Model dan Simulasi Katup Tekan Model Plat, Bola dan Setengah Bola pada Pompa Hydram.
SEMINAR NASIONAL SAINS DAN TEKNOLOGI 2015
SEMINAR NASIONAL
DAN TEKNOLOGI
Kuta, 29 - 30 Oktober 2015
LEMBAGA PENELITIAN DAN PENGABDIAN
KEPADA MASYARAKAT
UNIVERSITAS UDAYANA
UDAYANA UNIVERSITY PRESS
2015
Kuta, 29-30 Oktober 2015 | iii
SEMINAR NASIONAL SAINS DAN TEKNOLOGI 2015
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR.............................................................................................................................. vii
SAMBUTAN KETUA PANITIA............................................................................................................ ix
SAMBUTAN KETUA LPPM UNIVERSITAS UDAYANA ................................................................ xi
HUMANIORA
NILAI LOKAL DALAM PENGELOLAAN SUMBER DAYA IKAN
DAN PENGEMBANGAN HUKUM
Fenty U. Puluhulawa, Nirwan Yunus ..........................................................................................................3
KEBIJAKAN LOKAL DAN ETNISITAS MENUJU
INTEGRASI KELOMPOK ETNIS
DI KABUPATEN POHUWATO
Wantu Sastro ...............................................................................................................................................8
FAKTOR-FAKTOR YANG MEMENGARUHI KEBERHASILAN IMPLEMENTASI EKONOMI
HIJAU DALAM RESTORASI DAN KONSERVASI TERUMBU KARANG DI PEMUTERAN BALI
SEBAGAI DAYA TARIK EKOWISATA
I Ketut Surya Diarta, I Gede Setiawan Adi Putra ....................................................................................13
KEMAMPUAN BAHASA BALI GENERASI MUDA BALI DI UBUD GIANYAR BALI
Ni Luh Nyoman Seri Malini, Luh Putu Laksminy, I Ketut Ngurah Sulibra .............................................21
INTENSITAS KAPITAL INDUSTRI DAN DINAMISME KEUNGGULAN
KOMPARATIF PRODUK EKSPOR INDONESIA
Ni Putu Wiwin Setyari ..............................................................................................................................29
MODEL ESTIMASI KINERJA KEUANGAN BERDASARKAN FAKTOR-FAKTOR
INTERNAL UKM DI KABUPATEN BANDUNG
Rivan Sutrisno, Mardha Tri Meilani ..........................................................................................................38
KAMUS PRIMITIVA SEMANTIK BALI-INDONESIA-INGGRIS BIDANG ADAT DAN AGAMA
Dr. I Made Netra, S.S., M.Hum, Drs. I Nyoman Udayana, M.Litt., Ph.D,
Dr. Drs. I wayan Suardiana, M.Hum, Drs. I Ketut Ngurah Sulibra, M.Hum.,
Dr. Drs. Frans I Made Brata, M.Hum .......................................................................................................46
MODEL KONFIGURASI MAKNA TEKS CERITA RAKYAT TENTANG PRAKTIK-PRAKTIK
BUDAYA RANAH AGAMA DAN ADAT
UNTUK MEMPERKOKOH JATI DIRI MASYARAKAT BALI
Dr. Dra. Ni Ketut Ratna Erawati, M.Hum, Dr. I Made Netra, S.S., M.Hum,
Dr. Frans I Made Brata, M.Hum, Prof. Dr. I Made Suastika, S.U ............................................................ 54
Kuta, 29-30 Oktober 2015 | xiii
SEMINAR NASIONAL SAINS DAN TEKNOLOGI 2015
ENERGI BARU DAN TERBARUKAN
PRODUKSI BIODIESEL DARI BIJI MALAPARI (PONGAMIA PINNATA (L.) PIERRE)
Ni Luh Arpiwi ......................................................................................................................................1341
PENINGKATAN EFISIENSI TURBIN DENGAN PEMBAHARUAN DESAIN TURBIN BANKI
UNTUK MIKRO HIDRO DI DAERAH TROPIS
Lie Jasa, Ardyono Priyadi, Mauridhi Hery Purnomo ............................................................................1348
PEMANFAATAN PIKO HIDRO UNTUK MEMPERCEPAT PERTUMBUHAN
IKAN AIR DERAS DI DUSUN PAGI DESA SENGANAN KECAMATAN PENEBEL
KABUPATEN TABANAN
I Putu Ardana, Lie Jasa ....................................................................................................................... 1336
MODEL DAN SIMULASI KATUP TEKAN MODEL PLAT, BOLA,
DAN SETENGAH-BOLA PADA POMPA HYDRAM
Made Suarda, Anak Agung Adhi Suryawan, I Nengah Suweden ........................................................... 1363
PENGUJIAN KARAKTERISTIK PENGERING ANYAMAN ATA DENGAN MENGGUNAKAN
VARIAN BAHAN BAKAR BIOMASSA LIMBAH PERTANIAN SEBAGAGAI UPAYA
MENINGKATKAN PRODUKTIVITAS.
I.N. Suarnadwipa, I.W.B. Adnyana .......................................................................................................1371
PENERAPAN MOTEDE KONDENSASI PAKSA TIPE CROSSFLOW
PADA PROSES PRODUKSI BAHAN BAKAR ALTERNATIF ARAK
TERHADAP KUALITAS DAN KAPASITAS PRODUKSI
IGK Sukadana, IGN. Putu Tenaya, IKG. Wirawan ..............................................................................1378
EVALUASI POTENSI SUMBER DAYA BIOMASSA DI BALI
Made Sucipta, dan I Wayan Dana .........................................................................................................1391
CONTROLLING HARMFUL GAS HYDROGEN SULFIDE (H2S) BY DESULRUIZER
IN SEWAGE TREATMENT PLANT (STP).
CASE STUDY: PATRA JASA BALI RESORT &VILLAS INDONESIA
Tjokorda Gde Tirta Nindhia, I Wayan Surata, I Dewa Gde Putra Swastika .........................................1396
PENYEDIAAN AIR BERSIH BANJAR CEBLONG DESA MENYALI
DENGAN MENERAPKAN KINCIR AIR PENGGERAK POMPA AIR
M. Sucipta, I N. Suarnadwipa, dan I W. Dana ......................................................................................1400
ARAK SEBAGAI PEREAKSI RAMAH LINGKUNGAN
DALAM PEMBUATAN ENERGI BIODIESEL
I Wayan Bandem Adnyana, Ni Made Suaniti ..........................................................................................1405
PENGARUH SUBSTITUSI UNSUR GD PADA STRUKTUR KRISTAL
SUPERKONDUKTOR SISTEM BISMUTH FASE 2223 : BI2SR2(GD1-XCA1+X)CU3.05OZ
Ida Bagus Alit Paramarta, I Gusti Agung Ayu Ratnawati ....................................................................1409
xxx | Kuta, 29-30 Oktober 2015
SEMINAR NASIONAL SAINS DAN TEKNOLOGI 2015
MODEL DAN SIMULASI KATUP TEKAN MODEL PLAT, BOLA, DAN
SETENGAH-BOLA PADA POMPA HYDRAM
1
Made Suarda1), Anak Agung Adhi Suryawan1), I Nengah Suweden2)
Jurusan Teknik Mesin, 3 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Udayana, Badung
80361, Telp/Fax : (0361)703321
Universitas Udayana, Bukit Jimbaran, Badung 80361
Telp/Fax : (0361)703321, E-mail: suarda@yahoo.com
Abstrak
Bagian yang bergerak pada pompa hidram adalah katup limbah dan katup tekan, bagian tersebut mempengaruhi
peforma pompa hidram. Adanya perangkat lunak CFD salah satunya Fluent, aliran didalam pompa hidram bisa
diperlihatkan dengan mensimulasikan. Simulasi diatur dengan mengkondisikan pada saat katup limbah tertutup
dan katup tekan pada posisi terbuka. Bentuk katup tekan yang digunakan adalah bentuk plat, bola dan setengah
bola. Simulasi dilakukan dengan memvariasikan kecepatan aliran air pada pipa penggerak sesuai dengan pengujian
sebelumnya yaitu 0,6 m/s, 1,0 m/s, 1,4 m/s, 1,8 m/s, 2,2 m/s dan 2,6 m/s, dan tinggi bukaan katup tekan 0,2 cm,
0,6 cm, 1,0 cm, 1,4 cm, dan 1,8 cm. Semakin besar kecepatan aliran air pada pipa penggerak maka kecepatan
!"# $% "#%& ' %&"& %&($)* $+ #%' $%,(-(& + $% !"# $%& ' %, +.&%+(, $%/(0 ,"$%1(/ #%2.) 3%45(6%/"($%'# )%, +.&
tekan model bola lebih kecil dari pada katup tekan model plat, sehingga membutuhkan gaya yang lebih kecil untuk
membuka dan menutup katup tersebut. Sesuai dengan katup pada pompa hidram yang membutuhkan proses membuka
dan menutupnya katup harus cepat sehingga dapat memberikan unjuk kerja yang lebih baik. Hasil simulasi juga
menunjukkan bahwa panjang langkah katup tekan yang paling optimal adalah pada rasio bukaan-diameter katup
tekan 0.16.
Kata kunci: &50&
%*"'# 07%89:7%, +.&%+(, $7%/"0.! /"7%,5(6%/"($%+(, $ $7%,5(6%/"($%'# )7%& $2 $)%! $), *%, +.&
Abstract
The moving parts of a hydraulic ram pump are waste and delivery valves, which affect the hydraulic ram pump
&(#;5#0 $-(/3% < +(#% =%5>% "$% *?'# .!"-% # 0% &.0&% - $% 1(% @"/. !"A('% ./"$)% % 89:% /5;+> #(7% ;5#% "$/+ $+% 9!.($+3
Simulation is set to state when thewaste valve is closed and the delivery valve in opening position. The delivery
@ !@(%05'(!/% #(%&! +(7%/&*(#"- !7% $'%*(0"/&*(#"- !%/* &(3%B"0.! +"5$/%- ##"('%5.+%1?%@ #?"$)%+*(%=%5>%# +(%5;%> +(#
in the drive pipe according to previous testing which is 0.6 m/s, 1.0 m/s, 1.4 m/s, 1.8 m/s, 2.2 m/s and 2.6 m/s, and
+*(%'(!"@(#?%@ !@(%/+#5,(%5;%C3D%-07%C3E%-07%F3C%-07%F3G%-07% $'%F3H%-03%I*(%)#( +(#%@(!5-"+?%5;%> +(#%=%5>%"$%+*(%'#"@(
&"&(%- ./('%+*(%@(!5-"+?%5;%> +(#%=%5>%"$%+*(%'(!"@(#?%&"&(% $'%5$%+*(%'(!"@(#?%@ !@(%05'(!/% #(%)#( +(#% /%>(!!3%:# )
-5(;6%-"($+%5;%+*(%/&*(#"- !%@ !@(%/* &('%%"/%/0 !!(#%+* $%+*(%&! +(%05'(!/7%+*./%#(J."#"$)%!(//%;5#-(%+5%5&($% $'%-!5/(
the valve. In accordance with the valve on the hydraulic ram which requires a process to open and close the valve
should be fast so it can provide better performance. The simulation results also show that the optimal stroke length
is at stroke-diameter ratio of 0,16.
Keywords: !"#$%&'()#$*)+%*+,)"-&'.-#!).$&.-,)/'*%&$0'12,)345,)"#$6)(1-78)('-20,)+#-//%#-)(1-78)('-20,
valve stroke length
1.
PENDAHULUAN
Pompa hydram adalah suatu alat untuk mengalirkan air dari tempat yang rendah ke tempat yang lebih
tinggi secara kontinyu dengan menggunakan energi potensial air sebagai energi penggerak. Walaupun
sejak tahun 1774 pompa hydram telah ditemukan dan telah banyak dipergunakan untuk memompa air di
daerah-daerah terpencil, namun dalam pemanfaatannya mengalami kendala yaitu sering rusaknya pada
bagian katupnya. Pada umumnya katup tekan yang digunakan adalah model plat.
Suarda dan Sukadana [2013] telah membuat dan menguji katup tekan pompa hydram model plat,
membran, bola dan setengah-bola. Dari hasil pengujian menunjukkan bahwa katup tekan model bola
Kuta, 29-30 Oktober 2015 | 1363
SEMINAR NASIONAL SAINS DAN TEKNOLOGI 2015
menghasilkan efisiensi volumetris terbaik, kemudian diikuti katup tekan model membran, model setengahbola, dan model plat yang memberikan efisiensi paling rendah. Selanjutnya model katup tekan tersebut
telah diimplementasikan pada pompa hydram yang dibuat untuk memompa air untuk pelayanan masyarakat
di desa Kesimpar kecamatan Abang kabupaten Karangasem, desa Belantih dan desa Catur kecamatan
Kintamani kabupaten Bangli provinsi Bali.
Pompa hydram tersebut telah dapat beroperasi dengan baik, namun dengan melalui beberapa
penyetelan dan penyesuaian yang cukup lama saat diuji coba kerjanya. Hal ini disebabkan karena dalam
pembuatan desainnya belum diketahui dan belum ada referensi untuk menentukan dimensi-dimensi katup
tekan tersebut, seperti diameter dan massa katup. Untuk dapat menentukan dimensi katup tersebut harus
diketahui gaya-gaya yang bekerja pada katup tersebut dan phenomena aliran yang terjadi. Sedangkan
untuk dapat menentukan gaya-gaya yang bekerja pada katup terutama gaya seretnya maka harus diketahui
koefisien seret (drag) dan angkat (lift) dari masing-masing model katup tersebut.
Untuk mengetahui phenomena aliran dan karakteristik aliran yang terjadi di dalam pompa hydram,
terutama pada bagian katupnya tidak dapat dilihat dan sulit untuk diukur karena prosesnya berlangsung
sangat cepat. Oleh sebab itu digunakan metode dinamika fluida komputasi (Computational Fluid Dynamics,
CFD), kemudian dengan menggunakan software CFD maka phenomena aliran yang terjadi di dalam pompa
hydram dapat diprediksi.
2.
POMPA HYDRAM
Pompa hydram adalah pompa yang bekerja secara otomatis tanpa menggunakan energi listrik yaitu
dengan memanfaatkan energi dari aliran air untuk mengangkat air dari sumber ke tempat penampungan
air [Jenning, 1996]. Energi aliran air yang dimaksud adalah energi potensial dari ketinggian tertentu yang
dikonversikan menjadi energi kinetik yang berupa kecepatan air kemudian dikuatkan dengan terjadinya
efek palu air atau water hammer.
Pompa hydram pertama kali dibuat oleh seorang berkebangsaan Inggris yang bernama John
Whitehurst pada tahun 1771 [Taye, 1998]. Di Bali, masyarakat desa di daerah pegunungan telah mengenal
dan mempergunakan pompa hydram dengan desain yang sangat sederhana dengan mempergunakan
aksesories perpipaan seperti tee dan elbow pipa galvanis. Model katup tekan dan limbah yang dipergunakan
adalah model plat. Seperti pada umumnya mereka mengeluhkan cepat rusaknya karet pada katup pompa,
dan untuk memperbaikinya mereka harus menggunakan kunci pipa yang besar sesuai ukuran pompanya.
Komponen – komponen utama pompa hydram [Tessema, 2000] adalah seperti pada Gambar 1.
Gambar 1. Komponen pompa hydram
Sejak tahun 2010, sebuah rancangan pompa hydram yang lebih permanen telah dibuat dengan
menggunakan sistem sambungan flange dengan ukuran yang lebih besar [Suarda & Suarnadwipa,
2013]. Dengan sistem ini pembongkaran dan perakitan pompa sangat mudah dilakukan, cukup dengan
menggunakan kunci pas untuk membuka dan memasang kembali baut dan mur pengikat flange pompa,
seperti pada Gambar 2.
1364 | Kuta, 29-30 Oktober 2015
SEMINAR NASIONAL SAINS DAN TEKNOLOGI 2015
(a)
(b)
(c)
(d)
Gambar 2. Implementasi pompa hydram: (a) di desa Munduk Temu – Tabanan,
(b) di desa Kesimpar – Karangasem, (c) di desa Belantih – Bangli, (d) di desa Catur – Bangli
Dari hasil pengujian variasi bentuk katup tekan pompa hydram, katup tekan model bola memberikan
unjuk kerja pompa yang paling baik, dan sebaliknya katup tekan model plat, model yang umumnya
digunakan oeh masyarakat, mempunyai unjuk kerja paling rendah, seperti pada Gambar 3.
!"#!$%&'%()$#!*+,*-!*%).%/,)*/,%#)$#!-!,%"0+)1%2!345%3)2!*%50"5!%67+$!"
(Sumber: Suarda dan Sukadana, 2013)
3.
GAYA HAMBAT (DRAG) DAN GAYA ANGKAT (LIFT)
Jika suatu benda padat terendam dalam suatu fluida dan terdapat gerak relatif antara keduanya
maka akan ada gaya yang bekerja terhadap benda tersebut, Gambar 4. Komponen gaya yang bekerja
dengan arah parallel terhadap gerakan disebut drag force (gaya seret), FD. Sedangkan komponen yang
tegak lurus terhadap arah gerakan disebut lift force (gaya angkat), FL. Gaya angkat terjadi akibat tekanan
yang terdistribusi dipermukaan benda padat sehingga perbedaan tekanan antara dua sisi benda padat
menimbulkan efek ‘lift’. Sedangkan gaya seret dihasilkan oleh efek penghalang benda terhadap aliran.
Gambar 4. Gaya angkat dan gaya hambat
(Sumber: White, 1986)
Gaya percepatan aliran ini cukup untuk memulai menutup katup. Katup menutup jika gaya seret
(drag) dan gaya tekan didalam air sama dengan berat katup [Taye, 1998].
Kuta, 29-30 Oktober 2015 | 1365
SEMINAR NASIONAL SAINS DAN TEKNOLOGI 2015
(1)
Dimana Fd adalah gaya seret pada katup (N), Cd koefisien seret pada katup, vs kecepatan aliran air
didalam pipa penggerak (m/dt), Av luas penampang katup (m2), dan ρ massa jenis fluida (kg/m3).
Jia suatu fluida mengalir di sekeliling sebuah benda akan terjadi suatu gaya yang cenderung menyeret
benda tersebut searah dengan aliran tersebut. Ada dua jenis gaya seret yang terjadi yaitu skin friction
drag dan form drag. Skin friction drag (Cd.f) diakibatkan oleh gaya geser viskositas fluida yang terjadi
antara permukaan basah benda dan lapisan batas fluida. Sedangkan form drag atau pressure drag (Cd.p)
disebabkan oleh perubahan tekanan saja yang tergantung pada luas frontal benda. Persamaan koefisien
drag pada suatu penghalang (White, 1986) :
C d = C d.p + C d.f (2)
Koefisien drag Cd tergantung bentuk benda padat dan merupakan fungsi bilangan Reynolds aliran.
Streamline body bertujuan untuk mengurangi terjadinya adverse pressure gradient atau menghindari
terjadinya separasi aliran, sehingga pressure drag menjadi lebih kecil.
Sedangkan bilangan tak berdimensi yang berkaitan dengan gaya angkat disebut lift coefficient (CL).
F
(3)
C L = 1 L2
s Avuntuk bidang aerofoil dua dimensi dengan permukaan horizontal dapat dihitung
2 r vlift
Koefisien
dari koefisien distribusi tekanan dengan integrasi. Koefisien tekanan adalah sebuah parameter untuk
mempelajari aliran fluida incompressible seperti air, dan juga aliran kecepatan rendah fluida compressible
seperti udara. Koefisien
tekanan (Cp) dapat dinyatakan dengan persamaan:
p− p
C p = 1 2s
(4)
r
v
s
2
Dimana p adalah tekanan pada titik dimana koefisien tekanan akan dievaluasi, sedangkan ps adalah
tekanan aliran bebas. Jika koefisien sama dengan satu menunjukkan tekanan stagnasi, sedangkan jika sama
dengan minus satu menunjukkan signifikan dalam desain karena ini mengindikasikan lokasi sempurna
untuk lokasi energi total tempat suplai signal tekanan. Didalam bidang aliran fluida disekeliling benda
akan ada titik yang mempunyai koefisien tekanan positif sampai dengan satu. Koefisien tekanan akan lebih
dari satu terjadi jika teknik aliran jet atau penceratan digunakan.
Fd = 12 C d .r . Av .v s2
4.
COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)
Dinamika fluida adalah cabang dari ilmu mekanika fluida yang mempelajari tentang pergerakan
fluida. Dinamika fluida dipelajari melalui tiga cara yaitu dinamika fluida eksperimental, dinamika fluida
secara teori, dan dinamika fluida secara numerik (CFD). Computational Fluid Dynamics atau bisa disebut
CFD merupakan suatu software yang dapat mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, benda-benda
bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dengan struktur dan sistem akustik. Pada dasarnya
persamaan-persamaan pada interaksi fluida dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan-persamaan
diferensial parsial
yang merepresentasikan hukum-hukum konservasi massa, momentum, dan energy [Versteeg, 1995].
CFD merupakan pendekatan dari persoalan yang asalnya kontinum (memiliki jumlah sel tak terhingga)
menjadi model yang diskrit (jumlah sel terhingga) sehingga sebagai hasil akan didapat data-data, gambargambar visual atau kurva-kurva yang menunjukkan prediksi dari performansi keandalan sistem yang
didisain.
Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika melakukan simulasi CFD, yaitu:
preprocessing, solving dan postprocessing. Preprocessing merupakan langkah awal dalam membangun
dan menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat model pompa hydram 2D dalam paket
CAD (Computer Aided Design), membuat mesh yang sesuai, kemudian menerapkan kondisi batas dan
sifat-sifat fluidanya. Kedua, solving berguna sebagai solver (pencari solusi) CFD dengan cara menghitung
kondisi-kondisi yang diterapkan pada saat preprocessing. Ketiga, postprocessing, adalah langkah terakhir
dalam analisis CFD, pada langkah ini dilakukan organisasi dan interpretasi data hasil simulasi CFD dalam
bentuk gambar, kurva, dan animasi [Sayma, 2009].
1366 | Kuta, 29-30 Oktober 2015
SEMINAR NASIONAL SAINS DAN TEKNOLOGI 2015
4.1 Gambit
GAMBIT merupakan singkatan dari Geometry And Mesh Building Intelligent Toolkit. GAMBIT
diproduksi oleh Fluent Inc. Salah satu produsen perangkat lunak analisis komputasi fluida dinamik
(computational fluid dynamics). Software GAMBIT merupakan salah satu preprocessor yang didisain
untuk membantu membuat model dan melakukan diskritisasi (meshing) pada model untuk analisis CFD.
4.2
Fluent
5.
METODA
Fluent adalah salah satu jenis program CFD yang menggunakan metode volume hingga. Fluent
menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan
mesh (grid) yang tidak terstruktur sekalipun dengan cara yang relatif mudah. Adapun secara keseluruhan
proses simulasi menggunakan CFD Fluent adalah (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
memilih formulasi solver, (6) memilih persamaan dasar yang akan
pemeriksaan pada mesh model, (5)
dipakai dalam analisa, (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)
menyimpan hasil iterasi, (13) jika diperlukan, memperhalus grid kemudian melakukan iterasi ulang.
Studi ini telah dilakukan pada model pompa hydram dengan katup tekan konvensional yang
berbentuk plat yang umum digunakan seperti pada Gambar 5(a), katup tekan model bola seperti pada
Gmbar 5(b), dan katup tekan model setengah-bola seperti pada Gambar 5(c). Langkah pertama adalah
membuat geometry dan mesh model pompa hydram di dalam Gambit, seperti pada Gambar 6.
(a)
(b(
c)
Gambar 5. Geometri model pompa hydram dengan katup tekan model: (a) plat, (b) bola, (c) setengah-bola
(a)
(b)
(c)
Gambar 6. Mesh model pompa hydram dengan katup tekan model: (a) plat, (b) bola, (c) setengah-bola
Untuk memulai pemodelan aliran fluida melewati katup tekan di dalam pompa hydram, sebuah
program aplikasi Ansys Fluent version 6.3 digunakan dalam simulasi ini. Model menggunakan 2D
modeler. Metode numerik yang dipilih adalah segregated method yang digunakan untuk menyelesaikan
persamaan konservasi massa, momentum, dan energi. Parameter fluida yang dipilih untuk simulasi adalah
Kuta, 29-30 Oktober 2015 | 1367
SEMINAR NASIONAL SAINS DAN TEKNOLOGI 2015
water-liquid (H2O) dengan density 998.2 kg/m3 dan viscosity 0.001003 kg/m-sec. Karena aliran air dalam
siklus pompa hydram terjadi secara periodik maka akan ada peningkatan kecepatan aliran dari nol hingga
maksimum, sehingga dipilih model aliran viscous flow model yaitu turbulence model k-epsilon. Namun
karena dalam proses pemompaan tidak terjadi perubahan fase fluida maka dipilih Standard k-epsilon
turbulence models.
Komponen utama yang berpengaruh pada unjuk kerja pompa hydram adalah katup limbah dan katup
tekan. Namun dalam penelitian ini hanya difokuskan pada pengaruh bentuk dan panjang langkah (bukaan)
katup tekan. Ada tiga bentuk katup tekan yang dibuat modelnya, yaitu plat, bola, dan setengah-bola. Ketiga
bentuk katup tersebut mempunyai diameter yang sama yaitu 6.2 cm. Kemudian ketiga variasi model tersebut
disimulasikan pada variasi kecepatan input aliran pada pipa penggerak 0.6, 1.0, 1.4, 1.8, 2.2 and 2.6 m/s, serta
pada variasi panjak langkah katup 0.2, 0.6, 1.0, 1.4 and 1.8 cm.
6.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Simulasi telah dilakukan dengan input aliran air air dari pipa penggerak melalui badan pompa, katup
tekan, tabung tekan, dan kemdian aliran keluar melalui pipa pengantar. Hasil simulasi ditampilkan dalam
besaran tidak berdimensi seperti koefisien tekanan, koefisien drag dan koefisien lift.
!"#!$%&'%()*+%,-*.%/*0!.!.%1!2!%0!/31%/*0!.
Pengaruh perbedaan bentuk katup tekan terhadap koefisien tekanan dapat dilihat pada Gambar
7 pada berbagai panjang langkah (bukaan) katup tekan. Katup tekan bentuk bola mempunyai koefisien
tekanan tertinggi untuk rasio bukaan-diameter katup kurang dari 0.16. Pada rasio 0.16 ini koefisien tekanan
katup model bola sama dengan satu, yang menunjukkan lokasi titik stagnasi, dengan tekanan stagnasi
sebesar 546 N/m2. Sedangkan pada katup tekan model plat nilai koefisien tekanan cenderung minus, dan
nilainya lebih kecil dari minus satu untuk rasio bukaan-diameter katup kurang dari 0.16. Ini menunjukkan
tekanan pada bagian bawah katup model plat lebih kecil dari tekanan aliran bebaasnya. Selanjutnya, katup
bola dan setengah bola memiliki koefisien tekanan cenderung positif yang berarti katup model ini lebih
mudah terbuka atau menutup dibandingkan model plat dalam operasi pompa hydram. Hal yang menarik
pada katup tekan model bola adalah pada rasio bukaan-diameter katup lebih besar dari 0.226 koefisien
tekanannya lebih negatif, ini akan cenderung menghasilkan gaya tekan kebawah dibandingkan dengan
gaya angkat (lift).
!"#!$%4'%()*+%,-*. drag pada katup tekan.
1368 | Kuta, 29-30 Oktober 2015
SEMINAR NASIONAL SAINS DAN TEKNOLOGI 2015
Gambar 8 menunjukkan koefisien drag yang terjadi pada katup tekan. Katup tekan model plat
mempunyai koefisien drag yang lebih tinggi dibandingkan dengan model bola dan setengah bola. Katup
tekan model bola dan setengah bola mempunyai koefisien drag hampir sama, namun pada bukaan katup
yang makin tinggi, katup tekan model setengah bola cendrung memiliki koefisien drag yang lebih tinggi
dibandingkan model bola. Dalam aliran yang sangat turbulen (fully roughness) koefisien drag tidak lagi
tergantung pada bilangan Reyold tetapi tergantung pada kuadrat kecepatan aliran, sesuai dengan Pers.(1).
Hal ini sesuai dengan teori dalam Mekanika Fluida, dimana bentuk bola memiliki luasan bidang basah
yang lebih besar. Oleh sebab itu katup tekan bentuk bola membutuhkan gaya aliran air yang lebih kecil
untuk membuka katup tersebut dalam operasi pompa hydram.
!"#!$%5'%()*+%,-*. drag katup tekan pada varisi kecepatan aliran pada pipa pengantar
Simulasi juga dilakukan pada variasi kecepatan aliran air masuk pompa hydram melalui ipa
pengantar. Gambar 9 menunjukkan peningkatan koefisien drag akibat peningkatan kecepatan aliran airnya
yang mengakibatkan gaya drag yang lebih besar menyeret katup tekan. Hasil simulasi yang serupa jga
terjadi bahwa perbedaan gaya drag yang besar terjadi pada bukaan katup yang lebih kecil, karena pada
bukaan katup yang kecil kecepatan aliran melewati katup lebih besar.
!"#!$%67'%()*+%,-*. lift pada katup tekan.
Serupa dengan koefisien drag, hasil simulasi menghasilkan koefisien lift yang sama, seperti pada
Gambar 10. Hal ini terjadi karena titik penentuan koefisien drag dan lift dilakukan pada titik tengah dan
bagian bawah katup tekan.
Hampir semua hasil simulasi menunjukkan bahwa semakin besar perbedaan phenomena aliran air
dan karakteristik bentuk katup meningkat pada rasio bukaan-diameter katup yang semakin kecil. Oleh
karena itu bentuk katup tekan mempunyai pengaruh yang signifikan terutama pada saat katup mulai
terbuka. Seperti pada operasi pompa hydram yang membutuhkan katup tekan mudah terbuka dan dapat
menutup dengan cepat, maka katup tekan bentuk bola akan dapat memberikan unjuk kerja pompa hydram
yang lebih baik. Disamping itu, semua hasil simulasi menunjukkan bahwa untuk rasio bukaan katup sama
Kuta, 29-30 Oktober 2015 | 1369
SEMINAR NASIONAL SAINS DAN TEKNOLOGI 2015
dengan dan/atu lebih besar dari 0.16, pengaruh bentuk katup mengakibatkan perbedaan koefissien tekanan,
drag dan lift yang relatif kecil atau tidak signifikan.
7.
KESIMPULAN DAN SARAN
Hasil simulasi menunjukkan bahwa bentuk katup tekan mempunyai pengaruh yang signifikan
terhadapa phenomena aliran, terutama pada saat katup mulai terbuka. Direkomendasikan untuk semua
bentuk katup diset pada panjang langkah katup pada rasio bukaan-diameter katup 0.16. Disamping itu
katup tekan model bola membutuhkan gaya aliran yang lebih kecil untuk membuka dan menutup, sehingga
akan dapat memberikan unjuk kerja pompa hydram yang lebih baik. Namun penyetelan panjang langkah
katup model bola tersebut tidak pada rasio bukaan-diameter yang lebih besar 0.226. Hasil simulasi ini
belum dijustifikasi, untuk itu penelitian lebih lanjut disarankan melakukan pengujian di laboratorium untuk
membandingkan hasil simulasi dan eksperimen.
UCAPAN TERIMAKASIH
Ucapan terimakasih kepada disampaikan kepada Direktorat Penelitian dan Pengabdian kepada
Masyarakat Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi Kementerian Riset, Teknologi dan Pendidikan Tinggi,
dan Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat Universitas Udayana. Paper ini disajikan
sebagai pertanggungjawaban Penelitian Fundamental tahun anggaran 2015 sesuai dengan Surat Perjanjian
Penugasan Pelaksanaan Penelitian Nomor: 125/UN14.2/PNL.01.03.00/2015, Tanggal 3 Maret 2015.
DAFTAR PUSTAKA
Chi, M., & Diemer, P. (2002). Hydraulic Ram Handbook, Bremen Overseas Research and Development
Association, Bremen.
Fluent Inc. (2003). Introductory FLUENT Notes, http://www.fluentusers.com
Jennings, G.D. (1996). Hydraulic Ram Pumps, North Carolina Cooperative Extension Service, North
Carolina.
Sayma, A. (2009). Computational Fluid Dynamics, 1st ed., http://www.bookboon.com.
Suarda, M. (2015). Force Analysis on a Spherical Shaped Delivery Valve of Hydram Pump, Applied
Mechanics and Materials, vol. 776, pp. 377-383, Trans Tech Publications, Switzerland.
Suarda M., Suarnadwipa N., 2013, Perancangan dan Pengujian Katup Membran pada Tekan Pompa
Hydram, Jurnal ilmiah Teknik Mesin MECHANICAL, Vol. 4 No. 1, Bandar Lampung, Maret 2013,
ISSN : 2087-1880, Hal. 8 - 15.
Suarda, M., Sukadana, I G.K. (2013). Design and Performance Assessment of Plate, Membrane, Spherical,
and Semi-Spherical Delivery Valve of Hydram Pump (Perancangan dan Pengujian Unjuk Kerja
Katup Tekan Pompa Hydram Model Plate, Membran, Bola, dan Setengah-Bola), Proceeding
Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XII (SNTTM-XII), Bandar Lampung 22-23 October
2013, pp. 387-394.
Taye, T. (1998). Hydraulic Ram Pump, Journal of the ESME, Vol. II, July 1998, Addis Ababa, Ethiopia.
Tessema, A.A. (2000). Hydraulic Ram Pump System: Design and Application, ESME 5th Conference on
Manufacturing and Process Industry, September 2000, Addis Ababa, Ethiopia.
Versteeg, H.K. (1995). An Introduction to Computational Fluid Dynamic, Longman Scientific & Technical,
England.
White, F.M., & Wilarjo, L. (1986). Mekanika Zalir (Fluid Mechanics), Penerbit Erlangga, Jakarta.
Young, B. (1997). Design of Homologous Ram Pump, Journal of Fluids Engineering, Transaction of the
ASME, Vol. 119, June 1997, pp.360-365.
1370 | Kuta, 29-30 Oktober 2015
SEMINAR NASIONAL
DAN TEKNOLOGI
Kuta, 29 - 30 Oktober 2015
LEMBAGA PENELITIAN DAN PENGABDIAN
KEPADA MASYARAKAT
UNIVERSITAS UDAYANA
UDAYANA UNIVERSITY PRESS
2015
Kuta, 29-30 Oktober 2015 | iii
SEMINAR NASIONAL SAINS DAN TEKNOLOGI 2015
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR.............................................................................................................................. vii
SAMBUTAN KETUA PANITIA............................................................................................................ ix
SAMBUTAN KETUA LPPM UNIVERSITAS UDAYANA ................................................................ xi
HUMANIORA
NILAI LOKAL DALAM PENGELOLAAN SUMBER DAYA IKAN
DAN PENGEMBANGAN HUKUM
Fenty U. Puluhulawa, Nirwan Yunus ..........................................................................................................3
KEBIJAKAN LOKAL DAN ETNISITAS MENUJU
INTEGRASI KELOMPOK ETNIS
DI KABUPATEN POHUWATO
Wantu Sastro ...............................................................................................................................................8
FAKTOR-FAKTOR YANG MEMENGARUHI KEBERHASILAN IMPLEMENTASI EKONOMI
HIJAU DALAM RESTORASI DAN KONSERVASI TERUMBU KARANG DI PEMUTERAN BALI
SEBAGAI DAYA TARIK EKOWISATA
I Ketut Surya Diarta, I Gede Setiawan Adi Putra ....................................................................................13
KEMAMPUAN BAHASA BALI GENERASI MUDA BALI DI UBUD GIANYAR BALI
Ni Luh Nyoman Seri Malini, Luh Putu Laksminy, I Ketut Ngurah Sulibra .............................................21
INTENSITAS KAPITAL INDUSTRI DAN DINAMISME KEUNGGULAN
KOMPARATIF PRODUK EKSPOR INDONESIA
Ni Putu Wiwin Setyari ..............................................................................................................................29
MODEL ESTIMASI KINERJA KEUANGAN BERDASARKAN FAKTOR-FAKTOR
INTERNAL UKM DI KABUPATEN BANDUNG
Rivan Sutrisno, Mardha Tri Meilani ..........................................................................................................38
KAMUS PRIMITIVA SEMANTIK BALI-INDONESIA-INGGRIS BIDANG ADAT DAN AGAMA
Dr. I Made Netra, S.S., M.Hum, Drs. I Nyoman Udayana, M.Litt., Ph.D,
Dr. Drs. I wayan Suardiana, M.Hum, Drs. I Ketut Ngurah Sulibra, M.Hum.,
Dr. Drs. Frans I Made Brata, M.Hum .......................................................................................................46
MODEL KONFIGURASI MAKNA TEKS CERITA RAKYAT TENTANG PRAKTIK-PRAKTIK
BUDAYA RANAH AGAMA DAN ADAT
UNTUK MEMPERKOKOH JATI DIRI MASYARAKAT BALI
Dr. Dra. Ni Ketut Ratna Erawati, M.Hum, Dr. I Made Netra, S.S., M.Hum,
Dr. Frans I Made Brata, M.Hum, Prof. Dr. I Made Suastika, S.U ............................................................ 54
Kuta, 29-30 Oktober 2015 | xiii
SEMINAR NASIONAL SAINS DAN TEKNOLOGI 2015
ENERGI BARU DAN TERBARUKAN
PRODUKSI BIODIESEL DARI BIJI MALAPARI (PONGAMIA PINNATA (L.) PIERRE)
Ni Luh Arpiwi ......................................................................................................................................1341
PENINGKATAN EFISIENSI TURBIN DENGAN PEMBAHARUAN DESAIN TURBIN BANKI
UNTUK MIKRO HIDRO DI DAERAH TROPIS
Lie Jasa, Ardyono Priyadi, Mauridhi Hery Purnomo ............................................................................1348
PEMANFAATAN PIKO HIDRO UNTUK MEMPERCEPAT PERTUMBUHAN
IKAN AIR DERAS DI DUSUN PAGI DESA SENGANAN KECAMATAN PENEBEL
KABUPATEN TABANAN
I Putu Ardana, Lie Jasa ....................................................................................................................... 1336
MODEL DAN SIMULASI KATUP TEKAN MODEL PLAT, BOLA,
DAN SETENGAH-BOLA PADA POMPA HYDRAM
Made Suarda, Anak Agung Adhi Suryawan, I Nengah Suweden ........................................................... 1363
PENGUJIAN KARAKTERISTIK PENGERING ANYAMAN ATA DENGAN MENGGUNAKAN
VARIAN BAHAN BAKAR BIOMASSA LIMBAH PERTANIAN SEBAGAGAI UPAYA
MENINGKATKAN PRODUKTIVITAS.
I.N. Suarnadwipa, I.W.B. Adnyana .......................................................................................................1371
PENERAPAN MOTEDE KONDENSASI PAKSA TIPE CROSSFLOW
PADA PROSES PRODUKSI BAHAN BAKAR ALTERNATIF ARAK
TERHADAP KUALITAS DAN KAPASITAS PRODUKSI
IGK Sukadana, IGN. Putu Tenaya, IKG. Wirawan ..............................................................................1378
EVALUASI POTENSI SUMBER DAYA BIOMASSA DI BALI
Made Sucipta, dan I Wayan Dana .........................................................................................................1391
CONTROLLING HARMFUL GAS HYDROGEN SULFIDE (H2S) BY DESULRUIZER
IN SEWAGE TREATMENT PLANT (STP).
CASE STUDY: PATRA JASA BALI RESORT &VILLAS INDONESIA
Tjokorda Gde Tirta Nindhia, I Wayan Surata, I Dewa Gde Putra Swastika .........................................1396
PENYEDIAAN AIR BERSIH BANJAR CEBLONG DESA MENYALI
DENGAN MENERAPKAN KINCIR AIR PENGGERAK POMPA AIR
M. Sucipta, I N. Suarnadwipa, dan I W. Dana ......................................................................................1400
ARAK SEBAGAI PEREAKSI RAMAH LINGKUNGAN
DALAM PEMBUATAN ENERGI BIODIESEL
I Wayan Bandem Adnyana, Ni Made Suaniti ..........................................................................................1405
PENGARUH SUBSTITUSI UNSUR GD PADA STRUKTUR KRISTAL
SUPERKONDUKTOR SISTEM BISMUTH FASE 2223 : BI2SR2(GD1-XCA1+X)CU3.05OZ
Ida Bagus Alit Paramarta, I Gusti Agung Ayu Ratnawati ....................................................................1409
xxx | Kuta, 29-30 Oktober 2015
SEMINAR NASIONAL SAINS DAN TEKNOLOGI 2015
MODEL DAN SIMULASI KATUP TEKAN MODEL PLAT, BOLA, DAN
SETENGAH-BOLA PADA POMPA HYDRAM
1
Made Suarda1), Anak Agung Adhi Suryawan1), I Nengah Suweden2)
Jurusan Teknik Mesin, 3 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Udayana, Badung
80361, Telp/Fax : (0361)703321
Universitas Udayana, Bukit Jimbaran, Badung 80361
Telp/Fax : (0361)703321, E-mail: suarda@yahoo.com
Abstrak
Bagian yang bergerak pada pompa hidram adalah katup limbah dan katup tekan, bagian tersebut mempengaruhi
peforma pompa hidram. Adanya perangkat lunak CFD salah satunya Fluent, aliran didalam pompa hidram bisa
diperlihatkan dengan mensimulasikan. Simulasi diatur dengan mengkondisikan pada saat katup limbah tertutup
dan katup tekan pada posisi terbuka. Bentuk katup tekan yang digunakan adalah bentuk plat, bola dan setengah
bola. Simulasi dilakukan dengan memvariasikan kecepatan aliran air pada pipa penggerak sesuai dengan pengujian
sebelumnya yaitu 0,6 m/s, 1,0 m/s, 1,4 m/s, 1,8 m/s, 2,2 m/s dan 2,6 m/s, dan tinggi bukaan katup tekan 0,2 cm,
0,6 cm, 1,0 cm, 1,4 cm, dan 1,8 cm. Semakin besar kecepatan aliran air pada pipa penggerak maka kecepatan
!"# $% "#%& ' %&"& %&($)* $+ #%' $%,(-(& + $% !"# $%& ' %, +.&%+(, $%/(0 ,"$%1(/ #%2.) 3%45(6%/"($%'# )%, +.&
tekan model bola lebih kecil dari pada katup tekan model plat, sehingga membutuhkan gaya yang lebih kecil untuk
membuka dan menutup katup tersebut. Sesuai dengan katup pada pompa hidram yang membutuhkan proses membuka
dan menutupnya katup harus cepat sehingga dapat memberikan unjuk kerja yang lebih baik. Hasil simulasi juga
menunjukkan bahwa panjang langkah katup tekan yang paling optimal adalah pada rasio bukaan-diameter katup
tekan 0.16.
Kata kunci: &50&
%*"'# 07%89:7%, +.&%+(, $7%/"0.! /"7%,5(6%/"($%+(, $ $7%,5(6%/"($%'# )7%& $2 $)%! $), *%, +.&
Abstract
The moving parts of a hydraulic ram pump are waste and delivery valves, which affect the hydraulic ram pump
&(#;5#0 $-(/3% < +(#% =%5>% "$% *?'# .!"-% # 0% &.0&% - $% 1(% @"/. !"A('% ./"$)% % 89:% /5;+> #(7% ;5#% "$/+ $+% 9!.($+3
Simulation is set to state when thewaste valve is closed and the delivery valve in opening position. The delivery
@ !@(%05'(!/% #(%&! +(7%/&*(#"- !7% $'%*(0"/&*(#"- !%/* &(3%B"0.! +"5$/%- ##"('%5.+%1?%@ #?"$)%+*(%=%5>%# +(%5;%> +(#
in the drive pipe according to previous testing which is 0.6 m/s, 1.0 m/s, 1.4 m/s, 1.8 m/s, 2.2 m/s and 2.6 m/s, and
+*(%'(!"@(#?%@ !@(%/+#5,(%5;%C3D%-07%C3E%-07%F3C%-07%F3G%-07% $'%F3H%-03%I*(%)#( +(#%@(!5-"+?%5;%> +(#%=%5>%"$%+*(%'#"@(
&"&(%- ./('%+*(%@(!5-"+?%5;%> +(#%=%5>%"$%+*(%'(!"@(#?%&"&(% $'%5$%+*(%'(!"@(#?%@ !@(%05'(!/% #(%)#( +(#% /%>(!!3%:# )
-5(;6%-"($+%5;%+*(%/&*(#"- !%@ !@(%/* &('%%"/%/0 !!(#%+* $%+*(%&! +(%05'(!/7%+*./%#(J."#"$)%!(//%;5#-(%+5%5&($% $'%-!5/(
the valve. In accordance with the valve on the hydraulic ram which requires a process to open and close the valve
should be fast so it can provide better performance. The simulation results also show that the optimal stroke length
is at stroke-diameter ratio of 0,16.
Keywords: !"#$%&'()#$*)+%*+,)"-&'.-#!).$&.-,)/'*%&$0'12,)345,)"#$6)(1-78)('-20,)+#-//%#-)(1-78)('-20,
valve stroke length
1.
PENDAHULUAN
Pompa hydram adalah suatu alat untuk mengalirkan air dari tempat yang rendah ke tempat yang lebih
tinggi secara kontinyu dengan menggunakan energi potensial air sebagai energi penggerak. Walaupun
sejak tahun 1774 pompa hydram telah ditemukan dan telah banyak dipergunakan untuk memompa air di
daerah-daerah terpencil, namun dalam pemanfaatannya mengalami kendala yaitu sering rusaknya pada
bagian katupnya. Pada umumnya katup tekan yang digunakan adalah model plat.
Suarda dan Sukadana [2013] telah membuat dan menguji katup tekan pompa hydram model plat,
membran, bola dan setengah-bola. Dari hasil pengujian menunjukkan bahwa katup tekan model bola
Kuta, 29-30 Oktober 2015 | 1363
SEMINAR NASIONAL SAINS DAN TEKNOLOGI 2015
menghasilkan efisiensi volumetris terbaik, kemudian diikuti katup tekan model membran, model setengahbola, dan model plat yang memberikan efisiensi paling rendah. Selanjutnya model katup tekan tersebut
telah diimplementasikan pada pompa hydram yang dibuat untuk memompa air untuk pelayanan masyarakat
di desa Kesimpar kecamatan Abang kabupaten Karangasem, desa Belantih dan desa Catur kecamatan
Kintamani kabupaten Bangli provinsi Bali.
Pompa hydram tersebut telah dapat beroperasi dengan baik, namun dengan melalui beberapa
penyetelan dan penyesuaian yang cukup lama saat diuji coba kerjanya. Hal ini disebabkan karena dalam
pembuatan desainnya belum diketahui dan belum ada referensi untuk menentukan dimensi-dimensi katup
tekan tersebut, seperti diameter dan massa katup. Untuk dapat menentukan dimensi katup tersebut harus
diketahui gaya-gaya yang bekerja pada katup tersebut dan phenomena aliran yang terjadi. Sedangkan
untuk dapat menentukan gaya-gaya yang bekerja pada katup terutama gaya seretnya maka harus diketahui
koefisien seret (drag) dan angkat (lift) dari masing-masing model katup tersebut.
Untuk mengetahui phenomena aliran dan karakteristik aliran yang terjadi di dalam pompa hydram,
terutama pada bagian katupnya tidak dapat dilihat dan sulit untuk diukur karena prosesnya berlangsung
sangat cepat. Oleh sebab itu digunakan metode dinamika fluida komputasi (Computational Fluid Dynamics,
CFD), kemudian dengan menggunakan software CFD maka phenomena aliran yang terjadi di dalam pompa
hydram dapat diprediksi.
2.
POMPA HYDRAM
Pompa hydram adalah pompa yang bekerja secara otomatis tanpa menggunakan energi listrik yaitu
dengan memanfaatkan energi dari aliran air untuk mengangkat air dari sumber ke tempat penampungan
air [Jenning, 1996]. Energi aliran air yang dimaksud adalah energi potensial dari ketinggian tertentu yang
dikonversikan menjadi energi kinetik yang berupa kecepatan air kemudian dikuatkan dengan terjadinya
efek palu air atau water hammer.
Pompa hydram pertama kali dibuat oleh seorang berkebangsaan Inggris yang bernama John
Whitehurst pada tahun 1771 [Taye, 1998]. Di Bali, masyarakat desa di daerah pegunungan telah mengenal
dan mempergunakan pompa hydram dengan desain yang sangat sederhana dengan mempergunakan
aksesories perpipaan seperti tee dan elbow pipa galvanis. Model katup tekan dan limbah yang dipergunakan
adalah model plat. Seperti pada umumnya mereka mengeluhkan cepat rusaknya karet pada katup pompa,
dan untuk memperbaikinya mereka harus menggunakan kunci pipa yang besar sesuai ukuran pompanya.
Komponen – komponen utama pompa hydram [Tessema, 2000] adalah seperti pada Gambar 1.
Gambar 1. Komponen pompa hydram
Sejak tahun 2010, sebuah rancangan pompa hydram yang lebih permanen telah dibuat dengan
menggunakan sistem sambungan flange dengan ukuran yang lebih besar [Suarda & Suarnadwipa,
2013]. Dengan sistem ini pembongkaran dan perakitan pompa sangat mudah dilakukan, cukup dengan
menggunakan kunci pas untuk membuka dan memasang kembali baut dan mur pengikat flange pompa,
seperti pada Gambar 2.
1364 | Kuta, 29-30 Oktober 2015
SEMINAR NASIONAL SAINS DAN TEKNOLOGI 2015
(a)
(b)
(c)
(d)
Gambar 2. Implementasi pompa hydram: (a) di desa Munduk Temu – Tabanan,
(b) di desa Kesimpar – Karangasem, (c) di desa Belantih – Bangli, (d) di desa Catur – Bangli
Dari hasil pengujian variasi bentuk katup tekan pompa hydram, katup tekan model bola memberikan
unjuk kerja pompa yang paling baik, dan sebaliknya katup tekan model plat, model yang umumnya
digunakan oeh masyarakat, mempunyai unjuk kerja paling rendah, seperti pada Gambar 3.
!"#!$%&'%()$#!*+,*-!*%).%/,)*/,%#)$#!-!,%"0+)1%2!345%3)2!*%50"5!%67+$!"
(Sumber: Suarda dan Sukadana, 2013)
3.
GAYA HAMBAT (DRAG) DAN GAYA ANGKAT (LIFT)
Jika suatu benda padat terendam dalam suatu fluida dan terdapat gerak relatif antara keduanya
maka akan ada gaya yang bekerja terhadap benda tersebut, Gambar 4. Komponen gaya yang bekerja
dengan arah parallel terhadap gerakan disebut drag force (gaya seret), FD. Sedangkan komponen yang
tegak lurus terhadap arah gerakan disebut lift force (gaya angkat), FL. Gaya angkat terjadi akibat tekanan
yang terdistribusi dipermukaan benda padat sehingga perbedaan tekanan antara dua sisi benda padat
menimbulkan efek ‘lift’. Sedangkan gaya seret dihasilkan oleh efek penghalang benda terhadap aliran.
Gambar 4. Gaya angkat dan gaya hambat
(Sumber: White, 1986)
Gaya percepatan aliran ini cukup untuk memulai menutup katup. Katup menutup jika gaya seret
(drag) dan gaya tekan didalam air sama dengan berat katup [Taye, 1998].
Kuta, 29-30 Oktober 2015 | 1365
SEMINAR NASIONAL SAINS DAN TEKNOLOGI 2015
(1)
Dimana Fd adalah gaya seret pada katup (N), Cd koefisien seret pada katup, vs kecepatan aliran air
didalam pipa penggerak (m/dt), Av luas penampang katup (m2), dan ρ massa jenis fluida (kg/m3).
Jia suatu fluida mengalir di sekeliling sebuah benda akan terjadi suatu gaya yang cenderung menyeret
benda tersebut searah dengan aliran tersebut. Ada dua jenis gaya seret yang terjadi yaitu skin friction
drag dan form drag. Skin friction drag (Cd.f) diakibatkan oleh gaya geser viskositas fluida yang terjadi
antara permukaan basah benda dan lapisan batas fluida. Sedangkan form drag atau pressure drag (Cd.p)
disebabkan oleh perubahan tekanan saja yang tergantung pada luas frontal benda. Persamaan koefisien
drag pada suatu penghalang (White, 1986) :
C d = C d.p + C d.f (2)
Koefisien drag Cd tergantung bentuk benda padat dan merupakan fungsi bilangan Reynolds aliran.
Streamline body bertujuan untuk mengurangi terjadinya adverse pressure gradient atau menghindari
terjadinya separasi aliran, sehingga pressure drag menjadi lebih kecil.
Sedangkan bilangan tak berdimensi yang berkaitan dengan gaya angkat disebut lift coefficient (CL).
F
(3)
C L = 1 L2
s Avuntuk bidang aerofoil dua dimensi dengan permukaan horizontal dapat dihitung
2 r vlift
Koefisien
dari koefisien distribusi tekanan dengan integrasi. Koefisien tekanan adalah sebuah parameter untuk
mempelajari aliran fluida incompressible seperti air, dan juga aliran kecepatan rendah fluida compressible
seperti udara. Koefisien
tekanan (Cp) dapat dinyatakan dengan persamaan:
p− p
C p = 1 2s
(4)
r
v
s
2
Dimana p adalah tekanan pada titik dimana koefisien tekanan akan dievaluasi, sedangkan ps adalah
tekanan aliran bebas. Jika koefisien sama dengan satu menunjukkan tekanan stagnasi, sedangkan jika sama
dengan minus satu menunjukkan signifikan dalam desain karena ini mengindikasikan lokasi sempurna
untuk lokasi energi total tempat suplai signal tekanan. Didalam bidang aliran fluida disekeliling benda
akan ada titik yang mempunyai koefisien tekanan positif sampai dengan satu. Koefisien tekanan akan lebih
dari satu terjadi jika teknik aliran jet atau penceratan digunakan.
Fd = 12 C d .r . Av .v s2
4.
COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)
Dinamika fluida adalah cabang dari ilmu mekanika fluida yang mempelajari tentang pergerakan
fluida. Dinamika fluida dipelajari melalui tiga cara yaitu dinamika fluida eksperimental, dinamika fluida
secara teori, dan dinamika fluida secara numerik (CFD). Computational Fluid Dynamics atau bisa disebut
CFD merupakan suatu software yang dapat mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, benda-benda
bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dengan struktur dan sistem akustik. Pada dasarnya
persamaan-persamaan pada interaksi fluida dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan-persamaan
diferensial parsial
yang merepresentasikan hukum-hukum konservasi massa, momentum, dan energy [Versteeg, 1995].
CFD merupakan pendekatan dari persoalan yang asalnya kontinum (memiliki jumlah sel tak terhingga)
menjadi model yang diskrit (jumlah sel terhingga) sehingga sebagai hasil akan didapat data-data, gambargambar visual atau kurva-kurva yang menunjukkan prediksi dari performansi keandalan sistem yang
didisain.
Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika melakukan simulasi CFD, yaitu:
preprocessing, solving dan postprocessing. Preprocessing merupakan langkah awal dalam membangun
dan menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat model pompa hydram 2D dalam paket
CAD (Computer Aided Design), membuat mesh yang sesuai, kemudian menerapkan kondisi batas dan
sifat-sifat fluidanya. Kedua, solving berguna sebagai solver (pencari solusi) CFD dengan cara menghitung
kondisi-kondisi yang diterapkan pada saat preprocessing. Ketiga, postprocessing, adalah langkah terakhir
dalam analisis CFD, pada langkah ini dilakukan organisasi dan interpretasi data hasil simulasi CFD dalam
bentuk gambar, kurva, dan animasi [Sayma, 2009].
1366 | Kuta, 29-30 Oktober 2015
SEMINAR NASIONAL SAINS DAN TEKNOLOGI 2015
4.1 Gambit
GAMBIT merupakan singkatan dari Geometry And Mesh Building Intelligent Toolkit. GAMBIT
diproduksi oleh Fluent Inc. Salah satu produsen perangkat lunak analisis komputasi fluida dinamik
(computational fluid dynamics). Software GAMBIT merupakan salah satu preprocessor yang didisain
untuk membantu membuat model dan melakukan diskritisasi (meshing) pada model untuk analisis CFD.
4.2
Fluent
5.
METODA
Fluent adalah salah satu jenis program CFD yang menggunakan metode volume hingga. Fluent
menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan
mesh (grid) yang tidak terstruktur sekalipun dengan cara yang relatif mudah. Adapun secara keseluruhan
proses simulasi menggunakan CFD Fluent adalah (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
memilih formulasi solver, (6) memilih persamaan dasar yang akan
pemeriksaan pada mesh model, (5)
dipakai dalam analisa, (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)
menyimpan hasil iterasi, (13) jika diperlukan, memperhalus grid kemudian melakukan iterasi ulang.
Studi ini telah dilakukan pada model pompa hydram dengan katup tekan konvensional yang
berbentuk plat yang umum digunakan seperti pada Gambar 5(a), katup tekan model bola seperti pada
Gmbar 5(b), dan katup tekan model setengah-bola seperti pada Gambar 5(c). Langkah pertama adalah
membuat geometry dan mesh model pompa hydram di dalam Gambit, seperti pada Gambar 6.
(a)
(b(
c)
Gambar 5. Geometri model pompa hydram dengan katup tekan model: (a) plat, (b) bola, (c) setengah-bola
(a)
(b)
(c)
Gambar 6. Mesh model pompa hydram dengan katup tekan model: (a) plat, (b) bola, (c) setengah-bola
Untuk memulai pemodelan aliran fluida melewati katup tekan di dalam pompa hydram, sebuah
program aplikasi Ansys Fluent version 6.3 digunakan dalam simulasi ini. Model menggunakan 2D
modeler. Metode numerik yang dipilih adalah segregated method yang digunakan untuk menyelesaikan
persamaan konservasi massa, momentum, dan energi. Parameter fluida yang dipilih untuk simulasi adalah
Kuta, 29-30 Oktober 2015 | 1367
SEMINAR NASIONAL SAINS DAN TEKNOLOGI 2015
water-liquid (H2O) dengan density 998.2 kg/m3 dan viscosity 0.001003 kg/m-sec. Karena aliran air dalam
siklus pompa hydram terjadi secara periodik maka akan ada peningkatan kecepatan aliran dari nol hingga
maksimum, sehingga dipilih model aliran viscous flow model yaitu turbulence model k-epsilon. Namun
karena dalam proses pemompaan tidak terjadi perubahan fase fluida maka dipilih Standard k-epsilon
turbulence models.
Komponen utama yang berpengaruh pada unjuk kerja pompa hydram adalah katup limbah dan katup
tekan. Namun dalam penelitian ini hanya difokuskan pada pengaruh bentuk dan panjang langkah (bukaan)
katup tekan. Ada tiga bentuk katup tekan yang dibuat modelnya, yaitu plat, bola, dan setengah-bola. Ketiga
bentuk katup tersebut mempunyai diameter yang sama yaitu 6.2 cm. Kemudian ketiga variasi model tersebut
disimulasikan pada variasi kecepatan input aliran pada pipa penggerak 0.6, 1.0, 1.4, 1.8, 2.2 and 2.6 m/s, serta
pada variasi panjak langkah katup 0.2, 0.6, 1.0, 1.4 and 1.8 cm.
6.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Simulasi telah dilakukan dengan input aliran air air dari pipa penggerak melalui badan pompa, katup
tekan, tabung tekan, dan kemdian aliran keluar melalui pipa pengantar. Hasil simulasi ditampilkan dalam
besaran tidak berdimensi seperti koefisien tekanan, koefisien drag dan koefisien lift.
!"#!$%&'%()*+%,-*.%/*0!.!.%1!2!%0!/31%/*0!.
Pengaruh perbedaan bentuk katup tekan terhadap koefisien tekanan dapat dilihat pada Gambar
7 pada berbagai panjang langkah (bukaan) katup tekan. Katup tekan bentuk bola mempunyai koefisien
tekanan tertinggi untuk rasio bukaan-diameter katup kurang dari 0.16. Pada rasio 0.16 ini koefisien tekanan
katup model bola sama dengan satu, yang menunjukkan lokasi titik stagnasi, dengan tekanan stagnasi
sebesar 546 N/m2. Sedangkan pada katup tekan model plat nilai koefisien tekanan cenderung minus, dan
nilainya lebih kecil dari minus satu untuk rasio bukaan-diameter katup kurang dari 0.16. Ini menunjukkan
tekanan pada bagian bawah katup model plat lebih kecil dari tekanan aliran bebaasnya. Selanjutnya, katup
bola dan setengah bola memiliki koefisien tekanan cenderung positif yang berarti katup model ini lebih
mudah terbuka atau menutup dibandingkan model plat dalam operasi pompa hydram. Hal yang menarik
pada katup tekan model bola adalah pada rasio bukaan-diameter katup lebih besar dari 0.226 koefisien
tekanannya lebih negatif, ini akan cenderung menghasilkan gaya tekan kebawah dibandingkan dengan
gaya angkat (lift).
!"#!$%4'%()*+%,-*. drag pada katup tekan.
1368 | Kuta, 29-30 Oktober 2015
SEMINAR NASIONAL SAINS DAN TEKNOLOGI 2015
Gambar 8 menunjukkan koefisien drag yang terjadi pada katup tekan. Katup tekan model plat
mempunyai koefisien drag yang lebih tinggi dibandingkan dengan model bola dan setengah bola. Katup
tekan model bola dan setengah bola mempunyai koefisien drag hampir sama, namun pada bukaan katup
yang makin tinggi, katup tekan model setengah bola cendrung memiliki koefisien drag yang lebih tinggi
dibandingkan model bola. Dalam aliran yang sangat turbulen (fully roughness) koefisien drag tidak lagi
tergantung pada bilangan Reyold tetapi tergantung pada kuadrat kecepatan aliran, sesuai dengan Pers.(1).
Hal ini sesuai dengan teori dalam Mekanika Fluida, dimana bentuk bola memiliki luasan bidang basah
yang lebih besar. Oleh sebab itu katup tekan bentuk bola membutuhkan gaya aliran air yang lebih kecil
untuk membuka katup tersebut dalam operasi pompa hydram.
!"#!$%5'%()*+%,-*. drag katup tekan pada varisi kecepatan aliran pada pipa pengantar
Simulasi juga dilakukan pada variasi kecepatan aliran air masuk pompa hydram melalui ipa
pengantar. Gambar 9 menunjukkan peningkatan koefisien drag akibat peningkatan kecepatan aliran airnya
yang mengakibatkan gaya drag yang lebih besar menyeret katup tekan. Hasil simulasi yang serupa jga
terjadi bahwa perbedaan gaya drag yang besar terjadi pada bukaan katup yang lebih kecil, karena pada
bukaan katup yang kecil kecepatan aliran melewati katup lebih besar.
!"#!$%67'%()*+%,-*. lift pada katup tekan.
Serupa dengan koefisien drag, hasil simulasi menghasilkan koefisien lift yang sama, seperti pada
Gambar 10. Hal ini terjadi karena titik penentuan koefisien drag dan lift dilakukan pada titik tengah dan
bagian bawah katup tekan.
Hampir semua hasil simulasi menunjukkan bahwa semakin besar perbedaan phenomena aliran air
dan karakteristik bentuk katup meningkat pada rasio bukaan-diameter katup yang semakin kecil. Oleh
karena itu bentuk katup tekan mempunyai pengaruh yang signifikan terutama pada saat katup mulai
terbuka. Seperti pada operasi pompa hydram yang membutuhkan katup tekan mudah terbuka dan dapat
menutup dengan cepat, maka katup tekan bentuk bola akan dapat memberikan unjuk kerja pompa hydram
yang lebih baik. Disamping itu, semua hasil simulasi menunjukkan bahwa untuk rasio bukaan katup sama
Kuta, 29-30 Oktober 2015 | 1369
SEMINAR NASIONAL SAINS DAN TEKNOLOGI 2015
dengan dan/atu lebih besar dari 0.16, pengaruh bentuk katup mengakibatkan perbedaan koefissien tekanan,
drag dan lift yang relatif kecil atau tidak signifikan.
7.
KESIMPULAN DAN SARAN
Hasil simulasi menunjukkan bahwa bentuk katup tekan mempunyai pengaruh yang signifikan
terhadapa phenomena aliran, terutama pada saat katup mulai terbuka. Direkomendasikan untuk semua
bentuk katup diset pada panjang langkah katup pada rasio bukaan-diameter katup 0.16. Disamping itu
katup tekan model bola membutuhkan gaya aliran yang lebih kecil untuk membuka dan menutup, sehingga
akan dapat memberikan unjuk kerja pompa hydram yang lebih baik. Namun penyetelan panjang langkah
katup model bola tersebut tidak pada rasio bukaan-diameter yang lebih besar 0.226. Hasil simulasi ini
belum dijustifikasi, untuk itu penelitian lebih lanjut disarankan melakukan pengujian di laboratorium untuk
membandingkan hasil simulasi dan eksperimen.
UCAPAN TERIMAKASIH
Ucapan terimakasih kepada disampaikan kepada Direktorat Penelitian dan Pengabdian kepada
Masyarakat Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi Kementerian Riset, Teknologi dan Pendidikan Tinggi,
dan Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat Universitas Udayana. Paper ini disajikan
sebagai pertanggungjawaban Penelitian Fundamental tahun anggaran 2015 sesuai dengan Surat Perjanjian
Penugasan Pelaksanaan Penelitian Nomor: 125/UN14.2/PNL.01.03.00/2015, Tanggal 3 Maret 2015.
DAFTAR PUSTAKA
Chi, M., & Diemer, P. (2002). Hydraulic Ram Handbook, Bremen Overseas Research and Development
Association, Bremen.
Fluent Inc. (2003). Introductory FLUENT Notes, http://www.fluentusers.com
Jennings, G.D. (1996). Hydraulic Ram Pumps, North Carolina Cooperative Extension Service, North
Carolina.
Sayma, A. (2009). Computational Fluid Dynamics, 1st ed., http://www.bookboon.com.
Suarda, M. (2015). Force Analysis on a Spherical Shaped Delivery Valve of Hydram Pump, Applied
Mechanics and Materials, vol. 776, pp. 377-383, Trans Tech Publications, Switzerland.
Suarda M., Suarnadwipa N., 2013, Perancangan dan Pengujian Katup Membran pada Tekan Pompa
Hydram, Jurnal ilmiah Teknik Mesin MECHANICAL, Vol. 4 No. 1, Bandar Lampung, Maret 2013,
ISSN : 2087-1880, Hal. 8 - 15.
Suarda, M., Sukadana, I G.K. (2013). Design and Performance Assessment of Plate, Membrane, Spherical,
and Semi-Spherical Delivery Valve of Hydram Pump (Perancangan dan Pengujian Unjuk Kerja
Katup Tekan Pompa Hydram Model Plate, Membran, Bola, dan Setengah-Bola), Proceeding
Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XII (SNTTM-XII), Bandar Lampung 22-23 October
2013, pp. 387-394.
Taye, T. (1998). Hydraulic Ram Pump, Journal of the ESME, Vol. II, July 1998, Addis Ababa, Ethiopia.
Tessema, A.A. (2000). Hydraulic Ram Pump System: Design and Application, ESME 5th Conference on
Manufacturing and Process Industry, September 2000, Addis Ababa, Ethiopia.
Versteeg, H.K. (1995). An Introduction to Computational Fluid Dynamic, Longman Scientific & Technical,
England.
White, F.M., & Wilarjo, L. (1986). Mekanika Zalir (Fluid Mechanics), Penerbit Erlangga, Jakarta.
Young, B. (1997). Design of Homologous Ram Pump, Journal of Fluids Engineering, Transaction of the
ASME, Vol. 119, June 1997, pp.360-365.
1370 | Kuta, 29-30 Oktober 2015