ANALISA PERFORMANSI TURBIN VORTEX MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CFD DENGAN VARIASI DIMENSI SUDU I DAN SUDU III, DEBIT AIR MASUK SERTA LUAS SALURAN BUANG SKRIPSI

ANALISA PERFORMANSI TURBIN VORTEX MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CFD DENGAN VARIASI DIMENSI SUDU I DAN SUDU III, DEBIT AIR MASUK SERTA LUAS SALURAN BUANG SKRIPSI

  Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

  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

  

PERFORMANSI TURBIN VORTEX DENGAN VARIABEL DEBIT AIR

MASUK, LUAS LUBANG BUANG DAN DIMENSI SUDU (SUDU I DAN

SUDU III) DENGAN MENGGUNAKN PERANGKAT LUNAK CFD”

  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.

  Ibunda Hj. Erna Minta Siregar,SE yang telah memberikan segala dukungan moril dan materil, juga kepada kakak terbaik saya Karlina Listra “TheOneAndOnly” Veni yang selalu memberi semangat 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.

  3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku dosen pembanding yang memberikan masukan untuk kesempurnaan skripsi ini.

  4. Bapak Drs.A.Zulkifli Lubis,MSc selaku dosen pembanding yang memberikan masukan untuk kesempurnaan skripsi ini

  3. Bapak Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Ir. Syahril Gultom, MT. selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin USU 4. Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME. selaku Dekan FT USU 5.

Seluruh Staf Pengajar 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 yang membantu penulis selama perkuliahan.

  6. Teman Seperjuangan Sependeritaan Faisal Hajj kawan satu SMA Satu Jurusan Satu Kerja Praktek Satu Tugas Akhir dan Semoga jangan Satu Istri, Saudara Verynando Ire Sihombing dan Ferdy Jack Marpaung yang tergabung dalam team Vortex.

  7. Teman-teman seperjuangan dari Tim HORAS, Tim Turbin Angin NACA, Tim Material Struktrural (Semangat!), Tim VORTEX JILID II, Tim SOLAR DRYER, Tim TURBIN PELTON, Tim POMPA,dan Tim Magnesium.

  8. Terkhusus kepada Munawir R Siregar ST sebagai guru dan sahabat, terimakasih atas bantuan yang tak terhingga, semoga jaya di kebun tu bor.

  9. Sarip, Halim, Alek ST, Jona ST, Petsu ST, Yudi & Zimbeng, Anggi, Bedul, Arlan, Martin, Marbun, Manik, Ibal, Desi, Surayya, Hedi, Bean, Bang Luthfi, bang Azil dll yang turut membantu dalam menyelesaikan tugas akhir ini.

  10. Rekan-rekan mahasiswa di Departemen Teknik Mesin USU khususnya angkatan 2008,2009 dan2010 serta 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

  Kata kunci: Efisiensi, CFD, Ansys Fluent, Turbin Vortex,Sudu.

  Turbin Vortex adalah salah satu jenis turbin mikrohidro yang

menggunakan pusaran air sebagai penggerak sudunya. Pusaran air sendiri

didapatkan jika adanya outlet dari rumah sudu. Turbin Vortex mempunyai head

yang relatif rendah dan haya memerlukan debit air terus menerus, yang sangat

cocok digunakan di aliran sungai. Tugas Akhir ini sendiri adalah menganalisa

dan simulasi secara numerik Turbin Vortex secara CFD dengan menggunakan

Ansys Fluent. Analisis dilakukan pada aliran tiga dimensi (3D), steady, turbulen

dan incompresible. Analisis sendiri menggunakan tiga jenis outlet 5,5cm,6cm,dan

7cm yang masing masing divariasikan dengan dua jenis sudu. Sudu I dengan

panjang 78,3 cm dan lebar 27,5 cm serta sudu III dengan panjang 78,3 cm dan

lebar 13,5 cm. Kedua sudu berjumlah 4 blade dengan satu buah poros. Setelah

menganalisa dan simulasi didapat efisiensi maksimal sudu I dan sudu III masing

• – masing adalah 25,522% dan 43,29 %.

                     

DAFTAR ISI

  KATA PENGANTAR ............................................................................................................... i ABSTRAK ................................................................................................................................. iii DAFTAR ISI .............................................................................................................................. iv DAFTAR TABEL ...................................................................................................................... vii DAFTAR GAMBAR ................................................................................................................. viii DAFTAR NOTASI .................................................................................................................... x

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

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

  1.2 Tujuan Penelitian ...................................................................................................... 2

  1.3 Maamfaat Penelitian ................................................................................................. 2

  1.4 Batasan Masalah ....................................................................................................... 3

  1.5 Metedologi Penelitian .............................................................................................. 3

  1.6 Sistematika Penulisan ............................................................................................... 4

  BAB II TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................................ 6

  2.1 Fluida dan Klasifikasinya ......................................................................................... 6

  2.1.1 Fluida Statis dan Fluida Dinamis................................................................. 7

  2.1.2 Aliran Viscous dan inviscid ......................................................................... 7

  2.1.3 Aliran Seperated and Unseperated .............................................................. 8

  2.1.4 Aliran Laminar dan Aliran Turbulen ........................................................... 9

  2.1.5 Aliran Vortex ............................................................................................... 10

  2.2 Turbin Air ................................................................................................................. 14

  2.2.1 Klasifikasi Turbin Air .................................................................................. 15

  2.2.2 Perbandingan Karakteristik Turbin Air ....................................................... 19

  2.3 Turbin Vortex ........................................................................................................... 21

  2.4 Performansi dan Efisiensi Turbin ............................................................................. 25

  2.5 Perhitungan Dinamika Fluida ( Computatational Fluid Dynamics ) ....................... 26

  2.5.1 Persamaan Pembentukan Aliran .................................................................. 26

  2.6 Metode CFD Menggunakan Perangkat Lunak Fluent .............................................. 31

  2.6.1 FLUENT ...................................................................................................... 32

  2.6.2 Skema Numerik .......................................................................................... 33

  2.8.2.1 SST ............................................................................................. 40

  4.1.1 Analisa Terhadap Kontur Kecepatan .......................................................... 50

  4.1 Analisis Mesh ........................................................................................................... 50

  BAB IV HASIL DAN ANALISIS ............................................................................................. 50

  3.3 Menjalankan Simulasi (Run) .................................................................................... 49

  3.2.3 Pengaturan Simulasi ( Imukation Setting) .................................................. 48

  3.2.2 Menentukan Kondisi Batas ......................................................................... 47

  3.2.1 Menentukan Jenis Aliran ............................................................................ 47

  3.2 Menentukan Solution Solver .................................................................................... 47

  3.1.3 Diskritisasi ................................................................................................... 46

  3.1.2 Menentukan Domain ................................................................................... 45

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

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

  BAB III METODOLOGI PENELITIAN................................................................................... 42

  2.8.2.1 Standard ..................................................................................... 40

  2.6.2.1 Metode Solusi Segregated ......................................................... 33

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

  2.8.2 Permodelan k-omega (k-

  2.8.1.3 Realizable ................................................................................... 40

   2.8.1.2 RNG ............................................................................................ 39

  2.8.1.1 Standard ...................................................................................... 39

  ε) .......................................................................... 39

  2.8.1 Permodelan k-epsilon (k-

  2.8 Model Turbulen (Turbulence Modeling) ................................................................. 39

  2.7 Diskritisasi Coupled Solver ..................................................................................... 38

  2.6.4 Bentuk Linearisasi Persamaan Diskrit ........................................................ 38

   2.6.3.2 Second-Order Upwind Scheme .................................................. 37

   2.6.3.1 First-Order Upwind ................................................................... 37  

  2.6.3 Diskritisasi (Discretization) ........................................................................ 35  

  2.6.2.2 Metode Solusi Coupled .............................................................. 34

  4.1.2 Analisa Terhadap Vector Kecepatan ........................................................... 52

  4.2 Analisis Kecepatan Pada Model Uji ......................................................................... 55

  4.2.1 Kecepatan Aliran di Inlet ............................................................................ 55

  4.2.2 Kecepatan Aliran di Outlet .......................................................................... 57

  4.3 Analis Tekanan Model Uji ....................................................................................... 59

  4.3.1 Tekanan Pada Sudu I ................................................................................... 59

  4.3.2 Tekanan Pada Sudu III ................................................................................ 61

  4.4 Analisa Efisiensi Turbin Vortex ............................................................................... 64

  4.4.1 Efisiensi Pada Sudu I .................................................................................. 65

  4.4.2 Efisiensi Pada Sudu III ................................................................................ 67

  4.4.3 Grafik Hasil Perhitungan ............................................................................. 69

  4.5 Validasi ..................................................................................................................... 72

  4.5.1 Metode Validasi .......................................................................................... 72

  4.5.2 Model Turbin Vortex .................................................................................. 72

  4.5.3 Perbandingan Efisiensi Maksimal dengan CFD terhadap hasil Eksperimental ..................................................................................... 74 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ..................................................................................... 76

  5.1 Kesimpulan ............................................................................................................... 76

  5.2 Saran ......................................................................................................................... 77 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Percobaan Viskositas....................................................................... 6Gambar 2.2 Aliran Invisid................................................................................... 6Gambar 2.4 Aliran Unseperated .......................................................................... 7Gambar 2.5 Aliran Seperated .............................................................................. 7Gambar 2.6 Berbagai Jenis Aliran ...................................................................... 8Gambar 2.7 Perpindahan Aliran Dari Laminar Ke Turbulen .............................. 9Gambar 2.8 Aliran Vortex .................................................................................. 10Gambar 2.9 Aliran Rotational ............................................................................. 10Gambar 2.10 Aliran Irratational ......................................................................... 11Gambar 2.11 Aliran Vortex Kecepatan Tinggi ................................................... 12Gambar 2.13 Kincir Air ...................................................................................... 13Gambar 2.14 Skema Turbin Pancar (Turbin Pelton), Jalannya Tekanan

  Di Dalam Pipa Dan Di Dalam Roda Jalan ..................................... 15

Gambar 2.15 Dua 260mw Turbin Pelton Di Austria .......................................... 15Gambar 2.16 Skema Turbin Crossflow .............................................................. 16Gambar 2.17 Turbin Crossflow Di Jerman ......................................................... 16Gambar 2.18 Turbin Francis ............................................................................... 17Gambar 2.19 Perbandingan Karakteristik Turbin .............................................. 18Gambar 2.20 Daerah Penggunaan Dari Beberapa Jenis Konstruksi Turbin

  Yang Berbeda ............................................................................... 19

Gambar 2.21 Skema Aliran Vortex ..................................................................... 19Gambar 2.22 Aliran Vortex................................................................................. 20Gambar 2.23 Generator Yang Dipasang Pada Sudu Penggerak ......................... 20Gambar 2.24 Gravik Perbandingan Antara Head Vs Flow Rate. ....................... 21Gambar 2.25 Turbin Vortex Zotlöterer ............................................................... 21Gambar 2.26 Turbin Vortex Zotlöterer ............................................................... 22Gambar 2.27 Konservasi Massa Pada Elemen Fluida ........................................ 25Gambar 2.28 Konservasi Momentum Pada Elemen Fluida ................................ 27Gambar 2.29 Konservasi Energi Pada Elemen Fluida ........................................ 28Gambar 2.30 Volume Kendali Digunakan Sebagai Ilustrasi Diskretisasi

  Persamaan Transport Skalar .......................................................... 34

Gambar 2.31 Volume Kendali Digunakan Sebagai Ilustrasi Diskretisasi

  Persamaan Transport Skalar Pada Model Sel 2d Quadrilateral .... 35

Gambar 3.1 Domain ............................................................................................ 41Gambar 3.2 Mesh ................................................................................................ 44Gambar 4.1 Simulasi Cfd Terhadap Kontur Kecepatan Pada Variasi Sudu ...... 47Gambar 4.2 Analisis Vektor Kecepatn Pada Sudu I Dan Sudu III ..................... 49Gambar 4.3 Kontur Kecepatan Di Inlet Pada Sudu I Dan Sudu III ................... 50Gambar 4.4 Letak Outlet Di Rumah Sudu .......................................................... 51Gambar 4.5 Kontur Kecepatan Di Outlet Pada Sudu I ....................................... 52Gambar 4.6 Kontur Kecepatan Pada Outlet Di Sudu III ..................................... 52Gambar 4.7 Kontur Tekanan Sudu I ................................................................... 53Gambar 4.8 Distribusi Tekanan Pada Bidang Simetris Di Salah Satu Sudu ...... 53Gambar 4.9 Kontur Tekanan Di Inlet ................................................................. 54Gambar 4.10 Kontur Aliran Tekanan Di Outlet.................................................. 54Gambar 4.11 Kontur Tekanan Sudu III .............................................................. 55Gambar 4.12 Distribusi Tekanan Pada Bidang Datar Di Titik Maksimum ........ 55Gambar 4.13 Kontur Kecepatan Di Inlet ............................................................ 56Gambar 4.14 Kontur Kecepatan Di Outlet .......................................................... 56

  o

Gambar 4.15 Grafik Outlet Vs Efisiensi Pada Bukaan 30 ................................. 62

  o

Gambar 4.16 Grafik Outlet Vs Efisiensi Pada Bukaan 60 ................................. 63

  o

Gambar 4.17 Grafik Outlet Vs Efisiensi Pada Bukaan 90 ................................. 63Gambar 4.18 Grafik Outlet Vs Efisiensi Pada Sudu I ......................................... 64Gambar 4.19 Grafik Outlet Vs Efisiensi Pada Sudu Iii ...................................... 64Gambar 4.20 Model Turbin Vortex .................................................................... 65Gambar 4.21 Model Sudu Turbin Vortex ........................................................... 66Gambar 4.22 Model Sudu I Dan III .................................................................... 66Gambar 4.23 Perbandingan Hasil Eksperimental Vs Simulasi Pada Sudu I....... 68Gambar 4.23 Perbandingan Hasil Eksperimental Vs Simulasi Pada Sudu III .... 68

       

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Klasifikasi Turbin ............................................................................... 16Tabel 3.1 Bentuk Sudu ........................................................................................ 43Tabel 3.2 Bentuk Rumah Sudu ........................................................................... 44Tabel 3.3 Saluran Buang Turbin Vortex ............................................................. 45Tabel 3.4 Ilustrasi Bukaan Katup Keran ............................................................. 45Tabel 3.5 Kondisi Batas ...................................................................................... 48Tabel 3.6 Pengaturan Simulasi ............................................................................ 49Tabel 4.1 Kapasitas, Luas Penampang Lintang Talang, Kecepatan Aliran,

  o o o

  Dan Laju Aliran Massa Pada Bukaan Katup 30 , 60 Dan 90 ........... 65

Tabel 4.2 Daya Air ( P ) .................................................................................... 65

  air

Tabel 4.3 Efisiensi Turbin Vortex Sudu I Dengan Variasi Rpm ........................ 66

  o

Tabel 4.4 Efisiensi Maksimum Turbin Vortex Sudu I Katup 30 ....................... 66

  o

Tabel 4.5 Efisiensi Maksimum Turbin Vortex Sudu I Katup 60 ....................... 67

  o

Tabel 4.6 Efisiensi Maksimum Turbin Vortex Sudu I Katup 90 ....................... 67Tabel 4.7 Efisiensi Turbin Vortex Sudu Iii Dengan Variasi Rpm ...................... 68

  o

Tabel 4.8 Efisiensi Maksimum Turbin Vortex Sudu Iii Katup 30 .................... 68

  o

Tabel 4.9 Efisiensi Maksimum Turbin Vortex Sudu Iii Katup 60 .................... 68

  o

Tabel 4.10 Efisiensi Maksimum Turbin Vortex Sudu Iii Katup 90 ................... 69Tabel 4.11 Perbandingan Eksperimental Maksimal Dengan Simulasi CFD ...... 74