Simulasi Aliran Fluida Pada Pompa Hidram Dengan Variasi Panjang Pipa Pemasukan Dan Variasi Tinggi Tabung Udara Menggunakan Perangkat Lunak CFD
SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA POMPA HIDRAM
DENGAN VARIASI PANJANG PIPA PEMASUKAN DAN
VARIASI TINGGI TABUNG UDARA MENGGUNAKAN CFD
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
JEFRI HANSON MANIK
NIM. 080401054
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat
dan rahmatnya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “Simulasi
Aliran Fluida Pada Pompa Hidram Dengan Variasi Panjang Pipa
Pemasukan Dan Variasi Tinggi Tabung Udara Menggunakan Perangkat
Lunak CFD”.
Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan
Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi,
Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi
penulis, namun berkat nasehat, semangat, dan motivasi dari berbagai pihak,
penulis dapat menyelesaikannya. Secara khusus penulis mengucapkan terima
kasih yang sebanyak-banyaknya kepada :
1. Bapak Ir. A. Halim Nasution, M.Sc selaku dosen pembimbing yang telah
memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.
2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Ir. Syahril Gultom, MT
selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera
Utara.
3. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT dan Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST.
MT selaku dosen pembanding.
4. Bapak Ir. Tugiman, MT selaku dosen wali.
5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah
membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.
6. Orangtua penulis R. Manik dan H. Purba yang tak kenal lelah memberikan
dukungan moral dan materil kepada penulis.
7. Adik-adik penulis Hariadi Manik, Andre Maxwel Manik, Rina Agustina
Manik, John Michael Manik yang selalu memberikan semangat kepada
penulis.
8. Teman seperjuangan mesin 2008, senior dan junior penulis dan rekan-rekan
Lapo Simamora yang memberikan semangat dalam penulisan skripsi ini.
9. Kepada pihak-pihak lain yang belum disebutkan namanya.
Universitas Sumatera Utara
Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena
itu penulis sangat membutuhkan saran dan kritik yang membangun demi
tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan
ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima Kasih.
Medan,
Mei 2014
Jefri Hanson
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ........................................................................................... i
ABSTRAK ........................................................................................................... iii
DAFTAR ISI ......................................................................................................... v
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... viii
DAFTAR TABEL ................................................................................................ xi
DAFTAR SIMBOL ............................................................................................ xii
BAB I PENDAHULUAN .................................................................................... 1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
Latar Belakang...................................................................................... 1
Tujuan Penelitian .................................................................................. 2
Batasan Masalah ................................................................................... 3
Manfaat Penelitian ................................................................................ 3
Sistematika Penulisan ........................................................................... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................... 5
2.1 Klasifikasi aliran ................................................................................... 5
2.1.1. Aliran kompresibel dan inkompresibel ......................................... 5
2.1.2. Aliran laminar dan aliran turbulen ................................................ 6
2.2 Bilangan Reynold ................................................................................. 6
2.3 Pompa Hidram ...................................................................................... 7
2.3.1. Komponen utama pompa hidram dan fungsinya ........................... 8
2.4 Sistem operasi pompa hidram............................................................. 12
2.4.1. Peningkatan tekanan pada pompa hidram akibat peristiwa
Palu air ......................................................................................... 17
2.5 Computational Fluid Dynamic (CFD) ................................................ 17
2.5.1. Pengertian umum CFD ............................................................... 17
2.5.2. Penggunaan CFD ........................................................................ 18
2.5.3. Manfaat CFD .............................................................................. 19
2.5.4. Proses simulasi CFD ................................................................... 20
2.5.5. Metode Diskritisasi CFD ............................................................ 21
2.6 Pengenalan software CFD .................................................................. 21
2.6.1. Struktur program CFD ................................................................ 22
2.6.2. Langkah penyelesaian masalahdan perencanaan analisis CFD .. 22
2.6.3. Pendekatan numerik pada CFD .................................................. 25
2.6.4. Persamaan pembentuk aliran ...................................................... 25
2.7 Model Turbulensi (Turbulence modeling).......................................... 29
2.7.1. Permodelan k-epsilon (k- ε) ........................................................ 30
2.7.2. Permodelan k-omega (k- ω) ........................................................ 30
BAB III METODOLOGI PENELITIAN .......................................................... 32
Universitas Sumatera Utara
3.1 Proses Pre-Processing ........................................................................ 32
3.1.1. Pembuatan model....................................................................... 32
3.1.2. Pembuatan mesh (grid generation) ........................................... 35
3.2 Menentukan solution solver ................................................................ 37
3.2.1. Menentukan jenis aliran ............................................................. 37
3.2.2. Menentukan kondisi batas (Boundary condition) ...................... 39
3.2.3. Menentukan jenis material .......................................................... 42
3.2.4. Pengaturan simulasi (simulation setting)……………………….43
3.3 Menjalankan simulasi (run) ................................................................ 44
BAB IV HASIL DAN ANALISA ..................................................................... 45
4.1 Simulasi pada saat katup penghantar tertutup .................................... 45
4.2 Simulasi pada saat katup limbah tertutup ........................................... 49
4.2.1 Tabung 40cm ……………………………………………………49
4.2.2 Tabung 60cm…………………………………………………….52
4.3 Simulasi perbedaan tinggi tabung udara ............................................. 56
4.3.1 Tabung 40cm…………………………………………………….56
4.3.2 Tabung 60cm…………………………………………………….58
4.4 Hasil Simulasi ..................................................................................... 62
4.5 Perbandingan terhadap hasil pengujian .............................................. 63
4.5.1. Kecepatan Pada Katup Limbah Dengan Panjang Pipa Pemasukan
8m. ............................................................................................... 63
4.5.2. Kecepatan Pada Katup Limbah Dengan Panjang Pipa Pemasukan
10m .............................................................................................. 63
4.5.3. Kecepatan Pada Katup Limbah Dengan Panjang Pipa Pemasukan
12m .............................................................................................. 64
4.5.4. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Tinggi Tabung Udara 40cm
dan Panjang Pipa Pemasukan 8m ................................................ 65
4.5.5. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Tinggi Tabung Udara 40cm
dan Panjang Pipa Pemasukan 10m .............................................. 66
4.5.6. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Tinggi Tabung Udara 40cm
dan Panjang Pipa Pemasukan 12m .............................................. 67
4.5.7. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Tinggi Tabung Udara 60cm
dan Panjang Pipa Pemasukan 8m ................................................ 67
4.5.8. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Tinggi Tabung Udara 60cm
dan Panjang Pipa Pemasukan 10m .............................................. 68
4.5.9. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Tinggi Tabung Udara 60cm
dan Panjang Pipa Pemasukan 12m .............................................. 69
4.5.10. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung Udara 40cm
dan Panjang Pipa Pemasukan 8m……………………………….70
4.5.11. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung Udara 40cm
dan Panjang Pipa Pemasukan 10m……………………………...71
4.5.12. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung Udara 40cm
dan Panjang Pipa Pemasukan 12m……………………………...71
4.5.13. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung Udara 60cm
dan Panjang Pipa Pemasukan 8m……………………………….72
Universitas Sumatera Utara
4.5.14. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung Udara 60cm
dan Panjang Pipa Pemasukan 10m……………………………...73
4.5.15. Tekanan Pada Badan Pomoa Dengan Tinggi Tabung Udara 60cm
dan Panjang Pipa Pemasukan 12m……………………………...74
4.6. Menghitung Peningkatan Tekanan Akibat Penutupan Katup Secara
Gradual………………………………………………………………74
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................ 76
5.1 Kesimpulan ......................................................................................... 76
5.2 Saran .................................................................................................. 77
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Daerah aliran laminar dan turbulen pada plat datar ....................................... 6
Gambar 2.2. Perbandingan tinggi tekanan input dan tekanan output.................................. 7
Gambar 2.3. Korelasi antara debit input dan debit output pompa hidram. ......................... 8
Gambar 2.4. Jenis-jenis Desain Katup Limbah................................................................... 9
Gambar 2.5. Bagian – Bagian Katup Limbah. .................................................................... 9
Gambar 2.6. Instalasi Pengujian Pompa Hidram .............................................................. 12
Gambar 2.7 Siklus Pemompaan Pompa Hidram ............................................................... 13
Gambar 2.8 Diagram satu siklus kerja pompa hidram.......................................................15
Gambar 2.9 Alur penyelesaian masalah CFD (problem solving) ..................................... 23
Gambar 2.10. Hukum Kekekalan Massa pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi ........... 25
Gambar 2.11 Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-x pada Sebuah Elemen
Fluida 3 Dimensi ........................................................................................ 26
Gambar 2.12 Kerja yang Dikenakan pada Sebuah Elemen Arah Sumbu-x ...................... 27
Gambar 2.13 Fluks Panas yang Melintasi Permukaan Sebuah Elemen ............................ 27
Gambar 2.14 Volume control satu dimensi ...................................................................... 30
Gambar 3.1. Model pada saat katup limbah terbuka dengan panjang pipa
pemasukan 8m atau V=0.3925m/s ........................................................ 33
Gambar 3.2. Model pada saat katup limbah terbuka dengan panjang pipa
pemasukan 10m atau V=0.3513m/s ...................................................... 34
Gambar 3.3. Model pada saat katup limbah terbuka dengan panjang pipa
pemasukan 12m atau V=0.3424m/s ...................................................... 34
Gambar 3.4. Model pompa saat katup limbah tertutup dengan tinggi tabung
40cm .......................................................................................................... 34
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.5. Model pompa saat katup limbah tertutup dengan tinggi tabung
60cm. ......................................................................................................... 35
Gambar 3.6. Model yang telah di mesh saat katup penghantar tertutup dengan
dengan panjang pipa pemasukan 8m atau V=0.3925m/s. .................. 35
Gambar 3.7. model yang telah di mesh pada saat katup penghantar tertutup
dengan dengan panjang pipa pemasukan 10m atau V=0.3513m/s. .. 35
Gambar 3.8. model yang telah di mesh pada saat katup penghantar tertutup
dengan dengan panjang pipa pemasukan 12m atau V=0.3424m/s. .. 36
Gambar 3.9. Model yang telah di mesh pada saat katup limbah tertutup dengan
tinggi tabung 40cm.................................................................................. 36
Gambar 3.10. Model yang telah di mesh pada saat katup limbah tertutup dengan
tinggi tabung 60cm.................................................................................. 36
Gambar 3.11. Jenis Aliran yang digunakan. ................................................................. 39
Gambar 3.12. Letak Kondisi Batas. ............................................................................... 40
Gambar 3.13. Keterangan kondisi batas bagian c yaitu pada keadaan katup bola
dibuka 1/6 bukaan. .................................................................................. 41
Gambar 3.14. Pengaturan Kondisi Batas ………………………………………………..41
Gambar 3.15. Letak Kondisi Batas………………………………………………………42
Gambar 3.16. Pengaturan Jenis Material………………………………..……………….43
Gambar 4.1. Kontur kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang
pipa pemasukan 8m................................................................................. 45
Gambar 4.2. Vektor kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang
pipa pemasukan 8m................................................................................. 46
Gambar 4.3. Kontur kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang
pipa pemasukan 10m .............................................................................. 46
Gambar 4.4. Vektor kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang
pipa pemasukan 10m. ............................................................................. 47
Gambar 4.5. Kontur kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang
pipa pemasukan 12m .............................................................................. 47
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.6. Vektor kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang
pipa pemasukan 12m .............................................................................. 48
Gambar 4.7. Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang
pipa 8m. .................................................................................................... 49
Gambar 4.8. Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang
pipa 8m. .................................................................................................... 50
Gambar 4.9. Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang
pipa 10m. .................................................................................................. 50
Gambar 4.10. Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang
pipa 10m ................................................................................................... 51
Gambar 4.11. Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang
pipa 12m ................................................................................................... 51
Gambar 4.12. Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang
pipa 12m ................................................................................................... 52
Gambar 4.13. Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang
pipa 8m ..................................................................................................... 52
Gambar 4.14. Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang
pipa 8m ..................................................................................................... 53
Gambar 4.15. Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang
pipa 10m ................................................................................................... 53
Gambar 4.16. Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang
pipa 10m....................................................................................................54
Gambar 4.17. Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang
pipa 12m....................................................................................................54
Gambar 4.18. Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang
pipa 12m....................................................................................................55
Gambar 4.19. Kontur Tekanan pada Tabung 1 menggunakan Pipa 8m. .................. 56
Gambar 4.20. Kontur tekanan pada tabung 1 menggunakan pipa 10m. ................... 57
Gambar 4.21. Kontur tekanan pada tabung 1 menggunakan pipa 12m. ................... 57
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.22. Kontur Tekanan pada tabung 2 menggunakan pipa 8m. .................... 58
Gambar 4.23. Kontur tekanan pada tabung 2 menggunakan pipa 10m. ................... 58
Gambar 4.24. Kontur tekanan pada tabung 2 menggunakan pipa 12m. ................... 59
Gambar 4.25. Kontur tekanan pada tabung 1 pada saat katup penghantar tertutup. ......... 60
Gambar 4.26. Kontur tekanan pada tabung 2 pada saat katup penghantar tertutup. ......... 61
Gambar 4.27. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. .............................................. 63
Gambar 4.28. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………64
Gambar 4.29. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………65
Gambar 4.30. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………66
Gambar 4.31. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………66
Gambar 4.32. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………67
Gambar 4.33. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………68
Gambar 4.34. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………69
Gambar 4.35. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………69
Gambar 4.36. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………70
Gambar 4.37. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………71
Gambar 4.38. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………72
Gambar 4.39. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………72
Gambar 4.40. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………73
Gambar 4.41. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………74
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Data hasil pengujian ............................................................................. 37
Tabel 3.2 Kondisi Batas pada saat katup limbah tertutup .................................... 39
Tabel 3.3 Kondisi Batas pada saat katup penghantar tertutup .............................. 39
Tabel 3.4 Pengaturan Simulasi ............................................................................. 40
Tabel 4.1 Hasil simulasi kecepatan pada Katup Limbah ...................................... 56
Tabel 4.2 Hasil Simulasi Tekanan
Tabung Sesuai dengan panjang pipa
pemasukan ........................................................................................... 56
Tabel 4.3 Hasil Simulasi Tekanan Badan Pompa sesuai dengan Panjang Pipa
Pemasukan ............................................................................................ 56
Tabel 4.4 Besar Δh untuk variasi tinggi tabung udara dan panjang pipa pemasukan
.............................................................................................................. 69
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR SIMBOL
Simbol
Arti
M
Bilangan Mach
Satuan
v
Kecepatan aliran
m/s
c
Kecepatan suara
m/s
Re
Bilangan reynold
m2/s
u
Viskositas kinematik
d
Diameter pipa
m
L
Panjang pipa masuk
m
H
Head supply
m
h
Head output
m
N
Jumlah ketukan katup limbah per menit
m
Massa
a
Percepatan
m/s2
�̇
Laju aliran fluida
Kg/s
T
Temperatur
�
Kerapatan (density)
Kg/m3
�
Viskositas
Kg/m s
v
Volume tabung
m3
P1
Tekanan badan pompa
Bar
P2
Tekanan tabung
Bar
a
Inlet
b
Katup limbah
c
Lobang limbah
c
Pipa keluar
d
Katup penghantar
∆h
kg
0
Head tekanan akibat penutupan katup secara
C
m
gradual
g
Percepatan gravitasi
t
Waktu selama 1 ketukan
m/s2
s
Universitas Sumatera Utara
DENGAN VARIASI PANJANG PIPA PEMASUKAN DAN
VARIASI TINGGI TABUNG UDARA MENGGUNAKAN CFD
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
JEFRI HANSON MANIK
NIM. 080401054
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat
dan rahmatnya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “Simulasi
Aliran Fluida Pada Pompa Hidram Dengan Variasi Panjang Pipa
Pemasukan Dan Variasi Tinggi Tabung Udara Menggunakan Perangkat
Lunak CFD”.
Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan
Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi,
Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi
penulis, namun berkat nasehat, semangat, dan motivasi dari berbagai pihak,
penulis dapat menyelesaikannya. Secara khusus penulis mengucapkan terima
kasih yang sebanyak-banyaknya kepada :
1. Bapak Ir. A. Halim Nasution, M.Sc selaku dosen pembimbing yang telah
memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.
2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Ir. Syahril Gultom, MT
selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera
Utara.
3. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT dan Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST.
MT selaku dosen pembanding.
4. Bapak Ir. Tugiman, MT selaku dosen wali.
5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah
membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.
6. Orangtua penulis R. Manik dan H. Purba yang tak kenal lelah memberikan
dukungan moral dan materil kepada penulis.
7. Adik-adik penulis Hariadi Manik, Andre Maxwel Manik, Rina Agustina
Manik, John Michael Manik yang selalu memberikan semangat kepada
penulis.
8. Teman seperjuangan mesin 2008, senior dan junior penulis dan rekan-rekan
Lapo Simamora yang memberikan semangat dalam penulisan skripsi ini.
9. Kepada pihak-pihak lain yang belum disebutkan namanya.
Universitas Sumatera Utara
Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena
itu penulis sangat membutuhkan saran dan kritik yang membangun demi
tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan
ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima Kasih.
Medan,
Mei 2014
Jefri Hanson
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ........................................................................................... i
ABSTRAK ........................................................................................................... iii
DAFTAR ISI ......................................................................................................... v
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... viii
DAFTAR TABEL ................................................................................................ xi
DAFTAR SIMBOL ............................................................................................ xii
BAB I PENDAHULUAN .................................................................................... 1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
Latar Belakang...................................................................................... 1
Tujuan Penelitian .................................................................................. 2
Batasan Masalah ................................................................................... 3
Manfaat Penelitian ................................................................................ 3
Sistematika Penulisan ........................................................................... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................... 5
2.1 Klasifikasi aliran ................................................................................... 5
2.1.1. Aliran kompresibel dan inkompresibel ......................................... 5
2.1.2. Aliran laminar dan aliran turbulen ................................................ 6
2.2 Bilangan Reynold ................................................................................. 6
2.3 Pompa Hidram ...................................................................................... 7
2.3.1. Komponen utama pompa hidram dan fungsinya ........................... 8
2.4 Sistem operasi pompa hidram............................................................. 12
2.4.1. Peningkatan tekanan pada pompa hidram akibat peristiwa
Palu air ......................................................................................... 17
2.5 Computational Fluid Dynamic (CFD) ................................................ 17
2.5.1. Pengertian umum CFD ............................................................... 17
2.5.2. Penggunaan CFD ........................................................................ 18
2.5.3. Manfaat CFD .............................................................................. 19
2.5.4. Proses simulasi CFD ................................................................... 20
2.5.5. Metode Diskritisasi CFD ............................................................ 21
2.6 Pengenalan software CFD .................................................................. 21
2.6.1. Struktur program CFD ................................................................ 22
2.6.2. Langkah penyelesaian masalahdan perencanaan analisis CFD .. 22
2.6.3. Pendekatan numerik pada CFD .................................................. 25
2.6.4. Persamaan pembentuk aliran ...................................................... 25
2.7 Model Turbulensi (Turbulence modeling).......................................... 29
2.7.1. Permodelan k-epsilon (k- ε) ........................................................ 30
2.7.2. Permodelan k-omega (k- ω) ........................................................ 30
BAB III METODOLOGI PENELITIAN .......................................................... 32
Universitas Sumatera Utara
3.1 Proses Pre-Processing ........................................................................ 32
3.1.1. Pembuatan model....................................................................... 32
3.1.2. Pembuatan mesh (grid generation) ........................................... 35
3.2 Menentukan solution solver ................................................................ 37
3.2.1. Menentukan jenis aliran ............................................................. 37
3.2.2. Menentukan kondisi batas (Boundary condition) ...................... 39
3.2.3. Menentukan jenis material .......................................................... 42
3.2.4. Pengaturan simulasi (simulation setting)……………………….43
3.3 Menjalankan simulasi (run) ................................................................ 44
BAB IV HASIL DAN ANALISA ..................................................................... 45
4.1 Simulasi pada saat katup penghantar tertutup .................................... 45
4.2 Simulasi pada saat katup limbah tertutup ........................................... 49
4.2.1 Tabung 40cm ……………………………………………………49
4.2.2 Tabung 60cm…………………………………………………….52
4.3 Simulasi perbedaan tinggi tabung udara ............................................. 56
4.3.1 Tabung 40cm…………………………………………………….56
4.3.2 Tabung 60cm…………………………………………………….58
4.4 Hasil Simulasi ..................................................................................... 62
4.5 Perbandingan terhadap hasil pengujian .............................................. 63
4.5.1. Kecepatan Pada Katup Limbah Dengan Panjang Pipa Pemasukan
8m. ............................................................................................... 63
4.5.2. Kecepatan Pada Katup Limbah Dengan Panjang Pipa Pemasukan
10m .............................................................................................. 63
4.5.3. Kecepatan Pada Katup Limbah Dengan Panjang Pipa Pemasukan
12m .............................................................................................. 64
4.5.4. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Tinggi Tabung Udara 40cm
dan Panjang Pipa Pemasukan 8m ................................................ 65
4.5.5. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Tinggi Tabung Udara 40cm
dan Panjang Pipa Pemasukan 10m .............................................. 66
4.5.6. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Tinggi Tabung Udara 40cm
dan Panjang Pipa Pemasukan 12m .............................................. 67
4.5.7. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Tinggi Tabung Udara 60cm
dan Panjang Pipa Pemasukan 8m ................................................ 67
4.5.8. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Tinggi Tabung Udara 60cm
dan Panjang Pipa Pemasukan 10m .............................................. 68
4.5.9. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Tinggi Tabung Udara 60cm
dan Panjang Pipa Pemasukan 12m .............................................. 69
4.5.10. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung Udara 40cm
dan Panjang Pipa Pemasukan 8m……………………………….70
4.5.11. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung Udara 40cm
dan Panjang Pipa Pemasukan 10m……………………………...71
4.5.12. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung Udara 40cm
dan Panjang Pipa Pemasukan 12m……………………………...71
4.5.13. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung Udara 60cm
dan Panjang Pipa Pemasukan 8m……………………………….72
Universitas Sumatera Utara
4.5.14. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung Udara 60cm
dan Panjang Pipa Pemasukan 10m……………………………...73
4.5.15. Tekanan Pada Badan Pomoa Dengan Tinggi Tabung Udara 60cm
dan Panjang Pipa Pemasukan 12m……………………………...74
4.6. Menghitung Peningkatan Tekanan Akibat Penutupan Katup Secara
Gradual………………………………………………………………74
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................ 76
5.1 Kesimpulan ......................................................................................... 76
5.2 Saran .................................................................................................. 77
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Daerah aliran laminar dan turbulen pada plat datar ....................................... 6
Gambar 2.2. Perbandingan tinggi tekanan input dan tekanan output.................................. 7
Gambar 2.3. Korelasi antara debit input dan debit output pompa hidram. ......................... 8
Gambar 2.4. Jenis-jenis Desain Katup Limbah................................................................... 9
Gambar 2.5. Bagian – Bagian Katup Limbah. .................................................................... 9
Gambar 2.6. Instalasi Pengujian Pompa Hidram .............................................................. 12
Gambar 2.7 Siklus Pemompaan Pompa Hidram ............................................................... 13
Gambar 2.8 Diagram satu siklus kerja pompa hidram.......................................................15
Gambar 2.9 Alur penyelesaian masalah CFD (problem solving) ..................................... 23
Gambar 2.10. Hukum Kekekalan Massa pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi ........... 25
Gambar 2.11 Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-x pada Sebuah Elemen
Fluida 3 Dimensi ........................................................................................ 26
Gambar 2.12 Kerja yang Dikenakan pada Sebuah Elemen Arah Sumbu-x ...................... 27
Gambar 2.13 Fluks Panas yang Melintasi Permukaan Sebuah Elemen ............................ 27
Gambar 2.14 Volume control satu dimensi ...................................................................... 30
Gambar 3.1. Model pada saat katup limbah terbuka dengan panjang pipa
pemasukan 8m atau V=0.3925m/s ........................................................ 33
Gambar 3.2. Model pada saat katup limbah terbuka dengan panjang pipa
pemasukan 10m atau V=0.3513m/s ...................................................... 34
Gambar 3.3. Model pada saat katup limbah terbuka dengan panjang pipa
pemasukan 12m atau V=0.3424m/s ...................................................... 34
Gambar 3.4. Model pompa saat katup limbah tertutup dengan tinggi tabung
40cm .......................................................................................................... 34
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.5. Model pompa saat katup limbah tertutup dengan tinggi tabung
60cm. ......................................................................................................... 35
Gambar 3.6. Model yang telah di mesh saat katup penghantar tertutup dengan
dengan panjang pipa pemasukan 8m atau V=0.3925m/s. .................. 35
Gambar 3.7. model yang telah di mesh pada saat katup penghantar tertutup
dengan dengan panjang pipa pemasukan 10m atau V=0.3513m/s. .. 35
Gambar 3.8. model yang telah di mesh pada saat katup penghantar tertutup
dengan dengan panjang pipa pemasukan 12m atau V=0.3424m/s. .. 36
Gambar 3.9. Model yang telah di mesh pada saat katup limbah tertutup dengan
tinggi tabung 40cm.................................................................................. 36
Gambar 3.10. Model yang telah di mesh pada saat katup limbah tertutup dengan
tinggi tabung 60cm.................................................................................. 36
Gambar 3.11. Jenis Aliran yang digunakan. ................................................................. 39
Gambar 3.12. Letak Kondisi Batas. ............................................................................... 40
Gambar 3.13. Keterangan kondisi batas bagian c yaitu pada keadaan katup bola
dibuka 1/6 bukaan. .................................................................................. 41
Gambar 3.14. Pengaturan Kondisi Batas ………………………………………………..41
Gambar 3.15. Letak Kondisi Batas………………………………………………………42
Gambar 3.16. Pengaturan Jenis Material………………………………..……………….43
Gambar 4.1. Kontur kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang
pipa pemasukan 8m................................................................................. 45
Gambar 4.2. Vektor kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang
pipa pemasukan 8m................................................................................. 46
Gambar 4.3. Kontur kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang
pipa pemasukan 10m .............................................................................. 46
Gambar 4.4. Vektor kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang
pipa pemasukan 10m. ............................................................................. 47
Gambar 4.5. Kontur kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang
pipa pemasukan 12m .............................................................................. 47
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.6. Vektor kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang
pipa pemasukan 12m .............................................................................. 48
Gambar 4.7. Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang
pipa 8m. .................................................................................................... 49
Gambar 4.8. Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang
pipa 8m. .................................................................................................... 50
Gambar 4.9. Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang
pipa 10m. .................................................................................................. 50
Gambar 4.10. Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang
pipa 10m ................................................................................................... 51
Gambar 4.11. Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang
pipa 12m ................................................................................................... 51
Gambar 4.12. Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang
pipa 12m ................................................................................................... 52
Gambar 4.13. Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang
pipa 8m ..................................................................................................... 52
Gambar 4.14. Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang
pipa 8m ..................................................................................................... 53
Gambar 4.15. Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang
pipa 10m ................................................................................................... 53
Gambar 4.16. Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang
pipa 10m....................................................................................................54
Gambar 4.17. Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang
pipa 12m....................................................................................................54
Gambar 4.18. Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang
pipa 12m....................................................................................................55
Gambar 4.19. Kontur Tekanan pada Tabung 1 menggunakan Pipa 8m. .................. 56
Gambar 4.20. Kontur tekanan pada tabung 1 menggunakan pipa 10m. ................... 57
Gambar 4.21. Kontur tekanan pada tabung 1 menggunakan pipa 12m. ................... 57
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.22. Kontur Tekanan pada tabung 2 menggunakan pipa 8m. .................... 58
Gambar 4.23. Kontur tekanan pada tabung 2 menggunakan pipa 10m. ................... 58
Gambar 4.24. Kontur tekanan pada tabung 2 menggunakan pipa 12m. ................... 59
Gambar 4.25. Kontur tekanan pada tabung 1 pada saat katup penghantar tertutup. ......... 60
Gambar 4.26. Kontur tekanan pada tabung 2 pada saat katup penghantar tertutup. ......... 61
Gambar 4.27. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. .............................................. 63
Gambar 4.28. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………64
Gambar 4.29. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………65
Gambar 4.30. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………66
Gambar 4.31. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………66
Gambar 4.32. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………67
Gambar 4.33. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………68
Gambar 4.34. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………69
Gambar 4.35. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………69
Gambar 4.36. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………70
Gambar 4.37. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………71
Gambar 4.38. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………72
Gambar 4.39. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………72
Gambar 4.40. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………73
Gambar 4.41. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian………………………………74
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Data hasil pengujian ............................................................................. 37
Tabel 3.2 Kondisi Batas pada saat katup limbah tertutup .................................... 39
Tabel 3.3 Kondisi Batas pada saat katup penghantar tertutup .............................. 39
Tabel 3.4 Pengaturan Simulasi ............................................................................. 40
Tabel 4.1 Hasil simulasi kecepatan pada Katup Limbah ...................................... 56
Tabel 4.2 Hasil Simulasi Tekanan
Tabung Sesuai dengan panjang pipa
pemasukan ........................................................................................... 56
Tabel 4.3 Hasil Simulasi Tekanan Badan Pompa sesuai dengan Panjang Pipa
Pemasukan ............................................................................................ 56
Tabel 4.4 Besar Δh untuk variasi tinggi tabung udara dan panjang pipa pemasukan
.............................................................................................................. 69
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR SIMBOL
Simbol
Arti
M
Bilangan Mach
Satuan
v
Kecepatan aliran
m/s
c
Kecepatan suara
m/s
Re
Bilangan reynold
m2/s
u
Viskositas kinematik
d
Diameter pipa
m
L
Panjang pipa masuk
m
H
Head supply
m
h
Head output
m
N
Jumlah ketukan katup limbah per menit
m
Massa
a
Percepatan
m/s2
�̇
Laju aliran fluida
Kg/s
T
Temperatur
�
Kerapatan (density)
Kg/m3
�
Viskositas
Kg/m s
v
Volume tabung
m3
P1
Tekanan badan pompa
Bar
P2
Tekanan tabung
Bar
a
Inlet
b
Katup limbah
c
Lobang limbah
c
Pipa keluar
d
Katup penghantar
∆h
kg
0
Head tekanan akibat penutupan katup secara
C
m
gradual
g
Percepatan gravitasi
t
Waktu selama 1 ketukan
m/s2
s
Universitas Sumatera Utara