CFD ( Computational Fluid Dynamic ) untuk menganalisis head loss akibat perubahan diameter
Nur Hayati 1 , Adi Purwanto 2 , Erwan Muladi 2
1 Fakultas Teknik, Universitas Tidar Jalan Kapten Suparman No 39, Magelang 56116
2 Fakultas Teknologi Industri, Institut Sains & Teknologi AKPRIND
Jalan Kalisahak No 28, D.I. Yogyakarta 55222
Email korespondensi: nurhayati@untidar.ac.id

## Abstrak
Sistem perpipaan dengan banyak komponen pendukung digunakan untuk mengalirkan air. Sambungan atau elbow mengakibatkan head loss, yaitu hilangnya aliran dalam sistem. Head loss adalah hilangnya energi aliran yang  secara  signifikan  dipengaruhi  oleh  kecepatan  aliran.  Kajian  ini  bertujuan  untuk  menganalisis  headloss akibat variasi diameter elbow. Elbow yang digunakan memiliki diameter 1, 2, 4, dan 6 inch. Berdasarkan hasil simulasi dan hasil perhitungan nomograf menggunakan standar ASME B16.9 B16.28, terlihat bahwa head loss menurun  dengan  bertambahnya  diameter  elbow.  Hasil  simulasi  menunjukkan  hasil  yang  serupa  dengan perhitungan dari nomograf.
Kata kunci : head loss, elbow, simulasi, nomograf.

## Abstract
Piping systems with many supporting components are used to drain water. Connections or elbows result in head  loss,  namely  the  loss  of  flow  in  the  system.  Headloss  is  the  loss  of  flow  energy  which  is  significantly affected by flow velocity. This study aims to analyze head loss due to variations in elbow diameter. The elbows used  have  diameters  of  1,  2,  4,  and  6  inch.  Based  on  the  simulation  results  and  the  results  of  nomograph calculations using  the  ASME  B16.9 B16.28  standard,  it  can be  seen  that  head  loss  decreases  with  increasing elbow diameter. The simulation results show similar results to the calculations from the nomograph.
Keywords: head loss, elbow, simulation, nomograph.

## 1. Pendahuluan
Air merupakan suatu zat cair mengalir (fluida) yang sangat  penting  bagi  kehidupan  manusia.  Sistem perpipaan  dengan  banyak  komponen  pendukung digunakan  untuk  mengalirkan  air  [1].  Pipa  adalah saluran tertutup untuk mengalirkan cairan [2]. Setiap komponen  memiliki  fungsi  yang  berbeda. Knee , elbow dan mitter adalah  bagian  yang  digunakan untuk  mengarahkan  atau  membelokkan  aliran. Sambungan  atau  belokan  mengakibatkan head  loss , yaitu hilangnya aliran dalam sistem.
Head loss adalah hilangnya energi aliran yang secara signifikan dipengaruhi oleh kecepatan aliran [3]. Ada dua  kategori head  loss yaitu head  loss  mayor dan head  loss  minor .  Menurut  Darcy  Weisbach, Persamaan  (1)  berikut  menentukan  besarnya head loss :
2. 𝑯 𝒇 = 𝒇 𝑳.𝒗 𝟐 𝑫.𝟐𝒈 (1)
Persamaan  (1)  menunjukkan  bahwa Hf  =  head  loss mayor (m), f = faktor gesekan, L = panjang pipa (m), D  = diameter  pipa  (m), v  = kecepatan  aliran (m/s), dan g = percepatan gravitasi (m/s²).
Sementara  itu,  Persamaan  (2)  berikut  digunakan untuk menghitung head loss minor yaitu:
𝐻 = 𝑘 (2)
Persamaan  (2)  menunjukkan  bahwa v =  kecepatan fluida  (m/s), k =  koefisien minor  losses ,  dan g = percepatan gravitasi (m/s²).
Beberapa  kajian  terkait head  loss ,  diantaranya  [4] mengkaji  adanya head  loss pada  belokan  45°  dan 90°. Menurut kajian ini, belokan dapat menyebabkan head  loss .  Koefisien head  loss untuk  belokan  45° dan 90° masing-masing adalah 0,24 dan 1,13, dengan head  loss rata-rata  masing-masing  0,003418  m  dan 0,016093  m. Head  loss dipengaruhi  oleh  besar kecilnya sudut belokan di mana semakin besar sudut belokan, semakin besar head loss .
Kajian  lain  yaitu  aliran  turbulen  pada  pipa berdiameter 0,0254 m dan 0,0508 m serta panjang 2 m menggunakan software CFD [5]. Diperoleh bahwa pipa berdiameter 0,0254 m dengan laju aliran 1,241 m/s  dan  nilai  tekanan  972  Pa  memiliki  laju  aliran terbesar,  sedangkan  pipa  berdiameter  0,0508  m dengan  laju  aliran  1,233  m/s  dan  nilai  tekanan  427 Pa.
Pengaruh  lokasi  sambungan  pipa  lengkung  yang berbeda terhadap pressure drop dan head loss dikaji oleh  [6].  Sudut  kelengkungan  antara  30°,  45°,  60°, dan  90°.  Hasil  ekkperimen  menunjukkan  bahwa head  loss dan pressure  drop paling  rendah  pada sudut  30°  yaitu  73,23  mm  dan  907,606  N/m 2 . Sedangkan  pada  sudut  90°  yaitu  74,80  mm  dan 1278,899  N/m 2 terjadi head  loss dan pressure  drop tertinggi.
3. Metode
Berdasarkan standar ASME B16.9 B16.28, head loss
ditinjau dari perubahan diameter elbow menggunakan  simulasi  CFD  dan  perhitungan nomograf. Software Ansys  Workbench  19.0 digunakan untuk proses simulasi.
Prosedur  perancangan  dan  simulasi  aliran  fluida menggunakan  teknologi  CAD  ( Computer  Aided Design )  dan  CAE  ( Computer  Aided  Engineering ),
khususnya Solidworks
2016.
Solidworks menawarkan  berbagai  fitur  berdasarkan  pemodelan solid  parametrik  untuk  menyederhanakan  proses simulasi  dengan meshing dan  kondisi  batas  yang spesifik.  Perhitungan  yang  melibatkan  persamaan diferensial  diubah  menjadi  perhitungan  aljabar menggunakan  CAD  dan  CAE  untuk  mempermudah penyelesaian.
Nomograf  berdasarkan  rumus  Hazen-Williams digunakan  untuk  menentukan  karakteristik  aliran fluida  [7].  Umur  pipa  dan  jenis  bahan  penyusun dipengaruhi  oleh  faktor  C.  Nilai  C  pipa  menurun seiring  bertambahnya  umur  dan  paling  tinggi  untuk pipa  yang  baru dipasang.  Informasi  tentang  statistik kerugian  aliran  dan  kecepatan  aliran  pipa  tersedia dari tabel nomograf.
Tabel  1  berikut  menyajikan  dimensi elbow yang digunakan.
Tabel 1 . Dimensi elbow.
Nominal Pipe  Size (NPS) Outside Diameter (OD) ( mm ) Radius (A) ( mm ) Ketebalan Dinding (Sch 80S) 1” 33,4 38,1 4,5 2” 60,3 76,2 5,5 4” 114,3 152,4 8,6 6” 168,3 228,6 11,0
Gambar  1  berikut  menunjukkan  sketsa elbow yang digunakan.
(a) (b) (c)
(d)
Gambar 1 . Sktesa elbow dengan (a) 1 inch, (b) 2 inch, (c) 4 inch, dan (d) 6 inch.
Data  material  yang  digunakan  yakni  pada  Tabel  2 berikut.
Tabel 2. Data material.

## Material fitting
Bahan : Stainless steel Model type : Linear elastic isotropic Yield strength : 172,339 N/mm 2 Tensile strength : 513,613 N/mm 2 Elastic modulus : 200.000 N/mm 2 Poisson’s ratio : 0,28 Mass density : 7.800 kg/m 3 Shear modulus : 78.000 N/mm 2
Data  fluida  yang  digunakan  yakni  pada  Tabel  3 berikut.
Tabel 3. Data fluida.
Density
: 998,2 kg/m 3
Cp ( specific heat ) : 4.182 J/kg.k Thermal conductivity : 0,6 W/m.k Viscosity
: 0,001003 kg/m.s

## 4. Hasil dan Pembahasan
Hasil perhitungan empiris dibandingkan dengan hasil pemodelan yang berupa kontur animasi dari fase dan distribusi partikel pada Gambar 2 berikut.
(a) (b)
(c) (d)
Gambar 2. Distribusi kecepatan aliran yang melewati elbow pada (a) 1 inch, (b) 2 inch, (c) 4 inch, dan (d) 6 inch.
Hasil  simulasi  menunjukkan  distribusi  kecepatan aliran berwarna yang melintasi elbow . Warna merah pada grafik menunjukkan kecepatan  aliran tertinggi, yang  kemudian  turun  sesuai  dengan  warnanya. Warna jingga dan merah mendominasi elbow dengan diameter  2  inch,  menunjukkan elbow tersebut memiliki kecepatan aliran tinggi dibandingkan elbow lainnya.  Tabel  4  berikut  menunjukkan  laju  aliran rata-rata dan head loss yang melewati elbow .
Tabel 4. Head loss hasil simulasi dan hasil nomograf.
Diameter elbow ( inch ) Head loss Hasil Simulasi ( m ) Head loss Perhitungan Nomograf ( m ) 1 0,00560 0,0048 2 0,00470 0,0023 4 0,00054 0,0011 6 0,00041 0,0006
Bilangan  Reynolds  memberikan  pengaruh  yang signifikan pada aliran laminar, transisi, dan turbulen dalam  fluida  yang  mengalir.  Arah  aliran  yang  tidak seragam  menyebabkan  tegangan  geser  melintasi fluida,  sering  disebut  dengan  turbulensi.  Turbulensi yaitu  gerakan  fluida  yang  sangat  rumit  [8].  Adanya turbulensi  dan  gesekan  antara  fluida  dan  dinding pipa  saat  melewati  belokan  menjadi  salah  satu pemicu munculnya head loss .
Gambar 2. Grafik head loss vs elbow.
Head  loss hasil  simulasi  menunjukkan  hasil  yang serupa  dengan  perhitungan  nomograf  yaitu  semakin mengecil  seiring  dengan  bertambahnya  diameter.
Head  loss sebanding  dengan  kuadrat  kecepatan aliran.  Semakin  besar  kecepatan  aliran,  maka head loss juga semakin besar. Fluida mengalir membentuk lapis batas yang dipengaruhi oleh  gaya gesek fluida dengan  permukaan  dinding  pipa.  Kecepatan  fluida yang  mengalir  tidak  seragam  yaitu  semakin  besar ketika  menjauhi  pusat.  Perbedaan  kecepatan menimbulkan separasi aliran yang berefek pada head loss dan  penurunan  efisiensi  [9].  Separasi  adalah fenomena  umum  ketika  fluida  melebihi  lengkung geometri  [10].  Letak  separasi  dipengaruhi  oleh heat transfer, di  mana  dinding  yang  lebih  dingin  akan menyebabkan peningkatan kecepatan aliran, sehingga  mengurangi  separasi.  Letak  separasi tergantung bilangan Reynolds fluida yang mengalir.
Adanya head  loss akan  menyebabkan  tumbukan partikel  cair,  gesekan  yang  lebih  tinggi  dari turbulensi,  serta  distribusi  kecepatan  yang  tidak merata di seluruh penampang pipa. Akan ada osilasi atau  pusaran  air  jika  ada  dinding  pipa  lapisan  batas yang  terpisah.  Adanya  osilasi  ini  akan  mengganggu pola  aliran  laminar,  sehingga  menyebabkan  lebih banyak turbulensi [11].

## 5. Kesimpulan
Berdasarkan  hasil  kajian  diperoleh  kesimpulan bahwa  nilai head  loss sebanding  dengan  diameter elbow ,  semakin  besar  diameter elbow , head  loss semakin  kecil.  Hasil  simulasi  menunjukkan  hasil yang serupa dengan perhitungan nomograf.

## Daftar Pustaka
[1] F.  Fadhli  and  S.  Madjid,  2017  “STUDI EKSPERIMENTAL  PENGARUH  VARIASI BELOKAN  PIPA  (ELBOW)  TERHADAP KECEPATAN  ALIRAN  FLUIDA  DAN KERUGIAN  TEKANAN,”  ILTEK  J.  Teknol., vol. 12, no. 01, pp. 1717–1721.
[2] A.  Saputra,  H.  P.  Sauala,  J.  2016  “Analisa Kehilangan  Energi  Pada  Belokan  Pipa Berangsur-  Angsur  Dan  Belokan  Pipa  45
Derajat  Secara  Langsung".  Skripsi.  Universitas Halu Oleo. Kendari.
[3] Widodo,  E.,  and  R.  Y.  Pradhana.  "Analysis  of pipe  diameter  variation  in  axial  pumps  for reducing  head  loss." IOP  Conference  Series: Materials  Science  and  Engineering .  Vol.  403.
No. 1. IOP Publishing, 2018.
[4] Putra.  I.E.,  dkk.,  2017,  Analisa  Rugi  Aliran ( Head  Losses) pada  Pipa  PVC,  Seminar Nasional Peranan Ipteks Menuju Industri  Masa Depan, Institut Teknologi Padang, Padang
[5] Fathoni.  W.,  &  Novianto.  S.,  2018,  Analisa
Aliran  Fluida  ( Fully  Develop  Flow )  pada  Pipa Circular  dengan  Menggunakan  CFD  Fluent”, Jurnal  Teknik  Mesin  Untirta  Vol.IV,  No.2, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa, Serang [6] Zainudin., dkk., 2012, Analisa Pengaruh Variasi Sudut  Sambungan  Belokan  Terhadap Head Losses Aliran  Pipa,  Dinamika  Teknik  Mesin,
Vol.2, No.2, Universitas Mataram, Mataram
[7] Cahyana.  Gede.  H.,  2014, Nomograf, Cara Cepat  Hitung  Debit.  Majalah  Air  Minum, Dosen Teknik Lingkungan Universitas Kebangsaan, Bandung
[8] Argyropoulos, Christos D., and N. C. Markatos. "Recent  advances  on  the  numerical  modelling of  turbulent  flows." Applied  Mathematical Modelling 39.2 (2015): 693-732.
[9] Chang,  Paul  K. Separation  of  flow .  Elsevier, 2014.
[10] Mahmud,  Shohel,  AKM  Sadrul  Islam,  and Mohammad  Arif  Hasan  Mamun.  "Separation characteristics  of  fluid  flow  inside  two  parallel plates with wavy surface." International journal of  engineering  science 40.13  (2002):  1495- 1509.)
[11] Waspodo,  Waspodo.  "Analisa  Head  Loss Sistem  Jaringan  Pipa  Pada  Sambungan  Pipa Kombinasi  Diameter  Berbeda." Suara  Teknik:
Jurnal Ilmiah 8.1 (2017). 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0 5 10 H ea dl os s (m ) Diameter Elbow (inch)
Headloss Hasil Simulasi (m) Headloss Perhitungan Nomogram (m)