Pendahuluan PERMODELAN GEOMETRI DAN ANALISA NUMERIK

BAB V PERMODELAN GEOMETRI DAN ANALISA NUMERIK

5.1 Pendahuluan

Dalam bab ini akan dianalisa prototype pompa sentrifugal yang telah dirancang pada bab-bab sebelumnya. 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 menginterpretasikan data hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva, dan animasi. CFD FLUENT ini terbagi atas dua program pendukung yaitu : Universitas Sumatera Utara 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. Gambar 5.1. Tampilan awal GAMBIT 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. Gambar 5.2. Tampilan awal FLUENT Universitas Sumatera Utara 5.2 Proses permodelan pompa sentrifugal yang telah direncanakan 5.2.1 Proses permodelan impeler pompa sentrifugal

A. Proses pembuatan geometri impeler pompa sentrifugal

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. Gambar 5.3 Kotak dialog Create Real Vertex 1. Sudu 1 X Y -39,91078 6,94198 -34,15172 0,94198 -19,30071 59,18698 -15,88593 54,21082 54,74725 64,56176 52,14872 59,15365 106,76070 0,72629 Universitas Sumatera Utara 100,93919 -0,78879 97,76820 -80,27222 76.99674 100,36808 10,01951 15,57089 22,41281 -2,73311 12,81122 -22,71606 -6,95281 -27,71010 2. Sudu 2 X Y 19,10836 35,04311 17,89164 29,04277 6,90779 -12,87858 54,92216 -13,29366 25,15421 -74,73894 28,53850 -79,69339 -51,09858 -87,05275 -52,75136 -92,88312 -125,41968 -16,49709 -118,40188 -44,53363 8,44378 -16,57922 -13,63585 -18,04350 -26,07830 0,26319 -20,46712 19,90761 3. Sudu 3 X Y 16,26009 -30,04725 20,73991 -34,03863 -39,03623 -40,91716 -41,60707 -46,30840 -77,30292 15,58529 -83,28575 15,13163 -49,84060 87,71655 -54,00934 92,09433 20,63368 124,80585 48,42294 116,86517 13,26708 22,45287 27,41993 7,80249 -18,52579 0,94583 -8,83946 20,77662 Universitas Sumatera Utara 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. Gambar 5.4 Tampilan Hasil setelah memasukan titik-titiknya b. Membuat lingkaran D h diameter hub dan lingkaran D 2 diameter sisi keluar impeler Lingkaran D h dan D 2 dibuat pada toolbox geometry, kemudian pilih create real circular face, dengan D h = 36,6 mm dan D 2 = 256 mm kemudian apply. Gambar 5.5. Kotak dialog untuk membuat D h Universitas Sumatera Utara Gambar 5.6 Kotak dialog untuk membuat D 2 Gambar 5.7. Tampilan hasil pembuatan lingkaran D h dan D 2 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. Gambar 5.8. Tampilan hasil dari substract face. Universitas Sumatera Utara d. Membuat jaring 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 3, kemudian apply. Gambar 5.9 Kotak dialog pada mesh faces Gambar 5.10 Tampilan hasil mesh Universitas Sumatera Utara 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. Gambar 5.11 Kotak dialog special display attributes Lalu klik toolbox operation pilih specify boundary types, dan pada dropdown list type pilih velocity inlet, kemudian pilih edge 63 sebagai entity-nya lalu apply. Kemudian pada dropdown list type pilih outflow, dan pilih edge 64, edge 65, edge 66 sebagai entity-nya, kemudian apply. Universitas Sumatera Utara Gambar 5.12 Kotak dialog pada specify boundary types Gambar 5.13 Tampilan hasil boundary condition Universitas Sumatera Utara Gambar 5.14 Tampilan Hasil grid pompa sentrifugal dengan diameter pipa 4 inci Gambar 5.15 Tampilan hasil grid pompa sentrifugal dengan diameter pipa 3 inci Gambar 5.16 Tampilan hasil grid pompa sentrifugal dengan diameter pipa 3 inci Universitas Sumatera Utara 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. Gambar 5.17 kotak dialog untuk export mesh file

B. Proses solving dan postprocessing geometri impeler 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 vektor kecepatan. Proses analisa dalam FLUENT ini dilakukan pada impeler saja dan pada saat impeler dalam housing pompa sentrifugal tersebut. Hasil analisa dari impeler 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: Universitas Sumatera Utara 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. Gambar 5.17 Tampilan hasil file meshnya 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. Jikalau nilai negatif yang terjadi maka geometri harus di gambar ulang di GAMBIT. Grid akan diperiksa dengan membuka menu grid lalu check. Universitas Sumatera Utara Gambar 5.18 Tampilan hasil grid 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. Gambar 5.19 Tampilan hasil Grid 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. Universitas Sumatera Utara Gambar 5.20 Tampilan hasil smoothswap grid e. Mendefinisikan model 1. Mengatur solver yang digunakan Klik menu define lalu models, kemudian solver. Pada checkbox solver pilih segregated. Lalu klik OK. Gambar 5.21 Kotak dialog solver 2. Mengaktifkan model aliran viscous Membuka menu define lalu models kemudian viscous model, dan aktifkan model standard k – ε , lalu klik OK. Universitas Sumatera Utara Gambar 5.22 Kotak dialog viscous model 3. Mengaktifkan persamaan energi untuk menghitung perpindahan panas Membuka menu define lalu models dan kemudian energy, maka akan muncul kotak dialog energy dan mengaktifkan energy equation nya, kemudian klik OK. Gambar 5.23 Kotak dialog energy f. Mendefinisikan 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 Gambar 5.25 Kotak dialog material 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. Gambar 5.26 Kotak dialog unit h. Mendefinisikan 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. Universitas Sumatera Utara Gambar 5.27 Kotak dialog boundary condition 1. Mendefinisikan kondisi fluida Pilih Fluid pada panel box boundary condition pilih set. Kemudian pilih water liquid pada material name lalu OK. Gambar 5.28 Kotak dialog fluid 2. 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 2,573 ms kemudian klik OK. Universitas Sumatera Utara Gambar 5.29 Kotak dialog Zona inlet 3. Mendefinisikan kondisi zona outlet Pilih outlet pada panel box boundary condition pilih set kemudian klik OK. Gambar 5.30 Kotak Dialog Zona Outlet 4. 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 2950 rpm. Universitas Sumatera Utara Gambar 5.31 Kotak dialog zona wall i. Memulai iterasi 1. Memilih pengontrol solusi Pilih menu solve kemudian pilih controls dan klik solution, lalu OK. Gambar 5.32 kotak dialog solution control 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. Universitas Sumatera Utara Gambar 5.33 kotak dialog solution initialization 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. Gambar 5.34 Kotak dialog residual monitors 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 5.35 Kotak panel iterasi Gambar 5.36 Kurva residual iterasi

5.2.2 Proses solving dan postprocessing geometri rumah 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. 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 sebagai berikut: Universitas Sumatera Utara 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. Gambar 5.37 Tampilan hasil file mesh rumah pompa 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. Jikalau nilai negatif yang terjadi maka geometri harus di gambar ulang di GAMBIT. Grid akan diperiksa dengan membuka menu grid lalu check. Universitas Sumatera Utara Gambar 5.38 Tampilan hasil grid check rumah pompa 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. Gambar 5.39 Tampilan hasil Grid scale rumah pompa d. Memperhalus Grid Grid akan diperhalus apabila masih kasar dengan membuka menu grid,pilih smoothswap, maka akan muncul panel smoothswap grid, klik Universitas Sumatera Utara smooth kemudian klik swap lagi bergantian sampai number swappednya 0. Klik close jika sudah. Gambar 5.40 Tampilan hasil smoothswap grid rumah pompa e. Mendefinisikan model 4. Mengatur solver yang digunakan Klik menu define lalu models, kemudian solver. Pada checkbox solver pilih segregated. Lalu klik OK. Gambar 5.41 Kotak dialog solver rumah pompa 5. Mengaktifkan model aliran viscous Membuka menu define lalu models kemudian viscous model, dan aktifkan model standard k – ε , lalu klik OK. Universitas Sumatera Utara Gambar 5.42 Kotak dialog viscous model rumah pompa 6. Mengaktifkan persamaan energi untuk menghitung perpindahan panas Membuka menu define lalu models dan kemudian energy, maka akan muncul kotak dialog energy dan mengaktifkan energy equation nya, kemudian klik OK. Gambar 5.43 Kotak dialog energy rumah pompa f. Mendefinisikan 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 Gambar 5.44 Kotak dialog material rumah pompa 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. Gambar 5.45 Kotak dialog unit rumah pompa h. Mendefinisikan 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. Universitas Sumatera Utara Gambar 5.46 Kotak dialog boundary condition rumah pompa 1. Mendefinisikan kondisi fluida Pilih Fluid pada panel box boundary condition pilih set. Kemudian pilih water liquid pada material name lalu OK. Gambar 5.47 Kotak dialog fluid rumah pompa 2. 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 2,573 ms kemudian klik OK. Universitas Sumatera Utara Gambar 5.48 Kotak dialog Zona inlet 3. Mendefinisikan kondisi zona outlet Pilih outlet pada panel box boundary condition pilih set, Lalu ketikkan diameter sisi tekan diameter dalam pipa tekan kemudian klik OK. Gambar 5.49 Kotak Dialog Zona Outlet 4. Mendefinisikan kondisi pada dinding impeller impeler Pilih impeler 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 2950 rpm. Universitas Sumatera Utara Gambar 5.50 Kotak dialog zona impeller 5. Mendefinisikan kondisi pada dinding rumah pompa wall Pilih wall pada panel boundary condition pilih set, karena dinding tidak mengalami pergerakan apapun stationary , maka biarkan panel pada kondisi defaultnya lalu klik OK. Gambar 5.51 Kotak Dialog zona wall i. Memulai iterasi 1. Memilih pengontrol solusi Pilih menu solve kemudian pilih controls dan klik solution, lalu OK. Universitas Sumatera Utara Gambar 5.52 kotak dialog solution control 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. Gambar 5.53 kotak dialog solution initialization 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. Universitas Sumatera Utara Gambar 5.54 Kotak dialog residual monitors 4. Memulai iterasi Problem ini akan diiterasikan pada menu solver lalu pilih iterasi. Dan ketikkan number of iterations adalah 1000 lalu klik iterate. Gambar 5.55 Kotak panel iterasi Gambar 5.56 Kurva hasil residual iterasi Universitas Sumatera Utara

5.3 Analisa kavitasi dan performansi dari pompa sentrifugal yang telah direncanakan