian, MS
Pembimbing Akademik
Diketahui oleh
Dr. Ir. Desrial, M.Eng
Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji syukur Alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena
atas rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul
“Pendekatan computational fluid dynamic pada sistem penghisapan mesin
pemanen ikan dan udang”.
Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada Dr. Ir. Sam Herodian, MS
selaku dosen Pembimbing Akademik yang senantiasa memberikan bimbingan dan
arahan kepada penulis. Terima kasih penulis ucapkan kepada Ir. Mad Yamin, MT
dan Dr. Edy Hartulistiyoso selaku dosen penguji. Ucapan terima kasih juga
disampaikan kepada ayah, ibu, kakak, serta adik atas segala doa, dukungan, dan
kasih sayang. Terima kasih kepada Dini Anriany atas segala waktu, doa,
dukungan, dan kesabaran yang telah diberikan kepada penulis. Terima kasih juga
penulis ucapkan kepada satu teman bimbingan (Bani, Iqbal, Heru, dan Stevy),
teman-teman yang telah membantu selama penelitian (Naufal, Endah, Amajida,
Ina, Sandy, sujarwedi dan lain-lain), para teknisi Departemen TMB, serta segenap
teman-teman TEP Orion 46 atas semangat dan dukungan yang telah diberikan.
Penulis berharap semoga tulisan ini bermanfaat dan memberikan kontribusi
yang nyata terhadap perkembangan ilmu pengetahuan di bidang teknologi
pertanian.
Bogor, Februari 2014
Aynal Fuadi
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR TABEL
vii
DAFTAR LAMPIRAN
viii
PENDAHULUAN
Latar Belakang
1
Tujuan Penelitian
2
Ruang Lingkup Penelitian
2
TINJAUAN PUSTAKA
Aliran Fluida
2
Metode Komputasi Dinamika Fluida
3
Penelitian yang Pernah Dilakukan
3
METODOLOGI PENELITIAN
Waktu dan Tempat Penelitian
6
Bahan dan Alat
6
Prosedur Penelitian
7
HASIL DAN PEMBAHASAN
Cara Kerja Sistem Penghisap
12
Simulasi Kecepatan Air
13
Bilangan Reynolds
22
Pemilihan Desain
23
SIMPULAN DAN SARAN
27
DAFTAR PUSTAKA
27
LAMPIRAN
28
RIWAYAT HIDUP
70
DAFTAR TABEL
1
Kombinasi posisi 2 muka
10
2 Kombinasi posisi 1 muka
3 Kecepatan aliran air di tangki penampungan 1
4 Kecepatan aliran air di tangki penampungan 2
5 Kecepatan aliran air di tangki penampungan 3
10
16
19
22
DAFTAR GAMBAR
1 Bentuk tangki penampungan 1
2 Bentuk tangki penampungan 2
3 Bentuk tangki penampungan 3
4 Skema tahapan simulasi menggunakan CFD
5 Skema mekanisme sistem penghisapan secara keseluruhan
6 Cut plots velocity kombinasi posisi inlet atas-outlet atas 2 muka
tangki penampungan 1
7 Flow trajection velocity kombinasi posisi inlet atas-outlet atas 2
muka tangki penampungan 1
8 Cut plots velocity kombinasi posisi inlet tengah-outlet bawah 1 muka
tangki penampungan 1
9 Flow trajection velocity kombinasi posisi inlet tengah-outlet bawah 1
muka tangki penampungan 1
10 Cut plots velocity kombinasi posisi inlet atas-outlet bawah 2 muka
tangki penampungan 2
11 Flow trajection velocity kombinasi posisi inlet atas-outlet bawah 2
muka tangki penampungan 2
12 Cut plots velocity kombinasi posisi inlet tengah-outlet atas 1 muka
tangki penampungan 2
13 Flow trajection velocity kombinasi posisi inlet tengah-outlet atas 1
muka tangki penampungan 2
14 Cut plots velocity kombinasi posisi inlet atas-outlet atas 2 muka
tangki penampungan 3
15 Flow trajection velocity kombinasi posisi inlet atas-outlet atas 2
muka tangki penampungan 3
16 Cut plots velocity kombinasi posisi inlet bawah-outlet tengah 1 muka
tangki penampungan 3
17 Flow trajection velocity kombinasi posisi inlet bawah-outlet tengah 1
muka tangki penampungan 3
18 Grafik perbandingan kecepatan aliran di saluran inlet
19 Grafik perbandingan bilangan Reynolds di dalam tangki
penampungan
8
9
9
11
13
14
14
15
15
17
17
18
18
20
20
21
21
25
26
DAFTAR LAMPIRAN
1 Spesifikasi pompa air
2 Contoh perhitungan kapasitas pemanenan
3 Perhitungan kebutuhan daya penggerak pompa air sentrifugal dan
efisiensi pompa (Hafizh 2013)
4 Hasil simulasi CFD di tangki penampungan 1
5 Data kecepatan aliran hasil simulasi di tangki penampungan 1
6 Hasil simulasi CFD di tangki penampungan 2
7 Data kecepatan aliran hasil simulasi di tangki penampungan 2
8 Hasil simulasi CFD di tangki penampungan 3
9 Data kecepatan aliran hasil simulasi di tangki penampungan 3
10 Kecepatan aliran di dalam tangki penampungan 1 pada setiap kombinasi
11 Kecepatan aliran di dalam tangki penampungan 2 pada setiap kombinasi
12 Kecepatan aliran di dalam tangki penampungan 3 pada setiap kombinasi
13 Bilangan Reynolds di dalam tangki penampungan 1 pada setiap kombinasi
14 Bilangan Reynolds di dalam tangki penampungan 2 pada setiap kombinasi
15 Bilangan Reynolds di dalam tangki penampungan 3 pada setiap kombinasi
16 Gambar teknik mesin pemanen ikan dan udang
28
29
30
31
39
40
48
49
57
58
59
60
61
62
63
64
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Indonesia merupakan negara kepulauan yang memiliki banyak laut serta
sungai, sehingga komoditi dari sektor perikanan sangat vital bagi penduduk
Indonesia. Produk yang dihasilkan dari sektor perikanan merupakan sumber
protein hewani yang memiliki kandungan gizi tinggi sehingga sangat baik untuk
dikonsumsi oleh masyarakat, termasuk produk udang dan ikan. Udang dan ikan
merupakan komoditas sektor perikanan yang memiliki posisi penting bagi
perekonomian di Indonesia dengan pemasaran di dalam maupun di luar negeri.
Sehingga keseluruhan proses produksi menjadi hal yang sangat diperhatikan agar
diperoleh produk yang berkualitas tinggi, salah satu proses yang terpenting adalah
dalam proses pemanenan itu sendiri.
Sejauh ini mekanisme pemanenan udang dan ikan masih menggunakan cara
tradisional. Cara yang paling modern untuk memanen udang dan ikan adalah
dengan menggunakan jaring (trawl) yang di bagian mulutnya dialiri arus listrik
dan ditarik oleh tiga sampai empat orang dengan mengelilingi tambak. Hal ini
selain dapat mengakibatkan udang dan ikan stress yang pada akhirnya berdampak
pada kematian, juga beresiko bagi pemanen yang harus masuk ke dalam tambak
(Mujiman dan Suyanto 2004).
Kendala yang dihadapi dalam pemanenan hasil perikanan adalah banyaknya
sumber daya manusia yang dibutuhkan, sedangkan ketersediaannya sangat rendah.
Hal ini akan mengakibatkan biaya produksi bertambah. Selain itu, kendala lain
yang dihadapi adalah hasil panen yang masih banyak mengalami kecacatan dan
tingkat mortalitas yang tinggi. Meskipun sudah menerapkan pemanenan mekanis
namun kendala ini masih belum teratasi sepenuhnya.
Pada penelitian sebelumnya (Maulaya 2012) telah dibuat mesin pemanen
ikan dan udang tipe vakum. Mesin pemanen ikan dan udang tipe vakum ini
merupakan solusi untuk menjawab berbagai kendala pemanenan yang terjadi
karena komoditas panen tidak langsung bersentuhan secara fisik dengan pompa
yang digunakan. Mesin ini merupakan tindak lanjut dari penelitian sebelumnya
(Gumilang 2011) mengenai mekanisme sistem penghisap baru yang dihasilkan
untuk mesin pemanen ikan dan udang. Mesin ini diharapkan dapat membantu
proses pemanenan ikan dan udang di tambak, yakni dengan menghasilkan
kapasitas pemanenan yang tinggi dan penggunaan tenaga kerja yang relatif sedikit
sehingga dapat menurunkan biaya produksi. Penelitian yang dilakukan oleh
Gumilang hanya menggunakan satu bentuk tangki dengan ukuran yang tidak sama
seperti ukuran tangki yang dibuat oleh Maulaya. Diperlukan sebuah teknik untuk
membuat sistem penghisapan yang baru dengan opsi bentuk tangki penampungan
lebih dari satu tanpa mengeluarkan biaya yang cukup banyak. Salah satunya
dengan melakukan simulasi CFD (Computational Fluid Dynamic).
CFD dapat menduga nilai dan pola aliran fluida pada mesin pemanen ikan
dan udang. Simulasi yang dilakukan berupa pola aliran fluida yang terjadi pada
tabung serta selang penghisap dan pengeluaran. Teknik ini merupakan suatu
metode perhitungan memprediksi dan pendekatan aliran fluida secara numerik
dengan bantuan komputer.
2
Aliran fluida dalam kehidupan nyata memiliki banyak sekali jenis dan
karakteristik tertentu yang begitu kompleks. CFD melakukan pendekatan dengan
metode numerasi serta menggunakan persamaan-persamaan fluida. Dari simulasi
yang dilakukan maka akan didapatkan sistem penghisapan, ukuran, dan bentuk
desain yang baru untuk mengetahui kecepatan aliran hisap yang dihasilkan.
Sehingga terciptalah prototipe mesin yang sesuai dengan aliran fluida yang telah
dimodelkan dengan CFD.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk melakukan simulasi aliran fluida pada
sistem penghisap mesin pemanen ikan dan udang dengan menggunakan CFD serta
pembuatan gambar teknik mesin pemanen ikan dan udang sesuai dengan hasil
simulasi CFD.
Ruang Lingkup Penelitian
Ruang lingkup dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan sistem
penghisap yang memiliki kecepatan aliran air yang sesuai sesuai dengan
kecepatan renang ikan dan udang dari tiga bentuk tabung serta 15 kombinasi
posisi saluran inlet-outlet yang disimulasikan.
TINJAUAN PUSTAKA
Aliran Fluida
Menurut Ranald (dalam Erizal 2007), fluida adalah zat-zat yang mampu
mengalir dan menyesuaikan diri dengan bentuk wadah dan tempatnya. Aliran dari
suatu fluida nyata lebih rumit daripada aliran suatu fluida ideal. Aliran fluida
dapat dibagi menjadi tiga, yakni aliran laminar, aliran transisi dan aliran turbulen.
Ketiga jenis aliran tersebut diatur oleh hukum-hukum yang berbeda.
Aliran laminar memiliki partikel-partikel fluida yang bergerak di
sepanjang lintasan-lintasan lurus, sejajar dalam lapisan-lapisan. Dalam aliran
laminar ini, viskositas berfungsi untuk meredam kecendrungan terjadinya gerakan
relatif antara lapisan.
Aliran turbulen memiliki partikel-partikel yang bergerak secara
serampangan ke semua arah. Dalam keadaan aliran turbulen, maka turbulensi
yang terjadi membangkitkan tegangan geser yang merata diseluruh fluida
sehingga menghasilkan kerugian-kerugian aliran.
Aliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran
turbulen. Bilangan Reynolds merupakan bilangan tak berdimensi yang dapat
membedakan suatu aliran itu dinamakan laminar, transisi atau turbulen.
3
………...………………………………………………...(1)
dimana:
V = Kecepatan (rata-rata) fluida yang mengalir (m/s)
D = Diameter dalam pipa (m)
ρ = Massa jenis fluida (kg/m3)
µ = Viskositas dinamik fluida (kg/ms) atau (Ns/ m2)
Dilihat dari kecepatan aliran, dikategorikan laminar bila aliran tersebut
mempunyai bilangan Re kurang dari 2300, untuk aliran transisi berada pada pada
bilangan Re 2300 dan 4000 biasa juga disebut sebagai bilangan Reynolds kritis,
sedangkan aliran turbulen mempunyai bilangan Re lebih dari 4000.
Metode Komputasi Dinamika Fluida
CFD merupakan pemanfaatan program komputer untuk membuat suatu
prediksi apa yang terjadi secara kuantitatif pada saat fluida mengalir. Dengan
menggunakan CFD, prediksi aliran fluida pada berbagai sistem dapat dilakukan
dengan biaya yang relatif murah dan waktu yang singkat dibanding dengan
metode eksperimen (Tuakia 2008).
Secara umum, proses dalam CFD dibagi dalam tiga tahapan yaitu
prapemrosesan (pre-processing), pencarian solusi (solving), dan pascapemrosesan
(post-processing) (Tuakia 2008).
Prapemrosesan, merupakan langkah pertama dalam membangun dan
menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat model paket
CAD (Computer Aided Design), membuat mesh yang sesuai, kemudian
menerapkan kondisi batas dan sifat-sifat fluidanya.
Pencarian solusi, mengitung kondisi-kondisi yang diterapkan pada saat
prapemrosesan.
Pascapemrosesan, langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan
pada langkah ini adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data hasil
simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva, dan animasi.
Penelitian yang Pernah Dilakukan
Perancangan Mekanisme Sistem Penghisap Pada Mesin Pemanen Udang
dan Ikan (Gumilang 2011)
Penelitian ini dilakukan pengujian fungsional sebanyak dua kali terhadap
sistem model yang dibuat untuk mendapatkan data. Pengujian dilakukan
dengan perlakuan 15 kombinasi. Pengujian pertama bertujuan untuk
memperoleh data mengenai debit, kecepatan aliran, tekanan, dan jenis aliran
pada sistem penghisap. Pengujian selanjutnya bertujuan untuk mengetahui
kinerja fungsional sistem penghisap.
Berdasarkan data yang diperoleh diketahui bahwa debit yang terjadi
relatif stabil, yaitu berkisar antara 0.57 l/s – 0.58 l/s. Nilai kecepatan yang
4
diperoleh pada penampang hidrolik pertama dengan ukuran penampang
hidrolik yang kecil berkisar antara 2.02 m/s – 2.04 m/s, sedangkan untuk nilai
kecepatan pada penampang hidrolik yang besar berkisar antara 0.01 m/s – 0.02
m/s. Tekanan yang terjadi pada penampang hidrolik yang berukuran kecil
sebesar 2.943 x 104 kPa, sedangkan tekanan yang terjadi pada penampang
hidrolik yang berukuran besar bernilai 1.461 x 102 kPa. Jenis aliran yang
terjadi pada penampang hidrolik dengan ukuran kecil adalah jenis aliran
turbulen karena nilai bilangan Reynolds yang diperoleh lebih besar dari 2300,
yaitu berkisar antara 44720 – 45263, sedangkan jenis aliran yang terjadi pada
penampang hidrolik dengan ukuran besar adalah jenis aliran laminar karena
nilai bilangan Reynolds yang diperoleh lebih kecil dari 2300, yaitu berkisar
antara 2236 – 2263.
Kombinasi paling optimum untuk penempatan posisi pipa pemasukan
dan pipa pengeluaran adalah pada kombinasi atas (pipa pemasukan) – atas
(pipa pengeluaran), hal tersebut bukan hanya dipengaruhi oleh faktor dari
fluida saja melainkan dengan mempertimbangkan tingkah laku komoditas pada
saat dipanen yang cenderung berkumpul di bagian bawah saringan yang
terdapat pada fish trap. Pengujian yang dilakukan berupa pengujian pemanenan
komoditas dan dilihat tingkat kelulusan hidupnya. Berdasarkan data yang
diperoleh dari 15 kali ulangan diketahui bahwa tingkat kelulusan hidupnya
besar yaitu 98.9%. Hal ini menunjukkan bahwa mekanisme sistem penghisap
berfungsi baik sesuai dengan yang diharapkan.
Rancang Bangun Prototipe Mesin Pemanen Udang Tipe Vakum (Maulaya
2013)
Pada penelitian ini, dilakukan pembuatan prototipe dari mekanisme yang
telah dirancang pada penelitian sebelumnya (Gumilang 2011). Pembuatan
prototipe ini bertujuan untuk melakukan pengujian apakah rancangan mesin
yang dibuat untuk pemanenan ikan dan udang dapat berjalan sesuai yang
diharapkan atau tidak. Sistem yang dirancang pada mesin ini yaitu komoditas
tidak masuk melewati pompa (impeller) sehingga ikan dan udang tidak akan
rusak atau mati. Mesin yang dirancang memiliki dua tangki penampungan yang
berfungsi untuk menampung sementara hasil pemanenan yang telah terhisap
dan beberapa saluran distribusi utama seperti saluran inlet yang berfungsi
mendistribusikan air dan komoditas ke tangki penampungan, saluran outlet
yang berfungsi mendistribukan air dari tangki penampungan keluar sistem
melalui pompa air, saluran perpindahan yang berfungsi untuk menyalurkan air
dari tangki satu ke tangki lainnya selama proses pemanenan, serta saluran
buang yang berfungsi untuk membuang air keluar sistem (tambak). Dalam
pengoperasian mesin ini, digunakan dua pompa yaitu pompa air dan pompa
vakum. Pompa air yang digunakan memiliki power sebesar 3.1 kW dengan
kecepatan putar 3600 rpm dan berfungsi untuk menghisap komoditas yang
berada di dalam kolam sedangkan pompa vakum berfungsi untuk
mempertahankan keadaan vakum dalam sistem dengan cara menghisap udara
yang masuk ke dalam sistem dan membuangnya ke lingkungan.
Berdasarkan data yang diperoleh diketahui bahwa terjadi penurunan
debit aliran yang cukup drastis saat mesin dioperasikan. Penurunan ini
diakibatkan oleh kebocoran yang terjadi pada beberapa bagian, seperti lubang
5
intake, sambungan antara selang dengan pipa, sambungan perpipaan dan keran
(valve), sambungan las pada tangki, sehingga kondisi sistem pada mesin ini
tidak 100% dalam kondisi vakum. Debit tertinggi yang diperoleh pada tangki
pertama sebesar 3.11 l/s dengan kecepatan hisap sebesar 0.38 m/s. Sedangkan
pada tangki kedua, debit aliran tertinggi yang diperoleh sebesar 4.02 l/s dengan
kecepatan hisap sebesar 0.50 m/s. Ikan yang terhisap oleh mesin hanya pada
awal pengoperasian saja yang debitnya masih cukup besar. Setelah dilakukan
instalasi pompa vakum pada tangki kedua, debit tertinggi dapat mencapai 5.27
l/s dengan kecepatan hisap sebesar 0.65 m/s dan debit terendahnya yaitu 4.75
l/s dengan kecepatan hisap sebesar 0.59 m/s. Untuk debit rata-rata sebesar 4.97
l/s dengan kecepatan hisap rata-rata 0.61 m/s.
Nilai tekanan yang diperoleh dari kedua penampang yaitu dari
penampang hidrolik dengan ukuran diameter 4 inci menjadi penampang
hidrolik dengan ukuran 60 cm adalah sebesar 78.40 kPa dan 15.92 kPa.
Sebelum instalasi pompa vakum, jenis aliran yang terjadi ada tiga jenis, yaitu
aliran turbulen, aliran transisi, dan aliran laminar. Aliran jenis turbulen terjadi
pada penampang hidrolik kecil selama operasi, yaitu pada selang dengan
diameter 4 inci. Setelah instalasi pompa vakum, jenis aliran yang terjadi adalah
aliran turbulen. Jenis aliran ini terjadi selama pengoperasian mesin, baik pada
saluran inlet maupun tangki penampungan. Pada saluran inlet, nilai bilangan
Reynolds yang terjadi berkisar antara 54842.31 sampai 85554.01. Sedangkan
pada tangki, nilai bilangan Reynolds yang terjadi berkisar antara 7293.68
sampai 11378.15.
Modifikasi dan Uji Fungsional Mesin Pemanen Udang Tipe Vakum
(Hafizh 2013)
Penelitian ini melakukan modifikasi pada mesin sebelumnya yang telah
dibuat oleh Maulaya (2013). Modifikasi yang dilakukan ialah pada saluran inlet
dan pompa air. Saluran inlet dibuat menjadi lebih kecil dengan diameter 2.5
inci setelah sebelumnya berdiameter 4 inci. Tujuan dari memperkecil diameter
saluran inlet adalah untuk meningkatkan kecepatan hisap sehingga komoditas
dapat terhisap ke dalam tangki penampungan. Pemilihan saluran inlet 2.5 inci
berdasarkan pada dimensi dari udang yang bisa masuk atau terhisap oleh
saluran inlet yaitu dengan panjang 6 – 8 cm dan tinggi 5 – 6 cm. Pompa air
yang digunakan pada penelitian ini memiliki power yang lebih besar dari
penelitian sebelumnya. Pompa air yang dipergunakan memiliki power sebesar
4.1 kW dengan kecepatan putar 3600 rpm. Power pompa yang besar akan
menghasilkan debit yang besar pula, sehingga dengan memperbesar power
pompa dan ditunjang saluran inlet yang diperkecil maka akan diperoleh
kecepatan hisap yang tinggi. Pemilihan pompa ini disesuaikan dengan target
waktu pemanenan selama 1.8 jam.
Pengambilan data dilakukan pada kedua tangki, yaitu tangki pertama
dengan mulut hisap dan saluran inlet 4 inci tanpa menggunakan instalasi
pompa vakum dan tangki kedua dengan mulut hisap 4 inci dan saluran inlet 2.5
inci dengan menggunakan instalasi pompa vakum. Beradasarkan hasil
pengukuran, debit tertinggi pada tangki pertama sebesar 2.06 l/s dengan
kecepatan hisap sebesar 0.25 m/s, sedangkan debit tertinggi pada tangki kedua
sebesar 1.77 l/s dengan kecepatan hisap sebesar 0.56 m/s. Debit rata-rata pada
6
tangki pertama sebesar 1.84 l/s dengan kecepatan hisap rata-rata 0.23 m/s,
sedangkan debit rata-rata pada tangki kedua sebesar 1.63 l/s dan 0.52 m/s.
Debit rata-rata pada tangki pertama memiliki nilai yang sama pada penelitian
sebelumnya, namun debit rata-rata pada tangki penampungan kedua memiliki
nilai yang lebih kecil dari penelitian sebelumnya. Hal ini terjadi karena adanya
kebocoran yang lebih banyak dibandingkan sebelumnya yakni kebocoran pada
saat mengganti saluran inlet dan kebocoran pada intake pompa.
Nilai tekanan pada penampang hidrolik kecil di tangki pertama sebesar
78.40 kPa sedangkan pada penampang hidrolik besar (tangki) sebesar 15.89
kPa. Pada tangki 2, nilai tekanan pada penampang hidrolik yang berukuran
kecil sebesar 78.40 kPa sedangkan tekanan pada penampang hidrolik besar
sebesar 6.20 kPa. Jenis aliran yang terjadi pada tangki pertama adalah aliran
turbulen dan aliran transisi. Aliran turbulen terjadi pada penampang hidrolik
kecil (saluran inlet) sedangkan pada penampang hidrolik besar (tangki) terjadi
aliran turbulen dan aliran transisi. Nilai bilangan Reynolds pada penampang
kecil berkisar 17010.66 – 43286.04. Sedangkan bilangan Reynolds pada
penampang besar berkisar 2263.23 – 5759.11. Pada tangki kedua, jenis aliran
yang terjadi adalah aliran turbulen dan transisi. Aliran turbulen terjadi pada
penampang hidrolik kecil (saluran inlet) yang berdiameter 2.5 inci sedangkan
pada penampang hidrolik besar (tangki) terjadi aliran transisi. Nilai bilangan
Reynolds pada penampang kecil berkisar 32683.39 – 44622.39. Sedangkan
bilangan Reynolds pada penampang besar berkisar 2717.78 – 3710.56.
METODE PENELITIAN
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Engineering Design Studio (EDS),
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut
Pertanian Bogor untuk proses perancangan konsep desain pada bulan Juni 2013
hingga Juli 2013. Sedangkan untuk simulasi aliran fluida dengan CFD dilakukan
di Laboratorium Lingkungan Bangunan Pertanian, Gedung Fakultas Teknologi
Pertanian, Institut Pertanian Bogor pada bulan Agustus 2013 hingga Oktober 2013.
Bahan dan Alat
Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian adalah seperangkat
komputer dan software gambar yang mendukung. Software gambar dan simulasi
yang digunakan adalah SolidWorks 2011 karena software tersebut sudah terdapat
feature untuk melakukan simulasi aliran fluida yakni feature Flow Simulation.
Penggunaan SolidWorks untuk simulasi dikarenakan software tersebut dapat
dengan mudah menghitung kekuatan fluida dan memahami dampak dari aliran
fluida tersebut untuk pencapaian kinerja produk. Peralatan lain yang digunakan
adalah alat tulis, mesin hitung, software Microsoft Excel 2010, software Microsoft
Word 2010, dan mesin cetak (printer).
7
Prosedur Penelitian
Identifikasi Masalah
Perkembangan budidaya udang dan ikan yang cukup pesat harus diiringi
dengan penggunaan teknologi yang dapat mendukung proses pengolahan
komoditi tersebut. Sejauh ini, teknologi dalam proses pemanenan udang dan ikan
belum mendapatkan perhatian khusus dan masih mempergunakan alat dan cara
tradisional. Penggunaan alat dan cara tradisional ini mengakibatkan udang dan
ikan mengalami stress serta pemanenan yang kurang efektif dan efisien. Untuk
meningkatkan efektivitas dan efisiensi dalam proses pemanenan, salah satu cara
yang dapat dilakukan adalah dengan mempergunakan sistem pemanenan secara
mekanis. Menilik hal tersebut maka perlu dirancang sebuah mekanisme sistem
penghisapan yang baru untuk dipergunakan dalam mesin pemanen ikan dan udang.
Selain itu dibutuhkan pula sebuah teknik yang dapat memodelkan aliran fluida
pada sistem penghisap mesin pemanen ikan dan udang tanpa mengeluarkan biaya
yang cukup banyak. Salah satunya adalah dengan menggunakan teknik CFD,
yaitu sebuah teknik yang dapat memodelkan aliran fluida tersebut dan hanya
membutuhkan seperangkat Personal Computer (PC).
Pengembangan dan Perumusan Ide Desain
Melakukan analisis dari permasalahan yang ada dan pengumpulan ide-ide
pemecahan masalah dengan mempertimbangkan berbagai aspek yang terkait.
Dalam tahapan ini mekanisme, bentuk, dan posisi dari berbagai komponen
direncanakan dengan batasan permasalahan yang akan dipecahakan. Untuk
memudahkan simulasi, gambar yang akan dirancang hanya tangki penampungan
dan saluran inlet. Hal ini dikarenakan hanya bagian itu saja yang dilewati oleh air.
Sedangkan gambar yang lain seperti kerangka mesin dan roda dapat diabaikan
karena tidak mempengaruhi laju air yang mengalir di dalam mesin pemanen ikan
dan udang.
Pembuatan Konsep Gambar
Dalam proses ini ide desain yang telah dikembangkan akan dikonsepkan
dalam beberapa gambar yang mempunyai beberapa parameter yang berbeda.
Bentuk tangki penampungan ikan atau udang
Bentuk tangki penampungan yang dibuat memiliki tiga bentuk dengan
volume ± 200 liter. Hal ini sesuai dengan perhitungan yang telah dilakukan
sebelumnya (Maulaya 2012). Perhitungan volume tangki berdasarkan
kapasitas pemanenan dalam 1 batch:
Massa udang yang diinginkan
: 45 kg
Asumsi massa jenis udang
: 0.74 kg/liter (Hamdani 2005)
Perbandingan volume udang dan air optimum : 1:2 (Karim 2006)
Maka untuk melakukan operasi 1 batch pemanenan, volume tangki yang
didesain adalah:
�=
.
�
=
�/
.
8
Tangki penampungan 1 adalah gabungan dari silinder yang mempunyai
diameter 0.6 meter dan tinggi 0.6 meter serta kerucut yang mempunyai
diameter 0.6 meter dan tinggi 0.26 meter. Di bagian paling bawah kerucut
terdapat lubang distribusi hasil pemanenan sebesar 0.1 meter. Selain itu
terdapat pula lubang untuk saluran inlet sebesar 0.1 meter dan lubang
outlet sebesar 0.05 meter. Bentuk Tangki dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1 Bentuk tangki penampungan 1
Tangki penampungan 2 berbentuk bola yang mempunyai diameter 0.72
meter. Di bagian paling bawah bola terdapat lubang distribusi hasil
pemanenan sebesar 0.1 meter. Selain itu terdapat pula lubang untuk
saluran inlet sebesar 0.1 meter dan lubang outlet sebesar 0.05 meter.
Bentuk Tangki dapat dilihat pada Gambar 2.
Tangki penampungan 3 adalah gabungan dari silinder yang mempunyai
diameter 0.6 meter dan tinggi 0.6 meter serta setengah bola yang
mempunyai diameter 0.6 meter dan tinggi 0.26 meter. Di bagian paling
bawah setengah bola terdapat lubang distribusi hasil pemanenan sebesar
0.1 meter. Selain itu terdapat pula lubang untuk saluran inlet sebesar 0.1
meter dan lubang outlet sebesar 0.05 meter. Bentuk Tangki dapat dilihat
pada Gambar 3.
9
Gambar 2 Bentuk tangki penampungan 2
Gambar 3 Bentuk tangki penampungan 3
Ketinggian tangki penampungan ikan atau udang
Ketinggian tangki penampungan 1 dan tangki penampungan 3 adalah
1.01 meter, sedangkan tinggi tangki penampungan 2 adalah 1.12 meter. Tinggi
tangki penampungan 2 berbeda dari tangki penampungan 1 dan 3 dikarenakan
dimensi tinggi tangki tersebut yang berbeda.
Kombinasi posisi saluran inlet dan saluran outlet di tangki penampungan
Kombinasi posisi saluran inlet dan saluran outlet dibuat menjadi 15
kombinasi di setiap tangki penampungan. Penentuan kombinasi ini
ditunjukkan untuk mengetahui kecepatan aliran, bilangan Reynolds, serta jenis
aliran yang terjadi untuk dijadikan acuan dasar sebagai penentuan kombinasi
10
posisi yang paling sesuai nantinya. Penentuan kombinasi ini disajikan pada
Tabel 1 dan Tabel 2.
Tabel 1 Kombinasi posisi 2 muka
No
Posisi Inlet
Posisi Outlet
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Atas
Atas
Atas
Tengah
Tengah
Tengah
Bawah
Bawah
Bawah
Atas
Tengah
Bawah
Atas
Tengah
Bawah
Atas
Tengah
Bawah
Tabel 2 Kombinasi posisi 1 muka
No
Posisi Inlet
Posisi Outlet
1
2
3
4
5
6
Atas
Atas
Tengah
Tengah
Bawah
Bawah
Tengah
Bawah
Atas
Bawah
Atas
Tengah
Simulasi CFD
Simulasi dengan CFD dilakukan dengan membuat model terlebih dahulu
serta menggunakan beberapa asumsi yakni sebagai berikut:
Model yang akan didesain untuk simulasi hanyalah saluran inlet dan
tangki penampungan karena komoditas yang akan dipanen hanya
melewati dua bagian tersebut.
Gravitasi berpengaruh terhadap kecepatan aliran karena perbedaan
ketinggian dari muka saluran inlet dengan tangki penampungan.
Sistem di dalam tabung diasumsikan vakum dan tidak ada kebocoran
yang terjadi di dalam sistem.
Suhu air diasumsikan sebesar 20 oC dan tekanan sebesar 1 atm.
Debit air yang digunakan sebagai parameter yang akan dimasukkan
sebesar 0.0167 m3/s. Debit ini diambil dari sebuah pompa yang memiliki
tenaga 5.5 HP dan daya hisap 8 m. Spesifikasi pompa dapat dilihat di
lampiran 1.
11
Langkah-langkah proses simulasi aliran fluida di mesin pemanen ikan dan
udang menggunakan CFD terdapat pada feature Flow Simulation yang ada di
SolidWorks dapat dilihat pada Gambar 4.
Mulai
Pembuatan geometri
Pengecekan geometri
Geometri baik?
Tidak
Ya
Pengecekan
Penentuan general setting
Penentuan computational
domain, boundary condition,
dan goal
Proses numerik (solver)
Iterasi error?
Ya
Tidak
Analisis kecepatan aliran air
Pemilihan dan
penyempurnaan desain
Selesai
Gambar 4 Skema tahapan simulasi menggunakan CFD
Langkah pertama adalah pembuatan dan pengecekan geometri. Geometri
yang dibuat ialah saluran inlet posisi atas, tengah, dan bawah serta tiga bentuk
tangki penampungan. Saluran inlet dibuat menjadi tiga bentuk sesuai dengan
posisi lubang inlet yang ada di tangki penampungan yakni atas, tengah, dan bawah.
12
Posisi lubang inlet dan outlet di setiap tangki penampungan diatur agar memiliki
jarak yang sama antar letak posisinya.
Selanjutnya adalah penentuan general setting. Pada bagian ini diatur
konfigurasi model dengan parameter lingkungan yang sesuai dengan data
penelitian maupun asumsi-asumsi yang telah dibuat. Pada unit system, diatur
satuan-satuan yang akan ditampilkan pada output simulasi. Analisis aliran pada
model dipilih internal karena akan melihat bagaimana aliran air di dalam geometri,
dalam hal ini adalah saluran inlet dan tangki penampungan. Aliran di dalam
sistem akan dipengaruhi oleh gravitasi karena ada perbedaan ketinggian yang
terjadi antara bagian muka saluran inlet dengan tangki penampungan. Sehingga
pengaruh gravitasi dapat dimasukkan dalam pengaturan analysis type dan di
setting secara default
Fluida yang akan dianalisis adalah air, sehingga diatur pada tampilan default
fluid. Kondisi dinding model pada wall conditions diatur secara default dan tidak
perlu mengubahnya. Sebagai kondisi awal dan kondisi batas, dimasukkan nilai
parameter tekanan air dan suhu normal air pada setiap kondisi di tampilan initial
conditions. Setelah itu hasil dan resolusi geometri model akan ditampilkan pada
result and geometry resolution dan tidak perlu ada yang dirubah.
Tahapan selanjutnya ialah penentuan computational domain, boundary
conditions, dan goals. Domain dibuat untuk daerah batasan luar dari model yang
akan dianalisis. Panjang dan lebar domain pada model tidak terlalu mempengaruhi
karena domain berada di luar model. Oleh karena itu ukuran domain dibuat secara
default. Selain itu sebelum dimasukkan nilai-nilai kondisi batas, model
ditampilkan secara section view dan dipilih front plane. Section view berguna
untuk memotong secara simetris suatu gambar. Hal ini dikarenakan agar terlihat
aliran air yang mengalir di dalam model. Pemotongan ini tidak akan
mempengaruhi hasil analisis dikarenakan model dipotong secara simetris.
Kegiatan terakhir yang dilakukan dalam kegiatan solving ialah running. Running
dapat berjalan ketika langkah-langkah diatas terpenuhi. Sehingga akan diketahui
letak kesalahan dalam penentuan langkah-langkah sebelumnya dengan tidak
berjalannya proses running.
Tahapan terakhir adalah post-processor. Tahap ini merupakan tampilan
yang akan disajikan program CFD setelah proses running selesai. Tampilan ini
dapat berupa gambar kontur, vektor, arah aliran, animasi, hasil angka dari
perhitungan program, mesh, dan lain-lain. Tampilan tersebut merupakan hasil
akhir (goals) dari yang sudah ditentukan sebelumnya.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Cara Kerja Sistem Penghisap
Contoh skema dari mekanisme kerja sistem penghisap yang akan
disimulasikan disajikan pada Gambar 5.
13
Aliran air dan komoditas
Aliran air
Gambar 5 Skema mekanisme sistem penghisapan secara keseluruhan
dimana:
1. Kolam penampungan
2. Saluran inlet
3. Tangki penampungan
4. Saluran outlet
5. Pompa air
6. Saluran buang
Mekanisme kerja dari sistem penghisap ini adalah air dan komoditas yang
akan dipanen, dihisap dengan menggunakan tenaga yang berasal dari arus listrik
pompa. Sebelum berlangsungnya proses pemanenan, terlebih dahulu saluran inlet,
tangki penampungan, dan saluran outlet diisi oleh air agar pompa dapat
menghisap air dan komoditas di dalam kolam penampungan (1). Air dan
komoditas yang terhisap akan masuk ke dalam saluran inlet (2). Setelah melewati
saluran inlet, air dan komoditas yang telah terhisap akan masuk ke dalam tangki
penampungan (3) yang lubang outlet tangki tersebut dipasangi jaring-jaring kawat.
Komoditas yang telah terhisap tidak dapat masuk ke dalam lubang outlet tangki
penampungan karena ada jaring-jaring kawat di lubang outlet tersebut, sehingga
hanya air yang akan terhisap ke dalam saluran outlet (4) dan akan menuju pompa
air (5). Air yang telah melewati pompa akan dikeluarkan melalui saluran buang
(6). Setelah tangki penampungan penuh oleh komoditas yang dipanen, pompa
dimatikan dan komoditas dikeluarkan melalui lubang pengeluaran yang berada di
bawah tangki penampungan. Setelah komoditas dikeluarkan, mekanisme
pemanenan akan berjalan seperti sebelumnya.
Simulasi Kecepatan Air
Simulasi Kecepatan Aliran Air di Tangki Penampungan 1
Hasil simulasi di tangki penampungan 1 berupa cut plots velocity dan flow
trajection velocity. Contoh simulasi distribusi kecepatan air untuk kombinasi 2
14
muka ditunjukkan pada Gambar 6 dan Gambar 7, sedangkan untuk 1 muka
ditunjukkan pada Gambar 8 dan Gambar 9. Hasil simulasi pada tangki
penampungan 1 selengkapnya dapat dilihat pada Lampiran 4 dan Lampiran 5.
Air dengan suhu 20oC dan komoditas dihisap oleh sebuah pompa dengan
debit maksimum 0.0167 m3/s melalui lubang saluran inlet menuju lubang saluran
outlet. Air dan komoditas akan menuju tangki penampungan sebelum menuju
saluran outlet untuk menampung komoditas dan hanya air yang akan menuju
saluran outlet. Berdasarkan hasil simulasi, kecepatan aliran air tertinggi pada
saluran inlet terdapat pada kombinasi inlet tengah-outlet atas 2 muka, inlet tengahoutlet tengah 2 muka, dan inlet tengah-outlet bawah 2 muka serta inlet tengahoutlet atas 1 muka, dan inlet tengah-outlet bawah 1 muka sebesar 2.32 m/s.
Gambar 6 Cut plots velocity kombinasi posisi inlet atas-outlet atas 2 muka tangki
penampungan 1
Gambar 7 Flow trajection velocity kombinasi posisi inlet atas-outlet atas 2 muka
tangki penampungan 1
15
Gambar 8 Cut plots velocity kombinasi posisi inlet tengah-outlet bawah 1 muka
tangki penampungan 1
Gambar 9 Flow trajection velocity kombinasi posisi inlet tengah-outlet bawah 1
muka tangki penampungan 1
Arah aliran bergerak lurus maju sepanjang saluran inlet. Kecepatan aliran
air yang melewati saluran inlet tetap konstan dan tidak mengalami penurunan
yang cukup besar. Hal itu ditandai dengan warna yang sama pada cut plots
velocity yakni warna biru muda.
Setelah melewati saluran inlet, air akan menuju ke tangki penampungan dan
akan terjadi penurunan kecepatan karena ukuran diameter tangki penampungan
yang lebih besar dari diameter lubang inlet. Pada beberapa kombinasi posisi inletoutlet, terjadi turbulensi yakni pada saat aliran air masuk dari saluran inlet ke
tangki penampungan. Namun, ada beberapa kombinasi posisi inlet-outlet yang
tidak terjadi turbulensi di tangki penampungannya yakni kombinasi inlet atasoutlet bawah 1 muka, inlet atas-outlet tengah 1 muka, dan inlet bawah-outlet
bawah 2 muka. Aliran air yang tidak terjadi turbulensi pada beberapa kombinasi,
langsung menuju saluran outlet dari saluran inlet setelah melewati tangki
penampungan. Berdasarkan hasil simulasi, kecepatan aliran air pada tangki
16
penampungan hampir semuanya bernilai sama yakni 0.041 m/s dan hanya pada
kombinasi posisi inlet atas-outlet bawah 1 muka yang memiliki nilai kecepatan
yang berbeda sekaligus yang terkecil yakni 0.040 m/s. Nilai kecepatan aliran yang
terjadi di saluran inlet dan tangki penampungan dapat dilihat pada Tabel 3.
Tabel 3 Kecepatan aliran air di tangki penampungan 1
Kecepatan (m/s)
Kombinasi Tabung
Saluran Inlet
Tangki
Penampungan
Outlet Atas 2 Muka
2.315
0.041
Outlet Tengah 2 Muka
2.315
0.041
Outlet Bawah 2 Muka
2.315
0.041
Outlet Tengah 1 Muka
2.315
0.041
Outlet Bawah 1 Muka
2.315
0.040
Outlet Atas 2 Muka
2.320
0.041
Outlet Tengah 2 Muka
2.320
0.041
Outltet Bawah 2 Muka
2.320
0.041
Outlet Atas 1 Muka
2.320
0.041
Outlet Bawah 1 Muka
2.320
0.041
Outlet Atas 2 Muka
2.313
0.041
Outlet Tengah 2 Muka
2.313
0.041
Outlet Bawah 2 Muka
2.313
0.041
Outlet Atas 1 Muka
2.313
0.041
Outlet Tengah 1 Muka
2.313
0.041
Inlet Atas
Inlet Tengah
Inlet Bawah
Simulasi Kecepatan Aliran Air di Tangki Penampungan 2
Hasil simulasi di tangki penampungan 2 berupa cut plots velocity dan flow
trajection velocity. Contoh simulasi distribusi kecepatan air untuk kombinasi 2
muka ditunjukkan pada Gambar 10 dan Gambar 11, sedangkan untuk 1 muka
ditunjukkan pada Gambar 12 dan Gambar 13. Hasil simulasi pada tangki
penampungan 2 selengkapnya dapat dilihat pada Lampiran 6 dan Lampiran 7.
Air dengan suhu 20oC dan komoditas dihisap oleh sebuah pompa dengan
debit maksimum 0.0167 m3/s melalui lubang saluran inlet menuju lubang saluran
outlet. Air dan komoditas akan menuju tangki penampungan sebelum menuju
17
saluran outlet untuk menampung komoditas dan hanya air yang akan menuju
saluran outlet. Berdasarkan hasil simulasi, kecepatan aliran air tertinggi pada
saluran inlet terdapat pada kombinasi inlet atas-outlet atas 2 muka dan inlet atasoutlet bawah 2 muka, serta inlet atas-outlet tengah 1 muka dan inlet atas-outlet
bawah 1 muka, sebesar 2.279 m/s. Arah aliran bergerak lurus maju sepanjang
saluran inlet. Kecepatan aliran air yang melewati saluran inlet tetap konstan dan
tidak mengalami penurunan yang cukup besar. Hal itu ditandai dengan warna
yang sama pada cut plots velocity yakni warna biru muda.
Gambar 10 Cut plots velocity kombinasi posisi inlet atas-outlet bawah 2 muka
tangki penampungan 2
Gambar 11 Flow trajection velocity kombinasi posisi inlet atasoutlet bawah 2 muka tangki penampungan 2
18
Gambar 12 Cut plots velocity kombinasi posisi inlet tengah-outlet atas 1 muka
tangki penampungan 2
Gambar 13 Flow trajection velocity kombinasi posisi inlet tengahoutlet atas 1 muka tangki penampungan 2
Setelah melewati saluran inlet, air akan menuju ke tangki penampungan dan
akan terjadi penurunan kecepatan karena ukuran diameter tangki penampungan
yang lebih besar dari diameter lubang inlet. Pada kombinasi inlet atas-outlet
bawah 2 muka, inlet bawah-outlet atas 1 muka, inlet bawah-outlet tengah 2 muka,
inlet tengah-outlet atas 2 muka, dan inlet tengah-outlet bawah 1 muka terjadi
turbulensi yang kecil serta pada inlet tengah-outlet atas terjadi turbulensi yang
besar. Sedangkan pada kombinasi posisi inlet-outlet yang tersisa tidak terjadi
turbulensi di tangki penampungannya. Pada kombinasi posisi inlet atas-outlet atas
2 muka, inlet atas-outlet tengah 2 muka, dan inlet bawah-outlet atas 2 muka serta
inlet atas-oulet atas 1 muka, inlet atas-outlet tengah 1 muka, dan inlet bawahoutlet tengah 1 muka, vektor bergerak memutar di dinding tangki penampungan
menuju saluran outlet. Pada kombinasi posisi inlet bawah-outlet bawah 2 muka
dan inlet tengah-outlet tengah 2 muka, vektor bergerak langsung menuju saluran
outlet. Sedangkan pada kombinasi posisi inlet tengah-outlet bawah 2 muka, vektor
19
menabrak dinding sisi belakang tangki penampungan sebelum menuju saluran
outlet. Berdasarkan hasil simulasi, kecepatan aliran air pada tangki penampungan
hampir semuanya bernilai sama yakni 0.040 m/s dan hanya pada kombinasi posisi
inlet bawah-outlet atas 1 muka, inlet tengah-outlet atas 1 muka, serta inlet atasoutlet bawah 2 muka yang memiliki nilai kecepatan yang berbeda sekaligus yang
terbesar yakni 0.041 m/s. Nilai kecepatan aliran yang terjadi di saluran inlet dan
tangki penampungan dapat dilihat pada Tabel 4.
Tabel 4 Kecepatan aliran air di tangki penampungan 2
Kecepatan (m/s)
Kombinasi Tabung
Saluran Inlet
Tangki
Penampungan
Outlet Atas 2 Muka
2.279
0.040
Outlet Tengah 2 Muka
2.273
0.040
Outlet Bawah 2 Muka
2.279
0.041
Outlet Tengah 1 Muka
2.279
0.040
Outlet Bawah 1 Muka
2.279
0.040
Outlet Atas 2 Muka
2.273
0.040
Outlet Tengah 2 Muka
2.273
0.040
Outltet Bawah 2 Muka
2.273
0.040
Outlet Atas 1 Muka
2.273
0.041
Outlet Bawah 1 Muka
2.273
0.040
Outlet Atas 2 Muka
2.278
0.040
Outlet Tengah 2 Muka
2.278
0.040
Outlet Bawah 2 Muka
2.278
0.040
Outlet Atas 1 Muka
2.273
0.041
Outlet Tengah 1 Muka
2.273
0.040
Inlet Atas
Inlet Tengah
Inlet Bawah
Simulasi Kecepatan Aliran Air di Tangki Penampungan 3
Hasil simulasi di tangki penampungan 3 berupa cut plots velocity dan flow
trajection velocity. Contoh simulasi distribusi kecepatan air untuk kombinasi 2
muka ditunjukkan pada Gambar 14 dan Gambar 15, sedangkan untuk 1 muka
20
ditunjukkan pada Gambar 16 dan Gambar 17. Hasil simulasi pada tangki
penampungan 3 selengkapnya dapat dilihat pada Lampiran 8 dan Lampiran 9.
Air dengan suhu 20oC dan komoditas dihisap oleh sebuah pompa dengan
debit maksimum 0.0167 m3/s melalui lubang saluran inlet menuju lubang saluran
outlet. Air dan komoditas akan menuju tangki penampungan sebelum menuju
saluran outlet untuk menampung komoditas dan hanya air yang akan menuju
saluran outlet. Berdasarkan hasil simulasi, kecepatan aliran air tertinggi pada
saluran inlet terdapat pada kombinasi inlet tengah-outlet bawah 1 muka sebesar
2.321 m/s. Arah aliran bergerak lurus maju sepanjang saluran inlet. Kecepatan
aliran air yang melewati saluran inlet tetap konstan dan tidak mengalami
penurunan yang cukup besar. Hal itu ditandai dengan warna yang sama pada cut
plots velocity yakni warna biru muda.
Gambar 14 Cut plots velocity kombinasi posisi inlet atas-outlet atas 2 muka
tangki penampungan 3
Gambar 15 Flow trajection velocity kombinasi posisi inlet atasoutlet atas 2 muka tangki penampungan 3
21
Gambar 16 Cut plots velocity kombinasi posisi inlet bawah-outlet tengah 1 muka
tangki penampungan 3
Gambar 17 Flow trajection velocity kombinasi posisi inlet bawahoutlet tengah 1 muka tangki penampungan 3
Setelah melewati saluran inlet, air akan menuju ke tangki penampungan dan
akan terjadi penurunan kecepatan karena ukuran diameter tangki penampungan
yang lebih besar dari diameter lubang inlet. Turbulensi yang besar terjadi pada
kombinasi posisi inlet atas-outlet bawah 1 muka, inlet atas-outlet tengah 1 muka,
dan inlet bawah-outlet tengah 1 muka, sedangkan turbulensi kecil terjadi pada
kombinasi posisi inlet atas-outlet atas 2 muka, inlet atas-outlet tengah 2 muka,
inlet atas-outlet bawah 2 muka, inlet tengah-outlet atas 2 muka, inlet tengah-outlet
bawah 2 muka, inlet bawah-outlet tengah 2 muka dan inlet tengah-outlet atas 1
muka. Pada kombinasi posisi yang tersisa, tidak terjadi turbulensi melainkan
vektor bergerak langsung menuju saluran outlet yakni pada kombinasi inlet
bawah-outlet bawah 2 muka, vektor memutar menuju saluran outlet yakni pada
kombinasi posisi inlet bawah-outlet atas 1 muka, dan vektor menabrak dinding
tangki penampungan sisi belakang sebelum menuju saluran outlet yakni pada
kombinasi posisi inlet bawah-outlet atas 2 muka. Berdasarkan hasil simulasi,
22
kecepatan aliran air pada tangki penampungan yang memiliki nilai terbesar
terdapat pada kombinasi posisi inlet bawah-outlet tengah 2 muka, inlet bawahoutlet bawah 2 muka, dan inlet bawah-outlet tengah 1 muka yakni sebesar
0.042 m/s. Nilai kecepatan aliran yang terjadi di saluran inlet dan tangki
penampungan dapat dilihat pada Tabel 5.
Tabel 5 Kecepatan aliran air di tangki penampungan 3
Kecepatan (m/s)
Kombinasi Tabung
Saluran Inlet
Tangki
Penampungan
Outlet Atas 2 Muka
2.314
0.041
Outlet Tengah 2 Muka
2.314
0.040
Outlet Bawah 2 Muka
2.314
0.040
Outlet Tengah 1 Muka
2.315
0.040
Outlet Bawah 1 Muka
2.314
0.040
Outlet Atas 2 Muka
2.318
0.041
Outlet Tengah 2 Muka
2.318
0.040
Outlet Bawah 2 Muka
2.318
0.040
Outlet Atas 1 Muka
2.318
0.041
Outlet Bawah 1 Muka
2.321
0.040
Outlet Atas 2 Muka
2.318
0.041
Outlet Tengah 2 Muka
2.318
0.042
Outlet Bawah 2 Muka
2.317
0.042
Outlet Atas 1 Muka
2.318
0.041
Outlet Tengah 1 Muka
2.318
0.042
Inlet Atas
Inlet Tengah
Inlet Bawah
Bilangan Reynolds
Bilangan Reynolds berfungsi untuk menentukan jenis aliran yang terjadi di
dalam sistem. Berdasarkan bilangan Reynolds, aliran dibagi menjadi tiga jenis
yaitu aliran laminar, aliran transisi, dan aliran turbulen. Aliran laminar terjadi jika
bilangan Reynolds ≤ 2300, aliran turbulen terjadi jika bilangan Reynolds ≥ 4000,
dan aliran transisi terjadi jika bilangan Reynolds berada di tengah-tengah dari nilai
aliran laminar dan aliran turbulen. Jenis aliran yang terjadi di dalam tangki
23
penampungan 1, tangki penampungan 2, dan tangki penampungan 3 maupun
saluran inlet-nya adalah aliran turbulen. Nilai bilangan Reynolds pada setiap
tangki penampungan dapat dilihat pada Lampiran 13, Lampiran 14, dan Lampiran
15.
Kombinasi posisi yang memiliki bilangan Reynolds terkecil pada saluran
inlet tangki penampungan 1 adalah semua kombinasi posisi yang inlet-nya berada
di bawah dengan nilai bilangan Reynolds sebesar 233367.23, sedangkan semua
kombinasi posisi yang inlet-nya berada di tengah memiliki nilai bilangan
Reynolds terbesar yakni 234073.49. Nilai bilangan Reynolds terkecil yang terjadi
pada tangki penampungan 1 terdapat pada kombinasi posisi inlet atas-outlet
bawah 1 muka yakni sebesar 24103.58, sedangkan nilai bilangan Reynolds
terbesar terdapat pada kombinasi posisi inlet atas-outlet tengah 2 muka yakni
sebesar 24863.37.
Kombinasi posisi yang memiliki bilangan Reynolds terkecil pada saluran
inlet tangki penampungan 2 adalah semua kombinasi posisi yang inlet-nya berada
di tengah serta kombinasi posisi inlet atas-outlet tengah 2 muka, inlet bawahoutlet atas 1 muka dan inlet bawah-outlet tengah 1 muka dengan nilai bilangan
Reynolds sebesar 229331.48, sedangkan sisa kombinasi posisi yang inlet-nya
berada di atas memiliki nilai bilangan Reynolds terbesar yakni 229936.84. Nilai
bilangan Reynolds terkecil yang terjadi pada tangki penampungan 2 terdapat pada
kombinasi posisi inlet tengah-outlet bawah 2 muka yakni sebesar 28407.30,
sedangkan nilai bilangan Reynolds terbesar terdapat pada kombinasi posisi inlet
bawah-outlet atas 1 muka yakni seb