Simulasi Aliran Fluida Pada Rumah Turbin Vortex Dengan 5 Variasi Lubang Buang Menggunakan Fluent Ansys 14.0
SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA RUMAH TURBIN VORTEX DENGAN 5 VARIASI LUBANG BUANG MENGGUNAKAN FLUENT ANSYS 14.0 SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
BUDIMAN YUDHA SIMBOLON 090401088 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015
ABSTRAK
Indonesia sampai saat ini masih mengalami permasalahan tentang energi listrik. Permasalahan tersebut terdiri dari jaringan listrik, daerah pedesaan yang jauh dari kota, dan sumber energi fosil yang hampir habis. Pembangkit listrik tenaga air merupakan salah satu pilihan dalam memanfaatkan sumber energi terbarukan.
Turbin Vortex adalah salah satu jenis turbin mikrohidro yang menggunakan pusaran air sebagai penggerak sudu. Turbin Vortex mempunyai ketinggian air yang relatif rendah antara 0.7 m sampai 2 m. Turbin ini baik digunakan pada aliran sungai. Untuk itu dilakukan analisa dan simulasi secara numerik dengan bantuan software Ansys FLUENT 14.0. Simulasi Computation fluid Dynamic (CFD) dapat menganalisa atau memprediksi aliran fluida yang ada pada rumah turbin vortex. Proses tersebut meliputi Pre-processing, Solving, dan Post-
. Analisis dilakukan pada aliran tiga dimensi (3D), transient, turbulen
processing
dan incompresible. Variabel yang digunakan untuk dianalisa adalah diameter lubang buang air. Hal tersebut terdiri dari lima ukuran 3 cm, 5.5 cm, 8.5 cm, 10.5 cm dan 16 cm.
Dari hasil analisa simulasi didapat daya air paling maksimum pada diameter lubang buang 16 cm, yaitu 24.24680432 watt dengan debit 0.008253662
3 m /s dan head 0.3 m.
Kata kunci: Energi, Vortex, CFD, Ansys, Turbin Vortex, Lubang Buang
ABSTRACT
Indonesia is still having problems about electrical energy. The problemconsists of the electricity network, rural area that far from the city, and the fossil
energy resources are nearly run out. Hydroelectricity is an option in utilizing
renewable energy sources.Vortex turbine is one type of micro hydro turbines that use whirlpool as turbine propulsion. Vortex turbine has a relatively low water levels between 0.7 m
to 2 m. Turbine is either used on the flow of the river. For that carried out the
analysis and numerical simulations with help of software Ansys FLUENT 14.0.
Simulation of Computation fluid Dynamic (CFD) can analyze or predict fluid flow on vortex turbine basin. The process includes pre-processing, solving, and post-processing. The analysis performed on three dimensional flow (3D), transient,
turbulent, and incompresible. The variable which is used for analysis is the
orifice diameter variation. It consists of five sizes; 3 cm, 5.5 cm, 8.5 cm, 10.5 cm
and 16 cm.From the results of simulation analysis gained maximum water power in
the orifice with a diameter 16 cm, which is 24.24680432 watt with discharge
3 0.008253662 m /s and head of 0.3 m.Keywords: energy, Vortex, CFD, Ansys, Vortex Turbine, Orifice
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, atas berkat dan rahmat-Nya yang senantiasa diberikan kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini.
Skripsi ini merupakan salah satu persyaratan untuk memenuhi syarat guna memperoleh gelar Sarjana Teknik (ST) Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Skripsi ini adalah “SIMULASI
ALIRAN FLUIDA PADA RUMAH TURBIN VORTEKS DENGAN 5
VARIASI LUBANG BUANG MENGGUNAKAN FLUENT ANSYS 14.0”
Selama penyelesaian laporan ini, penulis banyak menghadapi kesulitan yang senantiasa mengikuti dalam penyelesaian laporan ini. Namun berkat dorongan semangat, bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak, penulis dapat menghadapi dan menyelesaikan segala laporan ini. Oleh karena itu, penulis menyampaikan banyak terima kasih kepada : 1.
Orang tua saya, (Alm) B. Simbolon dan R.br. Sitorus yang terus-menerus memberikan kasih sayang dan semangat yang luar biasa kepada penulis.
2. Saudara kandung penulis, Kogo Maulana Simbolon/Istri, Silvanus Simbolon/Istri, Biuri Simbolon dan Bryan Pandapotan Simbolon yang selalu memberikan kasih sayang dan semangat yang luar biasa kepada penulis.
3. Bapak Ir. Syahril Gultom, MT, selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan arahan, bimbingan, nasehat, dan pelajaran berharga hingga skripsi ini dapat terselesaikan.
3. Bapak Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Ir. Syahril Gultom, MT. selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin USU.
4. Seluruh staf pengajar dan tata usaha Departemen Teknik Mesin USU yang berjasa dalam membimbing penulis selama perkuliahan.
5. Rekan-rekan seperjuangan Petrus J.P Pardede, Irwan J. Purba dan Morry K.
Lumbantoruan yang bersama-sama dalam menyelesaikan skripsi ini.
6. Rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin USU terkhususnya angkatan 2009 dan semua pihak yang membantu dalam menyelesaikan skripsi ini.
7. Saudara terkasih, Hanna M.E. Siburian yang senantiasa memberi semangat yang luar biasa kepada penulis.
Dalam penulisan skripsi ini, penulis menyadari banyak kekurangan. Oleh karena itu segala kritik yang bersifat membangun akan diterima dengan senang hati untuk kemajuan bersama. Akhir kata, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua dan dapat dilanjutkan oleh rekan-rekan mahasiswa lain.
Medan, Desember 2014
Penulis
DAFTAR ISI
ABSTRAK ........................................................................................................... i KATA PENGANTAR ......................................................................................... iii DAFTAR ISI ........................................................................................................ v DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... vii DAFTAR TABEL ............................................................................................... ix DAFTAR NOTASI .............................................................................................. x2.2.1 Vortex Paksa / Berotasi .................................................................. 6
2.5.1 Manfaat Computational Fluid Dynamic (CFD) ............................. 18
2.5 Pengertian Computation Fluid Dynamic (CFD) ...................................... 17
2.4 Turbin Vortex ........................................................................................... 16
2.3.3 Turbin Impuls ................................................................................. 12
2.3.2 Turbin Reaksi ................................................................................. 10
2.3.1 Klasifikasi Turbin Air ..................................................................... 9
2.3 Turbin Air ................................................................................................ 8
2.2.2 Vortex Bebas / Tak Berotasi ........................................................... 7
2.2 Klasifikasi Vortex .................................................................................... 6
BAB I PENDAHULUAN
2.1 Vortex ...................................................................................................... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
1.6 Sistematika Penulisan .............................................................................. 3
1.5 Metodologi Penelitian .............................................................................. 2
1.4 Batasan Masalah ...................................................................................... 2
1.3 Manfaat Penelitian ................................................................................... 2
1.2 Tujuan Penelitian ..................................................................................... 2
1.1 Latar Belakang ......................................................................................... 1
2.5.2 Proses Simulasi CFD ..................................................................... 19
2.5.3 Persamaan Pembentuk Aliran ........................................................ 20
2.5.4 Fluent ............................................................................................. 28
2.5.5 Skema Numerik.............................................................................. 29
2.5.6 Diskretisasi ..................................................................................... 31
2.5.7 Model Volume Of Fluid (VOF) ..................................................... 34
2.5.8 Model Turbulen ............................................................................. 36
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Proses Pre-Processing .............................................................................. 40
3.1.1 Pembuatan Model .......................................................................... 40
3.1.2 Penentuan Domain ......................................................................... 42
3.1.3 Pembuatan Mesh ............................................................................ 42
3.2 Menentukan Solution Solver ................................................................... 43
3.2.1 Menentukan Jenis Aliran ............................................................... 43
3.2.2 Menentukan Kondisi Batas ............................................................ 43
3.2.3 Pengaturan Simulasi ...................................................................... 44
3.3 Menjalankan Simulasi ............................................................................. 45
3.4 Langkah-Langkah Pengerjaan ................................................................. 47
BAB IV HASIL DAN ANALISA DATA
4.1 Hasil Simulasi Turbin Vortex .................................................................. 59
4.1.1 Pada Lubang Buang 1 .................................................................... 59
4.1.2 Pada Lubang Buang 2 .................................................................... 61
4.1.3 Pada Lubang Buang 3 .................................................................... 63
4.1.4 Pada Lubang Buang 4 .................................................................... 64
4.1.5 Pada Lubang Buang 5 .................................................................... 66
4.2 Analisa Daya Pada Rumah Turbin Vortex .............................................. 67
4.3 Perbandingan Daya Hasil Simulasi Terhadap Daya Hasil Teoritis Dan Daya Hasil Eksperimen ................................................................... 68
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan .............................................................................................. 70
5.2 Saran ........................................................................................................ 70
DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................... xi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Aliran Vortex................................................................................... 5Gambar 2.2 Klasifikasi Vortex Berdasarkan Kekuatannya ................................ 6Gambar 2.3Teh Cangkir Yang Diaduk Adalah Sebuah Aplikasi Vortex Paksa ............................................................................................... 7
Gambar 2.4 Rotational (Rigid Body) Vortex ...................................................... 7Gambar 2.5 Vortex Bebas ................................................................................... 8Gambar 2.6 KlasifikasiTurbin Air ...................................................................... 10Gambar 2.7 Turbin Francis ................................................................................. 11Gambar 2.8 Turbin Kaplan ................................................................................. 12Gambar 2.9 Turbin Pelton ................................................................................... 13Gambar 2.10 Turbin Turgo ................................................................................. 14Gambar 2.11 Turbin Cross Flow atau Banki ...................................................... 15Gambar 2.12 Turbin Vortex ................................................................................ 16Gambar 2.13 Hasil Percobaan dan Hasil CFD .................................................... 18Gambar 2.14 Proses Simulasi : CAD, Grid, dan Hasil CFD .............................. 19Gambar 2.15 Konservasi Massa Elemen Fluida 2 Dimensi ................................ 21Gambar 2.16 Konservasi Massa Elemen Fluida 3 Dimensi ................................ 22Gambar 2.17 Konservasi Momentum Pada Elemen Fluida 2 Dimensi .............. 23Gambar 2.18 Konservasi Momentum Pada Elemen Fluida 3 Dimensi .............. 24Gambar 2.19 Konservasi Energi Pada Elemen Fluida ........................................ 27Gambar 3.1 Model Turbin Vortex ...................................................................... 40Gambar 3.2 Domain Turbin Vortex .................................................................... 42Gambar 3.3 (a) Spesifikasi Meshing (b)Hasil Meshing ...................................... 43Gambar 3.4 Kondisi Batas PadaTurbin Vortex................................................... 44Gambar 3.5 Diagram Alir ................................................................................... 46Gambar 3.6 Cara Import Geometry .................................................................... 47Gambar 3.7 (a) Wall (b) Atas (c) Inlet (d) Outlet ............................................... 48Gambar 3.8 Spesifikasi Mesh ............................................................................. 49Gambar 3.9 Hasil Mesh ...................................................................................... 49Gambar 3.10 Setup .............................................................................................. 50Gambar 3.11 Models ........................................................................................... 51Gambar 3.12 Materials ........................................................................................ 51Gambar 3.13 Phases ............................................................................................ 52Gambar 3.14 Cell Zone Conditions .................................................................... 52Gambar 3.15 Solution Controls .......................................................................... 53Gambar 3.16 Calculation Activities .................................................................... 54Gambar 3.17 Solution Initialization .................................................................... 55Gambar 3.18 Region Adaption ........................................................................... 56Gambar 3.19 Patch .............................................................................................. 56Gambar 3.20 Run Calculation ............................................................................. 57Gambar 3.21 Fluid Flow (FLUENT) .................................................................. 57Gambar 3.22 CFD Post 14.0 ............................................................................... 58Gambar 4.1 Distribusi Kecepatan Dengan 4 Garis ............................................. 59Gambar 4.2 Hasil Simulasi Pada Lubang Buang 1 ............................................. 60Gambar 4.3 Grafik Distribusi Kecepatan Pada Lubang Buang 1 DenganHead 0.1 m ..................................................................................... 61
Gambar 4.4 Hasil Simulasi Pada Lubang Buang 2 ............................................. 61Gambar 4.5 Grafik Distribusi Kecepatan Pada Lubang Buang 2 DenganHead 0.17 m ................................................................................... 62
Gambar 4.6 Hasil Simulasi Pada Lubang Buang 3 ............................................. 63Gambar 4.7 Grafik Distribusi Kecepatan Pada Lubang Buang 3 DenganHead 0.28 m ................................................................................... 64
Gambar 4.8 Hasil Simulasi Pada Lubang Buang 4 ............................................. 64Gambar 4.9 Grafik Distribusi Kecepatan Pada Lubang Buang 4DenganHead 0.29 m ................................................................................... 65
Gambar 4.10 Hasil Simulasi Pada Lubang Buang 5 ........................................... 66Gambar 4.11 Grafik Distribusi Kecepatan Pada Lubang Buang 5DenganHead 0.30 m ................................................................................. 67
Gambar 4.12 Turbin Vortex ................................................................................ 68Gambar 4.13 Grafik Perbandingan Antara Daya Hasil Simulasi, Daya HasilTeoritis, dan Daya Hasil Eksperimen........................................... 69
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Spesifikasi Model Turbin Vortex ....................................................... 41Tabel 3.2 Kondisi Batas Turbin Vortex .............................................................. 44Tabel 3.3 Pengaturan Simulasi ............................................................................ 45Tabel 3.4 Kondisi Batas ...................................................................................... 53Tabel 4.1 Distribusi Kecepatan Pada Lubang Buang 1 Pada Head 0.1 m .......... 60Tabel 4.2 Distribusi Kecepatan Pada Lubang Buang 2 Pada Head 0.17 m ........ 62Tabel 4.3 Distribusi Kecepatan Pada Lubang Buang 3 Pada Head 0.28 m ........ 63Tabel 4.4 Distribusi Kecepatan Pada Lubang Buang 4 Pada Head 0.29 m ........ 65Tabel 4.5 Distribusi Kecepatan Pada Lubang Buang 5 Pada Head 0.30 m ........ 66Tabel 4.6 Debit Pada Tiap Lubang Buang .......................................................... 67Tabel 4.7 Daya Air Hasil Simulasi ..................................................................... 68Tabel 4.8 Daya Air Hasil Teoritis dan Daya Air Hasil Eksperimen ................... 69DAFTAR NOTASI
= Kecepatan [m/s] r = Jari – jari [m] H = Head/Ketinggian Air [m] D = Diameter Lubang Buang [cm] D
1 = Diameter Rumah Turbin Vortex [cm]
2 A = Luas Penampang Lubang Buang [m ]
3 Q = Debit[m /s]
= Daya air [Watt] = Kecepatan Air [m/s]
3
= Massa jenis [kg/m ]
3
g = Gravitasi [m/s ] P = Tekanan Atmosfir [Pa]
atm