Tulisan Draft Tube- Seminar Itenas

Analisis Aliran Fluida Dinamik
Pada Draft Tube Turbin Air
Ridwan Arief Subekti
Puslit Tenaga Listrik dan Mekatronik – LIPI
Komplek LIPI, Jl. Cisitu No.21/154 D Bandung 40135.
[email protected]
Abstrak
Draft tube sebagai saluran yang menghubungkan antara sudu gerak/runner dan outlet
mempunyai fungsi utama untuk meningkatkan efisiensi turbin air dengan merubah energi kinetik
menjadi energi potensial. Dalam mendisain suatu draft tube, kita dapat melakukan analisa komputasi
aliran fluida dinamik pada sebuah model draft tube sebelum membuat prototipnya. Analisis
komputasi aliran fluida dinamik pada suatu draft tube adalah salah satu cara untuk mengetahui
karakteristik dari draft tube tersebut. Karakteristik itu meliputi tekanan statik, tekanan dinamik,
tekanan total, kecepatan fluida, energi kinetik turbulen dan pola aliran fluida yang mengalir di dalam
draft tube. Untuk itu telah dilakukan analisis komputasi aliran fluida dinamik pada draft tube turbin
air. Draft tube berbentuk elbow dengan diameter 16 inchi. Pemodelan draft tube dilakukan dengan
software GAMBIT 2.2.30 (Geometry and Mesh Building Intelligent Toolkit), sedang analisa
komputasi aliran fluida dinamik dilakukan dengan software Fluent 6.2.16. Solver yang digunakan
adalah 3 Dimensi, single precision dengan model viskos adalah k-epsilon (2 persamaan). Hasil
analisa komputasi aliran fluida dinamik pada desain draft tube diketahui bahwa vektor kecepatan dan
pola aliran yang terjadi di dalam draft tube tersebut adalah baik/smooth, tidak terjadi aliran yang
berbalik/turbulen di dalam draft tube. Tekanan total pada sisi inlet 1162.1632 Pascal, tekanan total
pada sisi outlet 1083.7635 Pascal dan pressure drop 6.74 %.
Kata kunci : analisis, draft tube, fluent, komputasi aliran fluida dinamik, pola aliran, turbulen
1.
Pendahuluan
Draft tube adalah suatu komponen akhir lintasan air dari pembangkit listrik tenaga air. Draft tube
diperlukan untuk membawa air keluar dari runner turbin menuju saluran bawah/tail-race. Air buangan
tersebut akan bertemu kembali dengan saluran utama. Draft tube berperan penting untuk merubah
energi kinetik dari aliran fluida menjadi energi potensial sehingga dapat meningkatkan efisiensi dari
turbin air. Oleh karena itu, desain dari sebuah draft tube akan sangat mempengaruhi performa dari
sistem pembangkit listrik tenaga air. Aliran fluida pada draft tube mempengaruhi unjuk kerja sebuah
turbin air. Air sebagai media kerja turbin dianggap sebagai fluida yang tak kompresibel, yaitu fluida
yang secara virtual massa jenisnya tidak berubah dengan tekanan. Fluida adalah zat yang berubah
secara kontinu (terus-menerus) bila terkena tegangan geser, betapapun kecilnya tegangan geser
tersebut.
Rancang bangun draft tube yang sesuai akan meningkatkan sebagian dari head kecepatan pada saat
meninggalkan turbin tersebut. Hal ini dapat meningkatkan energi dan efisiensi suatu turbin. Pemilihan
dimensi merupakan salah satu cara mengoptimalkan draft tube. Oleh karena itu diperlukan analisis
aliran fluida untuk mendapatkan dimensi draft tube yang optimal. Analisis aliran fluida pada draft
tube dilakukan dengan analisis Computational Fluid Dynamics/CFD. CFD memungkinkan ilmuwan
dan insinyur untuk melakukan “percobaan numeric” di dalam “laboratorium virtual”. Dengan
melakukan analisis komputasi aliran fluida dinamik pada draft tube maka kita dapat mengetahui
karakteristik fluida yang mengalir di dalam draft tube seperti tekanan statik, tekanan dinamik, tekanan
total, kecepatan air, dan pola aliran yang terjadi di dalam draft tube tersebut. Dalam tulisan ini, akan
dibahas tentang simulasi aliran fluida dinamik pada suatu disain draft tube turbin kaplan dengan daya
10 kW dimana draft tube tersebut mempunyai dimensi diameter 16 inchi.
2. Landasan Teori
2.1. Prinsip Kerja Draft Tube
Draft tube adalah saluran diffuser lengkung yang menghubungkan runner dan outlet.
outlet Fungsi utama
draft tube adalah meningkatkan
eningkatkan efisiensi turbin dengan merubah energi kinetik menjadi energi
potensial secara menyeluruh dengan membuat head artificial. Selain itu draft tube juga berfungsi
membuat
embuat kondisi yang memungkinkan agar turbin dapat diletakkan di atas level muka air bawah/tailbawah/
water.. Perbedaan tekanan yang melalui runner menjadi besar dengan adanya draft tube, dikarenakan
efek hisap yang timbul
ul dari konstruksi ekspansi. Hasilnya adalah meningkatnya efisiensi turbin.
Draft tube dapat dirancang dengan berbagai cara yang berbeda, namun beberapa variasi disain
dipandang kurang penting dibandingkan dengan beberapa hal lain, seperti bentuk outlet yang berupa
lingkaran atau segi empat dipandang kurang penting dibandingkan dengan luas penampang luar. Akan
tetapi pembentukan elbow merupakan salah satu masalah yang rumit dalam merancang draft tube.
Tantangan yang timbul adalah bagaimana membuat rancangan
rancang dengan kerugian energi/energy
energi/
losses
yang kecil/minor dan tanpa resiko terjadi kerusakan yang diakibatkan oleh kavitasi. Salah satu bentuk
draft tube pada suatu pembangkit listrik tenaga listrik dapat dilihat pada gambar di bawah ini.
Gambar 1. Draft tube pada pembangkit listrik tenaga air
2.2. Proses Simulasi Computational Fluid Dynamics
Computational Fluid Dynamics/CFD
Dynamics/CFD adalah analisis sistem yang melibatkan aliran fluida, heat
transfer dan fenomena tertentu seperti reaksi
re ksi kimia dengan simulasi komputer. Salah satu aplikasi
penggunaan CFD adalah pada suatu mesin turbo. Tujuan utama pengembangan CFD adalah untuk
menyediakan kemampuan yang dapat dibandingkan dengan peralatan
peralata CAE (computer
(
aided
engineering) yang lain seperti
rti code analysis stress.
Keuntungan CFD dari pendekatan eksperimen sistem fluida antara lain:
• Pengurangan waktu dan biaya dari disain baru
• Kemampuan untuk mempelajari sistem dimana eksperimen terkendali sulit dikerjakan
• Kemampuan untuk mempelajari sistem di bawah kondisi berbahaya.
Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika kita melakukan simulasi CFD,
yaitu:
1. Processing
Processing merupakan langkah awal dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD.
Teknisnya adalah membuat model dalam paket CAD (Computer
(Computer Aided Design),
Design membuat
mesh yang cocok/sesuai, kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat-sifat
sifat sifat fluidanya.
2. Solving
Solvers (program inti pencari solusi) CFD menghitung kondisi-kondisi
kondisi kondisi yang diterapkan pada
saat preprocessing.
3. Postprocessing
Adalah langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan dalam langkah ini adalah
mengorganisasi dan mengintrepertasi data hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva,
dan animasi.
3. Metodologi
3.1. Pemodelan Draft Tube
Langkah pertama dalam melakukan analisa aliran fluida dinamik adalah dengan melakukan
pemodelan draft tube. Pemodelan draft tube dilakukan dengan bantuan dengan software GAMBIT
2.2.30 (Geometry and
nd Mesh Building Intelligent Toolkit).
Toolkit Adapun dimensi model draft tube adalah
sebuah reduser ukuran 12x16”, elbow 16” 30 derajat dan pipa diameter 16” dengan panjang pipa 1
meter. Desain draft tube dapat digambarkan seperti pada gambar dibawah ini:
Gambar 3. Desain draft tube pada GAMBIT
3.2 Metode Perhitungan dan Analisis
Langkah selanjutnya adalah melakukan analisa aliran fluida dinamik pada model draft tube. Untuk
menganalisa model draft tube kita menggunakan software analisis komputasi fluida dinamik
(Computational
Computational Fluid Dynamics/CFD)
Dynamics
Fluent 6.2.16. Adapun parameter-parameter
parameter yang kita masukan
pada fluent dapat dilihat pada tabel dibawah ini.
Tabel 1. Inputan fluent pada draft tube
Item
Besaran
Solver
3 Dimensi, segregated
Model viskositas
k-epsilon (2 eqn)
Material
Water liquid (H2O)
Density
998.2 kg/m3
Viscositas
0.001003 kg/m-s
Tekanan operasi
101325 Pa
Gravitasi
9.81 m/s2 arah sumbu Y negatif
Kondisi batas sisi masuk
Velocity Inlet
Velocity Magnitude
1.5236 m/s
Intensitas turbulen masuk
3.1676 %
Diameter
ter hidrolik masuk
0.27945 m
Kondisi batas sisi keluar
Outflow
Faktor discretisasi
Second order
4. Hasil dan
an Pembahasan
4.1. Analisis Aliran Fluida
luida Dinamik Fluent pada Draft Tube
Setelah fluent melakukan perhitungan/iterasi,
perhitungan/
maka outputan yang dapat kita ketahui antara lain
adalah tekanan statik, tekanan dinamik, tekanan total,
total kecepatan, dan pola aliran
ran yang terjadi di dalam
draft tube . Selanjutnya outputan yang terjadi pada masing-masing
masing
bidang draft tube dapat dilihat pada
tabel di bawah ini :
Tabel 2. Hasil perhitungan area weighted average
REFERENSI
Inlet
Interior reduserelbow
Interior elbowpipa
radialcoordinate-3.25
outlet
Dinding reduser
Dinding elbow
Dinding pipa
Tekanan statik
( Pascal)
3.7015393
720.71641
Tekanan dinamik
(Pascal)
1158.4559
415.04721
Tekanan total
(Pascal)
1162.1632
1135.7636
Kecepatan
(m/s)
1.5236
0.90895544
783.36226
325.58067
1108.9429
0.79998253
776.05863
320.57097
1096.6296
0.79569522
770.14703
403.98688
786.99954
776.15874
313.61333
641.41476
99.499377
211.4523
1083.7635
1043.9784
886.70746
987.63257
0.75219561
0.018294879
0
0
Catatan :
Domain model draft tube berada pada radial koordinat 2.057974
2
sampai 3.772921. Radial-coordinate
coordinate-3.25 adalah potongan
penampang pada koordinat 3.25.
Sedangkan kontur tekanan, kecepatan,
kecepatan dan pola aliran yang terjadi di dalam draft tube dapat dilihat
pada gambar berikut ini :
Gambar 4.. Kontur tekanan total pada dinding dan bagian dalam draft tube
Dari gambar kontur tekanan total, didapat bahwa tekanan total yang terjadi sebesar 5.22x102 Pascal
sampai dengan 1.19x103 Pascal,
Pascal dimana tekanan total tersebut adalah penjumlahan tekanan statik
2
0
yaitu sebesar -2.17x102 Pascal sampai dengan 9.16x10
9
Pascal dan tekanan dinamik 1.8x10
1
Pascal
3
sampai dengan 1.3x10 Pascal.
Pascal Dari gambar di atas diketahui bahwa tekanan total pada bagian dalam
draft tube relatif homogen, sedangkan tekanan total pada dinding draft tube lebih bervariasi.
bervariasi Pada
bagian dekat interior reduser dan elbow terjadi kevakuman dengan tekanan statik sebesar -2.17x102
Pascal.
Gambar 5.. Kontur vektor kecepatan pada dinding dan bagian dalam draft tube
Dari gambar di atas didapat diketahui bahwa vektor kecepatan yang terjadi sangat baik karena vektor
kecepatannya memiliki arah yang sesuai dengan arah aliran air. Hal ini membuktikan bahwa aliran air
tidak ada yang berbalik atau turbulen. Dari gambar di atas juga dapat diketahui besarnya kecepatan
fluida yang mengalir di dalam draft tube yaitu sebesar 3,55x10-2 m/s sampai dengan 1,62x100m/s.
Pada sisi inlet draft tube,, kecepatan rata-rata fluida yang mengalir adalah 1.5236 m/s, sedangkan
kecepatan pada sisi outlet adalah 0.75219561 m/s. Kecepatan terendah terdapat pada dinding draft
tube bagian bawah, dimana pada bagian tersebut kecepatanya mendekati nol.
Gambar 6. Kontur pola aliran di dalam draft tube
Pola aliran fluida yang terjadi di dalam draft tube sangat baik (smooth),
(
), hal ini dapat kita lihat pada
gambar di atas. Pada reduser dan belokan elbow draft tube tidak terjadi aliran berbaik atau turbulen.
Hal ini tentu sangat baik dalam perancangan draft tube yang mana diperlukan pola aliran yang baik
untuk mengurangi kerugian/losses
losses pada draft tube tersebut.
4.2. Penurunan Tekanan pada
p
Draft Tube
Dari hasil iterasi yang dilakukan fluent seperti yang terlihat pada tabel 2,, didapat bahwa :
Tekanan total sisi inlet ( p1 ) : 1162.1632 Pa
Tekanan total sisi outlet ( p2 ) : 1083.7635 Pa
Sehingga didapat penurunan tekanan pada draft tube sebesar :
∆ p total = p1 - p2
= 1162.1632 Pascal - 1083.7635 Pascal
= 78.3997
3997 Pascal
Penurunan tekanan (%)
= ( ∆ p total / p1 ) x 100 %
= (78.3997 / 1162.1632 ) x 100 %
= 6.74 %
4.3. Validasi Hasil Iterasi Fluent
Untuk mengetahui validitas hasil iterasi yang telah dilakukan oleh fluent dapat kita ketahui dari
analisa mass flow rate pada sisi inlet dan outlet draft tube. Dari hasil perhitungan mass flow rate fluent
didapat bahwa :
Mass flow rate sisi inlet : 93.200356
93.20
kg/s
Mass flow rate sisi outlet : -93.200256
kg/s (tanda – adalah karena arah aliran keluar draft tube)
Net mass-flow
: 9.9182129 e-5 kg/s
Selanjutnya kita dapat menghitung perbandingan antara net mass flow dengan mass flow rate pada sisi
inlet, yaitu :
( Net mass flow / Mass flow inlet ) x 100 %
= (9.9182129 e-5 / 93.200356 ) x 100 %
= 1.06 e-6 %
Perbandingan antara net mass flow dengan mass flow rate sisi inlet adalah 1.06 e-6 %. Ini
membuktikan bahwa perhitungan yang dilakukan oleh fluent dapat dipercaya karana perbandingan
antara net mass flow dengan mass flow rate sisi inlet masih di bawah 1%.
5.
KESIMPULAN
1. Dari hasil iterasi yang dilakukan fluent didapat bahwa pressure total yang terjadi di sisi inlet
draft tube ( p1 ) = 1162.1632 Pa, pressure total sisi outlet ( p2 ) = 1083.7635 Pa, sehingga
didapat penurunan tekanan sebesar 78.3997 Pascal atau 6.74 %.
2. Kontur pola aliran yang terjadi di dalam saluran draft tube sangat baik karena tidak terjadi
aliran turbulen atau aliran yang berbalik.
3. Validitas hasil perhitungan fluent dapat dipercaya. Hal ini dapat dilihat dari perhitunga net
mass flow pada sisi inlet dan outlet draft tube yaitu sebesar 9.9182129e-05 kg/s, sedangkan
persentase net mass flow dibanding pada mass flow rate pada sisi inlet saluran draft tube adalah
sebesar 1,06
%, hal ini sangat baik karena masih jauh dibawah 1 %.
4. Dengan melakukan analisa aliran fluida dinamik pada suatu model, kita dapat mengetahui
karakteristik dari model tersebut sehingga kita dapat merubah-rubah desain model agar
didapatkan hasil yang optimum.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Arismunandar, Kuwahara. 1991. Buku Pegangan Teknik Tenaga Listrik Jilid 1- Pembangkitan
dengan Tenaga Air, Cetakan keenam. Jakarta: Pradnya paramita.
[2] Armand Arief Renaldi. 2007. CFD: Draft tube PLT. Mekanikal – Blog : Diakses tanggal 29
Januari 2008 dari http: //www.ccitonline.com/mekanikal/tiki-view_blog.php?blogId=279.
[3] C.C. Warnick, Howard A. Mayo, James L. Carson dan Lee H. Sheldon. 1984. Hydropower
Engineering. New Jersey: Prentice-Hall Inc, Englewood Cliffs.
[4] Donni, R. 2007. CFD: Hukum Dasar Aliran Fluida. Mekanikal – Blog : Diakses tanggal 21
Januari 2009 dari http: //ccitonline.com/mekanikal/tiki-view_blog.php?blogId=234.
[5] Firman Tuakia. 2008. Dasar-Dasar CFD Menggunakan Fluent. Bandung: Informatika.
[6] Rhandyka Jili Prasanto. 2007. Analisa Aliran Dalam Beberapa Desain Draft Tube. MekanikalBlog : Diakses tanggal 20 Januari 2008 dari http: //www.ccitonline.com/mekanikal/tikiview_blog.php?blogId=279.
[7] Victor L. Streeter, E. Benyamin Wylie. 1986. Mekanika Fluida, Edisi Delapan, Jilid 1
Terjemahan Arko Prijono. Jakarta: Erlangga.