Analisa Prestasi Turbin Vortex Dengan Menggunakan Perangkat Lunak CFD Pada Dua Variasi Dimensi Sudu Serta Variasi Debit Air Masuk

  ANALISA A PRESTA ASI TURB BIN VOR RTEX DE ENGAN MENG GGUNAK KAN PER RANGKA AT LUNA AK CFD P PADA DU UA

VAR RIASI DIM MENSI S SUDU SER RTA VAR RIASI DE EBIT AIR R MASU UK SKRIP PSI

  Sk kripsi Yang g Diajukan Untuk Mel lengkapi Sy yarat Memp peroleh Ge lar Sarjana a Teknik

FAISAL H F HAJJ N NIM. 08 04 401 072 DE PARTE MEN TE EKNIK MESIN N FAKU ULTAS TEKNI K UNIV

  

VERSITA AS SUM MATERA A UTAR RA

MEDA AN 2013

  

3

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, atas segala Karunia dan Rahmat-Nya yang senantiasa diberikan kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini.

  Skripsi ini merupakan salah satu persyaratan untuk memenuhi syarat guna memperoleh gelar Sarjana Teknik (ST) Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Skripsi ini adalah “ANALISA

  

PRESTASI TURBIN VORTEX DENGAN MENGGUNAKAN

PERANGKAT LUNAK CFD PADA DUA VARIASI DIMENSI SUDU SERTA VARIASI DEBIT AIR MASUK”

  Selama penulisaan laporan ini penulis banyak mendapat bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis menyampaikan banyak terima kasih kepada : 1.

  Kedua orang tua saya Bapak Sabaruddin dan Ibu Rosmalasari Siregar, yang terus menerus memberikan dukungan baik moril ataupun materil, juga kepada kakak dan adik saya untuk dapat menyelesaikan tulisan ini.

  2. Bapak Ir. Syahril Gultom, MT, selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan arahan, bimbingan, nasehat, dan pelajaran berharga hingga Skripsi ini dapat terselesaikan.

  selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin USU 4. Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME. selakuDekan FT USU 5.

  Seluruh Staf Pengajar pada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan pengetahuan kepada penulis hingga akhir studi dan seluruh pegawai administrasi di Departemen Teknik Mesin.

  6. Kepada teman saya Irham F Tanjung (a.k.a Raft) sebagai rekan seperjuangan dalam menyelesaikan tugas akhir ini, juga kepada rekan- rekan saya team turbin vortex, Saudara Veri Nando Sihombing (a.k.a Wak

  VER) dan Ferdy J Marpaung (a.k.a Jeck) 7. Rekan-rekan Turbineers lainnya yang bergabung dalam team NACA dan team Pelton.

  8. Saudara Munawir R Siregar,ST , sebagai guru spiritual sekaligus Guru ANSYS yang banyak berjasa membantu dalam penulisan laporan Tugas akhir ini. Juga kepada Saudara Hedi Hermawan Hrp yang telah membantu

  9. Sareep, Arlan kelana, Alek ST , Petsu ST, Jona ST, serta sahabat-sahabat lainnya yang baik hati, rajin menabung dan menghibur.

  10. Rekan-rekan mahasiswa di Departemen Teknik Mesin USU khususnya angkatan 2008 dan semua pihak yang membantu dalam menyelesaikan skripsi ini.

  Dalam penulisan tugas akhir ini penulis menyadari banyak kekurangan. Oleh karena itu segala kritik yang bersifat membangun akan diterima dengan senang hati untuk kemajuan bersama. Akhir kata, semoga Skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua dan dapat dilanjutkan oleh rekan-rekan mahasiswa lain.

  Medan, Oktober 2013

  Penulis

ABSTRAK

  Turbin Vortex adalah salah satu jenis turbin mikrohidro yang menggunakan pusaran air sebagai penggerak sudunya. Turbin Vortex mempunyai head yang relatif rendah 0,7m-1,4m dan debit air 0,02 m /s yang mengalir terus

menerus, turbin ini sangat cocok digunakan di aliran sungai. Tugas Akhir ini

sendiri adalah menganalisa dan mensimulasi secara numerik Turbin Vortex

dengan bantuan software Ansy 14 menggunakan CFD. CFD dapat menganalisa

atau memprediksi aliran fluida yang ada pada turbin vortex. Analisis dilakukan

pada aliran tiga dimensi (3D), steady, turbulen dan incompresible. Variabel yang

digunakan untuk dianalisa anatara lain, sudu dan. Bentuk sudu lengkung

berjumlah 4. Didapat efisiensi maksimum pada sudu II sebesar 40,88% pada

debit 0,0055 m

  3 /s. Pada sudu III didapat efisiensi maksimum sebesar 43,29% pada debi 0,0055 m

  3 /s.

  Kata kunci: Efisiensi, CFD, Ansys, Turbin Vortex, Sudu, Debit

                         

  

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ...................................................................................... i ABSTRAK ........................................................................................................ iii DAFTAR ISI ..................................................................................................... iv DAFTAR TABEL ............................................................................................ vii DAFTAR GAMBAR ........................................................................................ viii DAFTAR SIMBOL .......................................................................................... ix

  2.4.1 Fluida Statis dan Dinamis ........................................................... 14

  2.7 Metode CFD Menggunakan Perangkat lunak Fluent ............................ 31

  2.6.1 Persamaan Pembentuk Aliran ..................................................... 26

  2.6 Perhitungan Dinamika Fluida ............................................................... 25

  2.5.4.1 Perhitungan Performansi Dan Efisiensi Turbin .................. 24

  2.5.4. Turbin Vortex ............................................................................. 20

  2.5.3 Aliran Vortex Kombinasi ............................................................ 20

  2.5.2 Aliran Vortex Paksa .................................................................... 20

  2.5.1 Aliran Vortex Bebas ................................................................... 18

  2.5 Vortex.................................................................................................... 16

  2.4.2 Aliran Laminar dan Aliran Turbulen .......................................... 15

  2.4 Fluida dan Klasifikasinya...................................................................... 14

  BAB I PENDAHULUAN ................................................................................. 1

  2.3.2 Perbandingan Karakteristik Air ................................................... 12

  2.3.1 Klasifikasi Turbin Air .................................................................. 9

  2.3 Turbin Air ............................................................................................. 7

  2.2 Jenis-jenis Turbin ................................................................................. 6

  2.1 Sejarah turbin ........................................................................................ 4

  BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...................................................................... 4

  1.5 Sistematika Penelitian ........................................................................... 3

  1.4 Manfaat Penelitian ................................................................................ 2

  1.3 Tujuan Penelitian .................................................................................. 2

  1.2 Batasan Masalah ................................................................................... 2

  1.1 Latar Belakang ...................................................................................... 1

  2.7.1 FLUENT ..................................................................................... 31

  2.7.2 Skema Numerik .......................................................................... 33

  3.1 Proses Pre-Processing ........................................................................... 42

  4.2 Analisa Kecepatan Pada Model Uji ....................................................... 57

  4.1.2 Analisa vector kecepatan ............................................................. 53

  4.1.1 Analisa Terhadap Kontur Kecepaatan ......................................... 47

  4.1 Analisi Mesh ......................................................................................... 48

  BAB IV HASIL DAN ANALISA DATA ........................................................ 48

  3.3 Menjalankan Simulasi ........................................................................... 47

  3.2.3 Pengaturan Simulasi (Simulation Setting) .................................. 47

  3.2.2 Menentukan Kondisi Batas ......................................................... 46

  3.2.1 Menentukan jenis Aliran ............................................................. 46

  3.2 Menentukan Solution Solver ................................................................. 46

  3.1.3 Diskritasi ..................................................................................... 46

  3.1.2 Menentukan Domain .................................................................. 44

  3.1.1 Pembuatan Model ....................................................................... 42

  BAB III METODE PENELITIAN ................................................................. 42

  2.7.2.1 Metode Solusi Segregated ................................................... 34

  2.9.2.2 SST ...................................................................................... 40

  2.9.2.1 Standard ............................................................................... 40

  ω) .......................................................... 40

  2.9.2 Permodelan k-omega (k-

  2.9.1.3 Realizable ............................................................................ 39

  2.9.1.2 RNG .................................................................................... 39

  2.9.1.1 Standard ............................................................................... 39

  2.9.1 Permodelan k-epsilon (k- ) ............................................................ 39

  2.9 Model Turbulen (Turbulence Modeling) .............................................. 38

  2.8 Diskritisasi Coupled Solver ................................................................... 38

  2.7.4 Bentuk Linearisasi Persamaan Diskrit ........................................ 37

  2.7.3.2 Second-Order Upwind Scheme ........................................... 36

  2.7.3 Diskritasi ..................................................................................... 34

  2.7.2.2 Metode Solusi Coupled ....................................................... 34

  42.1 Kecepatan Aliran di Inlet .............................................................. 57

  4.2.2 Kecepatan Aliran di Outlet ......................................................... 61

  4.3 Analisis Tekanan Model Uji .................................................................. 65

  4.3.1 Analisa Tekana Pada Sudu .......................................................... 65

  4.3.2 Analisa Tekanan Pada Outlet ...................................................... 69

  4.3.3 Analisa Tekanan Pada Inlet ......................................................... 71

  4.4 Perhitungan Efisiensi Turbin ................................................................ 72 4.4.1 perhitungan efiseinsi pada Sudu II ............................................. 75

  4.4.2 Perhitungan Efisiensi pada Sudu III ........................................... 78

  4.5 Validasi ................................................................................................. 79

  4.5.1 Metode Validasi .......................................................................... 79

  4.5.2 Perbandingan Efisiensi dari CFD terhadap Hasil Eksperimental 80

  BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................... 82

  5.1 Kesimpulan ........................................................................................... 82

  5.2 Saran ..................................................................................................... 83

  DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................... x LAMPIRAN ....................................................................................................... xi

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Pengelolmpokan Turbin ..................................................................... 9Tabel 2.2 Kecepatan Spesifik Turbin ................................................................. 12Tabel 3.1 Bentuk Model Penelitian .................................................................... 40Tabel 3.2 Kondisi Batas ..................................................................................... 44Tabel 3.3 Pengaturan Simulasi ........................................................................... 44Tabel 4.1 Hasil Perhitungan Torsi (Nm) ............................................................ 72Tabel 4.2 Nilai Daya Turbin .............................................................................. 73Tabel 4.3 nilai kecepatan air dan debit air ......................................................... 73Tabel 4.4 Nilai laju aliran massa pada bukaan katup 30°, 60°, dan 90° ............. 74Tabel 4.5 Daya Air (Pair) .................................................................................... 74Tabel 4.6 Efisiensi Turbin Vortex pada bukaan katup 30 derajat ....................... 75Tabel 4.7 Efisiensi Turbin Vortex pada bukaan katup 60 derajat ....................... 75Tabel 4.8 Efisiensi Turbin Vortex pada bukaan katup 90derajat ....................... 75Tabel 4.9 Efisiensi Turbin sudu III pada bukaan katup 30 derajat ..................... 77Tabel 4.10 Efisiensi Turbin sudu III pada bukaan katup 60 derajat ................... 77Tabel 4.11 Efisiensi Turbin sudu III pada bukaan katup 90 derajat ................... 77Tabel 4.12 perbandingan hasil efisiensi eksperimental dengan CFD pada sudu II

  .......................................................................................................... 80

Tabel 4.13 perbandingan hasil efisiensi eksperimental dengan CFD pada sudu III

  .......................................................................................................... 80

   

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Kincir Air ....................................................................................... 7Gambar 2.2 Klasifikasi Turbin Air. (A) Turbi Francis (B) Turbin Kaplan (C)

  Turbn Pelton .................................................................................... 10

Gambar 2.3 Skema Turbin Pancar (Turbin Pelton), Jalannya Tekanan Di Dalam

  Pipa Dan Di Dalam Roda Jalan ....................................................... 11

Gambar 2.4 Perbandingan Karakteristik Turbin ................................................ 13Gambar 2.5 Karakteristik Turbin Vortex ........................................................... 13Gambar 2.6 Daerah Penggunaan Dari Beberapa Jenis Konstruksi Turbin Yang

  Berbeda ........................................................................................... 13

Gambar 2.7 Perpindahan Aliran Dari Laminar Ke Turbulen ............................. 15Gambar 2.8 Pusaran Air ..................................................................................... 16Gambar 2.9 Pola Garis Arus Untuk Sebuah Vortex .......................................... 18Gambar 2.10 Gerakan Elemen Fluida Dari A Ke B : Vortex Bebas .................. 20Gambar 2.11 Gerakan Elemen Fluida Dari A Ke B : Vortex Paksa .................. 23Gambar 2.12 Konservasi Massa Pada Elemen Fluida ....................................... 25Gambar 2.13 Konservasi Momentum Pada Elemen Fluida ............................... 26Gambar 2.14 Konservasi Energi Pada Elemen Fluida ....................................... 32Gambar 2.15 Volume Kendali Digunakan Sebagai Ilustrasi Diskretisasi

  Persamaan Transport Skalar ............................................................ 33

Gambar 2.16 Volume Kendali Digunakan Sebagai Ilustrasi Diskretisasi

  Persamaan Transport Skalar Pada Model Sel 2D Quadrilateral. ..... 33

Gambar 3.1 Computational Domain .................................................................. 38Gambar 3.2 Bentuk Mesh Dari Rumah Sudu Dan Sudu Turbin ........................ 39Gambar 4.1 bentuk mesh pada kecepatan air masuk 0,93 m/s ........................... 48Gambar 4.2 kontur kecepatan fluida dengan kecepatan air masuk 0,93 m/s ..... 49Gambar 4.3 bentuk mesh pada kecepatan air masuk 1,006 m/s ......................... 49Gambar 4.4 kontur kecepatan pada kecepatan air masuk 1,006 m/s .................. 50Gambar 4.5 bentuk mesh pada kecepatan air masuk 1,0 6 m/s .......................... 50Gambar 4.6 kontur kecepatan pada kecepatan air masuk 1,06 m/s .................... 51Gambar 4.7 bentuk mesh pada kecepatan air masuk 0,93 m/s .......................... 51Gambar 4.8 kontur kecepatan pada kecepatan air masuk 0,93 m/s .................... 52Gambar 4.9 bentuk mesh pada kecepatan air masuk 1,006 m/s ......................... 52Gambar 4.10 kontur kecepatan pada kecepatan air masuk 1,006 m/s ................ 53Gambar 4.11 bentuk mesh pada kecepatan air masuk 1,06 m/s......................... 53Gambar 4.13 vektor kecepatan fluida pada sudu II debit 1 ................................ 55Gambar 4.14 vektor kecepatan fluida pada sudu II debit 2 ................................ 55Gambar 4.15 vektor kecepatan fluida pada sudu II debit 3 ................................ 56Gambar 4.16 vektor kecepatan fluida pada sudu III debit 1 .............................. 56Gambar 4.17 vektor kecepatan fluida pada sudu III debit 2 .............................. 57Gambar 4.18 vektor kecepatan fluida pada sudu III debit 3 .............................. 57Gambar 4.19 kontur kecepatan di inlet pada sudu II debit 1 ........................... 58Gambar 4.20 kontur kecepatan di inlet pada sudu II debit 2 ............................. 59Gambar 4.21 kontur kecepatan di inlet pada sudu II debit 3 ............................. 59Gambar 4.22 kontur kecepatan di inlet pada debit 1 .......................................... 60Gambar 4.23 kontur kecepatan di inlet pada debit 2 .......................................... 61Gambar 4.24 kontur kecepatan di inlet pada debit 3 .......................................... 61Gambar 4.25 letak outlet di rumah sudu ............................................................ 62Gambar 4.26 kontur kecepatan fluda di outlet pada debit 1 ............................... 62Gambar 4.27 kontur kecepatan fluda di outlet pada debit 2 ............................... 63Gambar 4.28 kontur kecepatan fluda di outlet pada debit 3 ............................... 63Gambar 4.29 kontur kecepatan fluida di outlet pada debit 1 ............................. 64Gambar 4.30 kontur kecepatan fluida di outlet pada debit 2 ............................. 64Gambar 4.31 kontur kecepatan fluida di outlet pada debit 3 ............................. 65

  Gambar 4.32kontur tekanan sudu II ................................................................... 66 Gambar. 4.33 kontur tekanan sudu III ................................................................ 67

Gambar 4.34 grafik distribusi tekanan pada bidang simetris di sudu II ............. 68Gambar 4.35 grafik distribusi tekanan pada bidang simetris di sudu III ........... 68

  Gambar. 4.36 kontur tekanan di outlet pada debit 1 .......................................... 69 Gambar. 4.37 kontur tekanan di outlet pada debit 2 .......................................... 69 Gambar. 4.38 kontur tekanan di outlet pada debit 3 .......................................... 69 Gambar. 4.39 kontur tekanan di outlet pada debit 1 .......................................... 70

  Gambar. 4.40 kontur tekanan di outlet pada debit 2 .......................................... 70 Gambar. 4.41 kontur tekanan di outlet pada debit 3 ......................................... 70

Gambar 4.42 kontur tekanan di Inlet pada sudu II ............................................. 71

  Gambar. 4.43 kontur tekanan di outlet pada sudu III ......................................... 71

Gambar 4.45 Grafik putaran Vs torsi pada sudu II ............................................ 77Gambar 4.46 grafik putaran vs efisiensi pada sudu III ....................................... 79Gambar 4.37 grafik putaran vs torsi pada sudu III ............................................. 79Gambar 4.48 Perbandingan Hasil Efisiensi pada sudu II .................................. 80Gambar 4.49 Perbandingan Hasil Efisiensi pada sudu III .................................. 81

                                                                     

DAFTAR  NOTASI 

     

A  

   diameter (m)  E  

   phi (22/7 atau 3,14)  ɳ  =  efisiensi (%) 

   massa jenis ( kg/m ³ )  

  ṽ  =  kecepatan rata‐ rata fluida (m/s) 

  µ   =viskositas

   dinamik (kg/m.s)  ŵ  =

   kecepatan aliran vortex (m/s)  τ  =

   gaya tangensial  π  =

  ω  =  kecepatan sudut (rad/s) 

  =fluks  massa yang melalui sisi  W  

  ∅   =

   koefisien difusi untuk ∅  ∅

  =

 gradient ∅ =( ∅/ ∅/ ∅/ dalam 3D) 

∅

    =  sumber tiap satuan volume  ∅   

  =nilai  ∅ yang dikonversikan melalui sisi f  ∅ = jumlah  ∅ yang tegak lurus terhadap   

               

   luas sisi f,  | |   D   =

  =  berat partikel (kg)  u,v,w   = kecepatan arah x,y dan z (m/s)  ρ  =

  =  kecepatan aliran (m/s)    

  =Energi  (J) 

  =  putaran turbin (rpm)   = jumlah sisi 

  F   =  gaya (N) 

  Fc   =gaya

   sentrifugal pada aliran vortex (N)  g   =

   gay Gravitasi (9,81 m ²

/s)

  h  

  =  head air(m)  l

  =  panjang lengan (m)  m  

  =  massa (kg)  n  

  P   =  daya (watt) 

  =  torsi (Nm)  v  

  P   =  tekanan (Pa) 

  Pair   =  daya air (watt) 

  Pturbin=  daya turbin (watt)  Q  

  =  kapasitas air ( m ³ /s)   r  

  =  jari‐jari (m) 

  Re   =

  =  vector area permukaan     =

   bilangan Reynold  T