PROPOSAL TUGAS AKHIR ANALISIS CFD TEROWONGAN ANGIN MENGGUNAKAN AXIALFAN 5.5 Kw DENGAN DIAMETER 1225 mm.
Nama
: Azharyanto Fadhli
No. Pokok : 4314218045
JURUSAN TEKNIK MESIN – FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS PANCASILA JAKARTA 2016
LEMBAR PENGESAHAN
Telah diperiksa, disetujui, dan diterima dengan baik oleh Dosen Pembimbing Tugas Akhir untuk melengkapi tugas-tugas dan memenuhi sebagian dari syaratsyarat guna mengikuti sidang tugas akhir Program Studi Teknik Mesin
Nama
: Azharyanto Fadhli
Nomor Pokok
: 4314218045
Jurusan
: Teknik Mesin Strata Satu (S1)
Bidang Kekhususan
: Teknik Konversi Energi
Judul Tugas Akhir
: Analisis CFD Terowongan Angin menggunakan Axial Fan
5.5 kW dengan Diameter 1225 mm.
Jakarta, Maret 2016
Menyetujui, Pembimbing TugasAkhir
(Dr. Damora Rhakasywi, ST.MT)
Mengetahui, Ketua Jurusan Teknik Mesin
Koordinator Tugas Akhir
(Ir. Eddy Djatmiko, MT)
(I Gede Eka Lesmana, ST.MT)
ii
DAFTAR ISI Lembar Pengesahan …………………………………………………………............. i DAFTAR ISI ................................................................................................................ 1 BAB I PENDAHULUAN ............................................................................................ 2 1.1
Latar Belakang............................................................................................... 2
1.2
Tujuan Penulisan ........................................................................................... 3
1.3
Rumusan Masalah ......................................................................................... 3
1.4
Batasan Masalah ............................................................................................ 3
BAB II DASAR TEORI............................................................................................... 4 2.1
Pengertian Umum Terowongan Angin.......................................................... 4
2.1.1
Jalur Rangkaian Terowongan Angin...................................................... 4
2.1.2
Bagian – bagian Terowonga Angin Rangkaian Terbuka ....................... 5
2.1.3
Kelebihan dan Kekurangan Pada Terowongan Angin ........................... 8
2.2
Pengertian Umum CFD ( Computational Dynamics Fluid ) ........................... 8
2.2.1
Langkah Umum CFD ............................................................................. 8
2.2.2
Pre-Processing ........................................................................................ 9
2.2.3
Processing ............................................................................................ 10
2.2.4
Post Processor ..................................................................................... 11
BAB III METODE ..................................................................................................... 12 3.1
Langkah-Langkah Pengerjaan ..................................................................... 12
3.2
Deskripsi Kerja ............................................................................................ 12
3.3
Langkah Pengerjaan .................................................................................... 13
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................ 16
1
BAB I PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang Wind tunnel atau terowongan angin adalah alat riset dikembangkan untuk
membantu dalam menganalisa efek angin yang bergerak atau di sekitar objek padat. Umumnya, perancangan terowongan angin berdasarkan dari data-data hasil eksperimen. Eksperimen ini menggunakan motor listrik untuk menghasilkan hembusan angin didalam terowongan angin. Esperimen yang dilakukan dapat dihasilkan kontribusi tekanan di setiap bagian-bagian terowongan angin tersebut dengan kontruksi terowongan angin yang telah dirancang. Sekarang ini, tentunya untuk menganalisa aerodinamis suatu benda atau kendaraan yang akan dirancang (terutama desain body), akan membutuhkan suatu alat yang dapat membantu dalam menganalisis hambatan angin yang dapat diterima. Rancangan harus selalu membuat moke up terlebih dahulu dan lalu dilakukan pengujian, maka akan mengahabiskan banyak waktu dan biaya. Sekarang sudah banyak berkembangnya software yang dapat membantu menganalisa untuk mengoptimlakan dalam merancang Terowongan angin. Beberapa software seperti Ansys, SolidWorks, Inventor, Catia , Fluent dan lain - l ain yang dapat mengaplikasikan Computional Fluid Dynamic (CFD) , sehingga dengan adanya software tersebut,
perancang dapat merubah dan memilih sehingga desain bisa sangat optimal tanpa memkan wakt dan biaya yang sangat mahal. Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia dan fenomena lainnya dengan meyelesaikan persamaan – persamaan matematika (model matematika). Dasar persamaan – persamaan fluida dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan – persamaan diferensial parsial (PDE = Partial Differentian Equation ) yang mempresentasikan hukum – hukum konservasi massa, momentum dan energi. [2]
2
1.2
Tujuan Penulisan
Tujuan yang ingin dicapai oleh penulis dalam pelaksanaan tugas akhir ini diantaranya : 1. Dapat mensimulasikan Terowongan Angin yang telah dir ancang. 2. Mengetahui bentuk/shape seperti apa yang paling optimal. 3. Memaksimalkan aliran yang ada di test chamber dengan menggunakan axial fan yang telah ditentukan.
4. Mengetahui nilai turbulensi, kecepatan dan tekanan yang terjadi pada test chamber.
1.3
Rumusan Masalah
Terdapat beberapa rumusan masalah yang dapat diambil, yaitu: 1. shape/ bentuk seperti apa yang paling optimal untuk design wind tunnel untuk kapasitas lab? 2. Berapa dimensi maksimum yang didapat untuk bagian test chamber ? 3. Berapa nilai turbulensi, kecepatan dan tekanan yang terdapat pada test chamber ?
1.4
Batasan Masalah
Penulis ingin memfokuskan apa yang akan dibahas dan mencegah meluasnya masalah, maka akan membatasi masalah, yaitu pada simulasi Terowongan Angin yang telah dirancang sesuai dengan Axial Fan yang diameter 1225 mm, dengan kecepatan putar 950 RPM , Dayanya sebesar 5.5 kW dan mencoba dengan berbagai macam bentuk/shape (Square, Persegi 6, persegi 8 dan Lingkaran), sehingga mendapatkan Terowongan Angin yang ukuran minimum 500 x 500 mm dan hasilnya optimal (turbulensi yang rendah pada aliran).
3
BAB II DASAR TEORI 2.1
Pengertian Umum Terowongan Angin
Terowongan angin digunakan untuk mensimulasikan keadaan se benarnya pada suatu benda yang berada dalam pengaruh gaya-gaya aerodinamik dalam bidang aeronautika kinerja mekanika terbang ( flight mechanic) dari suatu benda terbang (aerial vechicle ) dapat diuji secara experimental, dengan peralatan system pendukung yang memiliki kemampuan ukur enam derajat kebebasan ( degree of freedom), yaitu gaya, Fdrag, Fthrust, Fweight, Flift, Fside, momen, Mpitch, Mroll, Myaw. Obyek analisa ini sangat luas sehingga dibagi dalam beberapa sub klasifikasi. Pada bidang otomotif desain kendaraan modern menuntut bentuk (shape) yang futuristic tapi juga hambatan angin dapat direduksi sehingga konsumsi bahan bakar lebih hemat. Dalam hal ini reduksi Coefisien Drag dapat dilakukan melalui pengujian dengan terowongan angin. Selain itu juga menuntut kestabilan tinggi terutama saat menikung sehingga menuntut gaya tekan ke bawah (down force negative lift) yang optimal. Terowongan tipe ini biasanya menggunakan lantai seksi uji yang dapat bergerak sesuai kecepatan jet untuk menghilangkan pengaruh lapisan batas (boundary layer) lantai.
2.1.1
Jalur Rangkaian Terowongan Angin
Terowongan Angin mempunyai dua jenis jalur rangkaian dalam aplikasinya, yang pertama yaitu dengan rangkaian terbuka (Open Circuit Tunnel) dan yang kedua yaitu dengan rangkaian tertutup (Close Circuit Tunnel) . Namun untuk yang dibahas oleh penulis untuk Terowongan Angin Rangkaian Terbuka. Terowongan Angin ini disebut tipe terbuka atau Open Circuit Tunnel karena pada sisi inlet dan outlet bersinggungan langsung dengan atmosfer [1]. Untuk alliran udaranya sendiri akan digerakan oleh axial fan yang diletakan dibagian belakang Terowongan Angin. Terdapat 4 bagian utama dari Terowongan Angin rangkaian terbuka ini, yaitu Construction (Nozzle), Setling Chamber, Test Chamber (tempat uji) dan Difuser .
4
Gambar 2.1 : Jalur Terowongan Angin Rangkaian Terbuka.[3]
2.1.2
Bagian – bagian Terowonga Angin Rangkaian Terbuka
Terdapat 4 bagian utama pada Terowongan Angin , yaitu Construction (Nozzle), Settling Chamber, Test Chamber, dan Diffusers. Berikut fungsi dari masing
masing bagian :
a. Construction (Nozzle) Construction marupakan bagian terpenting dalam mendesain Terowongan
Angin, aliran yang dihasilkannya sangat berpengaruh pada kualitas aliran di test chamber. Dengan bentuknya seperti gambar 2.2 , bertujuan untuk meningkatkan kecepatan aliran dan mengurangi aliran turbulen sebelum masuk ke test chamber.[2]
Gambar 2.2 : Wind Tunnel Construction [2]
5
b. Settling chamber Settling chamber merupakan bagian dari Terowongan Angin rangkaian terbuka
yang diletakan diawal rangkaian. Ketika membutuhkan aliran udara yang berkualitas tinggi, sesuatu alat harus dipasang untuk meningkatkan aliran yang seragam dan mengurangi tingkat turbulen dalam aliran sebelum memasuki bagian construction . Komponen yang dipasang dibagian
settling
chamber yaitu
biasa
disebut
Honneycombs. Honeycombs ini dipasang akan mengurangi pressure dan keceparan
yang masuk, karena hanya berbentuk screen yang berfungsi sebagai penyearah aliran. [2]
Gambar 2.3 : Settling Chamber [2]
c. Test Chamber Test Chamber merupakan tempat pengujian suatu permodelan yang telah
dibuat. Aliran udara yang masuk kedalam test chamber ini sangat sekali dibutuhkan tingkat turbulen yang sangat rendah, semakin rendah maka akan semakin bagus dan akurat untuk hasil simulasi dari test yang dilakukan. Ukuran untuk test chamber ini tergantung kepada permodelan yang akan disimula sikan Terowongan Angin. [2]
6
Gambar 2.4 : Test Chamber [2]
d. Diffusers Fungsi utama dari Diffuser yaitu untu memulihkan tekanan stastis dalam rangka meningkatkan efisiensi dan menutup dari aliran sirkuit. Letak dari diffuser ini berada di setelah test chamber. Bagian akhir dari diffuser akan diletakan axial fan. [2]
Gambar 2.5 : Diffuser [2]
7
2.1.3
Kelebihan dan Kekurangan Pada Terowongan Angin
Terowongan angin tipe rangkaian terbuka seperti ini juga mempunyai kelebihan dan kekurangan. Kelebihan:
a. Biaya konstruksi relative rendah. b. Terowongan Angin dapat diletakan didalam ruangan. Kerugian:
a. Angin dan suhu (cuaca) yang terdapat dilingkungan dapat mempengaruhi operasi dari wind tunnel. b. Secara Umum lebih berisik saat beroprasi.
2.2
Pengertian Umum CFD (Computational Dynamics Fluid )
Dinamika fluida komputasi, biasanya disingkat sebagai CFD (Computational Dynamics Fluid), adalah cabang dari mekanika fluida yang menggunakan metode
numerik dan algoritma untuk memecahkan dan menganalisis masalah yang melibatkan dari aliran fluida tersebut. Pada analisis ini komputer digunakan untuk melakukan perhitungan yang diperlukan untuk mensimulasikan interaksi cairan dan gas dengan permukaan yang didefinisikan oleh kondisi batas, dengan kecepatan tinggi superkomputer, agar hasil analisis yang lebih baik dapat dicapai. Diber bagai penelitian yang sedang berlangsung, banyak menghasilkan perangkat lunak yang meningkatkan akurasi dan kecepatan skenario simulasi yang kompleks seperti mengalir transonik atau turbulen. Validasi awal dari perangkat lunak tersebut dilakukan menggunakan terowongan angin dengan validasi akhir datang dalam tes penerbangan.
2.2.1
Langkah Umum CFD
Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama, Pre processor, Processor dan Post Processor . Berikut penjelasan dari ketiga langkah
umum CFD.
8
a. Pre-pocessor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta
pendefinisian kondisi batas atau boundary condition . Ditahap ini juga sebuah benda atau ruangan yang akan dianalisis dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering juga disebut dengan meshing. [3] b. Processor Tahap selanjutnya adalah processor , pada tahap ini dilakukan proses penghitungan data-data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif . Penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang mendekati keadaan sesungguhnya. Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit. [3] c. Post processor Tahap akhir merupakan tahap post processor di mana hasil perhitungan diinterpretasikan kedalam gambar, grafik bahkan animasi dengan pola warna ter tentu. [3]
2.2.2
Pre-Processing
a. Modeling Modeling adalah penggambaran sebuah objek (berupa 3 dimensi atau 2
dimensi), yang akan digunakan objek yang akan dil akukan simulasi b. Meshing Meshing ini bertujuan untuk memberikan permukaan solid pa da objek (2D/3D)
yang tersusun atas partikel (mesh) kecil yang memiiki karakteristik (massa, density dan lain – lain). Tidak semua bentuk memiliki hasil meshing yang bagus ( smooth ), terkadang ada beberapa bagian yang berlubang atau menonjol, ini bisa disebabkan oleh permukaan (surface ) yang kurng baik, untuk permukaan yang datar/kotak – kotak dapat menggunakan mesh persegi, untuk permukaan yang melengkug atau bergelombang dapat menggunakan mesh tetra.
9
c. Boundary Layer Pengaruh gesekan akan menimbulkan lapisan batas dan akhirnya disebut dengan boundary layer (lapisan batas). Boundary layer (lapisan batas) adalah suatu lapisan yang terbentuk disekitar penampang yang dilalui oleh fluida tersebut, karena mengalami hambatan yang disebabkan oleh beberapa faktor, seperti faktor gesekan, dan efek- efek viskos.
2.2.3 Processing Tahap ini dilakukan proses perhitungan data data input dengan persamaan yang terlibat secara iterative, artinya perhitungan dilakukan dilaksanakan hingga hasil menuju eror terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen. Perhitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrase persamaan diskrit. Berikut adalah persamaan yang akan digunakan dalam menggunakan CFD Fluent. [4]
Gambar 2.6 : Persamaan yang digunakan pada CFD Fluent. [4] Adapun rumus bernauli yang digunakan pada proses simulasi yaitu:
Rumus untuk mencari faktor gesekan salah satunya adanya bilangan Reynold dicari terlebih dahulu dengan menggunakan rumus [5]:
10
Dengan : Re
= Reynolds number, dimensionless. = Liquid density, lb/ft^3
V
= Liquid flow velocity = pipe inside diameter, (Diameter hidrolik) = liquid viscosity , lb/ft-sec, or = centipoise devided by 1488, or = (centistokes times specific grafity ) Devided by 1488.
2.2.4
Post Processor Post-processor adalah tahap dimana penyajian dali hasil simulasi yang
dilakukan, yang dapat ditampilkan berupa grafik dan juga gambar – gambar yang mewakilkan sifat airan yang terjadi pada simulasi.
11
BAB III METODE 3.1
Langkah-Langkah Pengerjaan
Adapun langkah-langkah yang akan dilakukan adalah sebagai berikut : 1. Studi literatur 2. Konsultasi dengan dosen pemimbing 3. Penentuan Spesifikasi dan diskusi dengan pihak perancang 4. Pengolahan data dan melakukan simulasi 5. Penyempurnaan 6. Pembuatan laporan 3.2
Deskripsi Kerja
Tugas Akhir ini merupakan analisa yang dilakukan pada Terowongan Angin dengan cara melakukan simulasi pada software (CFD), membandingkan dan saling melengkapi sebagai upaya perancangan Terowongan Angin rangkaian terbuka untuk skala Lab, dengan Axial Fan yang sudah di tentukan. Dan diharapkan hasil yang akan dicapai maksimal untuk aliran yang masuk kedalam sesi uji (test chamber).
12
3.3
Langkah Pengerjaan
Mulai
Mengumpulkan Data
Desain & Permodelan
NO
Input data untuk simulasi
Simulasi
Pengolahan & Analisis Data
Kesimpulan
Selesai
13
A.
Pengumpulan Data
Pengumpulan data dilakukan dengan cara searching di internet, mencari jurnal – jurnal dan buku referansi tentang Terowongan angin, terutama skala kecil, yang dapat mendukung dan membantu dalam penyusunan tugas akhir. B.
Desain dan permodelan
Tahap ini akan dilakukan desain yang sudah dirancang oleh pihak perancang. Permodelanyang akan dibuat mengikuti apa yang telah dirancang. C.
Input Data untuk Simulasi
Data – data yanag akan dimasukan kedalam software untuk melakukan simulasi, merupakan input data yang telah disepakati dan diberikan oleh pihak perancang, berupa keceepatan, tekanan, dan lain – lain. D.
Simulasi
Proses yang dilakukan pada tahap simulasi ini yaitu, melakukan running pada aplikasi yang digunakan dan melakukan pengaturan untuk mendapatkan hasil yang diinginkan. E.
Pengolahan dan Analisis Data Output yang keluar setelah melakukan running pada simulasi, akan di susun
dengan rapih. Membandingkan hasil yang keluar dari berbagai macam bentuk Terowongan Angin yang telah didesain, sehingga dapat menentukan desain mana yang paling baik yang akan digunakan. F.
Kesimpulan
Data yang telah diolah dan disusun dengan rapih, akan diberikan kesimpulan yang berisi pernyataan mengenai hasil Analisa menggunakan CFD tentang mendesain Terowongan Angin.
14
Tabel 3.1 Jadwal Rencana Kerja Febuari No
April
Mei
Juni
Kegiatan 1
1.
Maret
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
Studi Literatur
Konsultasi 2.
dengan dosen pembimbing
Penentuan Spesifikasi dan 3. diskusi dengan pihak perancang
Pengolahan Data dan 4. melakukan simulasi
5.
Penyempurnaan
Pembuatan 6. Laporan
15
3
4
DAFTAR PUSTAKA [1].Adnin Bin Mat Bahari, Muhammad, Design Construction, and Testing of an Open Loop Low-Speed Wind Tunnel , A Report of Bachelor of Mechanical Engineering, Faculty of Mechanical Engineering University Mala ysia Pahang, 2012. [2].Miguel A. González Hernández(1), Ana I. Moreno López(1), Artur A. Jarzabek(1), José M. Perales Perales(1), Yuliang Wu(2) and Sun Xiaoxiao(2), Design Methodology for Quick and Low-Cost Wind Tunnel, (1) Polytechnic University of Madrid, Spain and (2) Beijing Institute of Technology, China, 2013. [3].J. B. Barlow, W. H. Rae, Jr, A. Pope-Low Speed Wind Tunnel Testing. 1-John Wiley & Sons (1999) [4].Fluid mechanics : fundamentals and applications / Yunus A. Çengel, John M. Cimbala.—1st ed. p. cm.—(McGraw-Hill series in mechanical engineering), 2006. [5].API Recommended Practice 14E (RP 14E), 5 th Edition, 1 Oktober. 1991
16
LAMPIRAN
DAFTAR RIWAYAT HIDUP Biodata Diri
Nama
: Azharyanto Fadhli
Jenis kelamin
: Laki-laki
Tempat tanggal lahir
: Jakarta, 15 Mei 1993
Status
: Single
Kebangsaan
: Indonesia
No. Kontak
: 0812-8891-9501
Pendidikan
2015 – sekarang : Program Sarjana Teknik Mesin, Universitas Pancasila. 2011 – 2014
: D3 Teknik Mesin, Politeknik Negeri Jakarta.
Pengalaman Kerja
1. PT. Pustek E&T September 2014 – sekarang Jr. Mechanica Engineering & Drafter
17
