TUGAS AKHIR Karakteristik Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan Pin-Fin Ellips Susunan Segaris Untuk Sistem Pendingin Internal Pada Sudu Turbin Gas.

TUGAS AKHIR

KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN
PENURUNAN TEKANAN PIN-FIN ELLIPS SUSUNAN
SEGARIS UNTUK SISTEM PENDINGIN INTERNAL PADA
SUDU TURBIN GAS

Disusun :
MUKHRON MARDLONI
NIM : D200.11.0013

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2016
i

ii

iii

iv

v

v

MOTTO

“Sesungguhnya bersama kesukaran itu ada keringanan. Karena itu bila kau
sudah selesai (mengerjakan yang lain), dan berharaplah kepada Tuhanmu”
(Q.S Al Insyirah : 6-8)

“Yakin, Ikhlas, dan Istiqomah”
# Berangkat dengan penuh keyakinan
# Berjalan dengan penuh keikhlasan
# dan Istiqomah dalam menghadapi cobaan

“Tidak ada masalah yang tidak bisa diselesaikan selama ada komitmen
bersama untuk menyelesaikanya”

“Bersabar, Berusaha, dan Bersyukur”

# Bersabar dalam berusaha
# Berusaha dengan tekun dan pantang menyerah
# dan Bersyukur atas apa yang telah diperoleh

vi

HALAMAN PERSEMBAHAN

Yang Utama Dari Segalanya, Sembah sujud serta syukur kepada Allah SWT,
Taburan cinta dan kasih sayang-Mu telah memberikan kekuatan, membekaliku
dengan ilmu serta memperkenalkanku dengan cinta. Atas karunia serta
kemudahan yang Engkau berikan akhirnya skripsi yang sederhana ini dapat
terselesaikan. Sholawat dan salam selalu terlimpahkan kepada Rasullah
Muhammad SAW. Kupersembahkan karya sederhana ini kepada orang yang
sangat kukasihi dan kusayangi.
 Ibunda dan Ayahanda Tercinta, Sebagai tanda bakti, hormat, dan rasa
terima kasih yang tiada terhingga kupersembahkan karya kecil ini kepada
ibu dan ayah yang telah memberikan kasih sayang, segala dukungan, dan
cinta kasih yang tiada terhingga yang tiada mungkin dapat kubalas hanya
dengan selembar kertas yang bertuliskan kata cinta dan persembahan.

Terima kasih Ibu… Terima kasih Ayah…
 My Brother’s, Untuk kakak-kakakku mbak maryani, mas nurdiyanto, mas
siswanto, terima kasih atas do’a dan bantuan kalian selama ini, maaf belum
bisa menjadi yang kalian harapkan, tapi aku akan selalu menjadi yang
terbaik untuk kalian semua.
 Dosen

Pembimbing

Tugas

Akhirku,

Bapak

Marwan

Effendy,

ST.,MT.,Ph.D dan Bapak Ir. Sarjito, MT.,Ph.D selaku dosen pembimbing

vii

tugas akhir saya, terima kasih banyak pak, saya sudah dibantu selama ini,
sudah dinasehati, sudah diajari, saya tidak akan lupa atas bantuan dan
kesabaran dari bapak-bapak.
 Seluruh Dosen Pengajar di Jurusan Teknik Mesin, terima kasih banyak
untuk semua ilmu, didikan dan pengalaman yang sangat berarti selama ini.
 Kawan seperjuangan, terima kasih kepada Ekno, Adnan, Punto, Endri,
yang selalu menemani dikala suka-duka dalam penyelesaian tugas akhir ini.
Terima kasih atas kegathelan kalian semua.
 Kawan-Kawan di Laboratorium Fisika Dasar, terima kasih kepada kalian
semua yang selalu memberikan canda tawa dan warna yang berbeda
selama menuntut ilmu di Universitas Muhammadiyah Surakarta.
 KMTM, BEM-FT, terima kasih telah membantu saya dalam proses
pendewasaan diri, mengenal disiplin, lebih bertanggung jawab, menjaga
amanah, sehingga membuat saya menjadi pribadi yang lebih baik.
 Teman-Teman Angkatan 2011, terima kasih banyak untuk bantuan dan
kerja samanya selama ini.

“MUKHRON MARDLONI”

viii

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT karena Berkat,
Rahmat dan Karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan penyusunan Tugas
Akhir ini. Sholawat beserta salam semoga senantiasa tercurahkan kepada
Nabi Muhammad SAW, kepada keluarganya, para sahabatnya, hingga kepada
umatnya hingga akhir zaman, Amin.
Penulisan Tugas Akhir ini diajukan untuk memenuhi salah satu syarat
memperoleh gelar Sarjana pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta. Dalam penyusunan dan penulisan
Tugas Akhir ini tidak terlepas dari bantuan, bimbingan, serta dukungan dari
berbagai pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis dengan senang
hati menyampaikan terima kasih kepada yang terhormat :
1. Bapak Ir. Sri Sunarjono, MT.,Ph.D selaku Dekan Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
2. Bapak Tri Widodo B. R, ST.,M.Sc.,Ph.D selaku Ketua Jurusan Teknik

Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
3. Bapak Marwan Effendy, ST.,MT.,Ph.D selaku Dosen Pembimbing utama
yang telah membimbing, mengarahkan, memberi petunjuk dalam
penyusunan tugas akhir ini.

ix

x

KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN
TEKANAN PIN-FIN ELLIPS SUSUNAN SEGARIS UNTUK SISTEM
PENDINGIN INTERNAL PADA SUDU TURBIN GAS
Mukhron Mardloni, Marwan Effendy, Sarjito
Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl. A. Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura
email : mukhron.m@gmail.com

ABSTRAK
Penelitian ini menggambarkan prediksi data mengenai kinerja pin-fin
untuk pendingin internal pada sudu turbin gas. Tujuan dari penelitian ini untuk

mengetahui koefisien perpindahan panas (h) dan faktor gesekan (f)
disepanjang pendingin.
Metode yang digunakan yaitu aliran steady RANS dengan model
turbulensi k-epsilon dalam dua tahapan. Pertama, melakukan validasi data
dengan pendekatan simulasi pada bentuk pin-fin silinder susunan staggered
yang dilakukan peneliti sebelumnya secara eksperimen. Dengan
menggunakan lima macam tipe mesh secara terstruktur mulai dari kasar (Δy+
= 25.15) kemudian dilakukan studi perbaikan mesh hingga didapatkan tipe
mesh optimal yaitu (Δy+ = 1.22). Kedua, melakukan penelitian dengan
memodifikasi bentuk pin-fin ellips susunan in-line menggunakan pendekatan
simulasi dengan mengadopsi tipe mesh yang digunakan pada tahap validasi
dengan kondisi batas yang serupa, bilangan Reynolds yang digunakan antara
9000 – 36000.
Hasil penelitian menunjukkan validasi dapat diterima dengan
menggunakan tipe mesh (Δy+ = 1.22) dengan jumlah elemen 1.6 juta. Validasi
dengan pendekatan CFD menunjukkan penurunan tekanan dan koefisien
perpindahan panas serupa dengan eksperimen, meskipun untuk koefisien
perpindahan panas setelah baris pin kedua tidak sama. Investigasi dilakukan
pada pin-fin G2A dan G2B, hasil penelitian menunjukkan koefisien
perpindahan panas pin-fin G2B lebih tinggi dibanding G2A, hal tersebut

disebabkan turbulensi yang berbeda antara kedua tipe. Koefisien perpindahan
panas meningkat disebabkan meningkatnya turbulensi yang terjadi karena
kontraksi pin-fin dan peningkatan bilangan Reynolds. Sebaliknya, faktor
gesekan berkurang secara bertahap disepanjang saluran udara.
Kata kunci

: Pin-fin cooling; Computational fluid dynamics; koefisien
perpindahan panas
xi

CHARACTERISTICS OF HEAT TRANSFER AND PRESSURE DROP
ELLIPTICAL PIN-FINS WITH IN-LINE ORIENTATION FOR COOLING
SYSTEM OF INTERNAL GAS TURBINE BLADE
Mukhron Mardloni, Marwan Effendy, Sarjito
Department of Mechanical Engineering, Muhammadiyah University of
Surakarta
Jl. A. Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura
email : mukhron.m@gmail.com

ABSTRACT

This study describes a performance prediction of the elliptical pin-fins
cooling of gas turbine blade. The main objective of this research is to
investigate the heat transfer coefficient (HTC) and friction factor (f) along the
cooling passage.
The steady RANS with k-epsilon turbulence model was carried out by
two-stages investigating: firstly, validation of an existing circular staggered
array of pin-fin cooling that has been studied experimentally by other
researcher. Five types structured mesh from coarse (Δy+ = 25.15) to fine (Δy+ =
1.22) were optimised for mesh refinement study. Secondly, further investigation
of the elliptical pin-fin cooling with in-line orientation was simulated by adopting
the same scenario of mesh generation based on the optimum result from
validation stage. Simulations were performed by keeping the same initials and
boundary conditions as the experiment, and varying Reynolds number from
9000 to 36000.
The result shows that validation can be considered acceptable by
developing mesh up to 1.6 million elements with fine resolution (Δy + =
1.22). CFD predicted HTC and pressure loss are in good agreement with
available experimental data, although over-prediction data is found after the
second pin-fin row for HTC simulation. Investigation of two different surfaces of
pin-fin cooling (G2A and G2B) indicates that the HTC of pin-fin G2B is higher

than the HTC of pin-fin G2A as the effect of different turbulence around the pinfin cooling. The HTC of pin-fins surface increases moderately along the cooling
passage due to the increase of flow turbulence that caused by contraction
channel and increasing Reynolds number. On the contrary, the friction factor
decreases gradually along the channel.
Key words

: Pin-fin cooling; Computational fluid dynamics; Heat transfer
coefficient

xii

DAFTAR ISI
Halaman Judul ...........................................................................................
Pernyataan Keaslian Skripsi ......................................................................
Halaman Persetujuan ................................................................................
Halaman Pengesahan ...............................................................................
Lembar Soal Tugas Akhir ..........................................................................
Halaman Motto...........................................................................................
Halaman Persembahan .............................................................................
Kata Pengantar ..........................................................................................

Abstrak .......................................................................................................
Daftar Isi ....................................................................................................
Daftar Gambar ...........................................................................................
Daftar Tabel ...............................................................................................
Daftar Simbol .............................................................................................

i
ii
iii
iv
v
vi
vii
ix
xi
xiii
xv
xvii
xviii

BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ............................................................................
1.2 Perumusan Masalah ...................................................................
1.3 Tuuan Penelitian .........................................................................
1.4 Manfaat Penelitian ......................................................................
1.5 Batasan Masalah ........................................................................

1
4
5
5
5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Kajian Pustaka............................................................................. 7
2.2 Landasan Teori............................................................................ 11
2.2.1 Sirip Pin ............................................................................. 11
2.2.2 Sirip Pin Ellips .................................................................. 12
2.2.3 perpindahan Panas Konveksi Paksa ................................ 14
2.2.4 Aliran Lapis Batas (Boundary Layer) ................................ 17
2.2.5 Separasi Aliran pada Pin-Fin ............................................ 18
2.2.6 Sistem CFD ...................................................................... 19
2.2.7 Pembuatan Grid (Meshing) ............................................... 22
2.2.8 Model k-epsilon ................................................................ 23
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Diagram Alir Penelitian ............................................................... 24

xiii

3.2 Tahapan Penelitian .................................................................... 25
3.2.1 Tahap Validasi .................................................................. 25
3.2.2 Tahap Penelitian Kasus ................................................... 32
BAB IV VALIDASI, HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Validasi Data .............................................................................. 36
4.1.1 Validasi Meshing .............................................................. 36
4.1.2 Validasi Data Hasil Simulasi ............................................ 37
4.2 Hasil dan Pembahasan Tahap Penelitian Kasus ....................... 43
4.2.1 Perhitungan Data.............................................................. 43
4.2.2 Analisis dan Pembahasan Data........................................ 47
4.2.2.1 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Pin-Fin Internal
Cooling Terhadap Karakteristik Penurunan Tekanan
............................................................................. 47
4.2.2.2 Pengaruh Bilangan Reynolds inlet 9000 dan Pin-Fin
Internal Cooling Terhadap Karakteristik
Perpindahan Panas ............................................. 51
4.2.2.3 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Pin-Fin Internal
Cooling Terhadap Kecepatan Udara.................... 53
4.2.2.4 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Pin-Fin Internal
Cooling Terhadap Penurunan Temperatur Udara
............................................................................. 54
4.2.2.5 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Pin-Fin Internal
Cooling Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas
............................................................................. 55
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan ................................................................................. 57
5.2 Saran .......................................................................................... 58
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1. Sudu Turbin Gas .................................................................. 2
Gambar 1.2. Potongan melintang sudu turbin gas dengan pendinginan
internal ................................................................................. 3
Gambar 1.3. Desain pin-fin intercooling silinder dengan dimensi sesuai
eksperimen Tarchi, dkk (2008) ............................................. 6
Gambar 1.4. Model pengembangan pin-fin ............................................... 6
Gambar 2.1. (a) pressure drop (b) heat transfer coefficient Tarchi, dkk
(2008) ................................................................................... 10
Gambar 2.2. Sirip pin ellips susunan in-line (Yustisiaji, 2010) ................... 11
Gambar 2.3. Susunan sirip pin (a) segaris (b) selang-seling (Bilen, dkk.
2002) .................................................................................... 12
Gambar 2.4. Dimensi pin ellips SEF dan N fin (Camci dan Uzol, 2001) .... 13
Gambar 2.5. Perpindahan panas konveksi dari plat panas ....................... 14
Gambar 2.6. Lapisan batas disepanjang sebuah plat datar ...................... 18
Gambar 2.7. Separasi aliran yang terjadi pada pin silinder ....................... 19
Gambar 2.8. Skema umum proses CFD ................................................... 20
Gambar 2.9. Contoh mesh pada GAMBIT ................................................ 23
Gambar 3.1. Diagram alir penelitian .......................................................... 24
Gambar 3.2. Geometry pin-fin intercooling (Tarchi, dkk. 2008) ................. 26
Gambar 3.3. Tipe mesh ............................................................................. 27
Gambar 3.4. Proses iterasi berlangsung ................................................... 31
Gambar 3.5. Proses iterasi konvergen ...................................................... 31
Gambar 3.6. CFD – post R15.0 ................................................................. 32
Gambar 3.7. Geometry pin-fin ellips susunan in-line ................................. 33
Gambar 3.8. Mesh pin-fin ellips susunan in-line ........................................ 34
Gambar 4.1. Pengaruh bilangan Reynolds terhadap faktor gesekan pada
tahap validasi ........................................................................ 39
Gambar 4.2. Reynolds pin-7 = 18000........................................................ 40
Gambar 4.3. Koefisien perpindahan panas dengan jarak x/Sx pada tahap
validasi .................................................................................. 42
Gambar 4.4. Pengaruh bilangan Reynolds terhadap penurunan tekanan . 48
Gambar 4.5. Pengaruh kecepatan fluida masuk terhadap faktor gesekan
(friction factor) ....................................................................... 49
Gambar 4.6. Kontur kecepatan fluida masuk pada Re 12030.6 ................ 50

xv

Gambar 4.7. Pengaruh bilangan Reynolds terhadap faktor gesekan ........ 51
Gambar 4.8. Koefisien perpindahan panas pada jarak x/Sx
(Reynolds inlet = 9000) ......................................................... 52
Gambar 4.9. Kontur koefisien perpindahan panas pada
Reynolds inlet = 9000 ........................................................... 53
Gambar 4.10. Kecepatan udara pada jarak x/Sx (Reynolds inlet = 9000) .... 54
Gambar 4.11. Temperatur udara pada jarak x/Sx (Reynolds inlet = 9000) .. 55
Gambar 4.12. Hubungan bilangan Reynolds terhadap koefisien perpindahan
panas .................................................................................... 56

xvi

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1. Karakteristik mesh ...................................................................... 28
Tabel 3.2. Specify boundary conditions ....................................................... 28
Tabel 4.1. Validasi pressure drop ................................................................ 39
Table 4.2. Mass flow rate untuk perhitungan friction factor ......................... 44
Tabel 4.3. Friction factor pin-fin tipe G2A .................................................... 45
Tabel 4.4. Friction factor pin-fin tipe G2B .................................................... 46
Tabel 4.5. Perbandingan heat transfer coefficient pin-fin tipe G2A, G2B, dan
Tarchi, dkk (2008) pada Reynolds inlet = 9000 ........................... 47
Table 4.6. Perbandingan kecepatan dan temperatur udara pada pin-fin tipe
G2A, G2B, dan G1 pada Reynolds inlet = 9000.......................... 47

xvii

DAFTAR SIMBOL

�

�

: Luas area (m2)
�

: Luas area diantara pin-fin (m2)

��0

: Luas area dari inlet saluran udara (m2)

��0

: Diameter hidrolik (m)

�
ℎ

: Diameter pin ellips sumbu minor (m)

: Faktor gesekan
: Koefisien perpindahan panas (W/m2.K)

ṁ

: Laju Aliran massa (kg/s)
: Tekanan (Pa)
: Laju perpindahan kalor (W)
: Bilangan Reynolds
�0

�7

: Bilangan Reynolds pada inlet
: Bilangan Reynolds pada pin-7
: Jarak antar titik pusat pin-fin terhadap sumbu x (mm)
: Jarak antar titik pusat pin-fin terhadap sumbu y (mm)
: Temperatur udara dekat dinding (K)
: Temperatur pada dinding (K)



: Massa jenis udara (kg/m3)

�

: Kecepatan udara (m/s)

µ

: Viskositas dinamik (kg/m.s)



: Perbedaan tekanan (Pa)

x

: Arah sepanjang sumbu x

xviii