Abstrak — Berbagai  macam  jenis  pompa  sentrifugal  telah dirancang  dan  digunakan  dalam  berbagai  industri  perkapalan. Akan  tetapi,  proses  desain  dan  prediksi  kinerja  pompa  tersebut masih  sulit  diprediksikan,  terutama  karena  sebagian  besar parameter  geometrisnya  bebas  dan  merupakan  efek  yang  tidak bisa secara langsung dievaluasi. Untuk alasan analisis, CFD ini digunakan  dalam  tahap  perancangan  dan  konstruksi  berbagai jenis  pompa.  Berdasarkan  hasil  rancangan  tersebut  dilakukan perhitungan  meliputi  kapasitas  pompa,  daya  hidrolis,  dan  daya pada  poros  dari  data  yg  didapatkan  dari  solver  CFD  untuk mendapatkan  desain  yang  paling  optimal  dari  beberapa  variasi blade  pada  impeller.  Hasil  variasi  jumlah  blade  yang  paling optimal adalah dengan menggunakan 7 blade, dimana kapasitas yang dihasilkan lebih besar dari kapasitas base model yaitu 70,14 m 3 /h, daya yang dibutuhkan lebih rendah dibanding dengan base model yaitu 9,02 kW, dan head 31,03 m. base model dengan Q=70 m 3 /h, P=11 kW, H=30 m
Kata Kunci — Pompa Sentrifugal, Impeller, CFD.

## I. PENDAHULUAN
ERBAGAI  macam  jenis  pompa  sentrifugal  telah dirancang  dan  digunakan  dalam  berbagai  aplikasi seperti  industri  perkapalan  dan  sektor  teknis  lainnya.  Akan tetapi,  proses  desain  dan  prediksi  kinerja  pompa  tersebut masih  sulit  diprediksikan,  terutama  karena  sebagian  besar parameter  geometrisnya  bebas  dan  merupakan  efek  yang tidak bisa secara langsung dievaluasi.
Biaya  yang  signifikan  dan  waktu  proses trial-and-error dengan  membangun  dan  menguji  prototipe  fisik  akan mengurangi margin keuntungan  produsen  pompa.  Untuk alasan analisis, CFD ini digunakan dalam tahap perancangan dan konstruksi berbagai jenis pompa [1-4]. Ketidakstabilan dan  fenomena  dinamis,  seperti  interaksi rotor-stator dapat juga  dipelajari  dengan  bantuan  CFD  [5].  Penggunaan  CFD mampu  mengurangi  biaya  pengembangan  secara  signifikan pada  perancangan  pompa  baru.  Rata-rata  penurunan diperkirakan 65% selama tahun 2005 [6]. Simulasi numerik dapat  memberikan  informasi  yang  cukup  akurat  tentang perilaku  fluida  di  mesin,  dengan  demikian  membantu engineer untuk  mendapatkan  evaluasi  kinerja  menyeluruh tertentu  dari  sebuah  rancangan.  Namun,  tantangan  untuk meningkatkan efisiensi hidrolik membutuhkan desain proses yang terbalik, di mana sejumlah besar alternatif desain harus dievaluasi.  Proses  untuk  menghasilkan mesh adalah  salah satu  tugas  yang  melelahkan  dalam  pembuatan  kode  CFD yang  banyak,  dengan  kualitas final  mesh sangat  tergantung pada  pengalaman  pengguna.  Sebuah  alternatif  yang kompleks  dalam  bidang  ini  adalah  penggunaan grid cartesian yang  dapat  mengurangi  banyak  proses  dalam
pembuatan  konstruksi.  Namun grid sendiri  tidak  bisa  tepat dalam  peletakannya,  dan  untuk  ini  alasan  berbagai  teknik numerik telah dikembangkan untuk meningkatkan akurasi di bagian ini [7-8].
Dari studi parametrik mengenai variasi beberapa variabel desain,  maka  dilakukan  suatu  penelitian  yang  menjadikan dasar  skripsi  yaitu  membuat  desain impeller yang  optimal, kemudian dipresentasikan dan dibahas.

## II. DASAR TEORI
A. Umum
Pompa  sentrifugal  adalah  sub-kelas  kerja axisymmetric dinamis  [9].  pompa  sentrifugal  yang  digunakan  untuk memindahkan  cairan  oleh  konversi  rotasi  energi  kinetik dengan energi hidrodinamik dari aliran fluida. Rotasi energi biasanya berasal dari mesin atau motor listrik. Cairan masuk secara aksial melalui mata casing , terperangkap dalam pisau impeller ,  berputar  tangensial  dan  radial  sampai  keluar melalui  semua  bagian  daun  yang  mengelilingi impeller ke dalam diffuser (bagian  dari casing ).  Fluida  cairan  akan meningkat  baik  kecepatan  dan  tekanan  saat  melewati impeller .  Di  bagian casing akan  berkurang  kecepatan alirannya dan lebih meningkatkan tekanannya.
B. Impeller
Impeller adalah  komponen  yang  berputar  dari  pompa sentrifugal,  biasanya  terbuat  dari  besi,  baja,  perunggu, kuningan, aluminium atau plastik, yang memindahkan energi dari motor yang menggerakkan pompa yang dipompa dengan mempercepat cairan keluar dari pusat rotasi. Kecepatan yang dicapai  oleh transfer  impeller ke  tekanan  saat  gerakan  luar cairan yang dibatasi oleh casing pompa.
Gambar 1 Model Impeller
C. Karakteristik Pompa
Head total pemompaan adalah sama dengan pertambahan energi  fluida antara sisi  masuk ( inlet ) dan ujung sisi  keluar ( outlet ). Head adalah  ukuran  kemampuan  pompa  untuk mendorong  fluida  mengalir  melalui  sistem.  Pada  dasarnya head total  adalah  dari  dua head yaitu head statis  dan head dinamis.
a. Head Statis  adalah Head yang  besarnya  tidak terpengaruh oleh besarnya kecepatan aliran (debit).

## Optimasi Desain Impeller Pompa Sentrifugal Menggunakan Pendekatan CFD
Prihadi Nikosai TBS dan Irfan Syarief Arief
Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : irfansya@its.ac.id
B
b. Head Dinamis  adalah Head yang  dipengaruhi  oleh kecepatan aliran.
Head total  pompa  yang  harus  disediakan  untuk mengalirkan  jumlah  cairan  seperti  direncanakan,  dapat ditentukan  dari  kondisi  instalasi  yang  akan  dilayani  oleh pompa. Head total  pompa  dapat  dicari  dengan  persamaan sebagai berikut :
2 1 2. st V H h hp h g     
Dengan:
H = Head total pemompaan [m] hst = Head statis total [m] Δhp = Perbedaan head tekanan [m] hl
= Head kerugian total [m]
V 2 /2.g  = Head kecepatan keluar [m]
g
= Percepatan gravitasi [m/s 2 ]
Dari  nilai  tekanan  pada  sisi  hisap  dan  tekanan  pada  sisi buang, head dari  impeller  dapat  dicari  dengan  persamaan sebagai berikut :
Pd Ps H    Dengan , Pd = Tekanan buang [N/m 2 ]
Ps    = Tekanan hisap [N/m 2 ] γ    = 𝜌 .g [kg/m 2 ]
Spesifikasi pompa dari perhitungan head total pompa dan kapasitas  pemompaan  (Q)  =  0,0194  m 3 /s  atau  70  m 3 /h  dan Head  (H)  =  30  m  dapat  digunakan  dalam  pemilihan  jenis pompa yang akan digunakan. Hal yang perlu di perhitungkan dalam  pompa  adalah  kecepatan  spesifik,  karena  akan menentukan  jenis  dari impeller .  Kecepatan  spesifik  dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut:
3 4 s n Q n H  Dengan:
ns = Kecepatan spesifik [rpm]
n = Putaran poros pompa [rpm] Q = Kapasitas pemompaan [m 3 /s] H = Head total pompa [m]
Gambar 2 Model Impeller berdasarkan kecepatan spesifik
Putaran  dapat  ditentukan  berdasarkan  penggerak  mulanya, dan  dapat  ditentukan  dengan  menggunakan  persamaan sebagai berikut (Igor J. Karassik, 1976):
.2.60 .120
syn f f n P P  
nsyn = Putaran standar motor sinkron [rpm]
f = Frekuensi listrik [50 Hz] P = Jumlah kutup, diambil [2 pole]
Dengan  memperhatikan  dan  memperhitungkan  adanya faktor slip dari motor listrik sebesar 1 % – 2 % dari putaran pompa, maka putaran pompa menjadi lebih rendah. sehingga putaran pompa menjadi:
p syn n n  - kerugian slip np = Putaran pompa [rpm]
nsyn = Putaran standar motor sinkron [3000 rpm]
Untuk mencari rencana daya pada motor yang digunakan pada  penggerak  pompa,  maka  kita  harus  menentukan efisiensi  pompa  terlebih  dahulu  karena  berkaitan  dengan daya motor yang digunakan.
Energi  yang  paling  efektif  yang  diterima  oleh  fluida  dari persatuan waktu disebut daya air, dan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :
Pw = 𝜌 . g . H . Q
Dengan, Pw = Daya fluida [Watt]
𝜌
= Berat jenis fluida [kg/m 3 ] g = Percepatan gravitasi [m/s 2 ]
Q = kapasitas pemompaan [m 3 /s]
Untuk  menentukan  daya  poros  pompa  terlebih  dahulu ditentukan efisiensi pompa :
Psh = Pw / 𝜂
Psh  = Daya Shaft (Watt)
massa  aliran  fluida  dapat  dihitung  dengan  persamaan sebagai berikut:
ṁ = 𝜌 . Q
Dimana,  ṁ  = mass flow [kg/s] 𝜌 = berat jenis fluida [kg/m 3 ] Q  = kapasitas pemompaan [m 3 /s]
D. Computational Fluid Dynamics
CFD  merupakan  analisa  sistem  yang  melibatkan  aliran fluida, perpindahan panas, dan fenomena yang terkait lainya seperti  reaksi  kimia  dengan  menggunakan  simulasi komputer.
Secara  umum  kerangka  kerja  CFD  meliputi  formulasi persamaan-persamaan transport yang  berlaku,  formulasi kondisi  batas  yang  sesuai,  pemilihan  atau  pengembangan kode-kode  komputasi  untuk  mengimplementasikan  teknik numerik  yang  digunakan.  Suatu  kode  CFD  terdiri  dari  tiga elemen  utama  yaitu pre-processor , solver dan post processor . 1. Pre-processor Pre-processor meliputi masukan dari permasalahan aliran ke  suatu  program  CFD  dan  transformasi  dari  masukan tersebut ke bentuk yang cocok digunakan oleh solver . 2. Solver Solve r  dapat  dibedakan  menjadi  tiga  jenis  yaitu finite difference, finite element dan metode spectral .
3. Post processing
Merupakan  tahap  visualisasi  dari  tahapan  sebelumnya. Berupa animasi, plot surface 3D & 2D, dan sebagainya.

## III. METODOLOGI
Dalam  penelitian  ini,  akan  dilakukan  identifikasi  dan perumusan masalah yaitu berapa efisiensi dari impeller dan kapasitas yang dihasilkan dari hasil optimasi  desain. Untuk permasalahan  yang  pertama  adalah  pembuatan  model impeller ,  pada  penelitian  ini  menggunakan software yang mendukung ekstensi  untuk   Numeca Fine TM Turbo Dengan kapasitas  70  m 3 /h, head 30  m,  putaran  2900  rpm. Selanjutnya,  permasalahan  yang  kedua  dapat  dipecahkan setelah permasalahan yang pertama telah mempunyai hasil.
Untuk  lingkup  penelitian  yang  kedua,  adalah  pengujian model  dan  pencatatan  data,  pengujian  dilakukan  dengan pendekatan CFD ( Computational Fluid Dynamics ), pengujian dilakukan menggunakan software Numeca Fine TM Turbo dengan memvariasikan jumlah blade .
Setelah  simulasi  pada  CFD  selesai,  selanjutnya  adalah analisa  data  dan  pembahasan  yaitu  membandingkan  data yang sudah di dapat dari pengujian model pada tiap variabel serta menampilkan data tersebut dalam grafik.

## IV. ANALISIS DAN PEMBAHASAN
A. Perancangan Model
Proses  pertama  yang  dilakukan  dalam redesign  impeller adalah  penggambaran  model hub dan shroud .  Model impeller tersebut  didapat  dari software cfturbo.  Parameter sisanya merupakan variabel desain yang dapat dimodifikasi untuk  meningkatkan  kinerja  dan  efisiensi  hidrolik impeller untuk operasi pada titik tertentu. Dalam penelitian ini variasi jumlah blade ada 4. menggunakan 5 blade , 6 blade , 7 blade , dan  8 blade dengan wrap  angel  blade 115 o untuk  semua variasi.
Namun  sebelum  model  tersebut  disimulasikan  perlu dilakukan proses meshing , model impeller seperti Gambar 2 kemudian  di export menjadi  file  dengan  format extension geomturbo  dari software cfturbo  untuk  dapat  di  lakukan proses meshing menggunakan Numeca Autogrid5 TM .
Gambar 3 Finishing Model Impeller
Tabel 1. Impeller Dimension Parameter Size Hub Diameter 22mm Suction Diameter 90mm Impeller Diameter 165mm Outlet Width 16mm Wrap Angel 115◦ B. Meshing Generation
Proses  selanjutnya importing  file dengan extension .geomturbo untuk mendeteksi apakah geometri bentuk blade, hub dan shroud sudah  memenuhi  kriteria. Number  of  point yang  direkomendasikan  untuk  tugas  ini  adalah  diatas
400.000 untuk 3D mesh . Dengan grid point number =33; wall cell width =1e-005 untuk semua variasi.
Tabel 2. Mesh Statistic
Number of  blades Number of  point 5 455367 6 450351 7 451011 8 434643
Gambar 4 Mesh Visualization
C. Pre Processor/ solver
Selanjutnya  adalah pre  solver atau flow  setting menggunakan Numeca Fine™ Turbo. Kondisi simulasi harus disesuaikan dengan kondisi sesungguhnya agar mendapatkan hasil yang maksimal. Untuk mendekati dengan kondisi real dan sesuai dengan tujuan penelitian,  maka input yang akan digunakan adalah  kecepatan spesifik fluida, mass flow , dan putaran  pompa.  Dimana  ns=31,05  rpm;  ṁ=19,93  kg/s; n=2900.
D. Solver
Solver adalah  proses  perhitungan  oleh  komputer  berdasar flow  setting dari  spesifikasi impeller pompa  untuk mendapatkan  kondisi  yang  diinginkan.  Evolusi  residu  rata- rata  di  seluruh domain dapat  diamati  selama  proses konvergensi  atau  proses running  solver .  Demikian  pula, evolusi  keseimbangan  aliran  massa (in/  out )  dan  efisiensi juga ditampilkan.
E. Post Processor Proses dalam Numeca Fine™ Turbo dimana mengorganisai  dan  menginterprestasi  data  hasil  simulasi solver CFD  yang  bisa  berupa  gambar,  kurva,  dan  animasi pada tab CFView. seperti Gambar 5 – Gambar 8 nilai tekanan pada  sisi  inlet  dan  outlet  dapat  diketahui,  sehingga  dapat dihitung head yang  dapat  dicapai  dari  tiap  variasi  jumlah blade pada tiap impeller .
Number of blade : 5
Gambar 5 Inlet-Outlet pressure & Strealine Contour
Number of blade : 6
Gambar 6 Inlet-Outlet pressure & Strealine Contour
Number of blade : 7
Gambar 7 Inlet-Outlet pressure & Strealine Contour
Number of blade : 8
Gambar 8 Inlet-Outlet pressure & Strealine Contour
Data  yang  dihasilkan  dari  simulasi  Numeca  Fine™ Turbo berupa  data  numerik  adalah  evolusi  keseimbangan  aliran massa (in/  out) dan  efisiensi,  dapat  ditabulasikan  seperti tabel berikut:
Tabel 3. Nilai Aliran Massa ( in/ out ) dan Efisiensi
Number of blades Inlet mass flow (kg/s) Outlet mass flow (kg/s) Efficiency 5 19,93 19,92 0,6088 6 19,93 19,98 0,6105 7 19,93 19,97 0,6518 8 19,93 19,93 0,6282 Tabel 4. Nilai Kapasitas dan Daya Number of blades Flow Rate m 3 /h Pw kW Psh kW 5 69,96 5,86 9,63 6 70,17 5,88 9,63 7 70,14 5,88 9,02 8 70,00 5,87 9,34
Tabel 5. Nilai Head Number of blades ps pd pd-ps H n/m 2 n/m 2 n/m 2 m 5 471000 608000 137000 13,62 6 403000 656000 253000 25,16 7 345000 657000 312000 31,03 8 315000 651000 336000 33,42
Hasil yang ditunjukkan dalam Tabel 3, Tabel 4, dan Tabel 5 menunjukkan bahwa flow rate dan daya yang dibutuhkan telah memenuhi tujuan penelitian dengan kapasitas impeller yang  lebih  besar  membutuhkan  daya  penggerak  yang  lebih rendah, ditunjukkan dengan impeller dengan variasi 7 blade yang  menghasilkan  kapasitas  70,14  m 3 /h;  daya  9,02  kW, dengan head 31,03 m.
Tabel 6. Perbandingan antara Base Model dengan Optimized Model Flow Rate m 3 /h P kW H m Base Model 70,00 11,00 30,00 Optimized Model 70,14 9,02 31,03
F. Performance Prediction
Tujuan  membuat  prediksi  kinerja  pompa  adalah  untuk mengetahui daerah kerja dari pompa yang direncanakan pada kondisi terbaik. Kinerja pompa merupakan hubungan antara head (H),  daya  (P),  dan  efisiensi  ( 𝜂 )  terhadap  kapasitas pompa (Q) Berdasarkan hasil dari simulasi CFD.
Gambar 9 Kurva hubungan antara head (H) dan kapasitas pompa (Q)
Gambar 10 Kurva hubungan antara daya (P) dan kapasitas pompa (Q)
Gambar 11 Kurva hubungan antara efisiensi ( 𝜂 ) dan kapasitas pompa (Q)
G. Hukum Kesebangunan ( Affinity laws )
Untuk  pompa  dengan  diameter impeller tetap,  kapasitas akan  berbanding  lurus  dengan  kecepatan, head akan berbanding lurus dengan kuadrat kecepatan, dan daya yang dibutuhkan akan berbanding lurus dengan kubik kecepatan. Untuk  diameter  dan  efisiensi  yang  konstan  ( Affinity  Laws ), [Q/  N],  [H/  N²],  [BHP/  N³].  Biasanya  tidak  ada  perubahan berarti  dalam  efisiensi  kisaran  pompa  dan  kecepatan operasional normal.
1 1 2 2 Q N Q N     
        2 1 1 2 2 H N H N              3 1 1 2 2 BHP N BHP N             
Dari  persamaan  diatas  dapat  juga  disimpulkan  sebagai persamaan sebagai berikut:
1 2 1 / 2 N Q Q N        2 1 2 1 / 2 N H H N        3 1 2 1 / 2 N P P N       
Data  perhitungan  menggunakan  hukum  keseimbangan menggunakan  variasi  rpm  yaitu  1450,  960,  725  dapat ditabulasikan sebagai berikut:
Tabel 7. Perbandingan Variasi RPM 2900 1450 960 725 Q (m 3 /h) 70,00 35,00 23,17 17,50 H (m) 30,00 7,50 3,29 1,88 P (kW) 9,02 1,13 0,33 0,14
Gambar 12 Kurva hubungan antara Q, H, P dengan RPM

## V. KESIMPULAN
Berdasarkan  analisis  dan  pembahasan  di  atas,  didapatkan kesimpulan sebagai berikut:
a. Outlet mass flow terbesar terdapat pada variasi dengan menggunakan  6 blade yaitu  19,98  kg/s.  Sedangkan outlet mass flow terendah terdapat pada variasi dengan menggunakan 5 blade yaitu 69,96 kg/s.
b. Head tertinggi  terdapat  pada  variasi  dengan  8 blade yaitu 33,42 m. Sedangkan head terendah terdapat pada variasi 5 blade yaitu 13,62 m.
c. Efisiensi  terbesar  terdapat  pada  variasi  dengan menggunakan  7 blade yaitu  0,6518.  Sedangkan efisiensi  terendah  terdapat  pada  variasi  dengan menggunakan 5 blade yaitu 0,6088.
5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 30 50 70 90 110 H (m ) Q (m 3 /h) Q vs H CFT System CFD B5 CFD B6
CFD B7 CFD B8 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 30 50 70 90 110 P (k W ) Q (m 3 /h) Q vs P CFT CFD B5 & B6 CFD B7 CFD B8 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 30 50 70 90 110 𝜂 Q (m 3 /h) Q vs Efisiensi CFT CFD B5 CFD B6 CFD B7 CFD B8
0 20 40 60 80 0 1000 2000
3000 4000 RPM Q (m3/h) H (m) P (kW)
d. Daya impeller terendah  terdapat  pada  variasi  dengan menggunakan 7 blade yaitu 9,02 kW. Sedangkan Daya terbesar  terdapat  pada  variasi  dengan  menggunakan  5 blade dan 6 blade yaitu 9,63 kW. e. Variasi  jumlah blade  impeller yang  paling  optimal adalah  pada  variasi  dengan  menggunakan  7 blade , dimana  kapasitas  yang  dihasilkan  lebih  besar  dari kapasitas base  model yaitu  70,14  m 3 /h  dan  daya  yang dibutuhkan lebih rendah dibanding dengan base model yaitu 9,02 kW dan head 31,03 m

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  C.  Hornsby,  [2002],  “ CFD  –  Driving  pump  design  forward ”,  World Pumps.
[2]  S. Cao,  G.  Peng, and  Z.  Yu,  [2005], “Hydro Dynamics design of roto Dynamics  pump  impeller  for  multiphase    pumping  by  combined approach of inverse design and CFD analysis,  ASME Transactions” , Journal of Fluids Engineering.
[3] F.A. Muggli and P. Holbein, [2002], “CFD calculation of a mixed flow pump  characteristic  from  shutoff  to  maximum  flow,  ASME Transactions” , Journal of Fluids Engineering.
[4]  M.  Asuaje,  F.  Bakir,  S.  Kouidri,  and  R.  Rey,  [2004], “Inverse design method  for  centrifugal  impellers  and  comparison  with  numerical simulation  tools” ,  International  Journal  for  Computational  Fluid Dynamics.
[5]  M.  Zhang,  and  H.  Tsukamoto,  [2005], “Unsteady  Hydro  Dynamics
Forces  due  to  Rotor-Stator  Interaction  on  a  Diffuser  Pump  with Identical  Number  of  Vanes  on  the  Impeller  and  Diffuser,  ASME Transactions” , Journal of Fluids Engineering.
[6]  J.  Spann,  and  S.  Horgan,  [2006], “The  evolution  of  pump  design simulation” , World Pumps.
[7] T. Ye, R. Mittal, H.S. Udaykumar, and W. Shyy, [1999], “An accurate
Cartesian grid method for viscous incompressible flows with complex immersed boundaries” , Journal of Computational Physics.
[8]  E.A.  Fadlun,  R.  Verzicco,  P.  Orlandi,  and  J.  Mohd-Yusof,
[2000],” Combined  immersed-boundary  finite-difference  methods  for three-dimensional  complex  flow  simulations” ,  J.  of  Computational
Physics.
[9]  Shepard,  Dennis  G.  [1956], “Principles  of  Turbomachinery” , McMillan.