Analisa Cfddaya Vortex Dari Rumah Vortex Berbentuk Lingkaran Dengan Variasi Saluran Buang
ANALISA CFDDAYA VORTEX DARI RUMAH VORTEX BERBENTUK LINGKARAN DENGAN VARIASI SALURAN BUANG SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
STEFANUS L. TOBING 080401076 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, 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
CFDDAYA VORTEX DARI RUMAH VORTEX BERBENTUK
LINGKARAN DENGAN VARIASI SALURAN BUANG”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 Bintahan Lumban Tobing dan Ibu Vide Lasdora, yang terus menerus memberikan dukungan baik moril ataupun materil, juga kepada ketiga saudara saya Nancylia Wulandari Tobing, S.Sn, Santoni Findi Tobing, S.Pi, Septika Hanasintia Tobing, dan keluarga besar 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.
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 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 seluruh teman – teman mahasiswa baik di Teknik Mesin danIkatan Mahasiswa Pemimpin Rasional dan Kreatif (IMPERATIF), yang selalu memotivasi saya dalam menyelesaikan tugas akhir ini, juga kepada rekan- rekan saya team turbin vortex.
7. Rekan-rekan mahasiswa angkatan 2008 Departemen Teknik Mesin USU 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, Juli 2014
Penulis
ABSTRAK
Turbin Vortex adalah salah satu jenis turbin mikrohidro yang menggunakan pusaran air sebagai penggerak sudunya. Turbin Vortex mempunyai
2
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. Untuk itu dilakukan analisa dan simulasi secara numerik Turbin Vortex dengan bantuan software Ansy 14 menggunakan CFD.CFD dapat menganalisa atau memprediksi aliran fluida yang ada pada turbin vortex. Dalam proses pembentukan meliputi Preprocessing, Solving, dan Postprocessing. Analisis dilakukan pada aliran tiga dimensi (3D), transient, turbulen dan incompresible.Variabel yang digunakan untuk dianalisa adalah diameter lubang buang air yang terdiri dari tiga ukuran 9cm, 7,5cm, dan 6cm.Didapat kecepatan aliran yang baik pada rumah turbin dengan lubang buang 7,5cm. Kata kunci: Vortex, CFD, Ansys, Turbin Vortex, Lubang Buang
ABSTRACT
Vortex Turbine is one kind of micro hydro turbine that uses water as the driving vortex on its blade. Vortex Turbine head has a relatively low 0.7 m-1, 4m and water discharge of 0.02 m2 / s which flows continuously, this turbine is suitable for use in the river flow. Therefor is made the analysis and numerical simulations with the help of software Vortex Turbine Ansy 14 using CFD. CFD to analyze or predict the fluid flow that existed at the vortex turbine. In the process of forming includes Preprocessing, Solving, and Postprocessing. Analysis was performed on stream three-dimensional (3D), transient, turbulent and incompresible. Variables used for analysis is the diameter of the outlet consists of three sizes 9cm, 7.5cm, and 6cm. Obtained a good flow rate at the turbine with waste hole 7.5 cm.
Keywords: Vortex, CFD, Ansys, Vortex Turbine, Outlet
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ...................................................................................... i ABSTRAK ........................................................................................................ iii DAFTAR ISI ..................................................................................................... v DAFTAR TABEL ............................................................................................ viii DAFTAR GAMBAR ........................................................................................ ix DAFTAR GRAFIK .......................................................................................... xi DAFTAR NOTASI ........................................................................................... xii2.1.2 Tipe Aliran Vortex ....................................................................... 10
2.3 Turbin Vortex ....................................................................................... 25
2.2.5 Keunggulan dan Perbandingan antara Turbin Pusaran Air (Vortex)denganturbin Kaplan atau Francis ........................... 23
2.2.4 Perbandingan Karakteristik Turbin ............................................. 22
2.2.3 Turbin Reaksi .............................................................................. 20
2.2.2 Turbin Impuls .............................................................................. 17
2.2.1 Klasifikasi Turbin Air .................................................................. 16
2.2 Turbin Air ............................................................................................. 15
2.1.3 Aplikasi pada Aliran Vortex ........................................................ 13
2.1.1 Teori Aliran Vortex ..................................................................... 7
BAB I PENDAHULUAN ................................................................................. 1
2.1 Aliran Vortex ........................................................................................ 6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...................................................................... 6
1.6 Sistematika Penulisan ........................................................................... 4
1.5 Metodologi Penelitian........................................................................... 4
1.4 Batasan Masalah ................................................................................... 3
1.3 Manfaat Penelitian ................................................................................ 3
1.2 Tujuan Penelitian .................................................................................. 3
1.1 Latar Belakang ...................................................................................... 1
2.3.1 TeoriPerumusan Perhitungan Yang Terjadi Pada Rumah Vortex ..................................................................... 25
2.3.2 Prinsip Kerja Turbin Vortex ........................................................ 28
2.3.3 Pemeliharaandan Pengaruh Pada Lingkungan ............................ 32
2.3.4 Aplikasi Turbin Vortex ................................................................ 36
2.4Pengertian Umum CFD .......................................................................... 38
2.4.1Penggunaan CFD ......................................................................... 38
2.4.2 Manfaat CFD .............................................................................. 39
2.4.3 Proses .......................................................................................... 39
2.4.4 Persamaan Pembentuk Aliran ..................................................... 40
2.4.5FLUENT ...................................................................................... 45
2.4.6 Model Volume Of Fluid ............................................................. 46
2.4.7 Skema Numerik .......................................................................... 49
2.4.8Diskritisasi ................................................................................... 51
2.4.9 Model Turbulen .......................................................................... 54
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ...................................................... 59
3.1 Proses Pre-Processing ........................................................................... 59
3.1.1Pembuatan Model ........................................................................ 59
3.1.2 Menentukan Domain ................................................................... 60
3.1.3Pembuatan Mesh .......................................................................... 61
3.2Menentukan Solution Solver .................................................................. 61
3.2.1Menentukan jenis Aliran .............................................................. 61
3.2.2 Menentukan Kondisi Batas ......................................................... 62
3.2.3 Pengaturan Simulasi (Simulation Setting) .................................. 62
3.3 Menjalankan Simulasi ........................................................................... 63
BAB IV HASIL DAN ANALISA DATA ........................................................ 64
4.1 Analisa Terhadap Ketinggian Air ......................................................... 64
4.2 Analisa Daya Air Pada Rumah Turbin .................................................. 68
4.2.1 Kecepatan Aliran Air Pada Variasi Lubang Buang ...................... 68
4.2.2 Daya Yang Terjadi Pada Rumah Turbin ..................................... 76
4.3 Analisa Perencanaan Diameter Sudu Dari Kecepatan Aliran Vortex YangTerjadi Di Rumah Turbin ...................................... 78
4.3.1Pengambilan Data Kecepatan Pada Tiap-Tiap Ketinggian Garis Ukur ................................................................ 78
4.3.2 Gabungan Grafik Kecepatan Versus Jarak Yang Terbentuk Pada Variasi Lubang Buang ....................................... 82
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................... 85
5.1 Kesimpulan ........................................................................................... 85
5.2 Saran ..................................................................................................... 88
DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................... xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Perbandingan antara turbin pusaran air (vortex) dengan turbin Kaplan atau Francis ..................................................................24Tabel 3.1 Kondisi Batas ..................................................................................... 62Tabel 3.2 Pengaturan Simulasi ........................................................................... 62Tabel 4.1 Kecepatan Yang Terjadi Pada Lubang Buang 9cm yang Melewati Garis Ukur ................................................................ 66Tabel 4.2 Hasil Ketinggian Air Pada Simulasi CFD-FLUENT ......................... 67Tabel 4.3Distribusi kecepatan pada garis 1, garis 2, garis 3, dan garis 4 diukur pada ketinggian 5 cm dari dasar rumah turbin, dengan lubang buang 9cm .......................................... 69
Tabel 4.4 Distribusi kecepatan pada garis 1, garis 2, garis 3, dan garis 4 diukur pada ketinggian 5 cm dari dasar rumahturbin, dengan lubang buang 7,5cm ...................................................71
Tabel 4.5 Distribusi kecepatan pada garis 1, garis 2, garis 3, dan garis 4 diukur pada ketinggian 5 cm dari dasarrumah turbin, dengan lubang buang 6cm ...........................................73
Tabel 4.5 Perbandingan rata-rata antara kecepatan di setiap lubang buang ......75
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Aliran Vortex.................................................................................. 6Gambar 2.2 Pola arah aliran vortex.................................................................... 8Gambar 2.3 Gerak dari fluida A ke B (a) untuk irrotational (Free) Vortex;(b) untuk rotational (forced) vortex ................................................. 8
Gambar 2.4 Notasi untuk menentukan sirkulasi pada kurva tertutup C ............ 9Gambar 2.5 Teh Cangkir yang di aduk adalah sebuah Aplikasi Force vortex ... 10Gambar 2.6 Rotational (rigid-body) vortex ....................................................... 11Gambar 2.7 Irrotational vortex ........................................................................... 11Gambar 2.8 Aplikasi Aliran Vortex pada Rumah Turbin .................................. 13Gambar 2.9 Aplikasi aliran vortex mendorong sudu pada turbin vortex ........... 14Gambar 2.10 Turbin Pelton ................................................................................ 17Gambar 2.11 Turbin Turgo ................................................................................ 18Gambar 2.12 Turbink Cross Flow atau Banki ................................................... 19Gambar 2.13 Tubin Vortex (Pusaran Air) .......................................................... 19Gambar 2.14 Turbin Francis .............................................................................. 20Gambar 2.15 Turbin Kaplan .............................................................................. 21Gambar 2.16Instalasi Turbin Vortex Pada Sungai ............................................. 29
Gambar 2.17 Bentuk permukan Pusaran Air secara matematik ........................ 30Gambar 2.18 Struktur sungai masa lalu dan masa sekarang .............................. 32Gambar 2.19 Proses pemurnian air secara alami ............................................... 33Gambar 2.20 Saluran masuk dan Tanki rotasi ................................................... 34Gambar 2.21 Gambar Bio-reaktor turbin vortex ................................................ 35Gambar 2.22Konservasi massa pada elemen fluida ........................................... 41 Gambar 2.23Konservasi momentum pada elemen fluida .................................. 43 Gambar 2.24Konservasi massa pada elemen fluida ........................................... 44 Gambar 2.25Volume kendali digunakan sebagai ilustrasi Diskretisasi ............. 52 Gambar 2.26Volume kendali digunakan sebagai ilustrasi Diskretisasi 2D ....... 52
Gambar 3.1 Rumah Turbin Lingkaran dengan variasi lubangbuang ................. 59Gambar 3.2 Domain ........................................................................................... 50Gambar 3.3 Mesh Rumah Lingkaran ................................................................. 61Gambar 4.1 Rumah Turbin Berbentuk Lingkaran setelah diisi selama 100detik.............................................................................. 64Gambar 4.2 Posisi Garis Ukur 9cm;(a) Rumah Turbin 9cm(b) Potongan Rumah Turbin 9cm................................................... 65
Gambar 4.3 Posisi Garis Ukur Terhadap Ketinggian Permukaan Air ............... 67Gambar 4.4Pandangan Atas dari Rumah Turbin dimana posisi garis ukur pada setiap bagian yang ditunjukan pada garis 1, garis 2, garis 3, dan garis 4 ...................................... 68
DAFTAR GRAFIK
Grafik 2.1 Aliran Vortex .................................................................................... 12 Grafik 2.2 Distribusi Kecepatan ......................................................................... 13 Grafik 2.3 Head (m) vs flow (m3/s) Turbin Pelton, Banki, Kaplan, Francis ..... 22 Grafik 2.4 Head (m) vs flow (m3/s) Turbin Vortex ........................................... 22 Grafik 2.5 Grafik - Frodian Model ..................................................................... 28 Grafik 2.6 Efesiensi Hidrolik Tubin vortex........................................................ 28 Grafik 4.1 Kecepatan Yang Terjadi Pada Lubang Buang 9cm yang
Melewati Garis Ukur ........................................................................ 66 Grafik 4.2 Distribusi kecepatan pada garis 1, garis 2, garis 3, dan garis 4 diukur pada ketinggian 5 cm dari dasar rumah turbin, dengan lubang buang 9cm ........................................ 70
Grafik 4.3 Distribusi kecepatan pada garis 1, garis 2, garis 3, dan garis 4 diukur pada ketinggian 5 cm dari dasar rumah turbin, dengan lubang buang 7,5cm ................................................ 72
Grafik 4.4 Distribusi kecepatan pada garis 1, garis 2, garis 3, dan garis 4 diukur pada ketinggian 5 cm dari dasar rumah turbin, dengan lubang buang 6cm ........................................ 74
Grafik 4.5 Perbandingan rata-rata antara kecepatan di setiap lubang buang ..... 75 Grafik 4.6 Distribusi kecepatan di ketinggian garis ukur 0,05 m ...................... 78 Grafik 4.7 Distribusi kecepatan di ketinggian garis ukur 0,1 m ........................ 79 Grafik 4.8 Distribusi kecepatan di ketinggian garis ukur 0,15 m ...................... 79 Grafik 4.9 Distribusi kecepatan di ketinggian garis ukur 0,2 m ........................ 80 Grafik 4.10 Distribusi kecepatan di ketinggian garis ukur 0,25 m .................... 80 Grafik 4.11 Distribusi kecepatan di ketinggian garis ukur 0,3 m ...................... 81 Grafik 4.12 Gabungan dari grafik distribusi kecepatan pada lubang buang 9 cm .................................................................. 82 Grafik 4.13 Gabungan dari grafik distribusi kecepatan pada lubang buang 7,5 cm ............................................................... 83 Grafik 4.14 Gabungan dari grafik distribusi kecepatan pada lubang buang 6 cm .................................................................. 84
DAFTAR NOTASI
2
= Sirkulasi [m /s] Γ
= kecepatan tangensial [m/s]
2 K = konstanta untuk free vortex [m /s]
-1
= konstanta untuk forced vortex [s ] ω r = jari - jari H = Head/Ketinggian Air [m] D
2 = Diameter Lubang Buang [cm]
2 A , = Luas Penampang Buang [m ]
2 V 2 , = Kecepatan Rata - Rata Buang [m/s]
3 Q = Debit[m /s]
= Daya air [Watt] = Aliran massa [kg/s]
̇ = Kecepatan Air [m/s] = Energi kinetik [Joule] = Kecepatan Sudut [rev/s] = Jari – jari [m] = kecepatan aliran [m/s]
3
= massa jenis [kg/m ]
= phi (22/7 atau 3,14) π
= kecepatan sudut (rad/s) ω
= Velocity potential = stream function = konstata free vortex