TUGAS AKHIR KARAKTRISTIK PERPINDAHAN PANAS DA PENURUNAN TEKANAN PIN FIN OBONG INOVATIF PADA TRAILING EDGE BLADE TURBIN GAS.
TUGAS AKHIR
KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN
PENURUNAN TEKANAN PIN FIN OBLONG INOVATIF PADA
TRAILING EDGE BLADE TURBIN GAS
Tugas Akhir Ini Disusun Untuk Memenuhi Syarat Mendapatkan Gelar
Sarjana S-1 Pada Jurusan Teknik Mesin
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Disusun oleh :
PUNTO BASKORO
NIM : D200 110 054
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2016
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI
Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan
judul : “KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN
TEKANAN PIN FIN OBLONG INOVATIF PADA TRAILING EDGE
BLADE TURBIN GAS” yang dibuat untuk memenuhi sebagian syarat
memperoleh derajat sarjana S1 pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas
Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta, sejauh yang saya ketahui
bukan merupakan tiruan atau duplikasi dari skripsi yang sudah
dipublikasikan dan/atau pernah dipakai untuk mendapatkan gelar
kesarjanaan dilingkungan Universitas Muhammadiyah Surakarta atau
instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya saya
cantumkan sebagaimana mestinya.
Surakarta, 7 Januari 2016
Yang menyatakan,
Punto Baskoro
ii
iii
iv
v
MOTTO
“Everything will probably never be OK. But we have to try for it”
Vladimir Putin
“Kunci hidup itu jujur dan jangan ambil apa yang bukan hakmu”
Ibu
vi
PERSEMBAHAN
Puji syukur Alhamdulillah, hamba panjatkan atas rahmat, karunia
dan keridhaan Allah SWT yang menggenggam dan memiliki seluruh jiwa
ini. Berkat ilmu yang Ia berikan kepada penulis dan campur tangan-Nyalah
karya sederhana ini dapat terselesaikan dengan baik. Dengan rasa syukur
karya ini penulis persembahkan untuk :
Ibu
Sumarni
dan
bapak
Suparmin
tercinta
yang
telah
membesarkan anak-anakmu dengan kasih sayang, terima kasih
atas segala yang telah kalian berikan.
Adikku tersayang Danang Kuncoro yang selalu memberikan
tekanan untuk segera menyelesaikan studi, semoga kamu bisa
lebih baik dari kakaknya ini.
Keluaga
bude
sukat
dan
pakde
manto,
terimakasih
atas
penerimaan seperti anak sendiri selama penulis melaksanakan
studi disini.
Sahabat dan teman perjuangan Adnan, Ekno, Doni dan Endri
terima kasih atas kerja samanya selama penelitian.
Teman-teman Teknik Mesin angkatan 2011, terutama teman-teman
gumpang Toriq, Maret, Andy, Dwi, Agus, Kori, Abdul, Arya, serta
teman-teman lain yang tidak bisa disebut kan satu persatu terima
kasih atas bantuan dan dukungannya selama menempuh masa
perkuliahan.yang selalu memberikan pelajaran berharga yang tidak
bisa dinilai dengan materi, sehingga penulis bisa sampai pada titik
ini.
vii
Terimakasih pula kepada teman-teman kontrakan gumpang Toriq,
Maret, Aziz, Alif, Muslih dan Domo yang telah mengajarkan arti
kebersamaan dalam hidup.
Laboratorium teknik mesin, Keluarga mahasiswa teknik mesin, tim
mobil, tim kincir GTL dan tim-tim kegiatan ilmiah yang telah menjadi
tempat dalam kampus untuk menempa diri, meraih pengalaman
dan ilmu selama perkuliahan.
viii
KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN
TEKANAN PIN FIN OBLONG INOVATIF PADA TRAILING EDGE
BLADE TURBIN GAS
Punto Baskoro, Marwan Effendy, Wijianto
Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl. A.Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura.
Email : [email protected]
ABSTRAKSI
Penelitian ini mengevaluasi kinerja pendingin pin fin blade turbin
gas. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menyelidiki secara komputasi
koefisien perpindahan panas (HTC) dan faktor gesekan (f) di sepanjang
bagian pending.
Dengan menggunakan model turbulensi k-epsilon, investigasi
numerik dilakukan pada dua langkah: pertama, untuk memvalidasi hasil
simulasi dari pendinginan circular pin fin dengan susunan staggered
terhadap penelitian eksperimental. Tujuh jenis mesh terstruktur dari yang
kasar (Δy+ = 48,84) sampai dengan yang halus (Δy+ = 1,21) dievaluasi
selama langkah ini; kedua, untuk memahami kinerja pin fin oblong pada
berbagai orientasi sudut pendinginan. Simulasi dilakukan dengan menjaga
inisial yang sama dan kondisi batas sebagai percobaan, dan berbagai
jumlah Reynolds dari 9.000 ke 36.000.
Hasilnya menunjukkan bahwa validasi dapat dianggap diterima
dengan mengembangkan mesh hingga 1,6 juta elemen dengan resolusi
baik (Δy + = 1.21). Faktor ekspansi merupakan faktor penting utama untuk
mengontrol kualitas resolusi jaringan dekat daerah dinding. CFD
memprediksi HTC dan penurunan tekanan dalam hasil validasi yang baik
dengan data eksperimen yang tersedia, meskipun ditemukan prediksi data
yang lebih setelah pin fin baris kedua di simulasi HTC. Investigasi tiga
oblong pin-sirip yang berbeda pendingin (GN1, GN2 dan GN4)
menunjukkan bahwa HTC pin fin GN2 terbesar dibandingkan dengan
konfigurasi lainnya. HTC pin-sirip permukaan meningkat cukup sepanjang
bagian pendinginan karena peningkatan aliran turbulensi yang disebabkan
oleh saluran kontraksi dan peningkatan jumlah Reynolds. Sebaliknya,
faktor gesekan berkurang secara bertahap di sepanjang bagian pendingin.
HTC pin fin GN2 adalah sekitar dua kali HTC dari model dasar (G2.5).
Kata kunci: Pin-fin cooling; Computational fluid dynamics; Koefisien
perpindahan panas.
ix
A CFD PREDICTION OF “HEAT TRANSFER COEFFICIENT
AND PRESSURE LOSS” OF OBLONG PIN-FINS COOLING OF GAS
TURBINE BLADE
Punto Baskoro, Marwan Effendy, Wijianto
Departement of Mechanical Engineering, Universitas Muhammadiyah
Surakarta
Jl. A.Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura.
Email : [email protected]
ABSTRACT
This research evaluates a pin-fins cooling performance of gas
turbine blade. The aim is to investigate computationally the heat transfer
coefficient (HTC) and friction factor (f) along the cooling passage.
By using k-epsilon turbulence model, numerical investigations were
performed at two steps: first, to validate simulation results from an existing
circular pin-fin cooling with staggered arrays against experimental
measurement. Seven types structured mesh from coarse (Δy+ = 48.84) to
fine (Δy+ = 1.21) were evaluated during this step; second, to understand
the oblong pin-fins cooling performance on various angle
orientation. Simulations were performed by keeping the same initials and
boundary conditions as the experiment, and varying Reynolds number
from 9,000 to 36,000.
The result demonstrates that validation can be considered
acceptable by developing mesh up to 1.6 million elements with fine
resolution (Δy+ = 1.21). The expansion factor is a key important factor in
order to control grid quality resolution near wall regions. CFD predicted
HTC and pressure loss are in good agreement with available experimental
data, even though it is found over-prediction data after the second pin-fin
row in the HTC simulation. Investigation of three different oblong pin-fins
cooling (GN1, GN2 and GN4) shows that the HTC of pin-fin GN2 is the
greatest level compared to other configurations. The HTC of pin-fins
surface increases moderately along the cooling passage due to the
increase of flow turbulence that caused by contraction channel and
increasing Reynolds number. In contrast, the friction factor decreases
gradually along the cooling passage. The HTC of pin-fins GN2 is about
twice the HTC of the baseline model (G2.5).
Key words: Pin-fin cooling; Computational fluid dynamics; Heat
transfer coefficient.
x
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur ke hadirat Allah SWT atas segala rahmat dan
karunia- Nya yang telah terlimpahkan kepada penulis, sehingga Tugas
Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik.
Adapun Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan
Sidang Sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapat
bantuan dari berbagai pihak, pada kesempatan ini, penulis dengan penuh
keikhlasan hati ingin menyampaikan terima kasih kepada :
1. Bapak Dr. H. Sri Sunarjono MT. Ph.D selaku Dekan Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
2. Bapak Tri Widodo BR. ST. MSc., Ph.D selaku Ketua Jurusan Teknik
Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
3. Bapak Nur Aklis , ST., M.Eng selaku Sekretaris Jurusan Teknik Mesin
sekaligus Pembimbing Akademik yang begitu sangat membantu
selama perkuliahan.
4. Bapak Marwan Effendy , ST., MT., Ph.D. selaku Dosen Pembimbing
utama yang telah membimbing, mengarahkan, memberi petunjuk
dalam penyusunan Tugas Akhir ini
5. Bapak Wijianto , ST., M.Eng.Sc , selaku Dosen Pembimbing
pendamping yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan
bimbingan dan arahannya.
xi
6. Jajaran staf dan dosen Teknik Mesin universitas muhammadiyah
Surakarta
Akhir kata, penulis mohon maaf, jika sekiranya terdapat kesalahan
dan kekurangan dalam penulisan Tugas Akhir ini, yang disebabkan
adanya keterbatasan-keterbatasan antara lain waktu, dana, literatur yang
ada, dan pengetahuan yang penulis miliki. Harapan penulis semoga
laporan ini bermanfaat untuk pembaca.
Tugas Akhir ini semoga dapat bermanfaat khususnya bagi penulis
dan pihak lain yang membutuhkan, Amin ya Robbaallamin.
Surakarta, Januari 2016
Penulis
xii
DAFTAR ISI
Halaman Judul ......................................................................................... i
Pernyataan Keaslian Skripsi .................................................................... ii
Halaman Persetujuan .............................................................................. iii
Halaman Pengesahan ............................................................................. iv
Lebar Soal Tugas Akhir ........................................................................... v
Halaman Motto......................................................................................... vi
Halaman Persembahan ........................................................................... vii
Abstraksi .................................................................................................. ix
Abstraksi .................................................................................................. x
Kata Pengantar ........................................................................................ xi
Daftar Isi .................................................................................................. xiii
Daftar Gambar……………………………………………………………………………….xv
Daftar Tabel ........................................................................................... .xvii
Daftar Simbol ......................................................................................... xviii
BAB I PENDAHULUN
1.1 Latar Belakang ........................................................................
1.2 Perumusan Masalah ...............................................................
1.3 Batasan Masalah ....................................................................
1.4 Tujuan Penelitian ....................................................................
1.5 Manfaat Penelitian Batasan Masalah ......................................
1.6 Sistematika Penulisan .............................................................
1
4
5
5
6
6
BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI
2.1. Tinjauan Pustaka .................................................................... 8
2.2. Dasar Teori ............................................................................. 12
2.2.1 Metode Pendinginan Blade Turbin ................................ 12
2.2.1.1 Internal Cooling ................................................ 12
2.2.1.2 External Cooling ............................................... 13
2.2.2 Pin Fin ........................................................................... 14
2.2.2.1 Macam-macam Pin Fins ................................... 16
2.2.3 Lapis Batas .........................................................................19
2.2.4 Koefisien Perpindahan Panas ...........................................20
2.2.4.1 Perpindahan Panas Konduksi .......................... 21
2.2.4.2 Perpindahan Panas Konveksi........................... 21
2.2.4.3 Perpindahan Panas Radiasi ............................. 22
2.2.5 Angka Reynolds ............................................................ 23
2.2.6 Faktor Gesek................................................................. 25
xiii
2.2.7 Computational Fluid Dynamic (CFD) ............................. 25
2.2.7.1 Pre-processing ................................................. 27
2.2.7.2 Solving .............................................................. 27
2.2.7.3 Post-processing ................................................ 27
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Rancangan Penelitian .............................................................. 28
3.2 Spesifikasi Komputer ............................................................... 29
3.3 Geometri .................................................................................. 30
3.4 Meshing ................................................................................... 32
3.4.1 Mesh Refinement Study ................................................. 33
3.4.1.1 Mesh Tipe A ...................................................... 33
3.4.1.2 Mesh Tipe B ...................................................... 34
3.4.2 Pengembangan Model ................................................... 35
3.4 Kondisi Batas dan Aliran ......................................................... 37
BAB IV VALIDASI, HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Validasi .................................................................................... 38
4.1.1 Faktor gesek ................................................................ 39
4.1.2 Koefisien Perpindahan Panas ....................................... 41
4.2 Hasil ........................................................................................ 44
4.3 Pembahasan ........................................................................... 47
4.3.1 Analisis Pengaruh Bentuk dan Orientasi Pin Fin pada
Trailing Edge terhadap Koefisien Perpindahan Panas ............ 47
4.3.2 Analisis Tekanan Fluida terhadap Bentuk dan Orientasi
Pin Fin pada Trailing Edge ...................................................... 49
4.3.3 Penggaruh Bentuk Pin Fin terhadap Keepatan Fluida
yang Mengalir ......................................................................... 50
4.3.4 Hubungan Temperatur Fluida yang Beredar disekitar Pin
Fin terhadap Bentuk Pin Fin .................................................... 52
4.3.5 Prediksi Kerugian atas Penurunan Tekanan Fluida
Pendingin pada Trailing Edge terhadap Bentuk dan Orientasi
Pin Fin ..................................................................................... 53
4.3.6 Visualisasi Aliran Fluida ................................................. 55
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan .......................................................................... 57
5.2. Saran.................................................................................... 58
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1. Blade turbin. ..................................................................... 2
Gambar 1.2. Pin fin lingkaran. ............................................................... 3
Gambar 2.1. Data eksperimen Tarchi, dkk (2008) koefisien perpindahan
panas dan penurunan tekanan ......................................... 11
Gambar 2.2. Metode Convection cooling .............................................. 12
Gambar 2.3. Metode impingement cooling ............................................ 13
Gambar 2.4. Metode film cooling........................................................... 14
Gambar 2.5. Susuan pin fin ................................................................... 15
Gambar 2.6. Tipe pin-fin elips ............................................................... 16
Gambar 2.7. Pin fin silinder dan silinder dengan fillet............................ 17
Gambar 2.8. Pin fin kubus ..................................................................... 18
Gambar 2.9. Pin fin oblong .................................................................... 18
Gambar 2.10. Lapisan batas plat datar ................................................... 20
Gambar 2.11. Perpindahan panas konduksi ........................................... 21
Gambar 2.12. Perpindahan panas konveksi ........................................... 21
Gambar 2.13. Perpindahan panas radiasi ............................................... 22
Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian ..................................................... 28
Gambar 3.2. Sket G2.5 eksperimen tarchi & validasi ............................ 30
Gambar 3.3. Sket model/geometri pengembangan ............................... 31
Gambar 3.4. Mesh tipe A1, A2 dan A3 .................................................. 33
Gambar 3.5. Mesh tipe B1, B2, B3 dan B4 ........................................... 34
Gambar 3.6. Mesh GN1, GN2 dan GN4 ................................................ 35
Gambar 3.7. Daerah kondisi batas ........................................................ 36
Gambar 4.1. Validasi faktor gesek dan angka Reynolds pada
mesh refinement ............................................................... 40
Gambar 4.2. Validasi Koefisien Perpindahan Panas ............................. 43
Gambar 4.3. Perbandingan hasil simulasi faktor gesek dan
angka Reynolds pada model pengembangan .................. 45
Gambar 4.4. Perbandingan
hasil
simulasi
koefisien
perpindahan panas dengan pin fin model
pengembangan ................................................................. 46
Gambar 4.5. Perbandingan koefisien perpindahan panas
dengan bentuk pin fin ....................................................... 48
Gambar 4.6. Perbandingan tekanan terhadap bentuk pin fin ................ 49
Gambar 4.7. Perbandingan kecepatan fluida daerah sekitar
pin fin terhadap bentuk pin fin ........................................... 51
xv
Gambar 4.8. Perbandingan besar temperatur fluida disekitar
pin fin terhadap bentuk pin fin ........................................... 52
Gambar 4.9. Perbandingan faktor gesek dengan angka
Reynolds terhadap bentuk pin fin ..................................... 54
Gambar 4.10. Visualisasi Aliran Fluida .................................................... 55
xvi
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1. Properti mesh tipe A. .............................................................. 33
Tabel 3.2. Properti mesh tipe B ............................................................... 34
Table 3.3. Properti mesh tipe pengembangan ......................................... 35
Table 3.4. Definisi kondisi batas .............................................................. 37
Table 4.1. Penyesuaian kondisi batas ..................................................... 37
xvii
DAFTAR SIMBOL
Simbol
Satuan
h
= Koefisien perpindahan panas
W/m2K
Q
= Laju perpindahan panas
W/m
A
= Luas area
m2
Tw
= Temperatur dinding
K
Tnw
= Temperatur fluida dekat dinding
K
ρ
= Densitas
kg/m3
ṁ
= laju aliran masa
kg
μ
= Viskositas Dinamik
Kg/ms
Red
= Angka Reynolds
ReL0
= Angka Reynolds saluran masuk
f
= Faktor gesek
V
= Kecepatan
m/s
D
= Diameter
mm
Dh
= Diameter hidrolik
m2
DL0
= Diaameter hidrolik saluran masuk
mm2
Sx
= Jarak antar titik pusat fin tegak lurus aliran
Sy
= Jarak antar titik pusat fin sepanjang aliran
ΔP
= Perbedaan tekanan
Δy+
= Perbandingan tingkat kerapatan mesh
Pa
xviii
KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN
PENURUNAN TEKANAN PIN FIN OBLONG INOVATIF PADA
TRAILING EDGE BLADE TURBIN GAS
Tugas Akhir Ini Disusun Untuk Memenuhi Syarat Mendapatkan Gelar
Sarjana S-1 Pada Jurusan Teknik Mesin
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Disusun oleh :
PUNTO BASKORO
NIM : D200 110 054
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2016
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI
Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan
judul : “KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN
TEKANAN PIN FIN OBLONG INOVATIF PADA TRAILING EDGE
BLADE TURBIN GAS” yang dibuat untuk memenuhi sebagian syarat
memperoleh derajat sarjana S1 pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas
Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta, sejauh yang saya ketahui
bukan merupakan tiruan atau duplikasi dari skripsi yang sudah
dipublikasikan dan/atau pernah dipakai untuk mendapatkan gelar
kesarjanaan dilingkungan Universitas Muhammadiyah Surakarta atau
instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya saya
cantumkan sebagaimana mestinya.
Surakarta, 7 Januari 2016
Yang menyatakan,
Punto Baskoro
ii
iii
iv
v
MOTTO
“Everything will probably never be OK. But we have to try for it”
Vladimir Putin
“Kunci hidup itu jujur dan jangan ambil apa yang bukan hakmu”
Ibu
vi
PERSEMBAHAN
Puji syukur Alhamdulillah, hamba panjatkan atas rahmat, karunia
dan keridhaan Allah SWT yang menggenggam dan memiliki seluruh jiwa
ini. Berkat ilmu yang Ia berikan kepada penulis dan campur tangan-Nyalah
karya sederhana ini dapat terselesaikan dengan baik. Dengan rasa syukur
karya ini penulis persembahkan untuk :
Ibu
Sumarni
dan
bapak
Suparmin
tercinta
yang
telah
membesarkan anak-anakmu dengan kasih sayang, terima kasih
atas segala yang telah kalian berikan.
Adikku tersayang Danang Kuncoro yang selalu memberikan
tekanan untuk segera menyelesaikan studi, semoga kamu bisa
lebih baik dari kakaknya ini.
Keluaga
bude
sukat
dan
pakde
manto,
terimakasih
atas
penerimaan seperti anak sendiri selama penulis melaksanakan
studi disini.
Sahabat dan teman perjuangan Adnan, Ekno, Doni dan Endri
terima kasih atas kerja samanya selama penelitian.
Teman-teman Teknik Mesin angkatan 2011, terutama teman-teman
gumpang Toriq, Maret, Andy, Dwi, Agus, Kori, Abdul, Arya, serta
teman-teman lain yang tidak bisa disebut kan satu persatu terima
kasih atas bantuan dan dukungannya selama menempuh masa
perkuliahan.yang selalu memberikan pelajaran berharga yang tidak
bisa dinilai dengan materi, sehingga penulis bisa sampai pada titik
ini.
vii
Terimakasih pula kepada teman-teman kontrakan gumpang Toriq,
Maret, Aziz, Alif, Muslih dan Domo yang telah mengajarkan arti
kebersamaan dalam hidup.
Laboratorium teknik mesin, Keluarga mahasiswa teknik mesin, tim
mobil, tim kincir GTL dan tim-tim kegiatan ilmiah yang telah menjadi
tempat dalam kampus untuk menempa diri, meraih pengalaman
dan ilmu selama perkuliahan.
viii
KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN
TEKANAN PIN FIN OBLONG INOVATIF PADA TRAILING EDGE
BLADE TURBIN GAS
Punto Baskoro, Marwan Effendy, Wijianto
Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl. A.Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura.
Email : [email protected]
ABSTRAKSI
Penelitian ini mengevaluasi kinerja pendingin pin fin blade turbin
gas. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menyelidiki secara komputasi
koefisien perpindahan panas (HTC) dan faktor gesekan (f) di sepanjang
bagian pending.
Dengan menggunakan model turbulensi k-epsilon, investigasi
numerik dilakukan pada dua langkah: pertama, untuk memvalidasi hasil
simulasi dari pendinginan circular pin fin dengan susunan staggered
terhadap penelitian eksperimental. Tujuh jenis mesh terstruktur dari yang
kasar (Δy+ = 48,84) sampai dengan yang halus (Δy+ = 1,21) dievaluasi
selama langkah ini; kedua, untuk memahami kinerja pin fin oblong pada
berbagai orientasi sudut pendinginan. Simulasi dilakukan dengan menjaga
inisial yang sama dan kondisi batas sebagai percobaan, dan berbagai
jumlah Reynolds dari 9.000 ke 36.000.
Hasilnya menunjukkan bahwa validasi dapat dianggap diterima
dengan mengembangkan mesh hingga 1,6 juta elemen dengan resolusi
baik (Δy + = 1.21). Faktor ekspansi merupakan faktor penting utama untuk
mengontrol kualitas resolusi jaringan dekat daerah dinding. CFD
memprediksi HTC dan penurunan tekanan dalam hasil validasi yang baik
dengan data eksperimen yang tersedia, meskipun ditemukan prediksi data
yang lebih setelah pin fin baris kedua di simulasi HTC. Investigasi tiga
oblong pin-sirip yang berbeda pendingin (GN1, GN2 dan GN4)
menunjukkan bahwa HTC pin fin GN2 terbesar dibandingkan dengan
konfigurasi lainnya. HTC pin-sirip permukaan meningkat cukup sepanjang
bagian pendinginan karena peningkatan aliran turbulensi yang disebabkan
oleh saluran kontraksi dan peningkatan jumlah Reynolds. Sebaliknya,
faktor gesekan berkurang secara bertahap di sepanjang bagian pendingin.
HTC pin fin GN2 adalah sekitar dua kali HTC dari model dasar (G2.5).
Kata kunci: Pin-fin cooling; Computational fluid dynamics; Koefisien
perpindahan panas.
ix
A CFD PREDICTION OF “HEAT TRANSFER COEFFICIENT
AND PRESSURE LOSS” OF OBLONG PIN-FINS COOLING OF GAS
TURBINE BLADE
Punto Baskoro, Marwan Effendy, Wijianto
Departement of Mechanical Engineering, Universitas Muhammadiyah
Surakarta
Jl. A.Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura.
Email : [email protected]
ABSTRACT
This research evaluates a pin-fins cooling performance of gas
turbine blade. The aim is to investigate computationally the heat transfer
coefficient (HTC) and friction factor (f) along the cooling passage.
By using k-epsilon turbulence model, numerical investigations were
performed at two steps: first, to validate simulation results from an existing
circular pin-fin cooling with staggered arrays against experimental
measurement. Seven types structured mesh from coarse (Δy+ = 48.84) to
fine (Δy+ = 1.21) were evaluated during this step; second, to understand
the oblong pin-fins cooling performance on various angle
orientation. Simulations were performed by keeping the same initials and
boundary conditions as the experiment, and varying Reynolds number
from 9,000 to 36,000.
The result demonstrates that validation can be considered
acceptable by developing mesh up to 1.6 million elements with fine
resolution (Δy+ = 1.21). The expansion factor is a key important factor in
order to control grid quality resolution near wall regions. CFD predicted
HTC and pressure loss are in good agreement with available experimental
data, even though it is found over-prediction data after the second pin-fin
row in the HTC simulation. Investigation of three different oblong pin-fins
cooling (GN1, GN2 and GN4) shows that the HTC of pin-fin GN2 is the
greatest level compared to other configurations. The HTC of pin-fins
surface increases moderately along the cooling passage due to the
increase of flow turbulence that caused by contraction channel and
increasing Reynolds number. In contrast, the friction factor decreases
gradually along the cooling passage. The HTC of pin-fins GN2 is about
twice the HTC of the baseline model (G2.5).
Key words: Pin-fin cooling; Computational fluid dynamics; Heat
transfer coefficient.
x
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur ke hadirat Allah SWT atas segala rahmat dan
karunia- Nya yang telah terlimpahkan kepada penulis, sehingga Tugas
Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik.
Adapun Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan
Sidang Sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapat
bantuan dari berbagai pihak, pada kesempatan ini, penulis dengan penuh
keikhlasan hati ingin menyampaikan terima kasih kepada :
1. Bapak Dr. H. Sri Sunarjono MT. Ph.D selaku Dekan Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
2. Bapak Tri Widodo BR. ST. MSc., Ph.D selaku Ketua Jurusan Teknik
Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
3. Bapak Nur Aklis , ST., M.Eng selaku Sekretaris Jurusan Teknik Mesin
sekaligus Pembimbing Akademik yang begitu sangat membantu
selama perkuliahan.
4. Bapak Marwan Effendy , ST., MT., Ph.D. selaku Dosen Pembimbing
utama yang telah membimbing, mengarahkan, memberi petunjuk
dalam penyusunan Tugas Akhir ini
5. Bapak Wijianto , ST., M.Eng.Sc , selaku Dosen Pembimbing
pendamping yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan
bimbingan dan arahannya.
xi
6. Jajaran staf dan dosen Teknik Mesin universitas muhammadiyah
Surakarta
Akhir kata, penulis mohon maaf, jika sekiranya terdapat kesalahan
dan kekurangan dalam penulisan Tugas Akhir ini, yang disebabkan
adanya keterbatasan-keterbatasan antara lain waktu, dana, literatur yang
ada, dan pengetahuan yang penulis miliki. Harapan penulis semoga
laporan ini bermanfaat untuk pembaca.
Tugas Akhir ini semoga dapat bermanfaat khususnya bagi penulis
dan pihak lain yang membutuhkan, Amin ya Robbaallamin.
Surakarta, Januari 2016
Penulis
xii
DAFTAR ISI
Halaman Judul ......................................................................................... i
Pernyataan Keaslian Skripsi .................................................................... ii
Halaman Persetujuan .............................................................................. iii
Halaman Pengesahan ............................................................................. iv
Lebar Soal Tugas Akhir ........................................................................... v
Halaman Motto......................................................................................... vi
Halaman Persembahan ........................................................................... vii
Abstraksi .................................................................................................. ix
Abstraksi .................................................................................................. x
Kata Pengantar ........................................................................................ xi
Daftar Isi .................................................................................................. xiii
Daftar Gambar……………………………………………………………………………….xv
Daftar Tabel ........................................................................................... .xvii
Daftar Simbol ......................................................................................... xviii
BAB I PENDAHULUN
1.1 Latar Belakang ........................................................................
1.2 Perumusan Masalah ...............................................................
1.3 Batasan Masalah ....................................................................
1.4 Tujuan Penelitian ....................................................................
1.5 Manfaat Penelitian Batasan Masalah ......................................
1.6 Sistematika Penulisan .............................................................
1
4
5
5
6
6
BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI
2.1. Tinjauan Pustaka .................................................................... 8
2.2. Dasar Teori ............................................................................. 12
2.2.1 Metode Pendinginan Blade Turbin ................................ 12
2.2.1.1 Internal Cooling ................................................ 12
2.2.1.2 External Cooling ............................................... 13
2.2.2 Pin Fin ........................................................................... 14
2.2.2.1 Macam-macam Pin Fins ................................... 16
2.2.3 Lapis Batas .........................................................................19
2.2.4 Koefisien Perpindahan Panas ...........................................20
2.2.4.1 Perpindahan Panas Konduksi .......................... 21
2.2.4.2 Perpindahan Panas Konveksi........................... 21
2.2.4.3 Perpindahan Panas Radiasi ............................. 22
2.2.5 Angka Reynolds ............................................................ 23
2.2.6 Faktor Gesek................................................................. 25
xiii
2.2.7 Computational Fluid Dynamic (CFD) ............................. 25
2.2.7.1 Pre-processing ................................................. 27
2.2.7.2 Solving .............................................................. 27
2.2.7.3 Post-processing ................................................ 27
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Rancangan Penelitian .............................................................. 28
3.2 Spesifikasi Komputer ............................................................... 29
3.3 Geometri .................................................................................. 30
3.4 Meshing ................................................................................... 32
3.4.1 Mesh Refinement Study ................................................. 33
3.4.1.1 Mesh Tipe A ...................................................... 33
3.4.1.2 Mesh Tipe B ...................................................... 34
3.4.2 Pengembangan Model ................................................... 35
3.4 Kondisi Batas dan Aliran ......................................................... 37
BAB IV VALIDASI, HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Validasi .................................................................................... 38
4.1.1 Faktor gesek ................................................................ 39
4.1.2 Koefisien Perpindahan Panas ....................................... 41
4.2 Hasil ........................................................................................ 44
4.3 Pembahasan ........................................................................... 47
4.3.1 Analisis Pengaruh Bentuk dan Orientasi Pin Fin pada
Trailing Edge terhadap Koefisien Perpindahan Panas ............ 47
4.3.2 Analisis Tekanan Fluida terhadap Bentuk dan Orientasi
Pin Fin pada Trailing Edge ...................................................... 49
4.3.3 Penggaruh Bentuk Pin Fin terhadap Keepatan Fluida
yang Mengalir ......................................................................... 50
4.3.4 Hubungan Temperatur Fluida yang Beredar disekitar Pin
Fin terhadap Bentuk Pin Fin .................................................... 52
4.3.5 Prediksi Kerugian atas Penurunan Tekanan Fluida
Pendingin pada Trailing Edge terhadap Bentuk dan Orientasi
Pin Fin ..................................................................................... 53
4.3.6 Visualisasi Aliran Fluida ................................................. 55
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan .......................................................................... 57
5.2. Saran.................................................................................... 58
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1. Blade turbin. ..................................................................... 2
Gambar 1.2. Pin fin lingkaran. ............................................................... 3
Gambar 2.1. Data eksperimen Tarchi, dkk (2008) koefisien perpindahan
panas dan penurunan tekanan ......................................... 11
Gambar 2.2. Metode Convection cooling .............................................. 12
Gambar 2.3. Metode impingement cooling ............................................ 13
Gambar 2.4. Metode film cooling........................................................... 14
Gambar 2.5. Susuan pin fin ................................................................... 15
Gambar 2.6. Tipe pin-fin elips ............................................................... 16
Gambar 2.7. Pin fin silinder dan silinder dengan fillet............................ 17
Gambar 2.8. Pin fin kubus ..................................................................... 18
Gambar 2.9. Pin fin oblong .................................................................... 18
Gambar 2.10. Lapisan batas plat datar ................................................... 20
Gambar 2.11. Perpindahan panas konduksi ........................................... 21
Gambar 2.12. Perpindahan panas konveksi ........................................... 21
Gambar 2.13. Perpindahan panas radiasi ............................................... 22
Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian ..................................................... 28
Gambar 3.2. Sket G2.5 eksperimen tarchi & validasi ............................ 30
Gambar 3.3. Sket model/geometri pengembangan ............................... 31
Gambar 3.4. Mesh tipe A1, A2 dan A3 .................................................. 33
Gambar 3.5. Mesh tipe B1, B2, B3 dan B4 ........................................... 34
Gambar 3.6. Mesh GN1, GN2 dan GN4 ................................................ 35
Gambar 3.7. Daerah kondisi batas ........................................................ 36
Gambar 4.1. Validasi faktor gesek dan angka Reynolds pada
mesh refinement ............................................................... 40
Gambar 4.2. Validasi Koefisien Perpindahan Panas ............................. 43
Gambar 4.3. Perbandingan hasil simulasi faktor gesek dan
angka Reynolds pada model pengembangan .................. 45
Gambar 4.4. Perbandingan
hasil
simulasi
koefisien
perpindahan panas dengan pin fin model
pengembangan ................................................................. 46
Gambar 4.5. Perbandingan koefisien perpindahan panas
dengan bentuk pin fin ....................................................... 48
Gambar 4.6. Perbandingan tekanan terhadap bentuk pin fin ................ 49
Gambar 4.7. Perbandingan kecepatan fluida daerah sekitar
pin fin terhadap bentuk pin fin ........................................... 51
xv
Gambar 4.8. Perbandingan besar temperatur fluida disekitar
pin fin terhadap bentuk pin fin ........................................... 52
Gambar 4.9. Perbandingan faktor gesek dengan angka
Reynolds terhadap bentuk pin fin ..................................... 54
Gambar 4.10. Visualisasi Aliran Fluida .................................................... 55
xvi
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1. Properti mesh tipe A. .............................................................. 33
Tabel 3.2. Properti mesh tipe B ............................................................... 34
Table 3.3. Properti mesh tipe pengembangan ......................................... 35
Table 3.4. Definisi kondisi batas .............................................................. 37
Table 4.1. Penyesuaian kondisi batas ..................................................... 37
xvii
DAFTAR SIMBOL
Simbol
Satuan
h
= Koefisien perpindahan panas
W/m2K
Q
= Laju perpindahan panas
W/m
A
= Luas area
m2
Tw
= Temperatur dinding
K
Tnw
= Temperatur fluida dekat dinding
K
ρ
= Densitas
kg/m3
ṁ
= laju aliran masa
kg
μ
= Viskositas Dinamik
Kg/ms
Red
= Angka Reynolds
ReL0
= Angka Reynolds saluran masuk
f
= Faktor gesek
V
= Kecepatan
m/s
D
= Diameter
mm
Dh
= Diameter hidrolik
m2
DL0
= Diaameter hidrolik saluran masuk
mm2
Sx
= Jarak antar titik pusat fin tegak lurus aliran
Sy
= Jarak antar titik pusat fin sepanjang aliran
ΔP
= Perbedaan tekanan
Δy+
= Perbandingan tingkat kerapatan mesh
Pa
xviii