Jurnal Dinamis, Volume.5, No.4 Desember 2017
ISSN  0216-7492

## SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA POMPA HIDRAM DENGAN VARIASI PANJANG PIPA PEMASUKAN DAN TINGGI TABUNG UDARA MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CFD
Jefri H. Manik 1 , A. Halim Nasution 2 , Syahril Gultom 3 , Zulkifli Lubis 4 , Pramio G. Sembiring 5 1,2,3,4,5 Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Medan Indonesia Email: jefrimanik@gmail.co.id

## ABSTRAK
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mensimulasikan  aliran  fluida  pada  pompa  hidram  dengan menggunakan  perangkat  lunak  CFD,  simulasi  yang  digunakan  adalah  untuk  aliran  stedi, inkompresibel,  turbulen,  dan  tiga  dimensi.  Fluida  air (water  liquid) berakselerasi  melalui  pipa masuk dan masuk ke badan pompa, badan pompa mengalami kompresi dan akhirnya menekan air  ke  tabung  udara  dan  kemudian  menyalurkan  air  ke  pipa  keluaran.  Simulasi  diatur  dengan mengkondisikan  pada  saat  katup  limbah  tertutup  dan  pada  saat  katup  penghantar  tertutup. Simulasi terdiri dari sembilan rangkaian yaitu tiga  panjang pipa pemasukan, tiga tabung udara 40cm,  tiga  tabung  udara  60cm.  Hasil  simulasi  didapatkan  dengan  membandingkan  hasil simulasi  dengan  hasil  pengujian.  Diperoleh  penyimpangan  terendah  antara  hasil  simulasi  dan hasil  pengujian  adalah  0,05  %  dan  penyimpangan  tertinggi  antara  hasil  simulasi  dan  hasil pengujian adalah 16,58 %.
Kata kunci : Pompa Hidram, Simulasi, CFD

## ABSTRACT
This  research  aims  to  simulate  a    fluid  flow  for  hydram  pump  using  CFD  software,  The simulation is performed by steady flow, incompressible, turbulent and three-dimensional. Water fluid (water liquid) accelerates through the inlet pipe and entry into the pump body, pump body have  a  compression and then    press  the  water into the  air  vessel  and then draining the  water into the outlet pipe. This simulate is set by conditioning when waste valve is closed and when delivery valve is closed. Simulation consist of nine series namely three the length of inlet pipe, three  different  height  of  air  vessel  40cm,  three  different  height  of  air  vessel  60cm.  Simulation result  obtained  by  comparing  simulation  result  and  experiment  result.  Obtained  the  lowest deviation between simulation result and experiment result is 0,05 % and the highest deviation between simulation result and experiment result is 16,58 %. Keyword : Hydram Ram Pump,  Simulate, CFD

## 1. PENDAHULUAN
Kenyataan  telah  menunjukkan  bahwa  ada  banyak  daerah  dipedesaan  yang mengalami kesulitan penyediaan air, baik untuk kebutuhan rumah tangga maupun untuk kegiatan  pertanian.  Untuk  menanggulangi  masalah-masalah  penyediaan  air  baik  untuk kehidupan  maupun  untuk  kegiatan  pertanian,  peternakan  dan  perikanan  khususnya didaerah  pedesaan,  maka  penggunaan  pompa  Hidraulik  Ram  Automatik  sangat menguntungkan dalam kehidupan masyarakat di pedesaan. Pompa hidraulik ram bekerja tanpa  menggunakan  bahan  bakar  atau  tambahan  energi  dari  luar.  Pompa  ini memanfaatkan  tenaga  aliran  air  yang  jatuh  dari  tempat  suatu  sumber  yang  tinggi  dan sebagian  dari  air  itu  dipompakan  dengan  pompa  hidram  ke  tempat  yang  lebih  tinggi. Pompa  hidraulik  ram  ini  sangat  tepat  untuk  daerah-daerah  yang  penduduknya mempunyai  keterampilan  teknis  yang  terbatas,  karena  pemeliharaan  yang  dibutuhkan sederhana.
Adapun tujuan penelitian ini adalah mensimulasikan aliran fluida dalam pompa hidram,  mensimulasikan  distribusi  kecepatan  dan  tekanan  dan  menghitung  besar penyimpangan.  Batasan  masalah  dalam  penelitian  ini  seperti  fluida  yang  digunakan
Jurnal Dinamis, Volume.5, No.4 Desember 2017
adalah  air,  dimensi  pompa  digambar  dengan  perangkat  lunak  CAD,  Variabel  yang dibandingkan  adalah  kecepatan  pada  katup  limbah  (v w )  sesuai  dengan  variasi  panjang pipa  pemasukan    dan  simulasi  menggunakan  perangkat  lunak Computational  Fluid Dynamics (CFD).

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
Untuk  kebutuhan  penelitian  bahkan  sampai  dengan  tingkat  desain,  perlu dibutuhkan  suatu  alat  yang  mampu  menganalisis  atau  memprediksi  dengan  cepat  dan akurat.  Maka  berkembanglah  suatu  ilmu  yang  dinamakan Computational  Fluid Dynamic (CFD) yang dalam bahasa Indonesia dikenal dengan Komputasi Aliran Fluida Dinamik [1].
a. Proses Simulasi CFD
Pada  umumnya  terdapat  tiga  tahapan  yang  harus  dilakukan  ketika  melakukan simulasi pada solver CFD, yaitu sebagai berikut [2] :
1. Preprocessing
2. Solving
3. Postprocessing
Beberapa prosedur yang digunakan pada semua pendekatan program CFD, yaitu sebagai berikut[3] :
• Pembuatan geometri dari model atau problem.
• Bidang atau volume yang diisi fluida dibagi menjadi sel-sel kecil ( meshing ).
• Pendefinisian  model  fisiknya,  misalnya    persamaan-persamaan  gerak  +  entalpi  + konversi species
• Pendefinisian kondisi-kondisi batas, termasuk di dalamnya sifat-sifat dan perilaku dari batas-batas model atau problem.
• Analisis dan visualisasi dari solusi CFD.
b. Persamaan Pembentuk Aliran
Pemodelan  dengan  metode  komputasi  pada  dasarnya  menggunakan  persamaan dasar  dinamika  fluida,  momentum,  dan  energi.  Persamaan-persamaan  ini  merupakan pernyataan matematis untuk tiga prinsip dasar fisika [2] :
1. Hukum Kekekalan Massa ( The Conservation of Mass )
2. Hukum  Kekekalan  Momentum  ( The  Conservation  of  Momentum )  sebagai interpretasi dari hukum kedua Newton ( Newton Second’s Law of Motion )
3. Hukum Kekekalan Energi ( The Conservation Of Energi )
1. Hukum Kekekalan Massa ( The Conservation of Mass )
Secara  umum  hukum  kekekalan  massa  ( The  Conservation  of  Mass )  3  dimensi dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut. 𝝏𝝆 𝝏𝒕 + 𝒖 𝝏𝝆 𝝏𝒙 + 𝒗 𝝏𝝆 𝝏𝒚 + 𝒘 𝝏𝝆 𝝏𝒛 + 𝝆 ( 𝝏𝒖 𝝏𝒙 + 𝝏𝒗 𝝏𝒚 + 𝝏𝒘 𝝏𝒛 ) = 𝟎
Gambar 1.Hukum Kekekalan Massa pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi [4]

## 2. Hukum Kekekalan Momentum ( The Coservation of Momentum)
Secara  umum  hukum  kekekalan  momentum  ( The  Conservation  of  Momentum ) arah sumbu-x 3 dimensi dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut.
𝝆 𝑫𝒖 𝑫𝒕 = − 𝝏𝝆 𝝏𝒕 + 𝝏𝝈 𝒙𝒙 𝝏𝒙 + 𝝏𝝉 𝒚𝒙 𝝏𝒚 + 𝝏𝝉 𝒛𝒙 𝝏𝒛 + 𝝆𝒇 𝒙 𝝆 𝑫𝒗 𝑫𝒕 = − 𝝏𝝆 𝝏𝒕 + 𝝏𝝈 𝒙𝒚 𝝏𝒙 + 𝝏𝝉 𝒚𝒚 𝝏𝒚 + 𝝏𝝉 𝒛 𝝏𝒛 + 𝝆𝒇 𝒚 𝝆 𝑫𝒘 𝑫𝒕 = − 𝝏𝝆 𝝏𝒕 + 𝝏𝝈 𝒙𝒛 𝝏𝒙 + 𝝏𝝉 𝒚𝒛 𝝏𝒚 + 𝝏𝝉 𝒛𝒛 𝝏𝒛 + 𝝆𝒇 𝒛

## Gambar 2. Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-x pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi [4]
3. Hukum Kekekalan Energi ( The Conservation of Energy )
Hukum  ini  merupakan  aplikasi  dari  hukum  ketiga  fisika  (termodinamika)  yaitu laju perubahan energi dalam suatu elemen adalah sama dengan jumlah net fluks panas yang masuk ke dalam elemen dan kerja yang digunakan dalam elemen tersebut.
Gambar 3. Kerja yang Dikenakan pada Sebuah Elemen Arah Sumbu-x [4]
Gambar 4. Fluks Panas yang Melintasi Permukaan Sebuah Elemen [4]
Secara umum kerja yang dikenakan arah sumbu-x, sumbu-y, dan sumbu-z dapat ditulis dengan persamaan berikut.
W ̇ x = [ - ∂ ( up ) ∂x + ∂ ( uσ xx ) ∂x + ∂ ( uτ yx ) ∂y + ∂ ( uτ zx ) ∂z +upf x ] δV W ̇ y = [ - ∂ ( vp ) ∂y + ∂ ( vτ xy ) ∂x + ∂ ( vσ yy ) ∂y + ∂ ( uτ zy ) ∂z +upf y ] δV W ̇ z = [ - ∂ ( wp ) ∂z + ∂ ( wτ xz ) ∂x + ∂ ( wτ yz ) ∂y + ∂ ( wσ zz ) ∂z +upf z ] δV

## 3. METODE PENELITIAN
a. Pembuatan Model
Pembuatan model pompa hidram dalam simulasi ini mengacu kepada bentuk dan dimensi  pompa  yang  sebenarnya.  Pembuatan  model  CAD  dilakukan  dengan menggunakan perangkat lunak SolidWorks. Gambar 6 menunjukkan model pompa yang digambar menggunakan solidworks.
Gambar 6. Model Hidram
Gambar 6. Model Hidram

## b. Meshing
Unit-unit volume pada simulasi ANSYS diinterpretasikan dengan pembentukan mesh  atau  grid.  Ukuran    mesh    yang  diterapkan  pada  model  akan  mempengaruhi ketelitian  analisis  CFD.  Oleh  karena  itu,  besar  ukuran    mesh    harus  diatur  sedemikian rupa    (smooth  meshing)  sehingga  diperoleh  hasil  yang  teliti  dan  diusahakan  daya komputasi yang dibutuhkan tidak terlalu besar.
Dari gambar 7 dapat dilihat model pompa hidram yang telah di mesh.

## Gambar 7. Model hidram yang telah di mesh
c. Solution Solver
1. Jenis aliran
Fluida  yang  digunakan  dalam  simulasi  adalah  air  dengan  sifat-sifat  sebagai berikut:
• Temperatur konstan T = 20 0 C
• Kerapatan (densitas) konstan, 𝜌 = 998.2 𝑘𝑔/𝑚 3
• Viskositas kinematik, 𝑢 = 1.02 𝑥 10 −6 𝑚 2 /𝑠
Dengan membandingkan nilai diatas dengan nilai kritis bilangan Reynold, maka jenis  aliran  adalah  turbulen.  Dari  asumsi  fluida  yang  digunakan  adalah  dengan temperature  dan  densitas  tetap  sehingga  jenis  alirannya  adalah  isothermal  dan inkompresible.

## 2. Boundary Condition
Gambar 8. Kondisi batas pada saat katup penghantar tertutup
Tabel 1. Kondisi batas pada saat katup penghantar tertutup
Jurnal Dinamis, Volume.5, No.4 Desember 2017
Kondisi  batas  pada  saat  katup  penghantar  tertutup  ditunjukkan  pada  gambar  8 dan  tabel  1  diatas.  Sedangkan  kondisi  batas  pada  saat  katup  penghantar  terbuka ditunjukkan pada gambar 9 dan tabel 2 dibawah ini.
Gambar 9. Kondisi batas pada saat katup limbah tertutup
Tabel 2. Kondisi batas pada saat katup limbah tertutup
3. Pengaturan Simulasi
Pengaturan  simulasi  yang  dimaksud  adalah  menentukan  beberapa  aspek  yang diperlukan  dalam  simulasi  seperti  bentuk solver yang  dipilih,  material,  jenis  viskos, sesuai dengan asumsi yang dilakukan. Tabel 3 menunjukkan pengaturan simulasi yang dilakukan. Jenis aliran yang telah ditentukan sebelumnya juga diatur pada bagian ini di dalam Fluent .
Tabel 3. Pengaturan simulasi
Jurnal Dinamis, Volume.5, No.4 Desember 2017

## 4. HASIL DAN ANALISA
Simulasi  ini  terdiri  atas  dua  kondisi  yaitu  pada  saat  katup  penghantar  tertutup, dan pada saat katup limbah tertutup.
a. Simulasi Pada Saat Katup Penghantar Tertutup.
(a) (b)
(c)
Gambar 10. Vektor kecepatan dengan panjang pipa pemasukan (a) 8m, (b) 10m, (c) 12m.
Dari  gambar  10  dapat  dilihat  kecepatan  pada  tiap  panjang  pipa  pemasukan berbeda,  yaitu  kecepatan  pada  katup  limbah  semakin  menurun  seiring  dengan bertambah  panjangnya  panjang  pipa  pemasukan  yaitu  0,3790  m/s,  0,3385m/s  dan 0,3377m/s.
a. Simulasi Pada Saat Katup Limbah Tertutup
(b)
(c)
Gambar 11. Kontur tekanan dengan volume tabung 40cm dengan panjang pipa pemasukan (a) 8m; (b) 10m; dan (c) 12m.
(a)
(b)

## (c)
Gambar  12.  Kontur  tekanan  dengan  volume  tabung  60cm  dengan  panjang  pipa pemasukan (a) 8m; (b) 10m; dan (c) 12m.
Pada kontur tekanan gambar 11 dan gambar 12 diatas dapat dilihat bahwa warna dari  badan  pompa  dan  tabung  seperti  sama  karena  tekanannya  berada  pada  satu  nilai warna  skala,  tetapi  sebenarnya  berbeda  tiap  bagian  pompa.  Tekanan  pada  tabung  dan badan  pompa  berbeda  sedikit,  hal  ini  disebabkan  karena  peningkatan  tekanan  yang terjadi akibat adanya palu air.
Dan  berikut  adalah  diagram  batang  perbedaan  antara  hasil  simulasi  dan  hasil pengujian:
(a) (b) (c)
Gambar  13.  Perbandingan  hasil  simulasi  dan  pengujian  kecepatan  pada  panjang  pipa pemasukan (a) 8m; (b) 10m; (c) 12m.
Dari  gambar  13  dapat  dilihat  hasil  simulasi  lebih  besar  dari  pengujian  dengan  nilai penyimpangan tidak lebih dari lima persen.
(a) (b)
(c) (d) (e)
Jurnal Dinamis, Volume.5, No.4 Desember 2017

## (f)
Gambar 14. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian tekanan tabung pada (a) tabung 40cm, panjang pipa 8m; (b) 10m; (c) 12m; (d) tabung 60 cm, panjang pipa 8m; (e) 10m; (f) 12m.
Dari  gambar  14  dapat  dilihat  hasil  simulasi  lebih  besar  dari  pengujian  dengan  nilai peyimpangan terbesar 9,50% yaitu pada tabung 40cm, panjang pipa 12m.
(a) (b) (c) (d) (e) (f)
Jurnal Dinamis, Volume.5, No.4 Desember 2017
ISSN  0216-7492
Gambar 15. Perbandingan hasil simulasi dan pengujian tekanan badan pompa pada (a) tabung 40cm, panjang pipa 8m; (b) 10m; (c) 12m; (d) tabung 60 cm, panjang pipa 8m; (e) 10m; (f) 12m.
Dari  gambar  15  dapat  kita  lihat  hasil  simulasi  lebih  besar  dari  pengujian  dengan  nilai peyimpangan terbesar 16,58% yaitu pada tabung 40cm, panjang pipa 10m.
Menghitung besar penyimpangan antara hasil simulasi dan analisa:
Simpangan= | Simulasi-Pengujian
Simulasi | x 100 %
Dan berikut adalah besar penyimpangannya. Tabel 4. hasil simulasi dan hasil pengujian dan penyimpangannya.
Dari  tabel  4  dapat  dilihat  penyimpangan  tertinggi  ada  pada  tekanan  badan  pompa dengan  tinggi  tabung  40cm  dan  pada  panjang  pipa  pemasukan  10m  yaitu  16,58  %, sedangkan  penyimpangan  terendah  ada  pada  kecepatan  (v)  katup  limbah  dengan panjang pipa pemasukan 8m yaitu 0,05 % .

## 5. KESIMPULAN
Dari hasil simulasi yang dilakukan maka dapat disimpulkan sebagai berikut :
1. Telah  dilakukan  simulasi  dengan  menampilkan  distribusi  kecepatan  dan distribusi  tekanan  pada  pompa  hidram  dengan  kondisi  masing-masing  proses kerja Hidram.
2. Dari  hasil  simulasi  kecepatan  (v)  katup  limbah  untuk  tiap  panjang  pipa pemasukan  adalah  0,3790,  0,3385  dan  0,3377  m/s  sedangkan  hasil  pengujian adalah 0,3788;  0,3364  dan  0,3217  m/s. Demikian juga dengan  tekanan  tabung (P 1 )  dan  tekanan  badan  pompa  (P 2 ),  tekanan  menurun  seiring  semakin panjangnya  pipa  pemasukan  dan  semakin  tingginya  tabung.  Hasil  simulasi tekanan  (P 1 ) dengan tinggi tabung 40cm dan panjang pipa 8m,10m,12m adalah 1,145616 Bar, 0,965807 Bar, 0,871204 Bar. Hasil simulasi tekanan (P 2 ) dengan tinggi  tabung  40cm  dan  panjang  pipa  8m,  10m,  12m  adalah  1,14775  Bar, 0,967541  Bar,  0,872775  Bar,  hasil  simulasi  tekanan  (P 1 )  dengan  tinggi  tabung 60cm  dan  panjang  pipa  8m,10m,12m  adalah  1,129931  Bar,  1,101221  Bar, 1,030951  Bar,  hasil  simulasi  tekanan  (P 2 )  dengan  tinggi  tabung  60cm  dan panjang pipa 8m,10m,12m adalah 1,131207 Bar, 1,103035 Bar,  1,032606 Bar.
3. Diperoleh penyimpangan tertinggi ada pada tekanan badan pompa dengan tinggi tabung 40cm dan pada panjang pipa pemasukan 10m yaitu 16,58 %, sedangkan penyimpangan  terendah  ada  pada  kecepatan  (v)  katup  limbah  dengan  panjang pipa pemasukan 8m yaitu 0,05 % .
Jurnal Dinamis, Volume.5, No.4 Desember 2017
ISSN  0216-7492
4. Penggunaan Pompa Hidram dalam lingkungan masyarakat membutuhkan biaya operasional  yang  murah  karena  tidak  tergantung  pada  tenaga  listrik  atau  bahan bakar.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Ansys Inc. Ansys Fluent Documentation. Ansys Inc
[2] Tuakia, Firman. 2008. Dasar-dasar CFD menggunakan FLUENT . Informatika : Bandung
[3] Çengel, Yunus. A. dan Robert H. Turner. 2004. Fundamental of Thermal Fluid Sciences , New York: Mc. Graw Hill
[4] Jahja  Hanafie  &  Hans  de  longh,  1979, Buku  Petunjuk  untuk  pembuatan  dan pemasangan TEKNOLOGI POMPA HIDRAULIK RAM , ITB, Bandung.
[5] Jofri  B.  Sinaga,  2009, Perancangan  Alat  Pengujian  Pompa  Tanpa  Motor (Hydram  Pump)  Untuk  Mendukung  Pelaksanaan  Praktikum  Prestasi  Mesin  Di Jurusan teknik Mesin Universitas Lampung. UNILA : Lampung
[6] Made  Suarda  &  IKG  Wirawan.  2008.  Jurnal  Ilmiah  Teknik  Mesin. Kajian Eksperimental  Pengaruh  Tabung  Udara  Pada  Head  Tekanan  Pompa  Hidram. UNUD: Bali
[7] Panjaitan, Daniel Ortega. 2013. Rancang  Bangun Pompa Hidram Dan Pengujian Pengaruh Tingggi Tabung Udara Dan Panjang Pipa Pemasukan Terhadap Unjuk Kerja Pompa Hidram . USU: Medan
[8] Taye, T. 1998. Hydraulic Ram Pump, Journal of the ESME , Vol II, No. 1
[9] Versteeg, H. K. & Malalasekera, W. 1995. An Introduction To Computational Fluid Dynamics. New York: Longman Group
[10] White M. Frank & Wilarjo, Liek Ph.D. Mekanika Zalir . Erlangga : Jakarta