STUDI NUMERIK ALIRAN MELALUI SQUARE DUCT DAN ELBOW 90º DENGAN VARIASI DIAMETER INLET DISTURBANCE BODY (dDh = 0,064; 0,08

  TUGAS AKHIR – TM141585

PEMODELAN DAN ANALISIS PENGARUH VARIASI

LUASAN SISI KOMPRESI DAN EKSPANSI DENGAN

PERUBAHAN DIAMETER PISTON, ORIFICE, DAN

PISTON ROD TERHADAP GAYA REDAM SHOCK

ABSORBER DAN RESPON DINAMIS SEPEDA

MOTOR YAMAHA MIO J M Fauzi Rahman NRP 2112 100 135 Dosen Pembimbing 1. Dr. Wiwiek Hendrowati, ST., MT.

  INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2016 TUGAS AKHIR – TM141585

STUDI NUMERIK ALIRAN MELALUI SQUARE DUCT

DAN ELBOW 90º DENGAN VARIASI DIAMETER

  INLET DISTURBANCE BODY (d/D h = 0,064; 0,08 DAN 0,1). ELFANDY PUTRA NUGRAHA NRP 2112 100 155 Dosen Pembimbing Dr.Wawan Aries Widodo, ST., MT. JURUSAN TEKNIK MESIN Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2017

2. Dr. Harus Laksana Guntur, ST., M.Eng. JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

  TUGAS AKHIR – TM141585

  

STUDI NUMERIK ALIRAN MELALUI SQUARE

o

  DUCT DAN ELBOW 90 DENGAN VARIASI DIAMETER

  INLET DISTURBANCE BODY (d/D = h 0,064; 0,08 DAN 0,1).

  ELFANDY PUTRA NUGRAHA NRP. 2112 100 155 Dosen Pembimbing : Dr. Wawan Aries Widodo, ST., MT.

  PROGRAM SARJANA JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

  INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2017

  FINAL PROJECT – TM141585

  

NUMERICAL STUDY OF FLOW THROUGH

SQUARE DUCT AND ELBOW 90° WITH INLET

DISTURBANCE BODY

  IN

  VARIATION OF DIAMETER (d/D = 0,064; 0,08 AND 0,1). h

  ELFANDY PUTRA NUGRAHA NRP. 2112 100 155 Advisor Lecturer : Dr. Wawan Aries Widodo, ST., MT.

  BACHELOR DEGREE PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT FACULTY OF INDUSTRIAL SEPULUH NOPEMBER INSTITUTE OF TECHNOLOGY SURABAYA 2017

STUDI NUMERIK ALIRAN MELALUI SQUARE

  

DUCT DAN ELBOW 90º DENGAN VARIASI

DIAMETER

  INLET DISTURBANCE BODY

(d/D h = 0,064; 0,08 dan 0,1).

  Nama Mahasiswa : Elfandy Putra Nugraha NRP : 2112 100 155 Jurusan : Teknik Mesin FTI-ITS

Dosen Pembimbing : Dr. Wawan Aries Widodo, ST., MT.

  

ABSTRAK

  Listrik merupakan kebutuhan utama, dapat dilihat dengan banyaknya power plant yang bekerja. Suatu power plant mempunyai beberapa sistem utama untuk pembangkitan listrik diantaranya ialah sistem saluran udara. Saluran udara berfungsi mengalirkan suatu fluida dari suatu tempat ke tempat lain. Beberapa komponen utama sistem saluran udara ialah straight

  

duct, fitting, serta penambahan aksesoris seperti damper, guide

vane, maupun bodi silinder pengganggu. Tetapi pada kondisi

  aktual, penggunaan aksesoris serta fitting seperti elbow 90º ini menyebabkan bertambahnya pressure drop serta head losses akibat adanya friction loss, separation loss, dan secondary flow yang terjadi setelah melewati fitting serta penambahan suatu aksesoris. Pemasangan bodi silinder pengganggu pada inner wall diharapkan dapat mengurangi pressure drop, serta

  upstream duct

  melawan adverse pressure dan wall shear stress yang diakibatkan adanya elbow 90º.

  Penelitian ini dilakukan secara numerik 3D dimana model turbulensi yang digunakan yaitu k-

  ɛ standard dengan batasan

  aliran fluida bersifat incompressible flow, viscous serta steady

  

flow. Model uji berupa sistem saluran udara berpenampang bujur

  sangkar yang terdiri dari, sisi ducting D h = 125 mm, upstream

  

duct (straight duct) dengan panjang 7D h , variasi bodi silinder

  pengganggu d/D = 0,064; 0,08 dan 0,1; elbow 90º dengan R/D _{h h} ii =1,5 serta downstream duct (straight duct) dengan panjang _{4 4}

  15D h , Re yang digunakan yaitu 3,94 x 10 , 7,88 x 10 dan 1,34 x ₅ 10 . Pengukuran parameter dilakukan pada setiap cross section aliran di sepanjang downstream duct serta elbow 90º.

  Dari hasil studi numerik yang dilakukan didapatkan hasil berupa visualisasi aliran seperti profil kecepatan, kontur kecepatan, serta kontur pathline, dimana hasil tersebut menunjukkan dengan adanya penambahan IDB mengakibatkan profil kecepatan pada elbow lebih tinggi di sisi outer wall berbeda halnya tanpa IDB yang masih berada pada inner wall.

  

Pressure drop yang ditimbulkan dengan penambahan IDB tiap

  variasi kecepatan mengalami kenaikan yang cukup signifikan akibat adanya gesekan yang cukup kuat antara partikel fluida dengan dinding ducting. Selain itu terdapat gap yang cukup besar pada coefficient of pressure di elbow tanpa dan dengan

  

IDB . Dapat disimpulkan dengan penambahan IDB menimbulkan

pressure drop yang terjadi semakin tinggi serta friction yang

  cukup kuat pada Re tinggi.

  

Kata kunci: square duct, elbow 90º, inlet disturbance body,

pressure drop, numerik.

  

NUMERICAL STUDY OF FLOW THROUGH

SQUARE DUCT AND ELBOW 90° WITH INLET

DISTURBANCE BODY IN VARIATION OF

DIAMETER

(d/D h = 0,064; 0,08 AND 0,1).

  Name : Elfandy Putra Nugraha NRP : 2112 100 155 Department : Teknik Mesin FTI-ITS

Advisor Lecturer : Dr. Wawan Aries Widodo, ST., MT.

  

ABSTRACT

Many power plant s have main system to gain some

electricity, among them are ducting system. The fuction of

ducting system is to circulate air from first position to second

position. The component of ducting system is like straight duct,

fitting, accessories such as damper, guide vane or disturbance

body. But in the actual condition, ducting system with

accessories and fitting such as elbow caused pressure drop,

headlosses, separation loss and secondary flow. One of the effort

to reduce the pressure drop inside elbow is add a body

disturbance called inlet disturbance body (IDB).

  This research did as a 3D numeric with turbulence model k-

ɛ standard with some limits such as incompressible flow,

viscous and steady flow. This numerical studi use square ducting

system with hydraulic diameter (D = 125 mm), upstream duct

_h

(straight duct) with length 7D h , variation of diameter d/D h =

0,064; 0,08 and 0,1, elbow 90º with curvature ratio R/D h =1,5

and the last downstream duct (straight duct) with length 15D ,

_{4 4 5 h}

variation of Re 3,97 x 10 , 8,74x 10 and 1,34 x 10 . In each

  90º is done by

  cross section of downstream duct and elbow parameter measurement’s.

  The result of this numerical study shows visualization of

flow such velocity profile, velocity contour, and pathline contour. iv

  

The result shows that the placement of IDB caused higher

velocity profile in outer elbow different from without IDB,

velocity profile without IDB higher in inner wall so that with

placement of IDB cant resolve adverse pressure caused curvature

ratio of elbow. Pressure drop with placement of IDB have

increase because friction between particle of fluid and wall.

Other than that there is gap in coefficient of pressure in elbow

with and without IDB. So the result in the end, ducting with IDB

have effect to get more pressure drop than without IDB dan

friction from higher Re

Keyword : square duct, elbow 90º, inlet disturbance body,

pressure drop, numerical.

KATA PENGANTAR

  Puji syukur dihaturkan kehadirat Allah Subhanallahu Wa Ta’ala, hanya karena tuntunan-Nya penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan kelulusan pendidikan Sarjana S-1 di Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya.

  Penyusunan Tugas Akhir ini dapat terlaksana dengan baik atas bantuan dan kerjasama dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada: 1.

  Orang tua penulis, khususnya Bapak Edih Setiadi dan Ibu Liliek Sutrisnawati yang senantiasa mendoakan, mendorong, dan menyemangati penulis selama proses penyelesaian tugas akhir ini.

  2. Saudari Penulis, Elvany Tresna Grahari. Atas doa serta motivasinya.

  3. Dr. Wawan Aries Widodo, ST., MT yang selalu memberikan bimbingan, arahan serta motivasi dalam penulisan Tugas Akhir ini.

  4. Prof. Ir. Sutardi, M.Eng, PhD.,Vivien Suphandani, ST., M.Eng, Ph.D., dan Dedy Zulhidayat Noor, ST., MT., Ph.D. selaku dosen penguji yang telah memberikan saran dan kritik kepada penulis tentang Tugas Akhir ini.

  5. Sutrisno selaku karyawan Laboratorium Mekanika Fluida dan Mesin Fluida yang telah memberikan dukungan kepada penulis.

  6. Segenap dosen dan karyawan Jurusan Teknik Mesin FTI ITS, atas ilmu yang telah diberikan kepada penulis selama ini.

  7. Rekan pengerjaan Tugas Akhir penulis, Gigih, William, Yudan, yang bersedia berjuang bersama untuk Tugas Akhir ini serta Mas Randi yang bersedia membantu mengajari simulasi.

  8. Teman-teman angkatan M55 yang senantiasa memberi motivasi, serta meninggalkan banyak cerita indah bagi penulis selama ini.

  9. Teman-teman Lab Mekanika Fluida terutama Mas Copet, Imem, Mas Ayub, Mas Tsabit, Christo, Bader, Ridho, Rei, Elman yang senantiasa memberikan semangat dan motivasi untuk segera menyelesaikan perkuliahan di kampus Teknik Mesin ITS.

  10. Teman-teman Himpunan Mahasiswa Mesin terutama Departemen Kewirausahaan yang senantiasa memberikan motivasi dan mengingatkan penulis untuk menyelesaikan masa perkuliahan di ITS.

  Dengan segala keterbatasan kemampuan serta pengetahuan penulis, tidak menutup kemungkinan Tugas Akhir ini jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis bersedia menerima kritik dan saran dari berbagai pihak untuk penyempurnaan lebih lanjut. Semoga hasil penulisan Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi semua pihak.

  Surabaya, Juli 2017 Penulis

  

DAFTAR ISI

  HALAMAN JUDUL LEMBAR PENGESAHAN ABSTRAK ................................................................................... i ABSTRACT ............................................................................... iii KATA PENGANTAR ..................................................................v DAFTAR ISI ............................................................................. vii DAFTAR GAMBAR ................................................................. xi DAFTAR TABEL ......................................................................xv

  BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang .......................................................................1 1.2. Perumusan Masalah ...............................................................5 1.3. Batasan Masalah ....................................................................6 1.4. Tujuan Penelitian ...................................................................6 1.5. Manfaat Penelitian ..................................................................7 BAB II TINJAUAN PUSTAKA

  2.1 Klasifikasi fluida ................................................................. 9

  2.1.1 Aliran viscous .................................................................9

  2.1.2 Aliran laminar dan turbulen ..........................................10

  2.1.3 Incompressible flow.......................................................11

  2.1.4 Internal flow .................................................................11

  2.2 Karakteristik aliran fluida dalam pipa ................................12

  2.2.1 Separasi .........................................................................12

  2.2.2 Aliran sekunder ............................................................13

  2.3 Persamaan Euler dalam koordinat streamline ....................14

  2.4 Model turbulensi .................................................................15

  2.4.1 Model k-

  ɛ ......................................................................15

  2.4.2 Model k-

  ω .....................................................................16

  2.4.3 Model RSM ...................................................................17

  2.5 Boundary condition ............................................................17

  2.6 Penelitian terdahulu ............................................................18

  2.6.1 Karakteristik aliran melalui ducting dengan elbow .......18

  2.6.2 Pengaruh variasi gap serta jarak silinder terhadap karakteristik aliran ........................................................... 29

  BAB III METODOLOGI PENELITIAN

  3.1 Geometri benda uji ............................................................. 33

  3.2 Metode numerik .................................................................. 35

  3.2.1 Tahap pre-processing .............................................. 36

  3.2.2 Tahap processing dan post-processing .................... 38

  3.3 Langkah-langkah penelitian ................................................ 43

  3.4 Analisa grid independency .................................................. 44

  3.5 Flowchart penelitian ........................................................... 48

  BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN

  4.1 Perbandingan distribusi profil kecepatan sepanjang ducting dengan kontur kecepatan ................................................... 49

  4.1.1 Perbandingan distribusi profil kecepatan sepanjang

  ducting dengan kontur kecepatan (tanpa dan dengan IDB

  d/D = 0,064) ................................................................... 50 _h

  4.1.2 Perbandingan distribusi profil kecepatan sepanjang

  ducting dengan kontur kecepatan (tanpa dan dengan IDB

  d/D = 0,08) ..................................................................... 56 _h

  4.1.3 Perbandingan distribusi profil kecepatan sepanjang dengan kontur kecepatan (tanpa dan dengan IDB

  ducting

  d/D h = 0,1) ....................................................................... 61

  4.2 Perbandingan vektor kecepatan dan kontur pathline setiap

  surface cross-section tanpa dan dengan IDB ..................... 67

  4.2.1 Visualisasi vektor kecepatan dan kontur pathline setiap surface cross-section tanpa IDB ........................... 67

  4.2.2 Visualisasi vektor kecepatan dan kontur pathline setiap surface cross-section IDB d/D h = 0,064 ................ 70

  4.2.3 Visualisasi vektor kecepatan dan kontur pathline setiap surface cross-section IDB d/D = 0,08 .................. 73 _h

  4.2.4 Visualisasi vektor kecepatan dan kontur pathline setiap surface cross-section IDB d/D = 0,1 .................... 76 _h

  4.3 Perbandingan data pada setiap variasi model uji ducting .. 79

  BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

  5.1 Kesimpulan ........................................................................101

  5.2 Saran .................................................................................102

  

DAFTAR PUSTAKA .............................................................103

LAMPIRAN BIODATA PENULIS

  

( Halaman ini sengaja dikosongkan )

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Klasifikasi jenis fluida ...........................................9Gambar 2.2 Aliran viscous pada silinder ................................10Gambar 2.3 (A) Aliran laminar dan (B) turbulen dalam perpipaan .............................................................10Gambar 2.4 Internal flow dalam pipa .....................................12Gambar 2.5 Separasi aliran pada curved pipe .........................13Gambar 2.6 Aliran sekunder ...................................................13 +Gambar 2.7 Gerakan partikel fluida di sepanjang streamline .14Gambar 2.8 (a) Geometry ducting (b) Bentuk mesh serta Y ..18Gambar 2.9 Perbandingan profil kecepatan dari hasil simulasi dan eksperimen x/D h = 1.0 (z/D h = 0.0) ..............19Gambar 2.10 Perbandingan koefisien tekanan paad sisi inner dan

  outer wall elbow hasil simulasi dan eksperimen .20

Gambar 2.11 Geometri ducting berpenampang silinder ............21Gambar 2.12 Computational grid meshing ...............................21Gambar 2.13 Velocity profile pada beberapa posisi pengambilan data dengan variasi Re serta rasio kelengkungan 22Gambar 2.14 Skema penelitian serta gambar detail peletakan inlet

  disturbance body .................................................23

Gambar 2.15 Variasi jarak inlet disturbance body ....................23Gambar 2.16 Pressure drop pada square duct dengan variasi

  ₄ jarak inlet disturbance body pada Re = 3,97x10 ₄ <Re Dh < 13,5x10 .................................................

  24 Gambar 2.17 Visualisasi velocity profile bidang horizontal pada jarak cross section 14 D .....................................25 _h

Gambar 2.18 Variasi gap inlet disturbance body ......................25Gambar 2.19 Pressure drop pada square duct dengan variasi gap

  ₄

  inlet disturbance body pada Re = 3,97x10 < Re Dh < ₄ 13,5x10 .............................................................

  26 Gambar 2.20 Visualisasi velocity profile bidang horizontal pada jarak cross section 13 D h .....................................27

Gambar 2.21 Geometri dan koordinat penelitian .......................27Gambar 2.22 Secondary flow pada Ar = 1. A. Double line, B.

  Spiral line , C. Involute line ................................ 28

Gambar 2.23 Geometry silinder sirkular Ar = 1 ........................ 29Gambar 2.24 Mean streamwise velocity profile pada X = 100, 150 dan 200 mm ........................................................ 30Gambar 2.25 Streamwise turbulence intensity profiles pada X =

  100, 150 dan 200 mm ......................................... 30

Gambar 2.26 Distribusi tekanan sekitar silinder dan plat (a) G/D = 0 (b) G/D = 2 ...................................................... 31

  ₄ Gambar 2.27 Flow pattern pada Re = 2,5x10 . (a) G/D = 0 (b) G/D = 2 ............................................................... 32

Gambar 3.1 Skema instalasi ................................................... 34Gambar 3.2 Gambar detail posisi penempatan bodi silinder pengganggu ....................................................... 35Gambar 3.3 Meshing tanpa IDB (isometric) ......................... 36Gambar 3.4 Meshing square duct tanpa IDB (atas) .............. 37Gambar 3.5 Meshing square duct dengan IDB d/D = 0,064 h

  (isometric) .......................................................... 37

Gambar 3.6 Meshing square duct dengan IDB d/D h = 0,064

  (atas) ................................................................... 38

Gambar 3.7 Domain pemodelan square duct ........................ 40Gambar 3.8 Posisi pengambilan data ..................................... 42Gambar 3.9 Hasil komputasi variasi mesh D dan 6 model turbulensi (x/D h = 1) ........................................... 45Gambar 3.10 Penyimpangan antar jumlah mesh dengan tinjauan

  V average ................................................................. 47

Gambar 3.11 Flowchart penelitian numerik ............................ 48Gambar 4.1 Visualisasi profil kecepatan dan kontur kecepatan aliran bidang horizontal (a) tanpa dan (b) dengan

  IDB d/D = 0,064 ................................................ 51 _h

Gambar 4.2 Grafik profil kecepatan bidang horizontal tanpa dan dengan IDB d/D h = 0,064 ............................. 54Gambar 4.3 Visualisasi profil kecepatan dan kontur kecepatan aliran bidang horizontal (a) tanpa dan (b) dengan

  IDB d/D h = 0,08 ...................................................57

Gambar 4.4 Grafik profil kecepatan bidang horizontal tanpa dan dengan IDB d/D h = 0,08 ...............................60Gambar 4.5 Visualisasi profil kecepatan dan kontur kecepatan aliran bidang horizontal (a) tanpa dan (b) dengan

  IDB d/D h = 0,1 .....................................................63

Gambar 4.6 Grafik profil kecepatan bidang horizontal tanpa dan dengan IDB d/D h = 0,1 .................................66Gambar 4.7 Visualisasi pathline sisi upstream 3D h ................67Gambar 4.8 Visualisasi vektor kecepatan dan kontur pathline

  square ducting bidang horizontal (tanpa IDB) ....69

Gambar 4.9 Visualisasi vektor kecepatan dan kontur pathline

  square ducting bidang horizontal (d/D = 0,064) 72 _h

Gambar 4.10 Visualisasi vektor kecepatan dan kontur pathline

  square ducting bidang horizontal (d/D h = 0,08) ..75

Gambar 4.11 Visualisasi vektor kecepatan dan kontur pathline

  square ducting bidang horizontal (d/D h = 0,1) ....78 Gambar 4.12 Pressure drop square duct dengan elbow 90º. _{4 4} Variasi Reynolds Number 3,97x10 , 8,74x10 , ₄

  13,5x10 dan variasi diameter IDB d/D h = 0,064; 0,08 dan 0,1 .........................................................81

Gambar 4.13 Pressure drop upstream square duct. Variasi

  _{4 4 4} Reynolds Number 3,97x10 , 8,74x10 , 13,5x10 dan variasi diameter IDB d/D = 0,064; 0,08; 0,1 ......84 _h

Gambar 4.14 Pressure drop elbow 90º. Variasi Reynolds Number

  _{4 4 4} 3,97x10 , 8,74x10 , 13,5x10 dan variasi diameter

  IDB d/D = 0,064; 0,08; 0,1 .................................86 _h

Gambar 4.15 Pressure drop downstream square duct. Variasi

  _{4 4 4} Reynolds Number 3,97x10 , 8,74x10 , 13,5x10 dan variasi diameter IDB d/D = 0,064; 0,08; 0,1 .....88 _h

Gambar 4.16 Grafik coefficient of pressure. Reynolds Number

  ₄ 3,97x10 dan variasi diameter IDB d/D h = 0,064; 0,08 dan 0,1 .........................................................89

Gambar 4.17 Profil kecepatan aliran tiap variasi ducting pada x/D h = 1 ............................................................... 92Gambar 4.18 Pathline surface tiap variasi ducting pada x/D h = 1

  ............................................................................. 93

Gambar 4.19 Profil kecepatan aliran tiap variasi ducting pada x/D

  _h = 14 ............................................................ 95

Gambar 4.20 Pathline surface tiap variasi ducting pada x/D h = 14

  ............................................................................. 96

Gambar 4.21 Perbandingan profil kecepatan numerik dan eksperimen (Ramadan,2017) tanpa IDB ........... 98Gambar 4.22 Perbandingan profil kecepatan numerik dan eksperimen (Ramadan,2017) dengan IDB d/D

  _h = 0,1 ....................................................................... 99

  DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Urutan langkah penelitian ....................................... 43Tabel 3.2 Jumlah mesh nodes dan cells variasi model uji ....... 44Tabel 3.3 Penyimpangan hasil eksperimen dengan hasil numerik ditinjau dari V average pada x/D h = 1 ............................46Tabel 4.1 Pressure drop section inlet dan outlet pada Re =

  ₄ 3,97x10 ....................................................................79

Tabel 4.2 Pressure drop section inlet dan outlet pada Re =

  ₄ 8,74x10 ....................................................................80

Tabel 4.3 Pressure drop section inlet dan outlet pada Re =

  ₄ 13,5x10 ....................................................................80 ₄ Tabel 4.4 Pressure drop section upstream pada Re = 3,97x10

  ...................................................................................82 ₄ Tabel 4.5 Pressure drop section upstream pada Re = 8,74x10 ...................................................................................83 ₄ Tabel 4.6 Pressure drop section upstream pada Re = 13,5x10

  ...................................................................................83 ₄ Tabel 4.7 Pressure drop section elbow pada Re = 3,97x10 ....84 ₄ Tabel 4.8 Pressure drop section elbow pada Re = 8,74x10 ....85 ₄ Tabel 4.9 Pressure drop section elbow pada Re = 13,5x10 ....85 ₄ Tabel 4.10 Pressure drop section downstream pada Re = 3,97x10 ...................................................................................86

Tabel 4.11 Pressure drop section downstream pada Re =

  ₄ 8,74x10 ..............................................................87

Tabel 4.12 Pressure drop section downstream pada Re =

  13,5x10 ⁴ .............................................................. 87

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar belakang

  Seiring dengan perkembangan teknologi yang sangat pesat dewasa ini, listrik merupakan salah satu kebutuhan vital, dapat dibuktikan dengan banyaknya pusat pembangkit tenaga listrik (power plant) yang dibangun, salah satunya adalah coal

  

fired power plant (PLTU berbahan bakar batu bara). Coal fired

power plant merupakan pembangkit listrik dengan memanfaatkan

  energi panas, serbuk batu bara dibakar di dalam boiler untuk menghasilkan uap, uap tersebut digunakan untuk menggerakan turbin uap yang dikopel dengan generator listrik sehingga menghasilkan energi listrik. Komponen utama coal fired power

  

plant (PLTU batu bara) diantaranya adalah ketel uap (boiler).

  Pada proses pembakaran di boiler dibutuhkan udara sebagai bahan baku pembakaran maupun sebagai alat transportasi serbuk batu bara (pulverizer coal). Untuk mengalirkan udara tersebut suatu power plant mempunyai sistem perpipaan (piping system) dan sistem saluran udara (ducting system).

  Berbagai komponen dalam pembuatan sistem saluran udara diantaranya ialah saluran udara lurus (straight ducting), sambungan (fitting) berfungsi untuk menghubungkan serta menyambungkan saluran satu dengan saluran lain, katup (valve) untuk membuka maupun menutup saluran udara, fan untuk menghisap serta menghembuskan udara pada sistem saluran udara dan elbow 90° yang berfungsi untuk membelokkan arah aliran. Aliran yang melintasi sistem saluran udara dengan menambahkan

  

elbow akan terjadi penurunan tekanan lebih besar daripada aliran

  yang melintasi sistem saluran udara lurus dengan kecepatan free stream yang sama.

  Adanya penurunan tekanan yang besar pada sistem saluran udara dengan menggunakan elbow mengakibatkan kerugian energi (head losses) yang besar. Kerugian energi akan meningkat sehingga daya listrik yang dibutuhkan untuk menggerakan fan (elektro motor) akan semakin besar. Beberapa hal yang mempengaruhi terjadinya penurunan tekanan dan head

  

losses pada saluran elbow ialah yang pertama jari jari

  kelengkungan elbow, yang kedua ialah gesekan (friction losses) antara aliran fluida dengan dinding (wall), gesekan bukan hanya terjadi pada elbow tetapi dapat terjadi pada saluran udara lurus (straight ducting), yang ketiga ialah kerugian akibat separasi, terjadi pada aliran yang disimulasikan atau dilihat pada 2D serta yang terakhir ialah aliran kerugian akibat sekunder (secondary

flow ), terjadi pada aliran yang disimulasikan atau dilihat pada 3D.

  Separasi terjadi akibat momentum aliran yang tidak mampu lagi untuk mengatasi tekanan balik (adverse pressure) serta gesekan pada dinding (wall) sehingga aliran akan berbalik arah dari aliran utamanya dan akan terbentuk vortex yang dapat mengurangi energi aliran. Secondary flow (aliran sekunder) terjadi akibat perbedaan distribusi tekanan pada sisi inner dan

  

outer wall pada aliran yang melintasi elbow, perbedaan distribusi

  tekanan sisi outer wall lebih besar dibandingkan dengan sisi inner

  

wall sehingga aliran dari sisi outer wall akan bergerak menuju

inner wall , pergerakan aliran fluida tersebut mengakibatkan aliran

  yang akan melintasi elbow akan terhambat.

  Salah satu usaha untuk mengurangi kerugian aliran serta penurunan tekanan pada saluran berpenampang persegi dengan menggunakan penghubung elbow 90º adalah menambahkan suatu gangguan yaitu bodi pengganggu berbentuk silinder (inlet

  

disturbance body ) pada sisi inner wall dengan jarak tertentu.

  Penambahan suatu bodi pengganggu berbentuk silinder diharapkan dapat menunda terjadinya aliran terseparasi pada

  

elbow , sehingga momentum aliran yang terjadi semakin besar dan

  dapat melawan tekanan balik (adverse pressure), adanya penambahan bodi pengganggu berbentuk silinder diharapkan dapat meningkatkan kualitas pola aliran menjadi lebih turbulen sehingga dapat mengurangi pressure drop.

  Beberapa penelitian terdahulu membahas aliran melalui saluran udara dalam studi eksperimen maupun numerik, diantaranya Rup & Sarna (2011) membahas analisa karakteristik aliran pada square duct dengan penambahan elbow 90º. Dimensi

  

square duct 80 x 80 mm dengan radius kelengkungan sebesar

  R/D = 2, D = 80 mm serta L = L = 20D = 1600 mm, _{h h inlet outlet h} simulasi ini dilakukan pada Re = 40000 menggunakan model turbulen RSM (Reynolds stress model). Terdapat 3 variasi kerapatan mesh yaitu Vk = 553052, Vk = 1766079 dan Vk = 1034775. Hasil yang didapatkan yaitu data berupa grafik profil kecepatan untuk lokasi serta x/D h = 1.0 dari

  

ϕ = 30º, ϕ = 60º

  masing-masing variasi kerapatan mesh yang mendekati hasil eksperimen adalah mesh III (Vk = 1034775). Hasil lain yang didapatkan yaitu koefisien tekanan maksimum di dinding elbow terjadi pada cross-section yang terletak pada sudut

  ϕ = 45º (Z = 0.00).

  Dutta & Nandi (2015) membahas pengaruh Re dan rasio

  jari jari kelengkungan terhadap aliran turbulen single phase di pipa lengkung/elbow. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan CFD sebagai bahan analisa, data-data yang tersedia ₅ yaitu rasio kelengkungan R /D = 1 sampai 5 dengan Re = 1x10 _{5 c} sampai 10x10 . Model turbulensi yang digunakan yaitu k-

  ɛ model

  dengan metode SIMPLE. Geometry yang digunakan yaitu diameter inner sebesar 0,01 m, panjang inlet 50D dan panjang

  outlet

  20D. Didapatkan hasil akselerasi kecepatan tertinggi pada rasio kelengkungan paling rendah yaitu R /D = 1 sehingga _c terbentuk aliran yang terseparasi. Sedangkan pada downstream

  

duct akselerasi kecepatan pada sisi inner dalam mengembalikan

  menjadi bentuk fully developed terdapat pada rasio lengkungan yang besar yaitu R c /D = 5.

  Choi & Lee (2000) melakukan penelitian mengenai

  karakteristik aliran yang melewati silinder elips dan silinder sirkular pada plat datar dengan berbagai variasi rasio gap, dimana 1 merupakan silinder sirkular dengan D = 21,2 mm dan L/D

  AR =

= 28,3 pada variasi gap 0,2 sampai 0,5. Hasil yang didapatkan yaitu harga Cp terkecil ada pada G/B = 2 sedangkan pada G/B = 0, Cp yang dihasilkan semakin besar pada sisi inner. Selain itu

  

Choi & Lee juga melakukan variasi pada jarak X = 100, 150 dan

  200 mm didapatkan hasil turbulence intensity pada jarak X = 200 mm lebih rendah daripada turbulence intensity pada jarak X = 100 mm. Semakin besar turbulence intensity yang dihasilkan maka momentum aliran dapat melawan adverse pressure.

  Bearman & Zdravkovich (1978) melakukan eksperimen

  aliran melalui silinder sirkular dengan adanya penambahan plat datar, domain yang digunakan yaitu wind tunnel dan smoke

  

tunnel , variasi G/D = 0 sampai 2. Didapatkan hasil Cp pada gap

  terendah tidak terdistribusi secara menyeluruh tetapi apabila dilihat dalam tampilan 3D maka pada bagian upperside body Cp bernilai positif sedangkan pada bagian loweside body bernilai negatif serta vortex shedding yang dihasilkan semakin besar. Pada G/D = 2 didapatkan hasil Cp yang terdistribusi dengan baik sehingga vortex shedding yang dihasilkan semakin kecil.

  Studi eksperimen terbaru juga telah dilakukan oleh

  

Hardhian (2017) mengenai pengaruh variasi jarak inlet

disturbance body terhadap aliran melalui square duct dengan

elbow 90º, domain yang digunakan yaitu square duct dengan

  diameter D h = 125 mm, g/d = 0,2 dengan rasio kelengkungan R/D = 1,5 dan variasi jarak inlet disturbance body (l/D =

  elbow h ^h

  0,1

• – 0,5). Didapatkan hasil pressure drop terendah ada pada variasi jarak l/D h = 0,1 serta pada jarak tersebut recovery aliran untuk mendekati fully developed paling baik diantara variasi jarak lainnya tetapi pada variasi jarak tersebut intensitas turbulensi pada sisi inner outlet elbow 90º dinilai cukup tinggi dibandingkan dengan variasi jarak l/D = 0,4 yang bernilai 8,07 %. Selain itu _h hal yang sama juga dilakukan oleh Pratama (2017) dengan variasi yang berbeda yaitu variasi gap inlet disturbance body. Variasi yang digunakan yaitu variasi gap (g/d = 0,1 sampai 0,5) pada jarak (l/D h = 0,1). Didapatkan hasil variasi gap = 0,2 dapat menurunkan pressure drop dibanding dengan variasi gap lainnya,
₄ penurunan pressure drop terjadi pada Re 8,74x10 selain itu _Dh dalam hal recovery aliran lebih cepat terjadi tanpa adanya penambahan IDB, dengan adanya penambahan IDB dapat menyebabkan penundaan separasi aliran karena shear layer yang dihasilkan IDB memiliki intensitas turbulensi yang lebih tinggi sehingga mampu melawan adverse pressure.

  Li et.al (2016) membahas mengenai aliran melintasi

curved rectangular duct dengan variasi kelengkungan, domain

  yang digunakan yaitu curved rectangular duct dengan sudut 120º, 2 straight duct pada inlet dan outlet dengan panjang 20D , 3 tipe _h kelengkungan yaitu double circular line, spiral line dan involute ⁴ –

  line , 3 aspect ratio (Ar = 0,4; 1 dan 2,3) pada Re = 2,4x10 ₅

  1,4x10 . Penelitian ini dilakukan secara eksperimen dan numerik, untuk penelitian numerik dilakukan secara 3D incompressible

  flow dengan model turbulensi k-

  ω sst, boundary condition yang digunakan yaitu uniform flow pada inlet, no-slip boundary

  

condition pada wall serta pressure outlet pada downstream. Hasil

  yang didapatkan pada Ar < 1, secondary flow yang terbentuk ada 4 macam yaitu base vortex yang terbentuk pada setiap aliran yang melewati rectangular cross section, split vortex yang terbentuk dari base vortex, ICW Dean vortex yang terbentuk di tengah inner

  

wall serta corner region Dean vortex yang terbentuk di sudut

  bawah/atas dari wall. Selain itu pada Ar = 0,4 split base vortex berpisah dari inner part base vortex menuju ICW, untuk Ar = 1

  

split base vortex berpisah dari outer part base vortex menuju

OCW sedangkan pada Ar = 2,3 split base vortex tidak terbentuk.

1.2 Perumusan masalah

  Aliran fluida yang melewati suatu saluran udara berpenampang bujur sangkar (square duct) dengan penambahan

  

elbow selalu mengalami penurunan tekanan, penurunan tekanan

  terjadi karena adanya beberapa faktor yaitu akibat adanya gesekan antara partikel fluida dengan dinding pada saluran, separasi akibat tidak mampu menahan adverse pressure, serta aliran sekunder. Penambahan inlet disturbance body menghasilkan intensitas turbulensi yang besar pada shear layer sehingga diharapkan dapat melawan adverse pressure dan wall shear stress .

  Adapun rumusan masalah yang dibuat yaitu untuk mengetahui pengaruh interaksi aliran antara square duct dimana terdapat inlet disturbance body dengan variasi diameter (d/D h ) = 0,064; 0,08 dan 0,1 terhadap kelengkungan elbow 90º, maka dilakukan kajian numerik untuk mengetahui pressure drop,

  

coefficient of pressure (Cp) serta fenomena aliran pada square

duct .

1.3 Batasan masalah

  Pada penelitian ini diberikan beberapa batasan yang berisi tentang variable yang akan diteliti maupun variable yang akan diasumsikan sehingga bahasan tidak melebar dari tujuan utama. Adapun batasan masalah dalam tugas akhir ini : 1.

  Perangkat lunak yang digunakan dalam pemodelan

  geometry benda uji serta tahapan pre-processing dan

  tahapan post-processing menggunakan perangkat lunak CFD komersial.

  2. Fluida kerja yang digunakan adalah udara dengan profil kecepatan udara uniform pada sisi inlet upstream. Aliran fluida bersifat incompressible flow, viscous dan steady flow.

  3. Temperatur fluida udara diasumsikan konstan, pada T = 28º.

  4. Aliran yang melintasi saluran udara memiliki region aliran turbulen.

  5. Studi numerik dilakukan pada kecepatan 5, 11 dan 17 m/s.

1.4 Tujuan penelitian

  Tujuan umum dari penelitian ini yaitu untuk mengetahui pengaruh interaksi aliran antara square duct dimana terdapat inlet

  

disturbance body dengan variasi diameter (d/D ) = 0,064; 0,08

_h

  dan 0,1 terhadap kelengkungan elbow 90º. Selain itu terdapat tujuan khusus untuk menganalisa baik dalam bentuk kuantitatif maupun kualitatif, adapun tujuan khusus penelitian ini yaitu :

  1. Mengetahui dan menganalisa velocity profile dan kontur kecepatan bidang horizontal.

  2. Mengetahui dan menganalisa kontur pathline serta velocity vector .

  3. Mengetahui dan menganalisa pressure drop upstream

  duct , elbow 90º, downstream duct, serta inlet dan outlet ducting .

  4. Mengetahui dan menganalisa coefficient of pressure elbow 90º.

1.5 Manfaat penelitian

  Adapun manfaat setelah melakukan penelitian kajian numerik ini yaitu :

  1. Memberikan gambaran tentang fenomena aliran yang melewati saluran berpenampang bujur sangkar dimana pada sisi inner upstream duct terdapat inlet body

  disturbance dengan variasi diameter, beberapa fenomena