Permodelan Geometri dan Hasil Analisa Numerik

Maka dari perhitungan diatas tampak bahwa NPSH yang tersedia ≥ NPSH yang diperlukan dengan gate valve closed 25, sehingga pompa yang digunakan untuk melanyani instalasi yang dirancang dapat beroperasi tanpa kavitasi.

4.5 Permodelan Geometri dan Hasil Analisa Numerik

Pada pembahasan ini akan dianalisa prototype pompa sentrifugal yang digunakan pada instalasi yang direncanakan. Analisa prototype pompa sentrifugal ini menggunakan metode perhitungan komputasi dinamika fluida atau Computational Fluid Dynamics CFD dengan program komputer FLUENT 6.1.22. yang diproduksi oleh Fluent.inc. Program tersebut mampu menganalisa kemungkinan aliran fluida yang terjadi pada sebuah sistem, dengan menggunakan pendekatan metode elemen hingga. Proses simulasi CFD ini terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan, yaitu : a. Preprocessing Preprocessing merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat model dalam paket CAD Computer Aided Design , membuat mesh yang sesuai, kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat-sifat fluidanya. b. Solving Solver program inti pencari solusi CFD menghitung kondisi – kondisi yang diterapkan pada saat preprocessing. c. Postprocessing Postprocessing adalah langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan pada langkah ini adalah mengorganisasi dan Universitas Sumatera Utara menginterpretasikan data hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva, dan animasi. CFD FLUENT ini terbagi atas dua program pendukung yaitu : a. GAMBIT Geometry And Mesh Building Intelligent Toolkit GAMBIT merupakan salah satu preprocessor yang membantu untuk membuat geometri dan melakukan diskritisasi meshing pada model untuk dapat dianalisa pada program FLUENT. b. FLUENT FLUENT merupakan solver dan postprocessor yang menggunakan metode elemen hingga untuk menyelesaikan berbagai macam kasus aliran fluida dengan mesh yang tidak terstruktur sekalipun dengan cara yang relatif mudah. Diagram Alir Untuk Simulasi Universitas Sumatera Utara Gambar 4.3 Diagram Alir Simulasi pada GAMBIT MULAI MULAI membuat gambar impeller pada Autocad sesuai dimensi untuk mendapatkan nilai - nilai titik koordinat SELESAI Memasukkan file dari Autocad untuk membentuk GEOMETRI Impeller dan Housing Pump Menetapkan ukuran MESH1,5 mm Menentukan boundary condition dari GEOMETRI yang digambar Mengeksport file geometri ke file msh Universitas Sumatera Utara 1 divergen konvergen

4.5.1 Proses permodelan pompa sentrifugal

Mengimport file msh yang telah dibuat dari GAMBIT • Melakukan Grid Check • Menskalakakan ukuran • Smooth Swap Pendefenisian • Material • Satuan • Kondisi batas • Fluida • Zona masuk fluida • Zona keluar fluida • Kondisi dinding Berhasil ? PROSES ITERASI MENAMPILKAN HASIL • Distribusi tekanan • Distribusi turbulensi • Distribusi kecepatan • Grafik tekanan vs jarak Universitas Sumatera Utara Permodelan geometri dari pompa sentrifugal ini dilakukan di program GAMBIT sebagai tahap preprocessing. Dalam proses pembuatan geometri ini, prototype pompa sentrifugal tersebut digambar dalam 2 – D 2 dimensi , dan juga menggunakan program AutoCAD untuk menentukan titik – titik vertices supaya lebih mudah menggambarnya. Adapun tahap –tahap yang harus dilakukan dalam menggambar prototype geometri tersebut adalah: a. Memasukkan nilai titik – titik vertices Titik – titik yang telah digambar di AutoCAD dimasukkan ke GAMBIT melalui toolbox geometry, kemudian create real vertex. Untuk setiap sudu terdapat 14 titik vertices yang harus diinput. Setelah memasukkan setiap nilai – nilai titik di atas, lalu titik tersebut di sambungkan satu sama lain dengan menggunakan create straight edge dan create circular arc seperti pada gambar dibawah ini. Gambar 4.5 Tampilan Hasil setelah memasukan titik-titiknya Universitas Sumatera Utara b. Membuat lingkaran D h diameter hub dan lingkaran D 2 diameter sisi keluar impeller Lingkaran D h dan D 2 dibuat pada toolbox geometry, kemudian pilih create real circular face, dengan D h = 27 mm dan D 2 = 64.45 mm kemudian apply c. Memotong bidang geometri substract Setelah lingkaran-lingkaran terbentuk, kemudian bidang geometri lingkaran luar tersebut dipotong dengan sudu-sudu dan lingkaran dalam dengan menggunakan ikon substract face pada toolbox geometry dan shaded pada global control Gambar 4.6 Tampilan hasil dari substract face dan shaded d. Membuat impeller geometri mesh Jaring geometri mesh ini dibuat dari toolbox mesh face kemudian pilih face yang akan dimesh. Kemudian pada dropdown list elements pilih quad, dan pada dropdown list type pilih pave. Kemudian pada mesh spacing diketik 2, kemudian apply. Universitas Sumatera Utara Gambar 4.7 Tampilan hasil mesh e. Memberikan kondisi batas boundary condition pada geometri Sebelum memberikan kondisi batas, terlebih dahulu menentukan jenis solver yang akan dipakai nantinya, pada menu solver pilih FLUENT 56. Kemudian untuk mempermudah melihat tampilan geometri, tampilan meshnya harus disembunyikan dahulu,dengan menonaktifkan mesh pada toolbox global control pilih special display attributes kemudian menonaktifkan check box meshnya, lalu apply. Universitas Sumatera Utara Gambar 4.8 Tampilan hasil boundary condition f. Mengeksport geometri menjadi file mesh .msh Setelah geometri telah diberikan kondisi batasnya, kemudian pilih menu file kemudian klik export dan pilih mesh. Kemudian aktifkan checkbox export 2-D X-Y mesh dan accept.

4.5.2 Proses solving dan postprocessing geometri impeller pompa sentrifugal

Proses solving dan postprocessing diselesaikan dengan menggunakan program FLUENT. Geometri yang sudah dibuat di program GAMBIT akan dieksekusi di program ini dan data – data sifat fisik dari geometri tersebut diinput dalam program ini sebelum dimasukkan pada proses iterasi yang kemudian akan menghasilkan data-data yang diinginkan, dalam hal ini akan dihasilkan distribusi tekanan, distribusi turbulensi dan distribusi impeler kecepatan. Proses analisa dalam FLUENT ini dilakukan pada impeller saja dan pada saat impeller dalam housing pompa sentrifugal tersebut. Hasil analisa dari impeller pompa sentrifugal ini dapat juga memberitahu daerah- daerah yang kemungkinan terjadinya kavitasi akibat dari tekanan rendah yang terjadi dan daerah tersebut akan dapat dilihat pada distribusi tekanan nanti. Adapun tahap-tahap yang harus dilaksanakan dalam proses eksekusi ini adalah sebagai berikut: a. Membuka file mesh File mesh yang sudah disimpan pada file directory GAMBIT dibuka pada tahap ini dengan membuka menu File kemudian read case, pilih nama file msh yang disimpan lalu OK b. Memeriksa grid Geometri tersebut akan diperiksa nilai minimum dan maskimum dari x dan y dan juga memastikan bahwa luas dan volum yang terjadi adalah positif. Universitas Sumatera Utara Jikalau nilai impeller yang terjadi negatif maka geometri harus di gambar ulang di GAMBIT. Grid akan diperiksa dengan membuka menu grid lalu check. c. Menskalakan grid Pada dasarnya geometri tersebut belum memiliki satuan panjang apapun, maka grid akan diskalakan melalui menu grid kemudian scale, pada dropdown list unit pilih mm , kemudian scale. d. Memperhalus Grid Grid akan diperhalus apabila masih kasar dengan membuka menu grid, pilih smoothswap, maka akan muncul panel smoothswap grid, klik smooth kemudian klik swap lagi bergantian sampai number swappednya 0. Klik close jika sudah selesai. e. Mendefinisikan model 1. Mengatur solver yang digunakan Klik menu define lalu models, kemudian solver. Pada checkbox solver pilih segregated. Lalu klik OK 2. Mengaktifkan model aliran viscous Membuka menu define lalu models kemudian viscous model, dan aktifkan model standard k – ε , lalu klik OK. f. Menentukan Sifat Material Material yang digunakan adalah air water liquid , maka klik menu define lalu material kemudian klik database FLUENT nya. Pada dropdown list fluid materialnya pilih water liquid, kemudian klik copy, setelah itu kembali ke panel material dan klik changecreate. Universitas Sumatera Utara g. Mendefinisikan satuan Satuan untuk angular velocity masih dalam rads maka satuan tersebut akan diubah menjadi rpm dengan membuka menu define lalu klik unit, pilih angular velocity lalu klik rpm. h. Menentukan kondisi batas Kondisi batas yang telah ditentukan di GAMBIT akan diisikan dengan data-data fisik dari fluida dan geometri tersebut pada FLUENT ini. Klik define lalu Boundary Condition. Maka akan muncul panel box boundary condition kemudian pilih Fluid pada panel box boundary condition pilih set. Kemudian pilih water liquid pada material name lalu OK 1. Mendefinisikan kondisi zona inlet Pilih inlet pada panel box boundary condition pilih set. Kemudian masukkan nilai kecepatan sisi masuk pompa pada kolom velocity magnitude sebesar 1.4396 ms kemudian klik OK 2. Mendefinisikan kondisi zona outlet Pilih outlet pada panel box boundary condition pilih set kemudian klik OK. 3. Mendefinisikan kondisi pada dinding impeller wall Pilih wall pada panel box boundary condition kemudian pilih set. Kemudian pada tab momentum pilih moving wall dan pilih rotational sebagai gerakannya masukkan nilai kecepatan putarnya sebesar 2850 rpm. Universitas Sumatera Utara i. Memulai iterasi 1. Memilih pengontrol solusi Pilih menu solve kemudian pilih controls dan klik solution, lalu OK. 2. Menginisiasi iterasi Pilih menu solve kemudian pilih initialize, maka akan muncul panel solution initialization, pada dropdown list compute from pilih inlet kemudian klik init lalu close. 3. Mengaktifkan Pengeplotan residu iterasi selama proses iterasi Pengeplotan residu iterasi dibuka dari menu solver lalu pilih monitors kemudian pilih residuals. Akan muncul panel residual monitors kemudian pada check box options klik plot lalu klik OK. 4. Memulai iterasi Problem ini akan diiterasikan pada menu solver lalu pilih iterasi. Dan ketikkan number of iterations adalah 1000 lalu klik iterate Universitas Sumatera Utara Gambar 4.9 Kurva residual iterasi

4.5.3 Proses solving dan postprocessing geometri rumah pompa

Proses solving dan postprocessing diselesaikan dengan menggunakan program FLUENT. Geometri yang sudah dibuat di program GAMBIT akan dieksekusi di program ini dan data – data sifat fisik dari geometri tersebut diinput dalam program ini sebelum dimasukkan pada proses iterasi yang kemudian akan menghasilkan data-data yang diinginkan. Hasil analisa dari rumah pompa sentrifugal ini dapat juga memberitahukan distribusi kecepatan, distribusi turbulensi, serta distribusi tekanan pada rumah housing pompa tersebut. Adapun tahap-tahap yang harus dilaksanakan dalam proses eksekusi ini adalah sama dengan proses impeller diatas dengan diameter rumah pompa 144 mm dan diameter sisi keluar 26.6 mm seperti tampak pada gambar dibawah ini. Universitas Sumatera Utara Gambar 4.10 Rumah pompa dalam GAMBIT Diatas telah dibahas mengenai langkah – langkah pengerjaan Fluent sehingga dari hasil analisa rumah pompa sentrifugal ini akan diberitahukan distribusi kecepatan, distribusi turbulensi, serta distribusi tekanan pada rumah housing pompa tersebut. Gambar 4.11 Kurva residual iterasi Universitas Sumatera Utara 4.6 Analisa kavitasi dan performansi dari pompa sentrifugal 4.6.1 Analisa kemungkinan kavitasi yang terjadi Kavitasi adalah peristiwa terbentuknya gelembung-gelembung uap di dalam cairan yang terjadi akibat turunnya tekanan cairan sampai di bawah tekanan uap jenuh cairan dimana suhu air yang digunakan adalah 20 o C, maka nilai tekanan uap air jenuh adalah sebesar 2340 Nm 2 pada suhu operasi pompa. Dari hasil analisa menggunakan CFD FLUENT distribusi tekanan dan turbulensi di bawah ini akan menunjukkan daerah-daerah yang kemungkinan akan terjadi kavitasi pada pompa yang dipakai pada instalasi. Daerah –daerah yang memiliki tekanan fluida dibawah tekanan uap air jenuh atau sebesar 2340 Pa maka daerah tersebut memiliki kemungkinan terjadinya kavitasi seperti yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini. Gambar 4.12 Distribusi tekanan fluida pada rumah pompa sentrifugal Dari hasil simulasi aliran fluida di atas, ditunjukkan bahwa tidak terdapat daerah-daerah yang berpeluang untuk mengalami kavitasi pada impeler pompa sentrifugal ini, karena tidak terdapat daerah – daerah yang memiliki tekanan dibawah tekanan uap air jenuh. Namun kemungkinan terjadinya kavitasi terdapat Universitas Sumatera Utara pada sisi keluar rumah pompa sentrifugal tersebut, dikarenakan nilai tekanan pada sisi keluar rumah pompa tersebut berada dibawah tekanan uap air jenuh. Gambar 4.13 Distribusi energi turbulensi yang terjadi pada pompa sentrifugal Sedangkan kecepatan aliran pada impeller juga dapat ditentukan seperti tampak pada gambar dibawah ini.

4.6.2 Analisa performansi dari pompa sentrifugal

Dari hasil simulasi pompa sentrifugal tersebut dihasilkanlah vektor – vektor kecepatan dan nilai-nilai kecepatan yang terjadi pada rumah pompa sentrifugal tersebut. Distribusi kecepatan dihasilkan dengan menginput nilai kecepatan masuk sehingga akan dihasilkan nilai kecepatan pada sisi keluar pompa sentrifugal berdasarkan simulasi. Dengan menggunakan nilai kecepatan masuk untuk gate valve closed 25 V s = 2,062 ms maka akan didapat kecepatan rata – rata yang berada di sisi keluar rumah pompa V d . Dari hasil analisa diatas dapat ditentukan head tinggi tekan pada sisi tekan yang dihasilkan pompa tersebut. Universitas Sumatera Utara Gambar 4.14 Distribusi vektor kecepatan yang terjadi pada pompa sentrifugal Maka dari hasil distribusi diatas didapatkan nilai kecepatan rata-rata pada sisi tekan pompa sentrifugal V d tersebut sebesar 5,1 ms. Sehingga perhitungan head tinggi tekan berdasarkan simulasi H sim dapat dihitung. Sedangkan kecepatan aliran pada impeller juga dapat ditentukan seperti tampak pada gambar dibawah ini. Universitas Sumatera Utara Gambar 4.15 Distribusi kecepatan fluida pada impeller Gambar 4.16 Grafik tekanan fluida vs jarak posisi tekanan fluida 4.7 Perhitungan Tinggi Tekan Head Pompa Berdasarkan Hasil Fluent Berdasarkan hasil analisa Fluent diatas tampak bahwa kecepatan aliran fluida mengalir disisi pipa tekan adalah 5,1 ms, sehingga dapat dihitung tinggi tekan head berdasarkan hasil simulasi.

4.7.1 Tinggi Tekan Head Kecepatan

Head kecepatan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan dibawah ini. = Dimana: = beda head kecepatan = kecepatan aliran pada pipa tekan = keceparan aliran pada pipa isap Maka: Universitas Sumatera Utara = = 1,1089 m

4.7.2 Tinggi Tekan pada Pipa Isap

Dari pembahasan sebelumnya, untuk kecepatan aliran fluida pada pipa isap 2,062 ms telah dibahas tinggi tekan head yang terjadi yaitu sebesar h ls = 1,8996 m

4.7.3 Tinggi Tekan pada Pipa Tekan a. Kerugian Head akibat gesekan

Besarnya kerugian head akibat gesekan pada pipa tekan menurut Darcy- Weishbach dapat diperoleh dengan persamaan berikut: h fd = f g V d L d is s 2 2 × Untuk menentukan factor gesekan f terlebih dahulu ditentukan harga bilangan Reynold, dimana: υ is d d V = Re Dengan: = kecepatan aliran pada pipa tekan = 5,3 ms Sehingga diperoleh: Re = = 133000 Aliran yang terjadi adalah “ Turbulen “.Dari pembahasan Bab sebelumnya Kekasaran Relative = 0,005639 dan selanjutnya akan dicari harga factor gesekan dengan menggunakan diagram moody. Universitas Sumatera Utara Dari diagram moody untuk bilangan Reynold = 133000 dan e d is = 0,005639 dengan cara interpolasi maka akan diperoleh factor gesek f = 0,03202. Sehingga besarnya kerugian gesek sepanjang pipa isap menurut Darcy- Weishbach adalah : H fd = f g V d L s is 2 2 × = 0,03202 81 , 9 2 5,1 0,0266 08 , 1 2 × × × = 1,723 m

b. Kerugian Head Akibat Perlengkapan Instalasi