TUGAS AKHIRSTUDI PARAMETER MODEL PENANGKAP ANGIN PADA Studi Parameter ModelPenangkap Angin Pada Sistem TowerPendinginan Evaporasi Menggunakan CFD Untuk Mendapatkan Laju optimal Udara.

TUGAS AKHIR

STUDI PARAMETER MODEL PENANGKAP ANGIN PADA
SISTEM TOWER PENDINGINAN EVAPORASI
MENGGUNAKAN CFD UNTUK MENDAPATKAN LAJU
OPTIMAL UDARA

Diajukan Untuk Memenuhi Tugas Dan Syarat Guna Memperoleh Gelar
Sarjana S1 Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah
Surakarta

Disusun :
ABDULLAH
NIM : D.200.110.053

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2016
i

ii

.

iii

iv

v

MOTTO

“Mencari ilmu itu adalah wajib bagi setiap muslim laki-laki dan muslim
perempuan”
(Al-Hadits)

“Sesungguhnya Allah tidak akan merubah nasib suatu kaum, kecuali
kaum itu sendiri yang merubah apa-apa yang ada pada diri mereka ”
(Q.S Ar-Ra’d:11)

“Sepandai apapun kita, setinggi apapun jabatan kita,

sehebat apapun kita, Hormatilah orang yang lebih tua”
(Penulis)

vi

PERSEMBAHAN

Syukur Alhamdulillah, hamba haturkan atas rahmat, karunia dan
keridhaan Allah SWT yang menggenggam dan penguasa seluruh jiwa ini.
Berkat keridhaan-Nya karya sederhana ini dapat terselesaikan dengan
baik. Dengan rasa syukur karya ini penulis persembahkan untuk:
v Ibunda tercinta Ro’idah serta ayahanda tercinta Damiri yang tak
kenal lelah melangkah untuk mendidik dan mengasuh buah hatinya
dengan sentuhan penuh kasih sayang.
v Kakak yang penulis banggakan Muhammad Hasyim serta adikku
tersayang Doni Setiawan,

terima kasih atas doa, dukungan,

motivasi, dan semangatnya.

v Sahabat dan teman perjuangan Andre, Eko, Agung, Riski, Jamal
terima kasih atas kerja samanya selama penelitian.
v Teman-teman Teknik Mesin angkatan 2011, Punto, Toriq, Ony,
Shobar, Adnan, Agus, Andi, serta teman-teman lain yang tidak
dapat disebutkan satu persatu, terima kasih atas kebersamaan,
bantuan,

dan dukungannya selama menempuh masa studi.

Sehingga penulis bisa sampai pada titik ini.
v LPM CAMPUS, Ikatan Keluarga Mahasiswa Sumatera Selatan
(IKMASS) sebagai tempat bagi penulis mengais pengalaman serta
keluarga baru di tanah rantau.

vii

KATA PENGANTAR

Assalamu’alaikum Wr. Wb.
Syukur Alhamdulillah, penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas

berkah dan rahmat-Nya sehingga penyusunan laporan penelitian 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 mendapatkan
bantuan dari berbagai pihak, dengan segala kerendahan hati dan penuh
keikhlasan, penulis menyampaikan terima kasih kepada:
1. Bapak Ir. Sri Sunarjono, MT., Ph.D,.sebagai Dekan Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
2. Bapak Tri Widodo Besar Riyadi, ST., Msc., Ph.D, selaku Ketua
Jurusan Teknik Mesin.
3. Bapak Ir. Sarjito, MT., Ph.D Selaku pembimbing utama yang telah
memberikan pengarahan, bimbingan dan saran hingga Tugas
Akhir ini dapat terselesaikan.
4. Bapak Nur Aklis, ST,. M.Eng. Selaku pembimbing pendamping
yang telah berkenan untuk memberikan bimbingan dan arahannya.
5. Bapak Ir. Tri Tjahjono, MT. selaku dosen pembimbing akademik
viii

6. Dosen

Jurusan

Teknik

Mesin

Universitas

Muhammadiyah

Surakarta yang telah memberi ilmu pengetahuan kepada penulis
selama mengikuti kegiatan kuliah.

Akhir kata, penulis mohon maaf atas kekurangan dan kesalahan
dalam penulisan Tugas Akhir ini, yang disebabkan adanya keterbatasanketerbatasan antara lain waktu, dana, literature yang ada, dan
pengetahuan yang penulis miliki. Harapan penulis semoga kekurangan
tersebut dapat terpenuhi pada penulis selanjutnya.
Tugas Akhir ini semoga dapat bermanfaat khususnya bagi penulis

dan pihak lain pada umumnya, Aamiin Ya Rabbal’alamiin.

Wassalamu’alaikum Wr. Wb.

Surakarta, Oktober 2016

Penulis

ix

STUDI PARAMETER MODEL PENANGKAP ANGIN PADA SISTEM
TOWER PENDINGINAN EVAPORASI MENGGUNAKAN CFD UNTUK
MENDAPATKAN LAJU OPTIMAL UDARA
Abdullah , Sarjito, Nur Aklis
Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl. A. Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura
Email : abdullah859103@gmail.com

ABSTRAK
Penelitian ini merupakan pengembangan dari peneliti-peneliti

sebelumnya, yang meneliti wind catcher (penagkap angin) menggunakan
computational fluid dynamic (CFD). Dimana dalam penelitian sebelumnya
tidak dilakukan variasi bentuk baffle. Tujuan penelitian ini adalah untuk
membandingkan kemampuan dua tipe wind catcher dalam mendapatkan
laju udara yang optimal. Tipe yang pertama yaitu wind catcher dirancang
tanpa baffle dan tipe yang kedua yaitu wind catcher dirancang
menggunakan baffle yang terdiri dari; wind catcher dengan berbentuk
baflle silinder, baffle persegi, baffle berbentuk plus dengan empat lubang,
dan wind catcher baffle gabungan delapan lubang.
Simulasi dilakukan dengan variasi kecepatan udara masuk 0.5m/s
sampai 5m/s pada ketinggian 11,5 m. Karena bentuk benda yang
kompleks maka digunakan unstructured mesh. Pada wind catcher tanpa
baffle menghasilkan elemen sebanyak 1237341, sedangkan wind catcher
dengan baffle silinder menghasilkan elemen sebanyak 2090432, baffle
persegi menghasilkan elemen sebanyak 2366514, baffle plus
menghasilkan elemen sebanyak 4425278, dan baffle gabungan
menghasilkan elemen sebanyak 7747840. Awalnya, turbulen model kepsilon dipilih dalam simulasi ini karena waktu yang dibutuhkan bisa lebih
cepat.
Studi parameter model wind catcher dilakukan dua tahap, tahap
yang pertama adalah membandingkan kemampuan performa dari kelima

bentuk wind catcher. Dimana pada studi ini diketahui bahwa wind catcher
empat lubang dengan baffle berbentuk plus memiliki hasil yang paling
optimal, dan yang kedua adalah studi perpanjangan baffle. dimana pada
studi ini wind catcher tersebut dimodifikasi dengan memperpanjang baffle
dengan panjang 1m. Dari hasil perbandingan tersebut dapat diketahui
bahwa wind catcher dengan satu baffle diperpanjang memiliki hasil yang
x

optimal. Selanjutnya simulasi wind catcher diteruskan dengan studi
inflation boundary layer dan studi berbagai model turbulen. Pada studi
inflation boundary layer, jumlah maximum layer divariasikan dari: 5, 10,
15, dan 20 dengan kecepatan udara 5 m/s. Hasil yang paling optimal
diperoleh pada studi dengan maximum layer yang berjumlah 10. Setelah
diketahui maximum layer tersebut memiliki hasil yang paling optimal
selanjutnya dilakukan simulasikan kembali dengan studi berbagai model
turbulen. Model turbulen yang digunakan sebagai parameter, yaitu:
turbulen model k-epsilon, Shear Stress Transport, BSL Reynold Stress,
dan SSG Reynold Stress. Kecepatan udara yang digunakan sama seperti
pada studi inflation boundary layer sebelumnya yaitu 5 m/s. Studi ini
menunjukan bahwa turbulen model SSG Reynold Stress mampu

memperoleh hasil yang optimal. Seluruh pengujian dilakukan secara
komputasi menggunakan ANSYS,versi 15.0.
Kata kunci: CFD, Wind Catcher, ventilasi alami

xi

STUDY OF PARAMETERS WIND CATCHER MODEL
ON EVAPORATION COOLING TOWER SYSTEM USING CFD
TO GET THE OPTIMAL RATE OF AIR
Abdullah, Sarjito, Nur Aklis
Department of Mechanical Enginering,
Universitas Muhammdiyah Surakarta
Jl. A. Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura
Email:abdullah859103@gmail.com
ABSTRACT

This research is an extension of previous researchers about wind
catcher using computational fluid dynamic (CFD). The previous research
did not use baffle variations. The aim of the research work was to compare
two type ability of wind catcher in obtaining optimum mass flow rate. The

first type was wind catcher was designed without baffle and second type
was wind catcher designed using baffle that consisted of; wind catcher
with cylinder baffle, square baffle, plus with four holes baffle, and
combined wind catcher with eight holes baffle.
Simulation was carried out in vary of incoming wind speed of
0.5m/s to 5m/s at 11,5m height. Due to the complexity of geometry then
unstructured mesh was adopted. The wind catcher without baffle resulted
total element of 1237341, whereas, wind catcher with cylinder baffle
resulted in 2090432 element, square baffle resulted element of 2366514,
baffle plus resulted in element of 4425278, and combined baffle produced
element of 7747840. Initially, The k-epsilon turbulen model was selected in
this simulation as it is robust in time.
The parametric study of wind catcher model was carried out in two
steps; the first step was comparing performa of five shape of wind catcher.
Where, the wind catcher with four holes with plus baffle resulting optimum
mass flow rate, and the second performance was demonstrated by
studying effect of extension baffle. In this study, wind catcher was modified
by extending baffle of 1m. Result of the comparison study showed that
wind catcher with one extension baffle resulted an optimal performance.
Further simulation was by investigating different inflation boundary layer

and different turbulen model. In studying inflation boundary layer, total
maximum of layer was varying from: 5, 10, 15, dan 20 at wind speed of 5
m/s. The optimum performance was reached by maximum layer of 10. The

xii

study of turbulence model was carried out at all simulation involved kepsilon, Shear Stress Transport, BSL Reynold Stress, dan SSG Reynold
Stress turbulence model. The wind speed was set as same as in studying
inflation boundary layer of 5 m/s. The Studi showed that SSG Reynold
Stress turbulen model was able to reach an optimum performance. All
simulation was carried out using ANSYS,version 15.0.

Keywords: CFD, Wind Catcher, natural ventilation

xiii

DAFTAR ISI
Halaman Judul ..................................................................................

i

Pernyataan Keaslian Skripsi .............................................................

ii

Halaman Persetujuan .......................................................................

iii

Halaman Pengesahan ......................................................................

iv

Lembar Soal Tugas Akhir .................................................................

v

Lembar Motto.....................................................................................

vi

Persembahan ....................................................................................

vii

Kata pengantar .................................................................................

vii

Abstrak .............................................................................................

x

Daftar Isi ...........................................................................................

xiv

Daftar Gambar ...................................................................................

xvii

Daftar Tabel ......................................................................................

ix

Daftar Simbol ....................................................................................

xx

BAB I PENDAHULUAN
1.1 .Latar Belakang … ...........................................................

1

1.2 .Perumusan masalah ........................................................

4

1.3 .Batasan Masalah .............................................................

4

1.4 .Tujuan Penelitian .............................................................

5

1.5 .Sistematika Penulisan......................................................

5

BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI
2.1 .Tinjauan Pustaka ...........................................................

6

2.2 .Landasan Teori .............................................................

11

xiv

2.2.1 Aliran laminer .........................................................

11

2.2.2. Aliran Transisi .......................................................

12

2.2.3. Aliran Turbulen......................................................

12

2.2.4. Konsep Dasar Aliran Fluida .................................

13

2.2.5. Pendinginan Evaporasi .........................................

18

2.2.6 Computational Fluid Dynamic ...............................

20

2.2.7. Model Turbulen Pada CFD ...................................

24

BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Diagram Alir Penelitian ..................................................

29

3.2. Desain Wind Catcher .....................................................

30

3.3. Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD) ...............

31

3.3.1. Geometri Wind Catcher.........................................

32

3.3.2. Messhing...............................................................

33

3.3.3. Boundary Condition. .............................................

36

3.3.4. Solution Convergence...........................................

37

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Validasi Data ..................................................................

40

4.2. Hasil Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD). .....

42

4.2.1. Studi Parameter Model Penangkap Angin ............

42

4.2.2. Studi Perpanjangan Baffle. ...................................

47

4.2.3. Studi Perbedaan Inflation Boundary Layer............

49

4.2.4. Studi Berbaai Model Turbulen...............................

51

4.2.5. Visualisasi Kecepatan Angin.................................

53

xv

BAB V PENUTUP
5.1. Kesimpulan ...................................................................

54

5.2. Saran .............................................................................

55

DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN

xvi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Jenis-jenis Aliran Fluida................................................

12

Gambar 2.2 Lapisan Batas Disepanjang Plat Datar .........................

16

Gambar 2.3 Aliran Separasi Yang Terjadi Pada Silinder ..................

16

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian .................................................

29

Gambar 3.2 Wind Catcher Tanpa Baffle...........................................

30

Gambar 3.3 Wind Catcher Dengan baffle Persegi............................

30

Gambar 3.4 Wind Catcher Dengan Baffle Silinder ...........................

30

Gambar 3.5 Wind Catcher Dengan Baffle Silang .............................

31

Gambar 3.6 Wind Catcher Dengan Baffle Gabungan.......................

31

Gambar 3.7 Computational Domain .................................................

33

Gambar 3.8 Permukaan Grid............................................................

35

Gambar 3.9 Letak Boundary Condition ............................................

36

Gambar 3.10 Solution Convergence .................................................

38

Gambar 4.1 Hubungan Kecepatan Angin Terhadap Massflow Dibagian
Outlet ............................................................................

39

Gambar 4.2 Tipe-tipe Baffle yang diteliti...........................................

40

Gambar 4.3 Mass Flow Pada Plan Outlet.........................................

41

Gambar 4.4 Korelasi Kecepatan Angin Di Komputasional Domain Dengan
Variasi Baffle.................................................................

43

Gambar 4.5 Baffle Diperpanjang .......................................................

44

xvii

Gambar 4.6 Hubungan Kecepatan Angin Dengan Perpanjangan Baffle..46
Gambar 4.7 Pengaruh Jumlah Maximum Layer Terhadap Elemen dan
Massflow.......................................................................

48

Gambar 4.8 Hubungan Model Turbulen Terhadap Mass flow...........

49

Gambar 4.9 Visualisasi kKecepatan Angin .......................................

50

xviii

DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Tingkat Kelembutan Mesh ...................................................

34

Tabel 3.2 Pengatura Inflation Pada Proses Mesh ...............................

34

Tabel 3.3 Hasil Messhing ...................................................................

35

Tabel 3.4 Ringkasan Boundary Condition Pada CFD..........................

37

Tabel 4.1 Ukuran Kelembutan Messh .................................................

38

Tabel 4.2 Pengaruh Bentuk Baffle Terhadap Mass Flow (kg/s) yang
dihasilkan ............................................................................

42

Tabel 4.3 Hasil Perpanjangan Baffle Terhadap Mass Flow.................

45

Tabel 4.4 Hasil Perbedaan Inflation Boundary Layer Pada Kecepatan
udara 5 m/s. ........................................................................

47

Tael 4.5 Hasil Evaluasi Model Turbulen Pada Kecepatan Udara m/s .

49

xix

DAFTAR SIMBOL
A

: Luas area (m2)

D

: Diameter dalam (m)

V

: Kecepatan (m/s)

Q

: Debit (m3/s)

ṁ

: Laju aliran massa (kg/s)

p

: Tekanan (Pa)

ρ

: Densitas udara (kg/m3)

j

: Relatif humadity (%)

Re

: Bilangan reynold

µ

: viskositas dinamik (kg/m.s)

U

: vector kecepatan (m/s)

U

: Kecepatan arah x (m/s)

V

: Kecepatan arah y (m/s)

W

: Kecepatan arah z (m/s)

K

: Termal konduktivitas (W/m.K)

T

: Temperatur (0C)

R

: Konstanta udara (J/kg.K)

Cv

: Panas spesifik

i

: internal energy (J/kg)

SMx

: Momentum x (N/m3)

SMy

: Momentum y (N/m3)

SMz

: Momentum z (N/m3)
xx

Si

: Massa energy dalam (W/m3)

Φ

: Fungsi penghilangan kekentalan (W/3)

k

: Energy kinetic turbulen (m2/s2)

xxi