Simulasi Pola Aliran  Pada Pipa Suction Pompa Sentrifugal Dengan CFD Untuk Deteksi Kavitasi

## Ibnu Hajar
Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Bengkalis Jl. Batin Alam, Sei Alam, Bengkalis (28711)  Riau ibnuhajar@polbeng.ac.id

## Abstrak
Pola  aliran  dalam  pompa  sentrifugal  merupakan  aliran  pusaran  ( pulsating )  yang  mengalir  di dalam  pipa suction yang  mengalami  perubahan  mendadak,  hal  ini  bisa  diakibatkan  oleh  pengecilan saluran atau pemasangan katup, dan elbow yang kemudian terjadi ketidakstabilan atau fluktuasi yang dipengaruhi  oleh  kecepatan  aliran  akibat  turbulensi  aliran,  hal  ini  sangat  rawan  terhadap  terjadinya kerusakan  pada  impeler,  dimana  salah  satu  penyebab  kerusakan  tersebut  akibat  kavitasi.  Tujuan penelitian  ini  adalah  untuk  mengetahui  karakteristik  pola  aliran  pada  pipa suction dan  pompa sentrifugal  berbasis  simulasi  CFD  ( Computational  Fluid  Dinamics). Metode  dengan  pembuatan  model berdasarkan Autocad 2010 dan  simulasi CFD menggunakan FLUENT 6.12 Academic lisensi Jurusan Teknik  Mesin  USU.  Untuk  mempermudah  proses  simulasi  maka  langkah  pertama  yang  harus dilakukan  dengan  pemodelan  dan  selanjutnya  menentukan  parameter  penyelesaian  serta  menjalan simulasi.  Pengamatan pola aliran pada pipa suction dengan kecepatan aliran 1,39, 1,49, 1,58 dan 1,67 m/s pada bukaan  katup  isap  20%,  40%,  60%  dan  80%.  Dari  hasil  simulasi  yang  telah  dilakukan  diperoleh  pola  aliran dominan pada pipa suction yang akan menyebabkan kavitasi pada pompa sentrifugal pada bukaan katup 60 % dengan Contours  of  Turbulent  Kinetic  Energy 1,19  m 2 /s 2 dan  bukaan  katup  80% dengan Contours  of Turbulent Kinetic Energy 4,32 m²/s² dan jika dilihat pada pompa sentrifugal distribusi tekanan fluida tertinggi  adalah  3,55  x  10 -6 m/s,  dan  kecepatan  paling  rendah  dalam  pipa  -1,20  x10 7 m/s  yang kemungkinan  terjadi  kavitasi  pada  impeler  pompa.  Berdasarkan  tingkat  kecepatan  yang  diperoleh, hasil simulasi ini dapat digunakan untuk mendeteksi kavitasi pada pompa sentrifugal.
Kata kunci: Simulasi, pola aliran, pompa sentrifugal, pipa suction

## Abstract
The  flow  pattern  in  the  centrifugal  pump  is  the  flow  of  pulsating  flow  in  the  pipe  suction  which undergoes abrupt change, this may be caused by channel dewatering or valve installation, and elbow which then occurs instability or fluctuation that is influenced by flow velocity due to turbulent flow, It is very prone to damage to the impeller, where one of the causes of the damage is due to cavitation. The  purpose  of  this  research  is  to  know  the  characteristic  of  flow  pattern  in  suction  pipe  and  CFD (Computational Fluid Dinamics) centrifugal pump. Methode used Autocad 2010 and CFD simulations of  FLUENT  6.12  by  USU  Mechanical  Engineering.  To  simplify  the  simulation  process  used  modeling then  determine  the  completion  parameters  and  run  the  simulation.  Observation  of  flow  pattern  on suction pipe with flow velocity 1,39, 1,49, 1,58 and 1,67 m/s at suction opening of 20%, 40%, 60% and 80%. From the simulation results, the dominant  flow  pattern  in the suction pipe that will cause the cavitation of centrifugal pump at the opening of 60% valve with 1.19 m 2 /s 2 Kinetic Energy Contours of Turbulent  and  80%  valve  opening  with  Contours  of  Turbulent  Kinetic  Energy  4,32  m²/s²  and  when viewed  on  the  centrifugal  pump  the  highest  fluid  pressure  distribution  is  3.55  x  10 -6 m/s,  and  the lowest velocity in the 1.20 x10 7 m/s pipeline is likely to occur in the pump impeller. Based on the rate of speed obtained, these simulation results can be used to detect cavitation on a centrifugal pump.
Keywords : Simulation, flow pattern, centrifugal pump, pipe suction

## PENDAHULUAN
Pola  aliran  dalam  pompa  sentrifugal
merupakan  aliran  pusaran (pulsating )  yang mengalir  di  dalam  pipa  yang  mengalami
perubahan  mendadak,  hal  ini  bisa  diakibatkan oleh  pengecilan  saluran  atau  pemasangan elbow,  dan  sambungan  yang  kemudian  terjadi ketidakstabilan atau fluktuasi yang dipengaruhi oleh  kecepatan  aliran  akibat  turbulensi,  hal  ini sangat  rawan  terhadap  terjadinya  kerusakan pada  impeller,  dimana  salah  satu  penyebab kerusakan tersebut akibat kavitasi.
Dalam  penelitian  sebelumnya,  pola  aliran didalam  pompa  sentrifugal  sudah  mulai dipelajari,  tetapi  perhatian  lebih  difokuskan pada  aliran  dalam  pipa  yang  disebabkan munculnya  gelembung  disekitar  sambungan pipa dan menggunakan fluida air dan udara.
Ridwan  et  al ,  (2002),  telah  menguji  aliran vortex pada  membesaran  saluran  pipa,  hasil penelitian  menunjukkan  wilayah  medan aliran yang  berpusar  pada  daerah  pembesaran mendadak  akan  semakin  luas  seiring  dengan besarnya perbandingan diameter pipa.
Ibnu  H  et  al (2010),    telah  melakukan penelitian  terhadap  pola  aliran  pada  pipa  isap pompa sentrifugal secara eksperimental menggunakan pipa transparan dengan pemantauan  tekanan  fluida  masuk  dinamik pada sisi suction pompa dan pengukuran sinyal getaran  pada  rumah  pompa.  Hasil  penelitian menunjukkan  bahwa  perubahan  pola  aliran dipengaruhi  oleh  penurunan  tekanan  isap  dan kecepatan  aliran  meningkat,  perubahan  pola aliran  teramati  secara  visual  menggunakan kamera  digital  dan  sinyal  getaran  akan meningkat  sewaktu  terjadi  turbulensi  aliran dalam pipa.
Demikian  halnya  untuk  mengamati  pola aliran  didalam  pompa  secara  visual  juga  sulit dilakukan  mengingat  struktur casing pompa yang  terbuat  dari  besi  coran  sehingga membutuhkan  penanganan  yang  lebih  khusus. Salah  satu  cara  yang  dapat  diterapkan  untuk mengetahui  karakteristik  pola  aliran  didalam pompa  secara  menyeluruh  adalah  dengan menggunakan perangkat komputer CFD.
Pemecahan masalah menggunakan simulasi CFD (Computational Fluid Dinamics) mempunyai keunggulan dibandingkan  dengan metode  perhitungan  manual  lainya,  yakni dengan  metode  eksperimental  perhitungan manual menggunakan komputer.
Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui  karakteristik  pola  aliran  pada  pipa suction dan  impeller  pompa  sentrifugal  untuk deteksi  kavitasi  berbasis  CFD (Computational Fluid  Dinamics). Orientasi  pengujian  meliputi
bukaan  katup  isap  20  %,  40%,  60%  dan  80% dengan mengamati pola aliran dalam pipa suction .
Pompa  sentrifugal  merupakan  jenis pompa  yang  paling  banyak  dipakai  oleh industri,  terutama  industri  pengolahan  dan pendistribusian  air.  Banyak  pompa  sentrifugal di  desain  dengan  cara  memungkinkan  pompa beroperasi secara terus menerus untuk berbulan-bulan  bahkan  tahunan.  Beberapa keunggulan  pompa  sentrifugal  adalah  harga yang relatif murah, konstruksi pompa sederhana, mudah pemasangan dan perawatan, kapasitas  dan head yang  tinggi,  kehandalan dan ketahanan yang tinggi.(Jeremy J. Kenwood  .  2000,.  Karassik,  Center.  1960, L.Tobing Eben H.2010).
Aliran fluida didalam pipa pada kenyataannya  mengalami  penurunan  tekanan seiiring dengan panjang pipa yangdilalui fluida tersebut.  Secara  teoritis,  hal  ini  disebabkan karena fluida yang mengalir memiliki viskositas  yang  menyebabkan  timbulnya  gaya geser  yang  sifatnya  menghambat.  Hambatan aliran  akan menyebabkan turunnya energi dari fluida tersebut yang sering juga disebut dengan kerugian  tinggi  tekan  ( head  loss )  atau penurunan  tekanan  ( pressure  drop ).  Pada pompa  sentrifugal  penurunan  tekanan  dan perubahan  kecepatan  aliran  fluida  merupakan pengaruh yang ditimbulkan karena pengurangan kapasitas dan terjadinya perubahan  pola  aliran  fluida  dalam  pipa horizontal.  Aliran  fluida  dalam  pipa  yang berbentuk  lingkaran  terbagi  dua,  yaitu  aliran laminar  dan  aliran  turbulen.  Karakteristik antara  kedua  aliran  tersebut  berbeda-beda  dari segi  kecepatan,  debit  dan  massa  jenis. (Munson,  Bruce  R,  Young,  Donald  F,  and Okiishi,  Theodore  H.  2002,  Reuben  M.  Olson &  Steven  J  Wright.  1993,  Victor  L  Streeter  & E. Benjamin Wylie. 1993).

## Pemodelan Aliran Fluida
Fenomena  aliran  fluida  dalam  pipa  dapat dimodelkan    dengan  persamaan  persamaan kontinuitas  (hukum  kekekalan  massa)  dan persamaan  momentum  (hukum  kekekalan momemtum).
Persamaan  kontinuitas  untuk  suatu  fluida compresible  pada  aliran  unstedy  dapat  ditulis sebagai berikut:
Untuk  aliran  incompresible,  nilam  densitas fluida  (ρ)  konstan  dan  persamaan  diatas menjadi:
Atau

## Pemodelan turbulensi
Model  k  –  ε  standar  (Launder  &  Spalding, 1974)  mempunyai  dua  model  persamaan  yaitu persamaan untuk k dan ε untuk mendefinisikan skalakecepatan.
Variabel ε yang menyatakan aliran steady digunakan  untuk  mendefinisikan  aliran  dalam pipa karena pengaruh bilangan Reynolds.

## METODE
Pembuatan  model  dalam  penelitian  ini berdasarkan  dengan Autocad  2010 dan  untuk simulasi  CFD  menggunakan FLUENT 6.12 Academic  lisensi pengguna  milik  Jurusan Teknik Mesin USU.
Untuk  mempermudah  proses  simulasi maka  langkah  pertama  yang  harus  dilakukan dengan pemodelan dan selanjutnya menentukan  parameter  penyelesaian  serta menjalan simulasi.

## Pembuatan model pipa isap
Hal yang perlu dilakukan pertama kali sebelum melakukan  proses  simulasi  adalah  pemodelan yang  memfokuskan  mekanisme  pada  aliran laminar  dan  turbulen  dengan  visualisasi  aliran dalam pipa.
Sebuah pompa sentrifugal telah dipilih sebagai peralatan  yang  akan  disimulasikan.  Pompa yang digunakan untuk simulasi ini ditunjukkan pada  Gambar  1.  Simulasi  dilakukan  terhadap parameter  operasi  dan  parameter  geometri untuk  menentukan  kesan  parameter-parameter ini terhadap perubahan pola aliran.
Gambar 1. Pompa Sentrifugal
Data teknis pompa sentrifugal : Merk :  Aquavane KSB Head :  9 meter Kapasitas :  3 Lrt/dt Daya :  746 watt Putaran :  1450 rpm

## Bidang Pengamatan
Bidang yang diamati pada penelitian ini adalah bukaan katup 20%, bukaan katup 40%, bukaan katup  60%,  bukaan  katup  80%  dan  pada  pipa section  yang  dapat  dilihat  pada  Gambar  2 berikut:
(a) (c) (b)
(d)
Gambar 2. Pipa suction pompa (a) Bukaan katup suction 20 %
(b) Bukaan katup suction 40 %
(c) Bukaan katup suction 60 %
(d) Bukaan katup suction 80 %

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Berdasarkan  hasil  perhitungan  kecepatan aliran dengan menvariasikan bukaan katup isap diperoleh  data  perhitungan  seperti  Tabel  1 berikut.
Pembahasan merupakan bagian terpenting  dari  keseluruhan  isi  artikel  ilmiah. Tujuan pembahasan adalah: menjawab
masalah  penelitian,  menafsirkan  temuan- temuan, mengintegrasikan temuan dari penelitian  ke  dalam  kumpulan  pengetahuan
yang  telah  ada  dan  menyusun  teori  baru  atau memodifikasi teori yang sudah ada. Tabel 1. Hasil perhitungan kapasitas, keceatan aliran dan Reynold Number Tipe bukaan katup pipa isap pompa Q (m 3 /s) A (m 2 ) V (m/s) Re Tipe aliran OPEN 100% 6.47 x 10 -5 2.03 x 10 -3 3.19 x 10 -2 1926.5 Laminar CLOSE 20 % 5.56 x 10 -5 1.29 x 10 -3 4.29 x 10 -3 2062.82 Lamnar CLOSE 40 % 4.1 x 10 -5 7.29 x 10 -4 5.62 x 20 -2 3393.46 Transisi CLOSE 60 % 3.86 x 10 -5 3.24 x 10 -4 1.015 x 10 -1 6305.83 Turbulen CLOSE 80 % 1.99 x 10 -5 8.10 x 10 -5 2.458 x 10 -1 14836 Turbulen
Simulasi Pola Aliran
Pola aliran dominan yang terjadi pada bukaan katup 20 % membentuk vektor kecepatan.
Gambar 3. Close valve 20 %
Pada Gambar 3 terlihat bahwa vektor kecepatan aliran dalam pipa masih mengikuti garis lurus walaupun  terlihat  ada  sedikit  perubahan  pola  aliran  yang  melewati  sambungan  pipa.  Distribusi kecepatan  fluida  ditunjukkan  dengan  aliran  fluida  yang  berwarna  merah  yaitu  kecepatan  tertinggi dengan nilai 2,77 m/s, dan yang kecepatan paling rendah dalam pipa yaitu berwarna  biru dengan nilai 9,81x10 -2 m/s.
Gambar 4. Close valve 40 %
Pada Gambar 4 penutupan katup isap 40% terlihat bahwa vektor kecepatan aliran sudah mulai membentuk pusaran kecil dan alirannya masih beraturan. Distribusi kecepatan aliran tertinggi 3,87 m/s yang tunjukkan oleh warna merah dan kecepatan aliran terendah  8,18 x 10 -2 m/s yang terlihat warna biru.
Sedangkan pola aliran katup tertutup    60 % aliran turbulen mulai terindentifikasi pada aliran dalam  pipa    dan  hal  ini  terlihat  bahwa  pusaran  air  dan  vektor  kecepatan  bergerak  tidak  beraturan. Distribusi  vektor  kecepatan  dan  gerak  laju  aliran  tidak  beraturan  dapat  digolongkan  aliran  turbulen. Vektor  kecepatan  tertinggi  adalah  5,92  m/s  yang  ditunjukkan  berwarna  merah,  sedangkan  vektor kecepatan yang terendah terlihat yang berwarna biru dengan nilai   6,34 x 10 -2 m/s.
Gambar 5. Close valve 60 %

## Gambar 6. Close valve 80 %
Pada  pengujian  penutupan  katub  isap  80%    terlihat  adanya  gelembung-gelembung  fluida  dalam  pipa dan  alirannya  dapat  digolongkan  turbulen.  Gerak  vektor  kecepatan  membentuk  pusaran-pusaran berlapis  tidak  beraturan  dan  distribusi  kecepatan  tertinggi  adalah  1,06  x  10 -1 m/s  yang  diperlihatkan berwarna  merah  dan  kecepatan  terendah  sebesar  5,31  x  10 -2 m/s.  Distribusi  energi  turbulen berdasarkan hasil simulasi diperoleh nilai 4,32 m 2 /s 2 tertinggi dan terendah diperoleh nilai 2,49 x10 -2 m 2 /s 2 . Bentuk ujung aliran fluida bergelembung berputar menjadi besar dan terjadi kavitasi .

## Analisa kemungkinan kavitasi pada pompa sentrifugal
Kavitasi adalah peristiwa terbentuknya gelembung-gelembung uap di dalam cairan yang terjadi akibat turunnya  tekanan  sampai  dibawah  tekanan  uap  jenuh  cairan  dimana  suhu  air  yang  digunakan  adalah 20 o C,  maka  nilai  tekanan  uap  air  jenuh  adalah  sebesar  2340  pascal  pada  suhu  operasi  pompa. Gelembung  uap  yang  terbentuk  dalam  proses  ini  mempunyai  siklus  yang  sangat  singkat. Knapp ( Kurassik,  dkk,  1976 )  menemukan  bahwa  mulai  terbentunya  gelembung  sampai  gelembng  pecah hanya memerlukan waktu sekitar 0,003 detik.
Gambar 7. Indikasi kavitasi pada pompa
Untuk  hasil  simulasi  CFD  ( Computational  Fluid  Dinamics) pada  pompa  dengan  kondisi  close  80%, pompa  memgalami  kavitasi  pada  dinding  impeller  yang  ditunjukkan  titik  1  berwarna  biru  dimana terjadi  penurunan  tekanan  air  jenuh.  Distribusi  tekanan  fluida  ditunjukkan  dengan  aliran  fluida berwarna  merah  yaitu  kecepatan  aliran  tertingggi  dengan  nilai  3,55  x  10 -6 m/s,  sedangkan  kecepatan aliran  terendah  dalam  pipa  yang  berwarna  biru  dengan  nilai  -1,20  x  10 -7 m/s.    Dari  hasil  simulasi indikasi  kavitasi  pada pompa  terjadi  pada  titik  1,  titik  2  dan  titik  3  dengan  penurunan  tekanan  fluida masing-masing titik 1 sebesar -1,25 x 10 7 Pa, titik 2 sebesar              -8,87 x10 6 Pa dan titik 3 sebesar - 8,81 x 10 6 Pa.

## Validasi hasil simulasi dengan dengan hasil eksperimen
Hasil  simulasi  menggunakan  komputasi  dinamika  fluida  dengan  pendekatan-pendekatan  secara teoritis akan diketahui kebenarannya jika diaplikasikan secara nyata, oleh karena itu dalam penelitian ini dilakukan validasi untuk membuktikan bahwa hasil simulasi pola aliran dalam pipa mendekati hasil penelitian eksperimental yang dilakukan oleh Ibnu,H (2010 ).

## SIMPULAN DAN SARAN
Dari hasil simulasi yang telah dilakukan, diperoleh kesimpulan:
1. Karakteristik  pola  aliran  turbulen  dominan  terlihat  awal  pada  penutupan  katub  60%  dengan vektor  kecepatan  aliran  tertinggi  adalah  5,92  m/s  dan  semakin  jelas  gelembung-gelembung turbulen  pada  penutupan  katup  80%  pompa  bergetar  dan  terjadi  penurunan  tekanan  pada  pipa suction.
2. Semakin  besar  penutupan  katub  pada  pipa  isap  dan  kecepatan  aliran  berkurang  akan mengidentifikasikan bahwa pompa terjadi kavitasi .
3. Beberapa range kecepatan yang diperoleh, hasil simulasi ini mendekati hasil eksperimen sehingga dapat digunakan untuk simulasi pola aliran pada pompa sentripugal dengan geometri yang sama
4. Semakin  besar  penurunan  tekanan  yang  terjadi  dinding  impeller  pompa  semakin  besar kemungkinan terjadinya kavitasi.

## SARAN
Penelitian  ini  akan  mendapatkan  hasil  yang  lebih  akurat  lagi  jika  dilakukan  simulasi  dengan kenaikan temperatur aliran fluida dalam rumah pompa.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Ucapan  terima  kasih  saya  sampaikan  kepada  Universitas  Sumatera  Utara  (USU)  khususnya laboratorium  komputer  jurusan  teknik  mesin  yang  telah  memberikan  kesempatan  untuk mensimulasikan hasil penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
Penulisan  daftar  pustaka  terdiri-dari  nama  penulis,  tahun  penerbitan,  judul  artikel,  nama  kota dan institusi penerbitan. Daftar pustaka diurutkan sesuai huruf pertama nama pe
[1]   Hajar,  ibnu.  2010. Studi  eksperimental  Fenomena  Kavitasi  pada  Pompa  Sentrifugal menggunakan Sinyal Getaran untuk Condition Monitoring. Master Thesis, USU – Medan.
[2] Jeremy J. Kenwood D, (2000), Detection Cavitation in Centrifugal Pumps, Research Engineer Rotor Bently Rotor Dynamic, Nevada Cord. USA
[3] Karassik, Center. 1960. Sentrifugal Pump . Mc Graw-Hill, Inc.New York, USA
[4] L.Tobing  Eben  H,  (2010), Simulasi  Perancangan  Pompa  Sentrifugal  pada  Instalasi  Hotel ArYaduta  Medan  Mrnggunakan  CFD  Fluent  6.1.22 Proseding  Seminar  Material,  Energi  dan Struktur (MAESTRUCT) 2011, USU Medan.
[5] Munson, Bruce R, Young, Donald F, and Okiishi, Theodore H, (2002), Fundamentals of Fluid Mechanics , fourth edition , Jhon Willey & Sons, Inc,
[6] Reuben M. Olson & Steven J Wright, (1993), Dasar-Dasar Mekanika Fluida Teknik , Gramedia Pustaka Utama, Jakarta
7.     R Ridwan, AI Siswantara, S Supriyanto – 2002. Analisa Aliran Vortex Pada Pembesaran Saluran Pipa dengan Tekhnologi Computational Fluid Dynamics (CFD).
[8] Victor  L  Streeter  &  E.  Benjamin  Wylie,  (1993), Mekanika Fluida ,  Gramedia  Pustaka  Utama, Jakarta