Simulasi Aliran Fluida Pada Pompa Hidram Dengan Tinggi Air Jatuh 2,3 m Dengan Menggunakan Perangkat Lunak CFD

SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA POMPA HIDRAM
DENGAN TINGGI AIR JATUH 2.3 M DENGAN
MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CFD

SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

HERTO MARISEIDE MARBUN
NIM. 080401037

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2013

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat
dan rahmatnya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “Simulasi
Aliran Fluida Pada Pompa Hidram Dengan Tinggi Air Jatuh
2,3 m Dengan Menggunakan Perangkat Lunak CFD”.
Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan

Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi,
Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi
penulis, namun berkat nasehat, semangat, dan motivasi dari berbagai pihak,
penulis dapat menyelesaikannya. Secara khusus penulis mengucapkan terima
kasih yang sebanyak-banyaknya kepada :
1. Orang tua penulis D. Marbun dan N. Sianturi yang memberikan dukungan
moral dan materi kepada penulis
2. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc selaku dosen pembimbing yang telah
memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.
3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Ir. Syahril Gultom, MT
selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera
Utara dan juga sekaligus menjadi dosen pembanding penulis.
4. Bapak Ir. Alfian, MSc selaku dosen wali.
5. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita selaku dosen CFD yang bersedia
memberikan waktunya untuk berdiskusi.
6. Teman-teman penulis Franciscus sitompul dan Uccok sinaga yang sama-sama
berusaha mengerjakan skripsi tentang pompa hidram.
7. Nehemia, Indra Purba dan Fadli Ryan Arikundo selaku teman asistensi yang
sama-sama berjuang untuk menyelesaikan perbaikan skripsi.

8. Teman-teman mesin 2008 serta abang senior dan semua rekan mahasiswa
teknik mesin yang membantu dalam penyelesaian skripsi ini.
9. Kepada pihak-pihak lain yang belum disebutkan namanya.

Universitas Sumatera Utara

Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena
itu penulis sangat membutuhkan saran dan kritik yang membangun demi
tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan
ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima Kasih.
Medan, 6 Juni 2013
Herto M. Marbun

Universitas Sumatera Utara

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 bukaan (panjang
langkah) katup limbah, tiga bukaan katup penghantar dan tiga perbedaan volume
tabung udara. Hasil simulasi didapatkan dengan membandingkan hasil simulasi
dengan hasil pengujian. Diperoleh penyimpangan terendah antara hasil simulasi
dan hasil pengujian adalah 0,78 % dan penyimpangan tertinggi antara hasil
simulasi dan hasil pengujian adalah 9,19 %.
Kata kunci : Pompa Hidram, Perhitungan Dinamika Fluida (CFD)

Universitas Sumatera Utara

ABSTRACT
This research aims to simulate a fluid flow for hydram pump using CFD
software, The simulation is performed by steady flow, incompressible, turbulent
and three-dimensional. Water fluid (water liquid) accelerates through the inlet
pipe and entry into the pump body, pump body have a compression and then
press the water into the air vessel and then draining the water into the outlet pipe.
This simulate is set by conditioning when waste valve is closed and when delivery

valve is closed. Simulation consist of nine series namely three waste valve
opening (stride length), three delivery valve opening and three different volume of
air vessel. Simulation result obtained by comparing simulation result and
experiment result. Obtained the lowest deviation between simulation result and
experiment result is 0,97 % and the highest deviation between simulation result
and experiment result is 8,3 %.
Keyword : Hydraulic Ram Pump, Computational Fluid Dynamic (CFD)

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ........................................................................................ i
ABSTRAK ........................................................................................................ ii
DAFTAR ISI .................................................................................................... iv
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................ vi
DAFTAR TABEL ............................................................................................ ix
DAFTAR SIMBOL ........................................................................................... x
BAB I PENDAHULUAN ................................................................................. 1
1.1
1.2

1.3
1.4
1.5

Latar Belakang ................................................................................... 1
Tujuan Penelitian ............................................................................... 3
Batasan Masalah ................................................................................ 3
Manfaat Penelitian ............................................................................. 3
Sistematika Penulisan ........................................................................ 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ....................................................................... 5
2.1 Klasifikasi aliran ................................................................................ 5
2.1.1. Aliran kompresibel dan inkompresibel ........................................ 5
2.1.2. Aliran laminar dan aliran turbulen ............................................... 6
2.2 Bilangan Reynold .............................................................................. 6
2.3 Pompa Hidram ................................................................................... 7
2.3.1. Komponen utama pompa hidram dan fungsinya .......................... 8
2.4 Sistem operasi pompa hidram .......................................................... 12
2.5 Computational Fluid Dynamic (CFD) .............................................. 14
2.5.1. Pengertian umum CFD ............................................................. 14

2.5.2. Penggunaan CFD ...................................................................... 15
2.5.3. Manfaat CFD............................................................................ 16
2.5.4. Proses simulasi CFD ................................................................. 17
2.5.5. Metode Diskritisasi CFD .......................................................... 18
2.6 Pengenalan software CFD ................................................................ 18
2.6.1. Struktur program CFD .............................................................. 19
2.6.2. Langkah penyelesaian masalahdan perencanaan analisis CFD .. 19
2.6.3. Pendekatan numerik pada CFD ................................................. 22
2.6.4. Persamaan pembentuk aliran .................................................... 22
2.6.5. Diskritisasi (metode interpolasi) pada CFD ............................... 26
2.7 Model Turbulensi (Turbulence modeling) ........................................ 28
2.7.1. Permodelan k-epsilon (k- ε) ...................................................... 29
2.7.2. Permodelan k-omega (k- ω) ...................................................... 30
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ........................................................ 31
3.1 Proses Pre-Processing ..................................................................... 31
3.1.1. Pembuatan model .................................................................... 31

Universitas Sumatera Utara

3.1.2. Pembuatan mesh (grid generation) .......................................... 34

3.2 Menentukan solution solver .............................................................. 37
3.2.1. Menentukan jenis aliran ........................................................... 37
3.2.2. Menentukan kondisi batas (Boundary condition) ..................... 39
3.2.3. Pengaturan simulasi .................................................................. 42
3.3 Menjalankan simulasi (run).............................................................. 42
BAB IV HASIL DAN ANALISA ................................................................... 43
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5

Simulasi pada saat katup penghantar tertutup ................................... 43
Simulasi pada saat katup limbah tertutup.......................................... 47
Simulasi perbedaan volume tabung udara ......................................... 51
Hasil Simulasi .................................................................................. 55
Perbandingan terhadap hasil pengujian............................................. 55
4.5.1. Kecepatan Pada Katup Limbah Pada Bukaan Katup 15,25
Derajat Atau Panjang Langkah 15 mm ...................................... 56
4.5.2. Kecepatan Pada Katup Limbah Pada Bukaan Katup 19,98

Derajat Atau Panjang Langkah 20 mm ...................................... 57
4.5.3. Kecepatan Pada Katup Limbah Pada Bukaan Katup 24,44
Derajat Atau Panjang Langkah 25 mm ...................................... 58
4.5.4. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Volume Tabung Udara
0,0061 m3.................................................................................. 59
4.5.5. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Volume 0,0061 m3 ......... 60
4.5.6. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Volume Tabung Udara
0,0082 m3.................................................................................. 61
4.5.7. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Volume 0,0082 m3 ......... 62
4.5.8. Tekanan Pada Badan Pompa Dengan Volume Tabung Udara
0,0102 m3.................................................................................. 63
4.5.9. Tekanan Pada Tabung Udara Dengan Volume 0,0102 m3 ......... 64

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .......................................................... 65
5.1 Kesimpulan ...................................................................................... 65
5.2 Saran ............................................................................................... 66
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Daerah aliran laminar dan turbulen pada plat datar ...................................... 6
Gambar 2.2. Perbandingan tinggi tekanan input dan tekanan output. ................................ 7
Gambar 2.3. Korelasi antara debit input dan debit output pompa hidram. ......................... 8
Gambar 2.4. Jenis-jenis Desain Katup Limbah ................................................................ 9
Gambar 2.5. Bagian – Bagian Katup Limbah. .................................................................. 9
Gambar 2.6. Instalasi Pengujian Pompa Hidram ............................................................ 12
Gambar 2.7 Siklus Pemompaan Pompa Hidram............................................................. 13
Gambar 2.8 Alur penyelesaian masalah CFD (problem solving) .................................... 21
Gambar 2.9. Hukum Kekekalan Massa pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi ............. 23
Gambar 2.10 Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-x pada Sebuah Elemen
Fluida 3 Dimensi..................................................................................... 24
Gambar 2.11 Kerja yang Dikenakan pada Sebuah Elemen Arah Sumbu-x ..................... 25
Gambar 2.12 Fluks Panas yang Melintasi Permukaan Sebuah Elemen ........................... 25
Gambar 2.13 Volume control satu dimensi .................................................................... 28
Gambar 3.1. Model pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang
langkah 15 mm atau bukaan katup limbah 15.25 derajat .......................... 31
Gambar 3.2. Model pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang

langkah 20 mm atau bukaan katup limbah 19.98 derajat .......................... 32
Gambar 3.3. Model pada saat katup penghantar tertutup dengan dengan panjang
langkah 25 mm atau bukaan katup limbah 24.44 derajat .......................... 32
Gambar 3.4. Model pada saat katup limbah tertutup dengan katup penghantar 1/3
terbuka .................................................................................................... 32
Gambar 3.5. Model pada saat katup limbah tertutup dengan katup penghantar 2/3
terbuka. ................................................................................................... 33
Gambar 3.6. Model pada saat katup limbah tertutup dengan katup penghantar terbuka
penuh dan model pompa dengan volume tabung 0,0061 m3. .................... 33

Universitas Sumatera Utara

Gambar 3.7. Model pompa dengan volume tabung 0,0082 m3. ....................................... 33
Gambar 3.8. Model pompa dengan volume tabung 0,0102 m3. ....................................... 34
Gambar 3.9. Model yang telah di mesh saat katup penghantar tertutup dengan dengan
panjang langkah 15 mm atau bukaan katup limbah 15.25 derajat ............. 34
Gambar 3.10. model yang telah di mesh pada saat katup penghantar tertutup dengan
dengan panjang langkah 20 mm atau bukaan katup limbah 19.98 derajat . 35
Gambar 3.11. Model yang telah di mesh pada saat katup penghantar tertutup dengan
dengan panjang langkah 25 mm atau bukaan katup limbah 24.44
derajat. .................................................................................................... 35
Gambar 3.12. Model yang telah di mesh pada saat katup limbah tertutup dengan katup
penghantar 1/3 terbuka. ........................................................................... 35
Gambar 3.13. model yang telah di mesh pada saat katup limbah tertutup dengan katup
penghantar 2/3 terbuka. ........................................................................... 36
Gambar 3.14. Model yang telah di mesh pada saat katup limbah tertutup dengan katup
penghantar terbuka penuh dan model pompa dengan volume tabung
0,0061 m3. .............................................................................................. 36
Gambar 3.15. Model yang telah di mesh dengan volume tabung 0,0082 m3 ................... 36
Gambar 3.16. Model yang telah di mesh dengan volume tabung 0,0102 m3 ................... 37
Gambar 3.17. Letak Kondisi Batas. .............................................................................. 39
Gambar 3.18. Keterangan Kondisi Batas bagian c yaitu pada keadaan katup bola
dibuka 1/6 bukaan ................................................................................... 40
Gambar 3.19. Letak Kondisi Batas..........................................................................41
Gambar 4.1. Kontur kecepatan dengan panjang langkah 25 mm atau bukaan katup
limbah 24,44 derajat................................................................................ 43
Gambar 4.2. Vektor kecepatan dengan panjang langkah 25 mm atau bukaan katup
limbah 24,44 derajat................................................................................ 44
Gambar 4.3. Kontur kecepatan dengan panjang langkah 20 mm atau bukaan katup
limbah 19,98 derajat................................................................................ 44
Gambar 4.4. Vektor kecepatan dengan panjang langkah 20 mm atau bukaan katup
limbah 19,98 derajat................................................................................ 45

Universitas Sumatera Utara

Gambar 4.5. Kontur kecepatan dengan panjang langkah 15 mm atau bukaan katup
15,25 derajat ........................................................................................... 45
Gambar 4.6. Vektor kecepatan dengan panjang langkah 15 mm atau bukaan katup
15,25 derajat ........................................................................................... 46
Gambar 4.7. Kontur kecepatan dengan katup 1/3 terbuka............................................... 47
Gambar 4.8. Vektor kecepatan dengan katup 1/3 terbuka. .............................................. 48
Gambar 4.9. Kontur kecepatan dengan katup 2/3 terbuka............................................... 48
Gambar 4.10. Vektor kecepatan dengan katup 2/3 terbuka ............................................. 49
Gambar 4.11. Kontur kecepatan dengan katup terbuka penuh ........................................ 49
Gambar 4.12. Vektor kecepatan dengan katup terbuka penuh......................................... 50
Gambar 4.13. Kontur tekanan dengan volume tabung 0,0061 m3 ................................... 51
Gambar 4.14. Kontur tekanan dengan volume tabung 0,0082 m3 ................................... 52
Gambar 4.15. Kontur tekanan dengan volume tabung 0,0102 m3 ................................... 52
Gambar 4.16. kontur tekanan dengan volume tabung 0,0061 m3 pada saat katup
penghantar tertutup penuh...........................................................................53
Gambar 4.17. kontur tekanan dengan volume tabung 0,0082 m3 pada saat katup
penghantar tertutup penuh...........................................................................54
Gambar 4.18. kontur tekanan dengan volume tabung 0,0102 m3 pada saat katup
penghantar tertutup penuh...........................................................................54
Gambar 4.19. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ............................................. 56
Gambar 4.20. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ............................................. 57
Gambar 4.21. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ............................................. 58
Gambar 4.22. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ............................................. 59
Gambar 4.23. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ............................................. 60
Gambar 4.24. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ............................................. 61
Gambar 4.25. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ............................................. 62
Gambar 4.26. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ............................................. 63
Gambar 4.27. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian. ............................................. 64

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Data hasil pengujian ........................................................................... 39
Tabel 3.2 Kondisi Batas pada saat katup limbah tertutup.................................... 41
Tabel 3.3 Kondisi Batas pada saat katup penghantar tertutup ............................. 41
Tabel 3.4 Pengaturan Simulasi ........................................................................... 42

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR SIMBOL
Simbol

Arti

M

Bilangan Mach

Satuan

v

Kecepatan aliran

m/s

c

Kecepatan suara

m/s

Re

Bilangan reynold
M2/s

u

Viskositas kinematik

d

Diameter pipa

m

L

Panjang pipa masuk

m

H

Head supply

m

h

Head output

m

N

Jumlah ketukan katup limbah per menit

m

massa

a

Percepatan

m/s2

Laju aliran fluida

Kg/s

̇

T

Temperatur

kg

0

C

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 penghantar

c

Outlet delivery

d

Katup limbah

d

Lobang limbah

Universitas Sumatera Utara