Filetype PDF | Posted on 19 Jan 2023 | 2 years ago
Authentication
digital resources
157x Filetype PDF File size 2.70 MB Source: digilib.batan.go.id
Prosiding Seminar Nasional Daur Bahan Bakar 2009 Daftar Isi ISSN 1693-4687
Serpong, i3 Oktober 2009
Perancangan Penstock Menggunakan Software
Computational Fluid Dynamics
Ridwan Arief Subekti, Anjar Susatyo
Puslit Tenaga Listrik dan Mekatronik - LlPI
ABSTRAK - PERANCANGAN PENSTOCK LPENDAHULUAN
MENGGUNAKAN SOFTWARE COMPUTATIONAL FLUID
DYNAMICS. Penstock berfungsi untuk menyalurkan dan Aliran fluida, baik cair maupun gas, adalah suatu zat
mengarahkan air ke cerobong turbin. Untuk kebutuhan yang sangat kentara dengan kehidupan kita sehari-hari.
penelitian tersebut bahkan sampai tingkat disain, dibutuhkan Untuk kebutuhan penelitian bahkan sampai dengan
suatu alat yang mampu menganalisis atau memprediksi dengan tingkat disain, dibutuhkan suatu alat yang mampu
cepat dan akurat. Dalam mendisain penstock, dapat digunakan menganalisa atau memprediksinya dengan cepat dan
komputasi aliran fluida dinamik/Computational Fluid akurat. Maka, berkembanglah suatu ilmu yang dinamakan
Dynamics(CFD}. CFD akan memberikan pemahaman Computational Fluid Dynamic (CFD) atau komputasi
mendalam tentang penstock yang kita disain. Dengan prototipe
virtual kita dapat mengetahui fenomena yang teIjadi di dalam aliran fluida dinamik. Secara definisi, CFD adalah ilmu
penstock. Tujuan analisis/simulasi CFD pada perancangan yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida,
penstock ialah untuk membantumendisain penstock lebih cepat perpindahan panas, rekasi kimia, dan fenomena lainnya
dan hemat biaya. Dengan mengubah-ubah kondisi batas, kita dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika
dapat menentukan disain penstock yang optimal karena CFD (model matematika). Pada dasamya, persamaan-
dapat memprediksinya secara menyeluruh. Dengan metode persamaan pada fluida dibangun dan dianalisis
pembuatan prototipe penstock virtual pada software GAMBIT berdasarkan persamaan-persamaan diferensial parsial
(Geometri and Mesh Building intelligent Toolkit), kita dapat (PDE - partial Differential Equation) yang
menganalisis prototipe virtual tersebut menggunakan software mempresentasikan hukum-hukum konversi massa,
Fluent. Kondisibatas yang digunakanpada sisiinlet adalah inlet
velocity sedangkan kondisi batas yang digunakan pada sisi momentum, dan energi.
outlet adalah outlet pressure. Dengan analisis CFD yang Sebuah perangkat lunak CFD akan memberikan
dilakukan, didapat hasil rancangan penstock debit 0,0934 m3/s simulasi aliran tluida, perpindahan panas, perpindahan
yang optimal adalah diameter penstock 16",panjang 2,5 meter, massa, benda-benda bergerak, aliran multi fasa, reaksi
dengan pressure total pada sisi inlet (PI) = 306554,655 Pascal kimia, interaksi tluida dengan struktur, dan sistem
danpressure totalpada sisi outlet (P2) = 300318,64Pascal. akuisisi hanya dengan pemodelan di komputer. Dengan
Kata kunci : komputasi aliran fluida dinamik, FLUENT, menggunakan software ini kita dapat membuat virtual
penstock, perancangan, prototipe prototype dari sebuah sistem atau alat yang akan kita
analisis dengan menerapkan kondisi nyata dilapangan.
ABSTRACT - DESiGN OF PENSTOCK USING Software CFD akan memberikan data-data, gambar-
COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS SOFTWARE. gambar, atau kurva-kurva yang menunjukan prediksi dari
penstock jimctions as to canalized and directing water into performansi keandalan sistem yang kita disain terse but.
turbine intake. For the requirement of the research moreover II. DASAR TEORI
design, is required an appliance capable to analyze or
predicting quickly and accurately. In penstock design, we can A. Tenaga Air
use Computational Fluid Dynamics (CFD). CFD will give a Salah satu sumber energi yang murah dan mudah
profound understanding about penstock which we designed.
With virtual prototype we can find out phenomenon that didapat adalah air, karena pada air tersimpan energi
happened in penstock. The purpose of analysis / CFD potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada air
simulation at penstock design is to assist penstock design more mengalir). Tenaga air (Hydropower) adalah energi yang
quickly and cost effectively. Hy varying boundary condition, we diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air
can determine optimal penstock design because CFD can dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi
predict totally. With method making of virtual penstock mekanis maupun energi listrik.
prototype at GAMBIT software (Geometry and Mesh Building Pembangkit Listrik Tenaga Air atau juga disebut
intelligent Toolkit), we can analyze the virtual prototype by use Hydropower mengkonversi energi potensial yang terdapat
Fluent software. Inlet boundary condition is inlet velocity, while
outlet boundary condition is outlet pressure. pada air di dalam bendungan menjadi energi kinetik
With CFD analysis, we got that the optimal diameter of melalui turbin. Turbin dikopel ke generator secara
penstock having debit 0,0934 m3/s is 16", length 2.5 meter, with mekanik melalui rotating shaft . Turbin mulai berputar
total inlet pressure (PI) = 306554.655 Pascal and IOtal outlet oleh gerakan air dan merubah energi kinetik menjadi
pressure (PJJ= 300318.64 Pascal. energi mekanik. Generator berputar merubah energi
Keywords: Computational Fluid Dynamics, FLUENT, penstock, mekanik menjadi energi listrik.
design, prototype
C-27
ProsidingSeminarNasiona/ DaurBahan Bakar2009 ISSN 1693-4687
Serpong, J 3 Oktober2009
Inside a Hydropower Plant fluida, perpindahan kalor dan massa, reaksi kimia, dan
fenomena yang lain dengan menyelesaikan persamaan-
persamaan matematis yang terkait secara numeric.
Hasi\ analisis CFD dapat digunakan untuk :
• Studi konsep desain baru
• Pengembangan detail produk
• Troubleshooting
• Redesainn
Penggunaan CFD dapat mengurangi total usaha yang
dibutuhkan untuk eksperimen dan data akuisisi. Fluent
merupakan salah satu software CFD yang menggunakan
metode volume hingga (finite volume method). Prinsip
dasar metode volume hingga adalah sebagai berikut:
• Domain perhitungan didiskritisasi menjadi
kumpulan kontrol volume atau sel dengan jumlah
tertentu
• Persamaan-persamaan diferensial parsial, seperti
Gambar 1. Hydropower plant persamaan kekekalan massa, kekekalan energi, dan
kekekalan momentum didiskritisasi menjadi
Besamya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air kumpulan persamaan aljabar yang dapat
bergantung pada besamya head dan debit air. Dalam diselesaikan secara numerik untuk mendapatkan
hubungan dengan reservoir air maka head adalah beda solusi dari semua parameter yang ada.
ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka Langkah-Iangkah analisis CFD adalah sebagai berikut
air keluar dari kincir air/turbin air. Besamya daya Iistrik 1. Identifikasi masalahdan pre-processing
yang dihasilkan tergantung dari air yang mengalir melalui • Mendefinisikan tujuan pemodelan
wate/ways dan head (tinggi dari free sll1face • Mengidentifikasi domain yang akan
bendunganlhead water ke tail water ). dimodelkan
• Mendesain dan membuat grid/mesh pada
B. Penstok model
Penstok adalah saluran dimana air dari resevoir 2. Eksekusi solver
bergerak untuk menuju turbin air. Aliran fluida pada • Melakukan set-up model numerik
penstok mempengaruhi unjuk kerja sebuah turbin air. • Melakukan proses perhitungan dan memonitor
Pemilihan dimensi merupakan salah satu cara hasil perhitungan
mengoptimalkan dimensi penstock. Penstok merupakan 3. Post-processing
saluran tertutup yang mengalirkan air bertekanan dari • Memeriksa hasil simulasi
fore bay langsung menuju turbin. Penstok harus bisa • Mempertimbangkan revisi model dan proses
menahan gelombang tekanan air, sehingga pada waktu simulasi.
penutupan aliran secara tiba-tiba tidak menyebabkan III. METODOLOGI PENELITIAN
penstok rusak. Oleh karena itulah dibutuhkan
perencanaan yang matang untuk meminimumkan biaya A. Pemodelan Penstock
pembelian dan perawatan. Aliran fluida pada penstok mempengaruhi unjuk kerja
Air sebagai media kerja turbin dianggap sebagai fluida sebuah turbin air. Pemilihan dimensi merupakan salah
yang tak kompresibel, yaitu fluida yang secara virtual satu cara mengoptimalkan dimensi penstock. Pemodelan
massa jenisnya tidak berubah dengan tekanan. dan meshing (diskritisasi) saluran penstock dilakukan
Mengetahui kapasitas aliran air merupakan salah satu dengan software GAMBIT 2.2.30 (Geometri And Mesh
aspek penting dalam menganalisis penstok turbin. Pada Building Intelligent Toolkit).
umumnya sumber air, misalkan sungai, kapasitas
alirannya berubah-ubah, tergantung besar kecilnya curah B. Metode Perhitungan dan Analisis
hujan yang mempengaruhinya serta beberapa faktor lain. Analisa dan simulasi dilakukan dengan menggunakan
Oleh karena itu data kapasitas aliran air per waktu perlu software analisis komputasi fluida dinamik
diketahui pada saat menganalisis penstock turbin air. (Computational Fluid Dynamics/CFD) Fluent 6.2.16.
Analisis penstock turbin air bertujuan untuk Setelah pemodelan dan meshing saluran penstock selesai,
mendapatkan unjuk kerja optimum dalam pemanfaatan kita masukan parameter-paremeter yang diperlukan
energi air pada suatu kondisi operasi tertentu. dalam masukan Fluent. Perhitungan dilakukan terhadap
C. Fluent tekanan statik dan dinamik, kecepatan fluida, energi
Fluent merupakan salah satu software CFD kinetik turbulen dan pola aliran fluida yang tetjadi di
(Computational Fluid Dynamic) yang banyak digunakan dalam saluran penstock.
saat ini. CFD adalah ilmu untuk memprediksi aliran
C-28
Prosiding SeminarNasional DaurBahanBakar 2009 ISSN 1693-4687
Serpong. 13 Oktober2009
C. PELAKSANAAN KEGIATAN Formulasi Solver, Model dan Persamaan Dasar
Perencanaan Penstock Untuk model saluran penstock kita menggunakan
formulasi solver segregated. Solver ini menyelesaikan
Hal yang perlu diperhatikan dalam pemilihan penstock persamaan-persamaan secara bertahap (terpisah antara
adalah diameter dimana semakin kecil diameter maka satu persamaan dengan persamaan lain). Selanjutnya kita
kecepatan air dalam penstock akan semakin naik untuk menentukan model dan persamaan dasar. Untuk
debit yang sarna, rugi-rugi pada penstock disebabkan menganalisa kasus ini kita menggunakan model viskos k-
debit air dan tinggi jatuh yang relatif. Pertama-tama kita epsilon (2 eqn)/2 persamaan. Model ini merupakan model
memodelkan dan melakukan meshing saluran penstock semi empiris yang dikembangkan oleh Launder &
dengan bantuan software GAMBIT. Adapun model Spalding. Model k-epsilon merupakan model turbulensi
saluran penstock dapat dilihat pada gambar 2. yang cukup lengkap dengan dua persamaan yang
memungkinkan kecepatan turbulen dan skala panjang
ditentukan secara independen.
Kondisi Operasi dan Sifat Material
Setelah model viskos, kita harus menentukan kondisi
operasi pada model. Yang harus ditentukan pada kondisi
operasi ini adalah tekanan operasi, besar dan arah
percepatan gravitasi. Selanjutnya sifat material harus kita
definisikan. Fluida yang mengalir dalam saluran penstock
adalah water liquid (H20).
Kondisi Batas, Parameter Kontrol Solusi dan
Inisialisasi Medan Aliran
Gambar 2. Pemodelan penstock pada Gambit Penentuan kondisi batas melibatkan beberapa hal, yaitu
mengidentifikasikan lokasi kondisi batas sisi masuk, sisi
Masih dalam program gambit, kita mendifinisikan keluar, dinding dan lainnya. Selain itu juga kita
kondisi batas dan kontinum. Kondisi batas harus diisi mamasukan informasi /data pada batas yang telah
untuk parameter-parameter yang menentukan hasil ditentukan. Pada sisi inlet kita menggunakan kondisi
simulasi. Kondisi batas ini kita menentukan bidang inlet, batas velocity inlet sedangkan pada sisi outlet kita
outlet, interior dan dinding. Sedangkan kontinum model menggunakan kondisi batas pressure outlet. Masukan
3D, kita mendifinisikan volume model kontimum fluida efluent pada sisi input dan sisi output dapat dilihat pada
(fluid). gambar 4 dan 5.
Memilih Solver, Mengimpor dan Memeriksa Mesh
Pada saat membuka fluent kita menggunakan solver Zone Name
3D untuk model saluran pestock yang telah kita buat. iinlet_1
Selanjutnya kita mengimpor file mesh model kedalam Velocity Spedfication ~ethod I~agnitude. Normal to Boundary
fluent. Mesh model yang telah dibuka pada fluent harus Reference fntme IAbsolute
dicek terlebih dahulu apakah pada mesh tersebut terdapat
kesalahan atau tidak. Apabila terdapat pesan error pada Velocity Magnitude (mi.) f:ii:'S1'S'JJ' -- 'constanl
konsol fluent atau jika nilai minimum volume adalah Turbulence Specification Method F~-t~·~~itY..~·~d..Hyd;~~~·i·i·~..Di~mctcr
negatif, maka mesh model tersebut harus diperbaiki Turbulence Intensity (XJ 13.091t9
terlebih dahulu. Model saluran penstock pada program Hydraulic Diameter (m)1°.1141366
fluent dapat dilihat pada gambar 3.
Gambar 4. Masukan fluent pada sisi inlet
G~uoe~ssure pascal) 12(1oo}I0 [coru:.tont
i H._''''""'\1,-1
Gambar 7_Kontur tekanan dinamik pada dinding
Q 0.0467
V=- = 1. _? - 4,5158 m/dtk
A "4x 7r (0.115)-
• Diameter Hidrolik =Du= Diameter pipa 4"
= 0,1147366 m
• BilanganReynolds=Re
p x V x DH = 998,2 x 4.5158 x 0,1147366
f.1 0,001003
= 515647,96
• Intensitas turbulensi =1 = 0,16 x (Retl/8)x 100%
= 0,16 x (515647,9648)(-1/8) X 100% = 3,0908%
• Sisi keluar/outlet
•••••••••..--- ~lI2ti~
• Tekanan pada sisi outlet =3 Bar = 300000 Pa Gambar 8. Kontur energi kinetik turbulen pacta dinding
C-30
no reviews yet
Please Login to review.
