Simulasi Aliran Fluida Pada Pompa Hidram Dengan Variasi Panjang Pipa Pemasukan Dan Variasi Tinggi Tabung Udara Menggunakan Perangkat Lunak CFD

LAMPIRAN

Data Hasil Percobaan

Percobaan 1 :

tabung 1 dengan : - tinggi = 40 cm - Volume tabung =1266.1265 cm3 - diameter = 6.35 cm - Panjang pipa pemasukan = 8 m Perco-

baan

Tekanan pengukuran (bar) Debit ( m3/ menit) x 10 -3

Head (m) Jumlah ketukan

P1 Ptu P2 Pout Q2 Q3 H h

1 2 3 4 5 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 1.18 1.18 1.18 1.20 1.20 1.23 1.23 1.23 1.23 1.25 0.94 0.96 0.94 0.94 0.94 1.0 1,1 0.9 0.9 0.8 26 25.5 26 26 26 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 5.7 5.7 5.7 5.7 5.7 65 64 65 65 65 Rata-rata

0.2 1.188 1.234 0.944 0.94 25.9 - - 65

Keterangan: -P1= tekanan pada saat katup membuka - P2= tekanan pada saat katup menutup - P out= tekanan air pada pipa discharge - Ptu = tekakanan pada tabung udara,

-Q2= debit pemompaan, - Q3= debit keluar dari katup buang , - H = head input. - h= head pemompaan

Percobaan 2 :

tabung 2 dengan : - tinggi = 60 cm - Volume tabung =1899.18975 cm3 - diameter = 6.35 cm - Panjang pipa pemasukan = 8 m Perco-

Baan

Tekanan pengukuran (bar) Debit ( m3/ menit) x 10-3

Head (m) Jumlah ketukan

1 2 3 4 5 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 1.16 1.16 1.16 1.16 1.17 1.20 1.20 1.22 1.22 1.22 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95 1.4 1,5 1.5 1.5 1.5 25 24 24 24 24 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 5.7 5.7 5.7 5.7 5.7 62 62 62 62 62 Rata-rata

0.2 1.162 1.212 0.85 1.48 24.2 - - 62

Percobaan 3 :

tabung 1 dengan : - tinggi = 40 cm - Volume tabung =1266.1265 cm3

- diameter = 6.35 cm - Panjang pipa pemasukan = 10 m

Perco- Baan

Tekanan pengukuran (bar) Debit ( m3/ menit) x 10-3

Head (m) Jumlah ketukan

P1 Ptu P2 Pout Q2 Q3 H h

1 2 3 4 5 0.21 0.21 0.21 0.21 0.21 1.05 1.05 1.05 1.05 1.04 1.14 1.14 1.12 1.12 1.12 0.70 0.70 0.70 0.70 0.70 2 2 2.05 2.05 2 23 23 23 23 23 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 5.7 5.7 5.7 5.7 5.7 60 60 60 60 60 Rata-rata

0.21 1.048 1.128 0.70 2.02 23 - - 60

Percobaan 4 :

tabung 2 dengan : - tinggi = 60 cm - Volume tabung =1899.18975cm3

- diameter = 6.35 cm - Panjang pipa pemasukan = 10 m

Perco- Baan

Tekanan pengukuran (bar) Debit ( m3/ menit) x 10

-3 Head (m)

Jumlah ketukan

1 2 3 4 5 0.21 0.21 0.21 0.21 0.21 1.12 1.12 1.12 1.12 1.12 1.16 1.18 1.18 1.18 1.18 0.91 0.91 0.91 0.91 0.90 2.1 2.15 2.15 2.15 2.1 23 22 22 22 23 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 5.7 5.7 5.7 5.7 5.7 58 58 58 58 58 Rata-rata

0.21 1.12 1.176 0.908 2.13 22.4 - - 58

Percobaan 5 :

tabung 1 dengan : - tinggi = 40 cm - Volume tabung = 1266.1265cm3

- diameter = 6.35 cm - Panjang pipa pemasukan = 12 m

Perco- Baan

Tekanan pengukuran (bar) Debit ( m3/ menit) x 10-3 Head (m) Jumlah ketukan

P1 Ptu P2 Pout Q2 Q3 H h

1 2 3 4 5 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22 0.95 0.95 0.95 0.95 0.97 1.00 1.00 1.03 1.03 1.03 0.68 0.66 0.68 0.68 0.68 1.45 1.4 1.4 1.4 1.4 22 22 22 22 22 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 5.7 5.7 5.7 5.7 5.7 62 62 62 62 62 Rata-rata

0.22 0.954 1.018 0.676 1.41 22 - - 62

Percobaan 6 :

tabung 2 dengan : - tinggi = 60 cm - Volume tabung = 1899.18975cm3 - diameter = 6.35 cm - Panjang pipa pemasukan = 12 m

Perco- Baan

Tekanan penukuran (bar) Debit ( m3/ menit) x 10-3 Head (m) Jumlah ketukan

P1 Ptu P2 Pout Q2 Q3 H h

1 2 3 4 5 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22 1.04 1.03 1.03 1.03 1.05 1.07 1.07 1.07 1.07 1.07 0.85 0.87 0.86 0.85 0.86 1.65 1.6 1.6 1.6 1.6 23 23 23 23 23 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 5.7 5.7 5.7 5.7 5.7 61 61 61 61 61 Rata-rata

DAFTAR PUSTAKA

[1]. Ansys Inc. Ansys Fluent Documentation. Ansys Inc

[2]. Çengel, Yunus. A. dan Robert H. Turner. 2004. Fundamental of Thermal Fluid Sciences, New York: Mc. Graw Hill

[3]. Jahja Hanafie & Hans de longh, 1979, Buku Petunjuk untuk pembuatan dan pemasangan TEKNOLOGI POMPA HIDRAULIK RAM, ITB, Bandung. [4]. Jofri B. Sinaga, 2009, Perancangan Alat Pengujian Pompa Tanpa Motor

(Hydram Pump) Untuk Mendukung Pelaksanaan Praktikum Prestasi Mesin Di Jurusan teknik Mesin Universitas Lampung. UNILA : Lampung

[5]. Made Suarda & IKG Wirawan. 2008. Jurnal Ilmiah Teknik Mesin. Kajian Eksperimental Pengaruh Tabung Udara Pada Head Tekanan Pompa Hidram. UNUD: Bali

[6]. Panjaitan, Daniel Ortega. 2013. Rancang Bangun Pompa Hidram Dan Pengujian Pengaruh Tingggi Tabung Udara Dan Panjang Pipa Pemasukan Terhadap Unjuk Kerja Pompa Hidram. USU: Medan

[7]. Taye, T. 1998. Hydraulic Ram Pump, Journal of the ESME, Vol II, No. 1 [8]. Tuakia, Firman. 2008. Dasar-dasar CFD menggunakan FLUENT.

Informatika : Bandung

[9]. Versteeg, H. K. & Malalasekera, W. 1995. An Introduction To Computational Fluid Dynamics. New York: Longman Group

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Proses Pre-Processing

Proses pre-processing merupakan proses yang dilakukan sebelum pengujian (simulasi). Proses ini mencakup pembuatan model, dan pembuatan mesh (meshing).

3.1.1 Pembuatan Model

Pembuatan model pompa hidram dalam simulasi ini mengacu kepada bentuk dan dimensi pompa yang sebenarnya. Pembuatan model CAD dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak SolidWorks. Model simulasi dalam penelitian ini ditunjukkan pada gambar dibawah ini.

Gambar 3.1. Model pada saat katup limbah terbuka dengan panjang pipa pemasukan 8m atau V=0.3925m/s

Adapun keterangan dari gambar diatas adalah sebagai berikut:

Keterangan gambar:

a. Inlet (pipa pemasukan) b. Katup limbah

c. Lubang limbah d. Katup Penghantar

Gambar 3.2. Model pada saat katup limbah terbuka dengan panjang pipa pemasukan 10m atau V=0.3513m/s

a

b

c

Gambar 3.3. Model pada saat katup limbah terbuka dengan panjang pipa pemasukan 12m atau V=0.3424m/s

Gambar 3.4. Model pompa saat katup limbah tertutup dengan tinggi tabung 40cm

3.1.2. Pembuatan mesh (grid generation)

Unit-unit volume pada simulasi ANSYS diinterpretasikan dengan pembentukan mesh atau grid. Ukuran mesh yang diterapkan pada model akan mempengaruhi ketelitian analisis CFD. Semakin kecil ukuran mesh pada model, maka hasil yang didapatkan akan semakin teliti, tetapi membutuhkan daya komputasi dan waktu yang lebih lama dibandingkan dengan mesh yang memiliki ukuran lebih besar. Oleh karena itu, besar ukuran mesh harus diatur sedemikian rupa (smooth meshing) sehingga diperoleh hasil yang teliti dan diusahakan daya komputasi yang dibutuhkan tidak terlalu besar.

Gambar 3.6. Model yang telah di mesh saat katup penghantar tertutup dengan panjang pipa pemasukan 8m atau V=0.3925m/s

Gambar 3.7. model yang telah di mesh pada saat katup penghantar tertutup dengan panjang pipa pemasukan 10m atau V=0.3513m/s

Gambar 3.8. model yang telah di mesh pada saat katup penghantar tertutup dengan panjang pipa pemasukan 12m atau V=0.3424m/s

.

Gambar 3.9. Model yang telah di mesh pada saat katup limbah tertutup dengan tinggi tabung 40cm.

Gambar 3.10. Model yang telah di mesh pada saat katup limbah tertutup dengan tinggi tabung 60cm.

3.2. Menentukan Solution Solver 3.2.1 Menentukan Jenis Aliran.

Fluida yang digunakan dalam simulasi adalah air dengan sifat-sifat sebagai berikut:

1. Temperatur konstan T = 20 0C

2. Kerapatan (densitas) konstan, �= 998.2 ��/�3 3. Viskositas kinematik, � =1.02 � 10−6 �2_/�

Maka dengan menggunakan persamaan 2.2 dan parameter-parameter yang telah disebutkan sebelumnya, bilangan Reynold dapat dihitung untuk menentukan jenis alirannya, yaitu jika:

Re < 2300 aliran akan laminar

Re antara 2300 smpai 10000 aliran transisi Re > 10000 aliran akan turbulen

Diketahui : v = sesuai dengan variasi panjang pipa pemasukan dan variasi tinggi tabung sebagai berikut.

v (pipa 8m) = 0,3925 m/s v (pipa 10m) = 0,3513 m/s v (pipa 12m) = 0,3424 m/s v (tabung 40cm) = 0,3925 m/s v (tabung 60cm) = 0,3756 m/s d = diameter pipa masuk (0.0381) m.

Untuk v (pipa 8m) = 0,3925 m/s

��

=

��

�

=

0.0381 �� 0,3925 �/� 1.02 �10−6 _�2_/�

Untuk v (pipa 10m) = 0,3513 m/s

��

=

��

�

=

0.0381 �� 0,3513 �/� 1.02 �10−6 _�2_/�

=

13331,203

Untuk v (pipa 12m) = 0,3424 m/s

��

=

��

�

=

0.0381 �� 0,3424 �/� 1.02 �10−6 �2/�

=

12993,46

Untuk v (tabung 40cm) = 0,3925 m/s sama dengan bilangan Reynold Untuk v (pipa 8m).

Untuk v (tabung 60cm) = 0,3756 m/s

��

=

��

�

=

0.0381 �� 0,3756 �/� 1.02 �10−6 _�2_/�

=

14253,34

Dengan membandingkan nilai diatas dengan nilai kritis bilangan Reynold, maka jenis aliran untuk semua kecepatan adalah turbulen. Dari asumsi fluida yang digunakan adalah dengan temperature dan densitas tetap sehingga jenis alirannya adalah isothermal dan inkompresible. Berikut adalah gambar pengaturan jenis aliran pada CFD:

Gambar 3.11. Jenis aliran yang digunakan.

3.2.2 Menentukan Kondisi Batas (Boundary Condition)

Sebelum menentukan kondisi batas, ada baiknya diketahui data-data hasil pengujian sebagai data yang akan dimasukkan sebagai kondisi batas dan juga sebagai data yang akan dibandingkan nantinya dengan hasil simulasi, berikut adalah data hasil pengujian.

Tabel 3.1. Data Hasil Pengujian [6]

Kecepatan (v) pada panjang pipa pemasukan 8m 0,3788 m/s

Kecepatan (v) pada panjang pipa pemasukan 10m 0,3364 m/s

Kecepatan (v) pada panjang pipa pemasukan 12m 0,3217 m/s

No. Tabung Panjang Pipa Pemasukan (m) P tabung (Bar)

Tabung 1 tinggi 40 cm

8 1,188

10 1,048

12 0,954

Tabung 2 tinggi 60 cm

8 1,162

10 1,120

No. Tabung Panjang Pipa Pemasukan (m) P badan pompa (Bar)

Tabung 1 tinggi 40 cm

8 1,234

10 1,128

12 1,000

Tabung 2 tinggi 60 cm

8 1,212

10 1,176

12 1,070

Kondisi batas diatur pada setiap sisi pompa. Untuk memperjelas letak kondisi batas pada penelitian ini selengkapnya ditampilkan pada gambar dan dijelaskan pada tabel dibawah ini.

Kondisi 1. Pada Saat Katup Limbah Tertutup

Pada kondisi ini dipakai untuk enam simulasi yaitu tiga simulasi untuk tabung 40cm dan tiga simulasi untuk tabung 60cm. Pada saluran delivery terdapat katup bola dimana saluran ini akan dibuka 1/6 bukaan sesuai dengan pengujian yang dilakukan dilapangan sebagai ganti pipa keluaran, berikut adalah kondisi batasnya.

Gambar 3.12. Letak Kondisi Batas

a _c

b

Gambar 3.13. Keterangan kondisi batas bagian c yaitu pada keadaan katup dibuka 1/6 bukaan.

Tabel 3.2 Kondisi Batas pada saat katup limbah tertutup

Kondisi Batas Jenis Nilai

a. Inlet

b. Katup Limbah c. Outlet Delivery d. Katup Hantar

Velocity inlet

Wall Pressure Outlet

Wall

0.3925, 0.3513, 0,3424, 0.3756, 0.3726, 0.3599 (m/s)

-

0 Pa (gauge) -

Berikut ini adalah pengaturan kondisi batas pada saat katup limbah tertutup pada Fluent:

Gambar 3.14. Pengaturan Kondisi Batas

Pada kondisi ini dipakai untuk simulasi variasi panjang pipa pemasukan.

Gambar 3.15. Letak Kondisi Batas

Tabel 3.3 Kondisi Batas pada saat katup penghantar tertutup

Kondisi Batas Jenis Nilai

a. Inlet

b. Katup limbah c. Lobang limbah d. Katup penghantar

Velocity inlet Wall Pressure outlet

Wall

0.3925, 0.3513, 0.3424 (m/s) -

0 Pa (gauge) -

3.2.3 Menentukan Jenis Material

Jenis material/fluida yang digunakan adalah air dengan sifat-sifat sebagai berikut:

1. Temperatur konstan T = 20 0C

2. Kerapatan (densitas) konstan, �= 998.2 ��/�3 3. Viskositas kinematik, � =1.02 � 10−6 �2_/�

Berikut ini adalah pengaturan jenis material/fluida yang digunakan pada CFD:

a c

d b

Gambar 3.16. Pengaturan jenis material 3.2.4 Pengaturan Simulasi (Simulation Setting)

Pengaturan simulasi yang dimaksud adalah menentukan beberapa aspek yang diperlukan dalam simulasi seperti bentuk solver yang dipilih, material, jenis viskos, sesuai dengan asumsi yang dilakukan. Tabel 3.4 menunjukkan pengaturan simulasi yang dilakukan. Jenis aliran yang telah ditentukan sebelumnya juga diatur pada bagian ini di dalam FLUENT.

Tabel 3.4 Pengaturan Simulasi

Aspek Pengaturan

Model Solver (Solver Model) Model Viskos (Viscous Model)

Material

KondisiOperasi (Operating Condition) Inisiasi (Initialize)

Residual Monitor Time Step Size

Pressure based, 3D, Steady Turbulent k-ε Standard Water liquid with constant density,

�=���.���/�� 101325 Pa

Velocity Inlet 10-4

3.3 Menjalankan Simulasi (Run)

Setelah proses pre-processor dan solution telah selesai diatur, maka simulasi dimulai (run) selama batas waktu 60 detik hingga solusi yang konvergen tercapai.

BAB IV

HASIL DAN ANALISA

Sebagaimana tujuan akhir dari penelitian ini adalah mensimulasikan aliran fluida pada pompa hidram, menampilkan distribusi kecepatan dan tekanan dan selanjutnya nanti membandingkannya dengan hasil pengujian. Sebagaimana telah dijelaskan di bab 3 bahwa simulasi ini terdiri atas dua kondisi yaitu pada saat katup penghantar tertutup, dan pada saat katup limbah tertutup. Maka penjelasannya adalah sebagai berikut:

4.1. Simulasi Pada Saat Katup Penghantar Tertutup

Pada kondisi ini, air mengalir dari reservoir melalui pipa masuk menuju badan pompa dan perlahan-lahan nantinya akan menutup katup limbah. Karena katup penghantar tutup, jadi air belum memasuki tabung, maka pada keadaan ini tabung udara tidak ikut disimulasikan karena proses hanya terjadi pada badan pompa. Pada keadaan ini akan ditampilkan gambar simulasi pergerakan pada katup limbah sesuai dengan panjang pipa pemasukan.

Gambar 4.1. Kontur kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang pipa pemasukan 8m.

Gambar 4.2. Vektor kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang pipa pemasukan 8m.

Gambar 4.3. Kontur kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang pipa pemasukan 10m.

Gambar 4.4. Vektor kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang pipa pemasukan 10m.

Gambar 4.5. Kontur kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang pipa pemasukan 12m

Gambar 4.6. Vektor kecepatan pada saat katup hantar tertutup dengan panjang pipa pemasukan 12m.

Dari gambar kontur dan vektor kecepatan pada katup limbah dapat kita lihat kecepatan pada tiap panjang pipa pemasukan berbeda, yaitu kecepatan pada katup limbah semakin menurun seiring dengan bertambah panjangnya panjang pipa pemasukan. Pada panjang pipa 8m, kecepatan tertinggi adalah 0,553 m/s, pada panjang pipa 10m, kecepatan tertinggi adalah 0,586 m/s dan pada panjang pipa 12m, kecepatan tertinggi adalah 0,515 m/s. Sebagai perbandingan terhadap hasil pengujian maka akan dicari kecepatan rata-rata tiap-tiap panjang pipa pemasukan dan untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada bagian lampiran hasil simulasi.

4.2. Simulasi Pada Saat Katup Limbah Tertutup

Pada kondisi ini setelah air yang mengalir dari reservoir akan menutup katup limbah hingga sampai tertutup, tekanan air akan membuka katup penghantar dan terjadi proses palu air. Karena katup limbah tertutup, maka pada keadaan ini katup limbah tidak ikut disimulasikan. Pada keadaan ini akan ditampilkan gambar simulasi aliran fluida dalam pompa hidram sesuai dengan panjang pipa pemasukan dan tinggi tabung.

4.2.1. Tabung 40cm

Gambar 4.7. Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 8m.

Pada gambar kontur kecepatan diatas dapat dilihat bahwa kecepatan pada tabung dan badan pompa sedikit berbeda. Pada keadaan ini katup penghantar terbuka dan katup limbah dalam keadaan tertutup, hal ini sama dengan kontur kecepatan yang lain, perbedaannya adalah kecepatan yang dihasilkan tiap panjang pipa pemasukan yang berbeda.

Gambar 4.8. Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 8m.

Gambar 4.9. Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 10m.

Gambar 4.10. Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 10m.

Gambar 4.11. Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 12m.

Gambar 4.12. Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 12m.

4.2.2. Tabung 60cm

Gambar 4.13. Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 8m..

Gambar 4.14. Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 8m.

Gambar 4.15. Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 10m.

Gambar 4.16. Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 10m.

Gambar 4.17. Kontur kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 12m.

Gambar 4.18. Vektor kecepatan pada saat katup limbah tertutup dengan panjang pipa 12m.

Dari gambar kontur dan vektor kecepatan yang ditampilkan yaitu simulasi pompa hidram pada saat katup penghantar terbuka dan katup limbah tertutup. Dapat kita lihat kecepatan air pada tabung menurun seiring bertambah panjangnya pipa pemasukan. Pada sub bab ini hanya menampilkan hasil simulasi pada saat katup penghantar terbuka dan tidak akan dibandingkan dengan hasil pengujian karena data pada keadaan ini tidak ada.

4.3. Simulasi Perbedaan Tinggi Tabung Udara.

Pada sub bab ini akan ditampilkan contour tekanan pada pompa hidram dengan variasi masing-masing tabung udara yaitu tinggi tabung 40cm dan 60cm. Pada simulasi dibawah ini dikondisikan katup hantar dalam keadaan terbuka, katup limbah dalam keadaan tertutup dan pipa keluaran dalam keadaan 1/6 terbuka seperti yang dilakukan pada saat pengujian sebagai ganti pipa keluaran. Pada gambar akan ditampilkan tekanan tiap sisi pompa hidram seperti pada tabung dan badan pompa.

4.3.1. Tabung 1 (40cm)

Gambar 4.19. Kontur Tekanan pada saat katup limbah tertutup menggunakan Pipa 8m

Gambar 4.20. Kontur tekanan pada saat katup limbah tertutup menggunakan pipa 10m.

Gambar 4.21. Kontur tekanan pada saat katup limbah tertutup menggunakan pipa 12m.

4.3.2. Tabung 2 (60cm)

Gambar 4.22. Kontur Tekanan pada saat katup limbah tertutup menggunakan pipa 8m.

Gambar 4.23. Kontur tekanan pada saat katup limbah tertutup menggunakan pipa 10m.

Gambar 4.24. Kontur tekanan pada saat katup limbah tertutup menggunakan pipa 12m.

Pada gambar kontur tekanan diatas dapat kita lihat bahwa warna dari badan pompa dan tabung seperti sama karena tekanannya berada pada satu nilai warna skala, tetapi sebenarnya berbeda tiap bagian pompa. Tekanan pada tabung dan badan pompa berbeda sedikit, hal ini disebabkan karena peningkatan tekanan yang terjadi akibat adanya palu air. Pada keadaan ini katup limbah dalam keadaan tertutup dan katup penghantar dalam keadaan terbuka. Untuk lebih jelasnya, dapat dilihat pada bagian lampiran data hasil simulasi perhitungan tekanan rata-rata pada tabung dan badan pompa.

Pada simulasi dibawah ini atau pada gambar 4.25 sampai dengan 4.26 dikondisikan katup hantar dalam keadaan tertutup dan katup limbah dalam keadaan terbuka dan pipa keluaran dalam keadaan 1/6 terbuka seperti yang dilakukan pada saat pengujian. Pada gambar akan ditampilkan tekanan tiap sisi pompa hidram seperti pada tabung, badan pompa dan pipa keluaran.

Gambar 4.25. Kontur Tekanan dengan tinggi tabung 40cm pada saat katup penghantar tertutup

Keterangan:

a. Katup penghantar b. Katup Limbah

Pada gambar kontur tekanan diatas dapat kita lihat bahwa tekanan pada tabung dan badan pompa berbeda, hal ini disebabkan karena katup penghantar (a) dalam keadaan tertutup, akibatnya badan pompa kehilangan tekanan dan mengakibatkan katup limbah (b) terbuka. Hal ini sama dengan kontur tekanan yang lain, perbedaannya adalah tekanan yang dihasilkan tiap tabung yang berbeda.

a

Gambar 4.26. Kontur tekanan dengan tinggi tabung 60cm pada saat katup penghantar tertutup.

Dari dua kontur tekanan tabung yang diatas dapat dilihat bagaimana perbedaan tekanan pada tiap bagian tabung antara pada saat katup hantar terbuka dan katup limbah tertutup dengan pada saat katup hantar tertutup dan katup limbah terbuka. Keadaan ini sesuai dengan hasil pengujian karena pada saat katup hantar tertutup, katup limbah akan terbuka. Dari kontur diatas dapat dilihat tekanan badan pompa menurun seiring dengan terbukanya katup limbah dan katup hantar tertutup.

4.4. Hasil Simulasi

Setelah dilakukan simulasi maka diperoleh hasil simulasi. Hasil simulasi adalah hasil rata-rata yang diperoleh dari setiap grid atau titik pada bagian-bagian pompa. Berikut adalah hasil simulasinya.

Tabel 4.1 Hasil simulasi kecepatan pada Katup Limbah

Kecepatan (v) pada panjang pipa 8m 0,3790 m/s

Kecepatan (v) pada panjang pipa 10m 0,3385 m/s

Kecepatan (v) pada panjang pipa 12m 0,3377 m/s

Tabel 4.2 Hasil Simulasi Tekanan Tabung Sesuai dengan panjang pipa pemasukan No. Tabung Panjang Pipa Pemasukan (m) P tabung (Bar)

Tabung 1 tinggi 40 cm

8 1,145616

10 0,965807

12 0,871204

Tabung 2 tinggi 60 cm

8 1,129391

10 1,101221

12 1,030951

Tabel 4.3 Hasil Simulasi Tekanan Badan Pompa sesuai dengan Panjang Pipa Pemasukan.

No. Tabung Panjang Pipa Pemasukan (m) P badan pompa (Bar)

Tabung 1 tinggi 40 cm

8 1,14775

10 0,967541

12 0,872775

Tabung 2 tinggi 60 cm

8 1,131207

10 1,103035

0.3787 0.37875 0.3788 0.37885 0.3789 0.37895 0.379 0.37905 Simulasi Pengujian K e ce p a ta n ( m /s )

Metode

4.5. Perbandingan Terhadap Hasil Pengujian

Pada sub bab ini akan dijelaskan mengenai perbandingan antara hasil simulasi menggunakan solver CFD dengan hasil pengujian dilapangan. Nilai yang diambil dari hasil simulasi adalah nilai rata-rata dari semua grid atau titik, perhitungannya dapat dilihat pada lampiran.

4.5.1 Kecepatan Pada Katup Limbah Dengan Panjang Pipa Pemasukan 8m. Dari hasil simulasi diperoleh kecepatan pada katup limbah setelah menghitung kecepatan rata-ratanya adalah 0,3790 m/s, sedangkan kecepatan dari hasil pengujian adalah 0,3788 m/s. Berikut ini adalah grafik perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi.

Gambar 4.27 Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengujian

Simpangan kecepatan antara hasil simulasi dan hasil pengujian adalah sebagai berikut :

���������= ��������� − ���������

�������� � � 100 %

���������= �0,3790−0,3788

0,3790 � �100 % = 0,05 %

4.5.2 Kecepatan Pada Katup Limbah Dengan Panjang Pipa Pemasukan 10m. Dari hasil simulasi diperoleh kecepatan pada katup limbah setelah menghitung kecepatan rata-ratanya adalah 0,3385 m/s, sedangkan kecepatan dari hasil pengujian adalah 0,3364 m/s. Berikut ini adalah grafik perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi.

Gambar 4.28. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengujian Simpangan kecepatan antara hasil simulasi dan hasil pengujian adalah

sebagai berikut :

���������= ��������� − ���������

�������� � � 100 %

���������= �0,3385−0,3364

0,3385 � �100 % = 1,90 %

4.5.3. Kecepatan Pada Katup Limbah Dengan Panjang Pipa Pemasukan 12m. Dari hasil simulasi diperoleh kecepatan pada katup limbah setelah menghitung kecepatan rata-ratanya adalah 0,3377 m/s, sedangkan kecepatan dari hasil pengujian adalah 0,3217 m/s. Berikut ini adalah grafik perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi.

Gambar 4.29. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengujian 0.335 0.3355 0.336 0.3365 0.337 0.3375 0.338 0.3385 0.339 Simulasi Pengujian

K

ec

epatan (m

/s)

Metode

0.31 0.315 0.32 0.325 0.33 0.335 0.34 Simulasi Pengujian Ke ce p at an (m/s ) Metode

Simpangan kecepatan antara hasil simulasi dan hasil pengujian adalah sebagai berikut :

���������= ��������� − ���������

�������� � � 100 %

���������= �0,3377−0,3217

0,3377 � �100 % = 4,73 %

4.5.4. Tekanan Pada Tabung Udara dengan Tinggi Tabung 40cm dan Panjang Pipa Pemasukan 8m.

Dari hasil simulasi diperoleh tekanan tabung udara setelah menghitung tekanan rata-ratanya adalah 1,1456 Bar, sedangkan tekanan dari hasil pengujian adalah 1,188 Bar. Berikut ini adalah grafik perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi.

Gambar 4.30. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengujian Simpangan tekanan antara hasil simulasi dan hasil pengujian adalah

sebagai berikut :

���������= ��������� − ���������

�������� � � 100 %

���������= �1,1456−1,188

1,1456 � �100 % = 3,70 %

4.5.5. Tekanan Pada Tabung Udara dengan Tinggi Tabung 40cm dan Panjang Pipa Pemasukan 10m.

Dari hasil simulasi diperoleh tekanan tabung udara setelah menghitung tekanan rata-ratanya adalah 0,9658 Bar, sedangkan tekanan dari hasil pengujian

1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.2 Simulasi Pengujian T e k a n a n ( B a r) Metode

adalah 1,048 Bar. Berikut ini adalah grafik perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi.

Gambar 4.31. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengujian

���������= ��������� − ���������

�������� � � 100 %

���������= �0,9658−1,048

0,9658 � �100 % = 8,51 %

4.5.6. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Tinggi Tabung Udara 40cm dan Panjang Pipa Pemasukan 12m.

Dari hasil simulasi diperoleh tekanan tabung udara setelah menghitung tekanan rata-ratanya adalah 0,8712 Bar, sedangkan tekanan dari hasil pengujian adalah 0,954 Bar. Berikut ini adalah grafik perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi.

Gambar 4.32 Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengujian

���������= ��������� − ���������

�������� � � 100 %

���������= �0,8712−0,954

0,8712 � �100 % = 9,50 %

4.5.7. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Tinggi Tabung Udara 60cm dan Panjang Pipa Pemasukan 8m.

0.82 0.84 0.86 0.88 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 Simulasi Pengujian T e k a n a n ( B a r) Metode

Dari hasil simulasi diperoleh tekanan tabung udara setelah menghitung tekanan rata-ratanya adalah 1,1293 Bar, sedangkan tekanan dari hasil pengujian adalah 1,162 Bar. Berikut ini adalah grafik perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi.

Gambar 4.33. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengujian

���������= ��������� − ���������

�������� � � 100 %

���������= �1,1293−1,162

1,1293 � �100 % = 2,89 %

4.5.8. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Tinggi Tabung Udara 60cm dan Panjang Pipa Pemasukan 10m.

Dari hasil simulasi diperoleh tekanan tabung udara setelah menghitung tekanan rata-ratanya adalah 1,101 Bar, sedangkan tekanan dari hasil pengujian adalah 1,120 Bar. Berikut ini adalah grafik perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi.

1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17

Simulasi Pengujian

T

e

k

a

n

a

n

(B

a

r)

Gambar 4.34. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengujian

���������= ��������� − ���������

�������� � � 100 %

���������= �1,101−1,120

1,101 � �100 % = 1,72 %

4.5.9. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Tinggi Tabung Udara 60cm dan Panjang Pipa Pemasukan 12m.

Dari hasil simulasi diperoleh tekanan tabung udara setelah menghitung tekanan rata-ratanya adalah 1,030 Bar, sedangkan tekanan dari hasil pengujian adalah 1,04 Bar. Berikut ini adalah grafik perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi.

Gambar 4.35. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengujian

���������= ��������� − ���������

�������� � � 100 %

1.09 1.095 1.1 1.105 1.11 1.115 1.12 1.125 Simulasi Pengujian T e k a n a n (B a r) Metode 1.024 1.026 1.028 1.03 1.032 1.034 1.036 1.038 1.04 1.042 Simulasi Pengujian T e k a n a n (B a r) Metode

���������= �1,03−1,04

1,03 � �100 % = 0,97 %

4.5.10. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung 40cm dan Panjang Pipa Pemasukan 8m.

Dari hasil simulasi diperoleh tekanan badan pompa setelah menghitung tekanan rata-ratanya adalah 1,1457 Bar, sedangkan tekanan dari hasil pengujian adalah 1,234 Bar. Berikut ini adalah grafik perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi.

Gambar 4.36. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengujian Simpangan tekanan antara hasil simulasi dan hasil pengujian adalah

sebagai berikut :

���������= ��������� − ���������

�������� � � 100 %

���������= �1,1457−1,234

1,1457 � �100 % = 7,70 %

4.5.11. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung 40cm dan Panjang Pipa Pemasukan 10m.

Dari hasil simulasi diperoleh tekanan badan pompa setelah menghitung tekanan rata-ratanya adalah 0,9675 Bar, sedangkan tekanan dari hasil pengujian adalah 1,128 Bar. Berikut ini adalah grafik perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi. 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18 1.2 1.22 1.24 1.26 Simulasi Pengujian T e k a n a n (B a r) Metode

Gambar 4.37. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengujian

���������= ��������� − ���������

�������� � � 100 %

���������= �0,9675−1,128

0,9675 � �100 % = 16,58 %

4.5.12. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung 40cm dan Panjang Pipa Pemasukan 12m.

Dari hasil simulasi diperoleh tekanan badan pompa setelah menghitung tekanan rata-ratanya adalah 0,8727 Bar, sedangkan tekanan dari hasil pengujian adalah 1,00 Bar. Berikut ini adalah grafik perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi.

Gambar 4.38. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengujian

���������= ��������� − ���������

�������� � � 100 %

0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 Simulasi Pengujian T e k a n a n (B a r) Metode 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 Simulasi Pengujian T e k a n a n (B a r) Metode

���������= �0,8727−1,0

0,8727 � �100 % = 14,58 %

4.5.13. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung 60cm dan Panjang Pipa Pemasukan 8m.

Dari hasil simulasi diperoleh tekanan badan pompa setelah menghitung tekanan rata-ratanya adalah 1,1312 Bar, sedangkan tekanan dari hasil pengujian adalah 1,212 Bar. Berikut ini adalah grafik perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi.

Gambar 4.39. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengujian

���������= ��������� − ���������

�������� � � 100 %

���������= �1,1312−1,212

1,1312 � �100 % = 7,14 %

4.5.14. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung 60cm dan Panjang Pipa Pemasukan 10m.

Dari hasil simulasi diperoleh tekanan tabung udara setelah menghitung tekanan rata-ratanya adalah 1,103 Bar, sedangkan tekanan dari hasil pengujian adalah 1,176 Bar. Berikut ini adalah grafik perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi. 1.08 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18 1.2 1.22 Simulasi Pengujian T e k a n a n (B a r) Metode

Gambar 4.40. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengujian

���������= ��������� − ���������

�������� � � 100 %

���������= �1,103−1,176

1,103 � �100 % = 6,61 %

4.5.15. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Tinggi Tabung Udara 60cm dan Panjang Pipa Pemasukan 12m.

Dari hasil simulasi diperoleh tekanan badan pompa setelah menghitung tekanan rata-ratanya adalah 1,0326 Bar, sedangkan tekanan dari hasil pengujian adalah 1,07 Bar. Berikut ini adalah grafik perbandingan hasil pengujian dan hasil simulasi.

Gambar 4.41. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengujian 1.06 1.08 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18 1.2 Simulasi Pengujian T e k a n a n (B a r) Metode 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 Simulasi Pengujian T e k a n a n (B a r) Metode

���������= ��������� − ���������

�������� � � 100 %

���������= �1,032−1,07

1,032 � �100 % = 3,68 %

4.6 Menghitung Peningkatan Tekanan Akibat Penutupan Katup Gradual

Untuk peningkatan tekanan akibat penutupan katup secara gradual, dapat dihitung menggunakan rumus:

∆ℎ

=

��

��

Dimana: v = kecepatan aliran pipa pemasukan (0,3925 m/s)

L = panjang pipa pemasukan (8 m)

g = percepatan gravitasi (9,8 m/s2)

t = waktu selama 1 ketukan ( s )

t = 60 s

n

n = jumlah ketukan dalam 1 menit dari hasil pengujian (65 kali)

t = 60

65

t = 0,923 s

∆ℎ

=

8 �� 0,3925 �/� 9,8 � �⁄ 2� 0,923 �

= 0,2723 m.

Dengan cara yang sama diperoleh Δh untuk variasi tabung udara dan panjang pipa pemasukan dalam tabel berikut:

Tabel 4.4 Besar Δh untuk variasi tinggi tabung udara dan panjang pipa pemasukan

No. Tabung Panjang pipa pemasukan ( m) Δh (m)

Tabung 1 tinggi 40 cm

8 0.2723

10 0.3943

12 0.489

Tabung 2 tinggi 60 cm

8 0.3476

10 0.411

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 KESIMPULAN

Dari hasil simulasi yang dilakukan maka dapat disimpulkan sebagai berikut : 1. Telah dilakukan simulasi dengan menampilkan distribusi kecepatan dan

distribusi tekanan pada pompa hidram dengan kondisi masing-masing proses kerja Hidram.

2. Setelah melakukan simulasi, maka didapatkan kecepatan katup limbah menurun seiring bertambah panjangnya pipa pemasukan, dari hasil simulasi kecepatan (v) katup limbah untuk tiap panjang pipa pemasukan adalah 0,3790, 0,3385 dan 0,3377 m/s sedangkan hasil pengujian adalah 0,3788; 0,3364 dan 0,3217 m/s. Demikian juga dengan tekanan tabung (P1) dan tekanan badan pompa (P2), tekanan menurun seiring semakin panjangnya pipa pemasukan dan semakin tingginya tabung. Hasil simulasi tekanan (P1) dengan tinggi tabung 40cm dan panjang pipa 8m,10m,12m adalah 1,145616 Bar, 0,965807 Bar, 0,871204 Bar. Hasil simulasi tekanan (P2) dengan tinggi tabung 40cm dan panjang pipa 8m, 10m, 12m adalah 1,14775 Bar, 0,967541 Bar, 0,872775 Bar, hasil simulasi tekanan (P1) dengan tinggi tabung 60cm dan panjang pipa 8m,10m,12m adalah 1,129931 Bar, 1,101221 Bar, 1,030951 Bar, hasil simulasi tekanan (P2) dengan tinggi tabung 60cm dan panjang pipa 8m,10m,12m adalah 1,131207 Bar, 1,103035 Bar, 1,032606 Bar.

3. Setelah membandingkan data antara hasil simulasi dan hasil pengujian, diperoleh penyimpangan tertinggi ada pada tekanan badan pompa dengan tinggi tabung 40cm dan pada panjang pipa pemasukan 10m yaitu 16,58 %, sedangkan penyimpangan terendah ada pada kecepatan (v) katup limbah dengan panjang pipa pemasukan 8m yaitu 0,05 % .

4. Penggunaan Pompa Hidram dalam lingkungan masyarakat membutuhkan biaya operasional yang murah karena tidak tergantung pada tenaga listrik atau bahan bakar.

5.2. SARAN

1. Sebaiknya penelitian berikutnya memperbanyak jumlah cells hasil meshing dari model pompa hidram agar penyimpangan antara hasil simulasi dan hasil pengujian tidak terlalu besar.

2. Simulasi dengan variasi model turbulensi yang lain perlu dilakukan untuk membandingkan nilai dan keakuratan simulasi.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Klasifikasi Aliran

Fluida adalah zat yang terus menerus mengalami deformasi dibawah penerapan tegangan geser (tangensial) tidak peduli seberapa kecil tegangan geser. Fluida terdiri dari cairan dan gas (atau fase uap). Perbedaan antara keadaan fluida dan solid jelas jika dibandingkan karakteristik fluida dan solid. Terdapat beberapa cara untuk mengklasifikasikan jenis aliran fluida dan akan dijabarkan secara umum dibawah ini.[2]

2.1.1 Aliran Kompresibel dan Inkompresibel

Fluida diklasifikasikan kompresibel atau inkompresibel berdasarkan variasi rapat massa fluida tersebut selama mengalir. Aliran di mana perbedaan dalam massa jenis dapat diabaikan disebut inkompresibel. Ketika perbedaan massa jenis aliran yang tidak dapat diabaikan, aliran ini disebut kompresibel. Pada kenyataannya tidak ada fluida yang massa jenisnya konstan, tetapi ada beberapa masalah aliran fluida yang dapat disederhanakan dengan menganggap massa jenisnya konstan. Hal ini tidak mengurangi keakuratan solusi yang didapat. Parameter yang menjadi acuan utama untuk menentukan suatu aliran kompresibel atau tidak, dilihat dari nilai Mach Number (M), yang didefinisikan sebagai rasio antara kecepatan aliran lokal terhadap kecepatan suara lokal.[2]

�

=

�

�………..(2.1)

Dimana

M = bilangan Mach v = kecepatan aliran (m/s) c = kecepatan suara (m/s)

2.1.2. Aliran Laminar dan Aliran Turbulen

Sebagian aliran fluida teratur dan mengalir mulus sedangkan yang lainnya mengalir tidak teratur. Berdasarkan struktur alirannya, aliran fluida dibedakan menjadi aliran laminar dan aliran turbulen. Gambar 2.3 menunjukkan region jenis aliran pada suatu plat. Untuk aliran laminar kecepatan pada suatu titik akan tetap terhadap waktu. Sedangkan aliran turbulen kecepatannya akan mengindikasikan suatu fluktuasi yang acak. Dalam aliran turbulen, profil kecepatan pada suatu titik dihasilkan dari gerak acak partikel fluida berdasarkan waktu dalam jarak dan arah. Jika kita mengambil kecepatan rata-rata terhadap waktu, maka kecepatan sesaat dapat dihitung dengan menambahkan kecepatan rata-rata dengan kecepatan fluktuasi. [2]

Gambar 2.1 Daerah aliran laminar dan turbulen pada plat datar [2]

2.2. Bilangan Reynold

Dalam analisis aliran fluida terdapat suatu bilangan tanpa dimensi yang disebut bilangan Reynod yang merupakan perbandingan antara gaya inersial dan

gaya viskositas dirumuskan: [10]

�� =��

�………(2.2)

Dimana, v = Kecepatan Rata-Rata dari Fluida (m/s)

u = Viskositas kinematik air (1,02 x 10-6 m2/s) diambil 20oC d = Diameter pipa (m)

Jenis aliran : Re < 2300 laminar 2300 < Re < 4000 transisi

Re > 4000 turbulen

2.3. Pompa Hidram

Pompa hidraulik ram merupakan suatu alat yang digunakan untuk menaikkan air dari tempat rendah ke tempat yang lebih tinggi secara automatik dengan energi yang berasal dari air itu sendiri (Hanafie dan De Longh, 1979). Beragam penelitian pernah dilakukan untuk mungkaji performansi dari pompa ini. Pada tahun 2008, S. Imam Wahyudi dan Fauzi Fachrudin melakukan penelitian untuk mencari korelasi tekanan dan debit air pompa hidram. Berdasarkan pengujian yang dilakukan, didapatkan sebuah korelasi antara tekanan input dan tekanan output pompa hidram. Hasil yang didapatkan untuk korelasi tekanan input dan output di sajikan pada diagram di bawah ini. [3]

Gambar 2.2. Perbandingan tinggi tekanan input dan tekanan output.[3]

Dari diagram yang disajikan di atas, didapatkan rata-rata tinggi tekanan output adalah 7 kali tinggi tekanan input pompa hidram. Pengujian berikutnya dilakukan untuk mendapatkan korelasi antara debit input dan output pompa hidram. Berdasarkan hasil pengujian dan perhitungan yang dilakukan, korelasi antara debit input dan output pompa hidram di sajikan pada diagram di bawah ini.

Gambar 2.3. Korelasi antara debit input dan debit output pompa hidram.[3]

2.3.1 Komponen Utama Pompa Hidram dan Fungsinya

Beberapa komponen utama sebuah pompa hidram dijelaskan pada uraian di bawah ini:

1. Katup Limbah (Waste Valve)

Katup limbah merupakan salah satu komponen terpenting pompa hidram, oleh sebab itu katup limbah harus dirancang dengan baik sehingga berat dan gerakannya dapat disesuaikan. Katup limbah sendiri berfungsi untuk mengubah energi kinetik fluida kerja yang mengalir melalui pipa pemasukan menjadi energi tekanan dinamis fluida yang akan menaikkan fluida kerja menuju tabung udara. [3]

Gambar 2.4. Jenis-jenis Desain Katup Limbah [3]

Adapun bagian – bagian sebuah katup limbah dapat dilihat dari gacmbar dibawah ini:

Gambar 2.5. Bagian – Bagian Katup Limbah.

Keterangan gambar : 1. Badan Katup 2. As Katup Limbah 3. Lubang Limbah 4. Plat Katup

2. Katup Penghantar (Delivery Valve)

1

4 2

Katup penghantar adalah sebuah katup satu arah yang berfungsi untuk menghantarkan air dari badan hidram menuju tabung udara untuk selanjutnya dinaikkan menuju tangki penampungan. Katup penghantar harus dibuat satu arah agar air yang telah masuk ke dalam tabung udara tidak dapat kembali lagi ke dalam badan hidram. Katup penghantar harus mempunyai lubang yang besar sehingga memungkinkan air yang dipompa memasuki ruang udara tanpa hambatan pada aliran (Hanafie dan De Longh, 1979).

3. Tabung Udara (Air Chamber)

Tabung udara harus dibuat dengan perhitungan yang tepat, karena tabung udara digunakan untuk memampatkan udara di dalamnya dan untuk menahan tekanan dari siklus ram. Selain itu, dengan adanya tabung udara memungkinkan air melewati pipa penghantar secara kontinyu. Jika tabung udara penuh terisi air, tabung udara akan bergetar hebat, dapat menyebabkan tabung udara pecah. Jika terjadi kasus demikian, ram harus segera dihentikan. Pendapat dari beberapa ahli, untuk menghindari hal – hal di atas, volume tabung udara harus dibuat sama dengan volume dari pipa penghantar.

4. Katup Udara (Air Valve)

Udara dalam tabung udara, secara perlahan – lahan akan ikut terbawa ke dalam pipa penghantar karena pengaruh turbulensi air. Akibatnya, udara dalam pipa perlu diganti dengan udara baru melalui katup udara. Ukuran katup udara harus disesuaikan sehingga hanya mengeluarkan semprotan air yang kecil setiap kali langkah kompresi. Jika katup udara terlalu besar, udara yang masuk akan terlampau banyak dan ram hanya akan memompa udara. Namun jika katup udara kurang besar, udara yang masuk terlampau sedikit, ram akan bergetar hebat, memungkinkan tabung udara pecah. Oleh karena itu, katup udara harus memiliki ukuran yang tepat.

5. Pipa Masuk (Driven Pipe)

Pipa masuk adalah bagian yang sangat penting dari sebuah pompa hidram. Dimensi pipa masuk harus diperhitungan dengan cermat, karena sebuah pipa masuk harus dapat menahan tekanan tinggi yang disebabkan oleh menutupnya

katup limbah secara tiba-tiba. Untuk menentukan panjang sebuah pipa masuk, bisa digunakan referensi yang telah tersedia seperti di bawah ini :

6H < L < 12H (Eropa dan Amerika Utara) L = h + 0.3 (h/H) (Eytelwein)

L = 900 H/(N2*D) (Rusia) L = 150 < L/D < 1000 (Calvert)

Dengan :

L = Panjang pipa masuk H = Head supply

h = Head output

D = Diameter pipa masuk

N = Jumlah ketukan katup limbah per menit

2.4. Sistem Operasi Pompa Hidram

Berdasarkan posisi katup limbah dan variasi kecepatan fluida terhadap waktu, sistem operasi sebuah pompa hidram dapat dibagi menjadi 4 periode, seperti yang digambarkan pada diagram di bawah ini:

Gambar 2.6. Perubahan Kecepatan Terhadap Waktu Pada Pipa Masuk. Sumber: (Tefery Taye, 1998)

Penjelasan gambar 2.5 :

A. Katup limbah terbuka dan air mulai mengalir melalui pipa masuk, memenuhi badan hidram dan keluar melalui katup limbah. Karena

pengaruh ketinggian supply tank, air yang mengalir tersebut mengalami percepatan sampai kecepatannya mencapai Vo. Posisi delivery valve masih tertutup. Pada kondisi awal seperti ini, tidak ada tekanan dalam tabung udara dan belum ada air yang keluar melalui delivery pipe.

Gambar 2.7. Skema Pompa Hidram Pada Kondisi A Sumber: (Tefery Taye, 1998)

Keterangan:

A: Pipa pemasukan B: Katup buang C: Katup hantar D: udara pada tabung E: Pipa discharge

B. Air telah memenuhi badan hidram, ketika tekanan air telah mencapai nilai tertentu, katup limbah mulai menutup. Pada pompa hidram yang baik, proses menutupnya katup limbah terjadi sangat cepat.

Gamabar 2.8. Skema Pompa Hidram Pada Kondisi B. Sumber: (Tefery Taye, 1998)

C. Katup limbah masih tertutup. Penutupan katup yang dengan tiba-tiba tersebut menciptakan tekanan yang sangat besar dan melebihi tekanan statis pipa masuk. Kemudian dengan cepat katup penghantar terbuka , sebagian air terpompa masuk ke tabung udara. Udara pada tabung udara mulai mengembang untuk menyeimbangkan tekanan , dan mendorong air keluar melalui delivery pipe

.

Gamabar 2.9. Skema Pompa Hidram Pada Kondisi C. Sumber: (Tefery Taye, 1998)

D. Katup penghantar tertutup. Tekanan di dekat katup penghantar masih lebih besar dari pada tekanan statis pipa masuk, sehingga aliran berbalik arah dari bodi hidram menuju supply tank. Peristiwa inilah yang disebut dengan recoil. Recoil menyebabkan terjadinya kevakuman pada bodi hidram, yang mengakibatkan masuknya sejumlah udara dari luar masuk ke bodi hidram melalui katup pernapasan (air valve). Tekanan di sisi bawah katup limbah juga berkurang, dan juga karena berat katup limbah itu sendiri, maka katup limbah kembali terbuka. Tekanan air pada pipa kembali ke tekanan statis sebelum siklus berikutnya terjadi lagi.

Gamabar 2.10. Skema Pompa Hidram Pada Kondisi D Sumber: (Tefery Taye, 1998)

Secara sederhana bentuk ideal dari tekanan dan kecepatan aliran pada ujung pipa pemasukan dan kedudukan katup limbah selama satu siklus kerja pompa hidram terjadi dalam lima periode yaitu:

Periode 1. Akir siklus yang sebelumnya, kecepatan air melalui ram mulai bertambah, air melalui katup limbah yang sedang terbuka timbul tekanan negatif yang kecil dalam ram.

Periode 2. Aliran bertambah sampai maksimum melalui katup imbah yang terbuka dan tekanan dalm pipa-pipa masuk juga bertambah secara bertahap.

Periode 3. Katup limbah mulai menutup dengan demikan meynebabkan naiknya tekanan dalam ram. Kecepatan aliaran dalampipa pemasukan telah mencapai maksimum.

Periode 4. Katup limbah tertutup, menyebabkan terjadinya water hammer yang mendorong air melalui katup penghantar. Kecepatan dalam pipa pemasukan berkurang dengan cepat.

Periode 5. Denyut tekanan terpukul kedalam pipa pemasukan, menyebabkan timbulnya hisapan kecil dalam ram. Katup limbah terbuka karena hisapan dan beban dari katup limbah. Air mulai mengalir lagi melalui katup limbah dan siklus hidraulik ram terulang lagi.

2.4.1 Peningkatan Tekanan Pada Pompa Hidram Akibat Peristiwa Palu Air

Prinsip kerja pompa hidram adalah membuat air yang mengalir melalui pipa masuk berhenti secara tiba – tiba, yang akan mengakibatkan terjadinya kenaikan head tekanan pada air. Untuk peningkatan tekanan akibat penutupan katup secara gradual, dapat dihitung menggunakan:

∆ℎ

₌

��

��

…………...………….………(2.3)

dengan:

Δh = kenaikan tekanan akibat palu air, m v = kecepatan aliran, m/s

L = panjang pipa pemasukan, m g = percepatan gravitasi, m/s2 t = waktu selama 1 ketukan, s

2.5. Computational Fluid Dynamic (CFD)

Dalam aplikasinya, aliran fluida baik cair maupun gas adalah suatu zat yang sangat lazim dalam kehidupan sehari-hari. Misalnya pengkondisian udara bagi bangunan dan mobil, pembakaran di motor bakar, aliran kompleks pada alat penukar kalor dan reaktor kimia, dan lain-lain, yang mana cukup menarik untuk diteliti, diselidiki, dan analisis. Untuk kebutuhan penelitian bahkan sampai dengan tingkat desain, perlu dibutuhkan suatu alat yang mampu menganalisis atau memprediksi dengan cepat dan akurat. Maka berkembanglah suatu ilmu yang dinamakan Computational Fluid Dynamic (CFD) yang dalam bahasa Indonesia dikenal dengan Komputasi Aliran Fluida Dinamik.

2.5.1 Pengertian Umum CFD

Secara umum CFD terdiri dari dua kata yaitu sebagai berikut :

• Computational : segala sesuatu yang berhubungan dengan matematika dan metode numerik atau komputasi.

Ditinjau dari istilah di atas, CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat yang mengalir.

Maka secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika). Pada dasarnya, persamaan-persamaan pada fluida dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan-persamaan diferensial parsial atau dikenal dengan istilah PDE (Partial Differential Equation) yang mempresentasikan hukum-hukum kekekalan massa (kontinuitas), momentum dan energy yang diubah ke dalam bentuk numerik (persamaan linear) dengan teknik diskritisasi.

Pengembangan sebuah perangkat lunak (software) CFD mampu memberikan kekuatan untuk mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, benda-benda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dan struktur, dan sistem akustik hanya dengan permodelan di komputer. Dengan menggunakan software ini, dapat dibuat virtual prototype dari sebuah sistem atau alat yang ingin dianalisa dengan menerapkan kondisi nyata di lapangan. Dengan menggunakan software CFD akan didapatkan data-data, gambar-gambar, atau kurva-kurva yang menujukkan prediksi dari performansi keandalan sistem yang akan didesain. [8]

2.5.2 Penggunaan CFD

Dalam aplikasinya, CFD dipergunakan untuk :

1. Insinyur, khususnya dalam hal teknik refrigerasi dan pengkondisian udara untuk mendesain tempat atau ruangan sesuai kebutuhan seperti refrigerator, air-conditioner, termal storage, dan lain sebagainya.

2. Arsitek untuk mendesain ruang atau lingkungan yang aman dan nyaman. 3. Desainer kendaraan untuk meningkatkan karakter aerodinamiknya.

4. Analisis kimia untuk memaksimalkan hasil dari reaksi kimia dalam peralatan. 5. Bidang petrokimia untuk strategi optimal dari oil recovery.

6. Bidang kedokteran untuk mengobati penyakit arterial (computational hemodynamics).

7. Metereologis untuk meramalkan cuaca dan memperingkatkan akan terjadinya bencana alam.

8. Analisis failure untuk mencari sumber-sumber kegagalan misalnya pada suatu sistem pembakaran atau aliran uap panas.

9. Organisasi militer untuk mengembangkan senjata dan mengestimasi seberapa besar kerusakan yang diakibatkanya.

Penggunaan CFD umumnya berhubungan dengan keempat hal berikut : • Studi konsep dari desain baru

• Pengembangan produk secara detail • Analisis kegagalan atau troubleshooting • Desain ulang (re-design) [1]

2.5.3 Manfaat CFD

Ditinjau dari segi manfaat terdapat tiga hal yang merupakan alasan kuat kenapa harus menggunakan CFD, yakni : insight, foresight, dan efficiency (Firman Tuakia, 2008).

1. Insight – Pemahaman Mendalam

Apabila dalam mendesain sebuah sistem atau alat yang sulit untuk dibuat prototype-nya atau sulit untuk dilakukan pengujian, analisis CFD memungkinkan untuk digunakan secara virtual ke dalam alat/sistem yang dapat disaksikan melalui CFD yang belum tentu dapat dilihat dengan cara lainnya. 2. Foresight – Prediksi Menyeluruh

Dikarenakan CFD adalah alat untuk memprediksi apa yang terjadi pada alat/sistem yang didesain dengan satu atau lebih kondisi batas, maka dapat ditentukan desain yang optimal.

3. Efficiency – Efisiensi Waktu dan Biaya

Foresight yang diperoleh dari CFD dapat membantu untuk mendesain lebih cepat dan lebih hemat biaya. Analisis atau simulasi CFD akan mempersingat waktu riset dan desain sehingga juga akan mempercepat produk untuk sampai ke pasaran.

2.5.4 Proses Simulasi CFD

Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika melakukan simulasi pada solver CFD, yaitu sebagai berikut (Firman Tuakia, 2008) :

1. Preprocessing

Hal ini merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat model dalam paket CAD (Computer Aided Design), membuat mesh yang sesuai, kemudian menrapkan kondisi batas dan sifat-sifat fluidanya.

2. Solving

Solvers (program inti pencari solusi) CFD menghitung kondisi-kondisi yang diterapkan saat preprocessing.

3. Postprocessing

Hal ini adalah langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan pada langkah ini adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data hasil simulasi CFD yang biasa berupa kurva, gambar, dan animasi.

Beberapa prosedur yang digunakan pada semua pendekatan program CFD, yaitu sebagai berikut :

• Pembuatan geometri dari model atau problem.

• Bidang atau volume yang diisi fluida dibagi menjadi sel-sel kecil (meshing). • Pendefinisian model fisiknya, misalnya : persamaan-persamaan gerak +

entalpi + konversi species (zat-zat yang kita defenisikan, biasanya berupa komponen dari suatu reaktan).

• Pendefinisian kondisi-kondisi batas, termasuk di dalamnya sifat-sifat dan perilaku dari batas-batas model atau problem. Untuk kasus transient, kasus awal juga didefinisikan.

• Persamaan-persamaan matematika yang memabangun CFD diselesaikan secara iteratif, bisa dalam kondisi tunak (steady state) atau transient.

2.5.5 Metode Diskritisasi CFD

Secara matematis CFD mengganti persamaan-persamaan diferensial parsial dari kontinuitas, momentum dan energi dengan persamaan-persamaan linear. CFD merupakan pendekatan dari persoalan yang asalnya kontinum (memiliki jumlah sel tak terhingga) menjadi model yang diskrit (jumlah sel terhingga).

Perhitungan atau komputasi aljabar untuk memecahkan persamaan-persamaan diferensial parsial ini ada beberapa metode (metode diskritisasi), diantaranya adalah :

- Metode beda hingga (finite difference method) - Metode elemen hingga (finite element method) - Metode volume hingga (finite volume method) - Metode elemen batas (boundary element method)

- Metode skema resolusi tinggi (high resolution scheme method)

Metode diskritisasi yang dipilih umumnya menetukan kestabilan dari program numerik/CFD yang dibuat program software yang ada. Oleh karena itu diperlukan kehati-hatian dalam cara mendiskritkan model khususnya cara mengatasi bagian yang kosong atau diskontinu.

2.6 Pengenalan Software CFD

Ada beberapa software yang digunakan dalam pengembangan kode CFD seperti Fluent, CFX, dan lain-lain yaitu jenis program CFD yang menggunakan metode volume hingga (finite volum method). CFD menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga dapat menyelesaiakan kasus aliran fluida dengan mesh (grid) yang terstruktur sekalipun dengan cara yang relatif mudah. Jenis mesh yang didukung oleh CFD adalah tipe 2D triangular-quadritelar, 3D tetrahedral-hexahedral-pyramid-wedge, dan mesh campuran (hybrid).

Bahasa program ditulis dalam bahasa C, sehingga memiliki struktur data yang efisien dan fleksibel, juga dapat digunakan bersama dengan arsitektur klien/server, sehingga dapat dijalankan sebagai proses terpisah secara simultan pada klien desktop workstation dan komputer server. Semua fungsi yang dibutuhkan untuk menghitung suatu solusi dan menampilkan hasilnya dapat diakses pada melalui menu yang interaktif.

Beberapa alasan menggunakan solver CFD, yaitu sebagai berikut : • Mudah untuk digunakan

• Model yang realistik (tesedia berbagai pilhan solver) • Diskritisasi meshing model yang efisien

• Cepat dalam penyajian hasil (bisa dengan parallel komputer) • Visualisasi yang mudah dimengerti

2.6.1 Struktur Program CFD

Dalam satu paket program CFD terdapat beberapa produk, yaitu :  CFX, Fluent, dll sebagai solver.

 GAMBIT, dll merupakan preprocessor untuk membuat pemodelan dan meshing.

 Tgrid, preprocessor tambahan yang dapat membuat volume mesh dari boundary mesh yang sudah ada.

 Filter untuk mengimpor mesh permukaan dan atau volume dari program CAD/CAE seperti ANSYS, CGNS, I-DEAS, NASTRAN, PATRAN, dll. Geometri dan mesh dapat dibuat menggunakan GAMBIT. Selain itu dapat juga menggunakan Tgrid untuk membuat mesh volume triangular, tetrahedral, atau hybrid dari mesh bidang yang sudah ada. [8]

2.6.2 Langkah Penyelesaian Masalah dan Perencanaan Analisis CFD Ada beberapa hal yang perlu diperhatikan ketika akan meyelesaikan suatu kasus dengan menggunakan software CFD yang dalam hal ini FLUENT, yaitu : 1) Menentukan tujuan pemodelan

2) Pemilihan model komputasional 3) Pemilihan model fisik

4) Penentuan prosedur

Setelah merencanakan analisis CFD pada model, maka langkah-langkah umum penyelesaian analisis CFD pada FLUENT sebagai berikut :

1) Membuat geometri dan mesh pada model

2) Memilih solver yang tepat untuk model tersebut (2D atau 3D) 3) Mengimpor mesh model (grid)

4) Melakukan pemeriksaan pada mesh model 5) Memilih formulasi solver

6) Memilih persamaan dasar yang akan dipakai dalam analisis, misalnya : laminar, turbulen, reaksi kimia, perpindahan kalor dan lain-lain.

7) Menentukan sifat material yang akan dipakai 8) Menentukan kondisi batas

9) Mengatur parameter kontrol solusi 10) Initialize the flow field

11) Melakukan perhitungan/iterasi 12) Memeriksa hasil iterasi

13) Menyimpan hasil iterasi

14) Jika perlu, memperhalus grid kemudian dilakukan iterasi ulang untuk mendapatkan hasil yang lebih baik. [8]

Gambar 2.9 Alur penyelesaian masalah CFD (problem solving) Mulai Pembuatan geometri

dan meshing

Pendefinisian bidang batas pada geometri

Pengecekan mesh

Mesh baik

Tidak

Ya Data sifat

fisik

Penentuan kondisi batas

Proses numerik

Iterasi eror?

Plot distribusi tekanan dan kecepatan

Ya

Tidak

Selesai Plot distribusi tekanan

2.6.3 Pendekatan Numerik pada CFD

Menurut Firman Tuakia (2008), persamaan yang digunakan dalam CFD untuk perhitungan pada penyelesaian masalah adalah menggunakan diferensial parsial. Disamping itu, perhitungan juga digunakan untuk menganalisa model perpindahan panas, laju aliran massa, perubahan fase, reaksi kimia sebagai proses pembakaran, model turbulensi, perpindahan mekanis semisal perputaran poros, deformasi dari struktur pejal, dan lain sebagainya.

Untuk mendapatkan persamaan dasar proses aliran fluida, filosofi berikut selalu diikuti :

• Memilih prinsip fisika dasar dari hukum-hukum fisika (Hukum Kekekalan Massa, Hukum Kedua Newton, Hukum Kekekalan Energi).

• Menerapkan prinsip-prinsip fisika di dalam model aliran maupun reaksi pada aliran fluida.

Dari penerapan, diuraikan persamaan matematis yang meliputi prinsip-prinsip dasar fisika.

2.6.4 Persamaan Pembentuk Aliran

Pemodelan dengan metode komputasi pada dasarnya menggunakan persamaan dasar dinamika fluida, momentum, dan energi. Persamaan-persamaan ini merupakan pernyataan matematis untuk tiga prinsip dasar fisika :

1. Hukum Kekekalan Massa (The Conservation of Mass)

2. Hukum Kekekalan Momentum (The Conservation of Momentum) sebagai interpretasi dari hukum kedua Newton (Newton Second’s Law of Motion)

3. Hukum Kekekalan Energi (The Conservation Of Energy)

1.

��

��

=

��̇

��

− ��̇

���

……… (2.4) Hukum Kekekalan Massa (The Conservation of Mass)

Konsep utama dari hukum ini adalah laju kenaikan massa dalam volume control adalah sama dengan laju net aliran fluida ke dalam elemen batas. Secara sederhana dapat ditulis :

Secara umum hukum kekekalan massa (The Conservation of Mass) 3 dimensi dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut.

�� ��

+

�

�� ��

+

�

�� ��

+

�

�� ��

+

� �

�� ��

+

�� ��

+

��

��

�

=

�

………. (2.5)

Gambar 2.10 Hukum Kekekalan Massa pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi [1]

2.

��

�

=

��

�

………..……. (2.6)

Secara umum hukum kekekalan momentum (The Conservation of Momentum) arah sumbu-x 3 dimensi dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut.

Hukum Kekekalan Momentum (The Coservation of Momentum)

Hukum kekekalan momentum ini merupakan interpretasi dari hukum ke-2 Newton (arah sumbu-x) yaitu :

�

��_��

=

−

�� ��

+

���� ��

+

���� ��

+

����

��

+

��

� ………... (2.7)

Dengan cara dan bentuk yang sama persamaan kekekalan momentum 3 dimensi arah sumbu-y dan arah sumbu-z dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut.

�

��_��

=

−

�� ��

+

���� ��

+

���� ��

+

���

�

��_��

=

−

�� ��

+

����

��

+

����

��

+

����

��

+

��

� ………...…...(2.9)

Gambar 2.11 Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-x pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi [1]

3.

�̇=�̇+�̇ ……… (2.10)

Hukum Kekekalan Energi (The Conservation of Energy)

Hukum ini merupakan aplikasi dari hukum ketiga fisika (termodinamika) yaitu laju perubahan energi dalam suatu elemen adalah sama dengan jumlah net fluks panas yang masuk ke dalam elemen dan kerja yang digunakan dalam elemen tersebut. Pernyataan ini dapat ditulis dalam bentuk persamaan :

Gambar 2.12 Kerja yang Dikenakan pada Sebuah Elemen Arah Sumbu-x [1]

Gambar 2.13 Fluks Panas yang Melintasi Permukaan Sebuah Elemen [1] Secara umum kerja yang dikenakan arah sumbu-x, sumbu-, dan sumbu-z dapat ditulis dengan persamaan berikut.

�̇

�

=

�−

�(_����)

+

�(��_����)

+

����_�����

+

�(��_����)

+

���

�

� ��

... (2.11)

�̇

�

=

�−

�(_����)

+

�(��_����)

+

����_�����

+

�(��_����)

+

���

�

� ��

………. (2.13) Sedangkan persamaan fluks panas yang melintasi permukaan sebuah elemen data ditulis dengan persamaan berikut.

�̇

=

���̇

+

� ��

��

�� ��

�

+

� ��

��

�� ��

�

+

� ��

��

��

��

�� ��

………. (2.14) Dengan mensubtitusi persamaan (2.8) dan (2.9) ke dalam persamaan (2.7) di atas akan diperoleh sebuah persamaan (2.10), (2.11), (2.12) untuk hukum kekekalan energi dimana i, j, k = 1, 2, 3 yang menunjukkan arah sumbu-x, -y, dan –z. �(���) ��

+

�(���) ���

=

� ���

��

�� ���

� − �

���

���

+

��̇

+

�

……….. (2.15)

Dimana Φ adalah fungsi disipasi dengan bentuk sebagai berikut. �=� ��� ��+ �� ��+ �� ��� � +�� ��� ��� � +� ��� ��� � +� ��� ��� � +��� ��+ �� ��� � +��� ��+ �� ��� � +��� ��+ �� ��� � � 2.7. Model Turbulensi (Turbulence Modeling)

Aliran turbulen adalah suatu karakteristik yang terjadi karena adanya peningkatan kecepatan aliran. Peningkatan ini mengakibatkan perubahan momentum, energi, dan massa tentunya. Karena terlalu mahalnya untuk melakukan analisa secara langsung dari aliran turbulen yang memiliki skala kecil dengan frekuensi yang tinggi, maka diperlukan suatu manipulasi agar menjadi lebih mudah dan murah.Salah satunya adalah dengan permodelan turbulen (turbulence model). Meskipun demikian, modifikasi persamaan yang meliputi penambahan variabel yang tidak diketahui, dan permodelan turbulen perlu untuk menentukan variabel yang diketahui. FLUENT sendiri menyediakan beberapa permodelan, diantaranya adalah k-ε dan k-ω. [9]

2.7.1 Permodelan k-epsilon (k-ε)

Permodelan turbulensi k-epsilon (k-ε) terdiri atas dua bentuk yaitu : a. Permodelan k-epsilon (k-ε) standard

Model ini merupakan model turbulensi semi empiris yang lengkap. Walaupun masih sederhana, memungkinkan untuk dua persamaan yaitu kecepatan turbulen (turbulent velocity) dan skala panjang (length scale) ditentukan secara bebas independent). Model ini dikembangkan oleh Jones dan Launder. Kestabilan,

ekonomis (dari segi komputansi), dan akurasi yang cukup memadai membuat model ini sering digunakan dalam simulasi fluida dan perpindahan panas.

b. Permodelan k-epsilon (k-ε) Re-Normalization Group (RNG)

Model ini diturunkan dengan menggunakan metode statistik yang teliti (teori renormalisasi kelompok). Model ini merupakan perbaikan dari metode k-epsilon standard, jadi bentuk persamaan yang digunakan sama. Perbaikan yang dimaksud meliputi:

- Model RNG memiliki besaran tambahan pada persamaan laju disipasi (epsilon), sehingga mampu meningkatkan akurasi untuk aliran yang terhalang secara tiba-tiba.

- Efek putaran pada turbulensi juga telah disediakan, sehingga meningkatkan akurasi untuk jenis aliran yang berputar (swirl flow).

Jenis model ini menyediakan formulasi analitis untuk bilangan Prandtl turbulen, sementara model k-epsilon standard menggunakan nilai bilangan Prandtl yang ditentukan pengguna (kostan). Model RNG menyediakan formulasi untuk bilangan Reynold rendah, sedang model standard merupakan model untuk Reynold tinggi .

2.7.2 Permodelan k-omega (k-ω)

Permodelan turbulensi dengan k-omega (k-ω) juga terdiri dari dua yang akan dijelaskan di bawah ini.

a. Permodelan k-omega (k-ω) standard

Model yang terdapat dalam FLUENT merupakan model berdasarkan Wilcox k-omega yang memasukkan beberapa modifikasi untuk menghitung efek aliran pada bilangan Reynold rendah, kompresibilitas, dan penyebaran aliran geser (shear flow).Selain itu, model ini juga mampu diaplikasikan untuk aliran dalam saluran maupun aliran bebas geseran (free shear flow).

b. Permodelan k-omega (k-ω) dengan Shear Stress Transport (SST)

Model ini dikembangkan oleh Menter untuk memadukan formulasi model k-omega standard yang stabil dan akurat pada daerah dekat ke dinding dengan model k-epsilon yang memiliki kelebihan pada aliran free stream. Model ini mirip dengan k-omega standard dengan memiliki beberapa perbaikan, yaitu:

- Model k-omega standard dan k-epsilon yang telah diubah dikalikan dengan suatu fungsi pencampuran dan kedua model digunakan bersama-sama, sehingga lebih akurat untuk daerah dekat dinding maupun untuk aliran yang jauh dari dinding dan free stream flow.

- Definisi viskositas turbulen dimodifikasi untuk menghitung perubahan tegangan geser turbulen.

- Konstanta model berbeda dengan model k-omega standar.

- Melibatkan sebuah besaran dari penurunan damped cross diffusion pada persamaan omega.

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Air merupakan salah satu faktor yang sangat penting dan dibutuhkan dalam kehidupan makhluk hidup. Selain untuk pengembangan fisologis makhluk hidup, air juga menjadi input bagi beragam upaya atau kegiatan makhluk hidup dalam rangka menghasilkan sesuatu untuk kelangsungan hidupnya. Oleh karena itu, air harus tersedia kapanpun dan dimanapun dalam jumlah, waktu, dan mutu yang memadai. Dengan jumlah air yang tersedia relatif tetap, sementara kebutuhan air semakin meningkat, maka air dari sisi ketersedian dan permintaannya perlu dikelola dan diatur sedemikian rupa, sehingga air dapat disimpan jika berlebihan dan selanjutnya dimanfaatkan dan didistribusikan jika diperlukan.

Munculnya permasalahan yang menyangkut air yang disebabkan oleh peningkatan beragam kebutuhan dan kepentingan kehidupan makhluk hidup, pada gilirannya berdampak terhadap terganggunya kondisi permintaan dan penyediaan air. Peningkatan jumlah penduduk yang harus diimbangi oleh peningkatan kebutuhan permukiman dan pangan (pertanian), pembangunan industri serta sarana dan prasarana sosial ekonomi lainnya menyebabkan permintaan akan air semakin tinggi. Untuk memenuhi permintaan tersebut, beragam teknologi pemanfaatan air telah banyak dikembangkan sehingga kebutuhan air dapat terpenuhi dalam jumlah yang memadai.

Sektor pertanian dan konsumsi masyarakat membutuhkan air dalam jumlah besar, baik yang berasal dari sumber air permukaan maupun air tanah, memanfaatkan beragam teknologi yang mampu mengangkat dan mengalirkan air dari sumbernya ke lahan-lahan pertanian serta hunian penduduk. Penggunaan pompa air yang digerakkan dengan tenaga listrik menjadi pilihan utama saat ini. Namun jika dilihat dari sisi pembiayaan, baik dalam tahap pengembangan maupun pengelolaan, teknologi irigasi tersebut memunculkan persoalan di tingkat lapangan, khususnya bagi petani, yaitu ketidakmampuan petani dalam

mengoperasionalkan dan memelihara sarana dan prasarana irigasi yang dimiliki. Akibatnya, banyak sarana dan prasarana yang dibangun menjadi rusak yang secara langsung berdampak pada penurunan tingkat produktivitas petani.

Oleh karena itu, perlu dicari dan dikembangkan suatu model teknologi irigasi yang memadai, menggunakan teknologi tepat guna, efisien, dan ekonomis sehingga dalam pengelolaannya tidak tergantung pada tenaga listrik atau bahan bakar lainnya, sebuah teknologi yang membutuhkan biaya operasional yang murah dan tidak membebani petani dalam melakukan kegiatan usaha taninya. Salah satu teknologi irigasi yang mulai dikembangkan adalah pompa hydraulic ram atau lazim disebut pompa hidram.

Meskipun pada pengembangannya membutuhkan investasi yang tidak sedikit, setidaknya untuk ukuran petani, namun dengan sistem swadaya masih relatif terjangkau dan dengan perhitungan dan penentuan disain yang akurat, operasioanal dan pemeliharan yang tepat, maka keuntungan dan keberlanjutan usaha tani dapat dicapai serta kebutuhan konsumsi air dapat terpenuhi.

Agar dapat melihat fenomena termodinamika tersebut, maka digunakanlah perangkat lunak Computational Fluid Dynamics ( CFD ) untuk menyimulasikannya, sehingga keadaan fluida beserta variabel-variabel kerjanya dapat dianalisis secara numerik.

1.2. Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penulisan penelitian ini sebagai berikut. 1. Mensimulasikan aliran fluida yang masuk ke dalam pompa.

2. Mensimulasikan distribusi kecepatan dan tekanan dalam pompa hidram. 3. Menghitung besar penyimpangan yang terjadi antara hasil pengujian dan

hasil simulasi.

4. Mengetahui keuntungan penggunaan pompa hidram dalam lingkungan masyarakat.

1.3. Batasan Masalah

Untuk memberikan gambaran yang lebih jelas mengenai masalah yang dikaji dalam penulisan skripsi, maka perlu kiranya diberikan batasan masalah sebagai berikut :

1. Fluida kerja yang digunakan dalam penelitian ini adalah air. 2. Dimensi pompa digambar dengan perangkat lunak Solidwork. 3. Kondisi aliran fluida pada saat simulasi diasumsikan transient.

4. Simulasi menggunakan perangkat lunak Computational Fluid Dynamics (CFD)

5. Variabel yang digunakan dalam penelitian ini adalah kecepatan pada katup limbah sesuai dengan variasi panjang pipa pemasukan, dan tekanan pada tabung udara dan badan pompa sesuai dengan variasi tinggi tabung.

1.4. Manfaat Penelitian

Adapun manfaat dari penelitian ini adalah :

1. Menambah wawasan dalam menggunakan perangkat lunak untuk desain rekayasa (engineering)

2. Penelitian ini memberikan referensi bagi para pembuat pompa hidram agar dapat membuat dengan perhitungan kontruksi lebih baik.

1.5. Sistematika Penulisan

Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun secara sistematis dan mempermudah pembaca memahami tulisan ini, maka skripsi ini dibagi dalam beberapa bagian yaitu halaman judul, lembar pengesahan, abstrak, kata pengantar, daftar isi, daftar gambar dan daftar tabel.

Dalam penulisan laporan ini akan dijelaskan secara rinci penjelasan tentang penelitian tersebut yaitu mulai dengan Bab 1 yaitu tentang pendahuluan. Pada bab ini akan dijelaskan pendahuluan mengenai latar belakang judul skripsi tersebut dan juga sejarah dari pompa hidram, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah, sistematika penulisan dan metodologi penulisan skripsi. Pada bab 2 ini menjelaskan tentang tinjauan pustaka yaitu membahas mengenai teori-teori yang berhubungan dengan penulisan skripsi. Dasar teori didapatkan dari berbagai

sumber, diantaranya berasal dari buku - buku pedoman, jurnal, paper, tugas akhir, e-mail, e-book, dan enews.

Dalam simulasi ada hal-hal yang perlu diperhatikan dalam melakukan proses simulasi. Hal ini akan dibahas pada bab 3 yaitu metodologi penelitian. Pada bab ini akan dibahas mengenai langkah-langkah penelitian, alat dan bahan yang dipakai pada pengujian. Setelah selesai melakukan penelitian maka data hasil pengujian akan diolah dan dianalisa pada bab 4 berisikan penyajian hasil yang diperoleh dari simulasi CFD dan membandingkan hasil simulasi dengan hasil pengujian. Setelah selesai menganalisa dan membahas. Hasil-hasil dan kesimpulan akan dijelaskan pada bab 5 yaitu kesimpulan dan saran.

Literatur-literatur atau referensi buku yang dipakai dalam penyusunan laporan ini akan ditulis di daftar pustaka dan berikutnya akan dilampirkan hal-hal yang perlu dilampirkan.

ABSTRAK

Penelitian ini bertujuan untuk mensimulasikan aliran fluida pada pompa hidram dengan menggunakan perangkat lunak CFD, simulasi yang digunakan adalah untuk aliran stedi, inkompresibel, turbulen, dan tiga dimensi. Fluida air (water liquid) berakselerasi melalui pipa masuk dan masuk ke badan pompa, badan pompa mengalami kompresi dan akhirnya menekan air ke tabung udara dan kemudian menyalurkan air ke pipa keluaran. Simulasi diatur dengan mengkondisikan pada saat katup limbah tertutup dan pada saat katup penghantar tertutup. Simulasi terdiri dari sembilan rangkaian yaitu tiga panjang pipa pemasukan, tiga tabung udara 40cm, tiga tabung udara 60cm. Hasil simulasi didapatkan dengan membandingkan hasil simulasi dengan hasil pengujian. Diperoleh penyimpangan terendah antara hasil simulasi dan hasil pengujian adalah 0,05 % dan penyimpangan tertinggi antara hasil simulasi dan hasil pengujian adalah 16,58 %.

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

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

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 4.22. 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

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

DAFTAR SIMBOL

Simbol Arti Satuan

M Bilangan Mach

v Kecepatan aliran m/s

c Kecepatan suara m/s

Re Bilangan reynold

u Viskositas kinematik m2/s

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 kg

a Percepatan m/s2

�̇ Laju aliran fluida Kg/s

T Temperatur 0C

� 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 Head tekanan akibat penutupan katup secara gradual

m

g Percepatan gravitasi m/s2