## Mekanika : Jurnal Teknik Mesin
Universitas 17 Agustus 1945 Surabaya Volume 9, Nomor 1, Juli 2023

## ANALISIS OPTIMASI DESAIN SIMULASI CFD DAN FSI ANTARA
IMPELLER CIRCULAR ARC DAN MODEL VARIASI
Elisa Sulistyorini 1 , Indah Nurpriyanti 2 , Ninik Martini 3 , M. Khoirul Anas 4
Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas 17 Agustus 1945 Surabaya, Indonesia email: elisasulistyorini@untag-sby.ac.id

## ABSTRAK
Impeller adalah  sebuah  komponen  yang  berbentuk  roda  atau  baling-baling  yang dipasang  pada  poros  pusat  dan  berputar di  dalam  sebuah  mesin  pompa  atau  kipas. impeller biasanya terdiri dari beberapa sudu yang menempel pada bagian pinggirnya dan membentuk aliran fluida yang berputar. Penelitian ini membandingkan optimasi desain hasil simulasi CFD dan FSI antara impeller Circular Arc dan impeller model variasi. Simulasi menggunakan CFD meliputi  tekanan  dan  distribusi  kecepatan.  Sedangkan  simulasi  menggunakan  FSI  meliputi tegangan, regangan dan deformasi. Berdasarkan hasil simulasi, perbandingan efisiensi impeller dengan  metode Circular  Arc dan  model  variasi  dapat  disimpulkan  bahwa impeller metode Circular  Arc lebih  efisien  dan  dapat  menghasilkan  air  yang  lebih  besar  dari  pada impeller variasi, namun dengan akibat bahwa nilai dari tegangan, regangan, dan deformasi yang terjadi pada impeller Circular Arc jauh lebih tinggi.
Kata kunci: Impeller; Circular Arc; CFD; FSI

## ABSTRACT
The impeller is a component in the form of a wheel or vane which is mounted on a central shaft and rotates in a pump or fan engine. The impeller usually consists of several blades attached to the edges and forms a rotating fluid flow. This study compares design optimization of CFD and  FSI  simulation  results  between  circular  arc  impellers  and  variation  model  impellers. Simulation using CFD includes pressure and velocity distribution. While the simulation using FSI includes stress, strain, and deformation. Based on the simulation results, a comparison of the impeller efficiency with the circular arc method and the variation model can be concluded that the circular arc impeller method is more efficient and can produce more water than the variation impeller, but with the result that the values of stress, strain, and deformation that occur in Circular Arc impeller is much higher.
Key Word: Impeller; Circular Arc; CFD; FSI

## PENDAHULUAN
Impeller adalah  sebuah  komponen  yang  berbentuk  roda  atau  baling-baling  yang dipasang pada poros pusat dan berputar di dalam sebuah mesin pompa atau kipas. Fungsi utama
impeller adalah untuk mengalirkan atau menghisap fluida, seperti air atau udara, dan mengubah energi mekanik dari poros putar menjadi energi kinetik atau energi tekanan pada fluida.
Impeller biasanya terdiri dari beberapa sudu yang menempel pada bagian pinggirnya dan membentuk aliran fluida yang berputar. Ketika impeller berputar, fluida di sekitarnya akan dihisap dan terdorong keluar dari sudut sudu impeller yang berputar. Proses ini menciptakan perbedaan tekanan yang menyebabkan fluida bergerak dan dialirkan melalui saluran atau pipa.
Penggunaan impeller sangat  umum  dalam  berbagai  aplikasi,  seperti  dalam  industri pengolahan air, sistem pendinginan, mesin pompa air, kipas pendingin komputer, dan banyak lagi. Desain impeller dapat bervariasi tergantung pada kebutuhan aplikasi dan sifat fluida yang akan dipompa atau dihisap. Dalam proses perancangan dan analisis mesin pompa atau kipas, penting untuk mempertimbangkan desain dan performa impeller agar memenuhi persyaratan dan efisiensi yang diinginkan.
Optimasi merujuk pada proses mencari solusi terbaik atau yang paling optimal di antara berbagai pilihan yang tersedia, dengan memaksimalkan atau meminimalkan satu atau beberapa kriteria  yang  ditetapkan.  Tujuan  utama  dari  optimasi  adalah  mencapai  hasil  yang  terbaik, terutamadalam hal efisiensi, kinerja, keuntungan, atau pemenuhan tujuan tertentu.
Optimasi desain impeller adalah proses mencari konfigurasi dan bentuk impeller yang paling  optimal  untuk  mencapai  performa  dan  efisiensi  tertinggi  dalam  mengalirkan  atau menghisap  fluida.  Tujuan  dari  optimasi  desain impeller adalah  untuk  meningkatkan  kinerja impeller dengan cara mengubah geometri, sudut sudu, atau fitur lainnya untuk memaksimalkan aliran  fluida,  meningkatkan  efisiensi,  mengurangi  kebisingan,  atau  memenuhi  persyaratan khusus dari aplikasi tertentu.
Proses optimasi desain impeller melibatkan analisis matematis, simulasi numerik, dan teknik pemodelan untuk mengidentifikasi dan menguji berbagai konfigurasi desain impeller . Langkah-langkah umum dalam optimasi desain impeller termasuk:
1. Pemahaman  Kebutuhan  Aplikasi:  Memahami  persyaratan  kinerja  dan  tujuan  aplikasi impeller adalah  langkah  pertama  dalam  optimasi.  Hal  ini  mencakup  aliran  yang diinginkan,  tekanan,  efisiensi,  dan  kebisingan  yang  diperbolehkan,  serta  karakteristik fluida yang akan dipompa atau dihisap.
2. Simulasi Komputasi Fluida (CFD): Menggunakan perangkat lunak simulasi CFD, aliran fluida  di  sekitar impeller dapat  dimodelkan  dan  dianalisis.  Dengan  CFD,  berbagai konfigurasi  desain impeller dapat  diuji  dan  dievaluasi  untuk  melihat  bagaimana  setiap perubahan mempengaruhi performa impeller .
3. Optimasi  Geometri impeller :  Selama  simulasi  CFD,  variasikan  bentuk  geometri,  sudut sudu,  jumlah  sudu,  dan  fitur  lainnya  pada impeller untuk  mencari  kombinasi  yang memberikan performa hidrolik dan efisiensi terbaik.
4. Analisis  Kekuatan  Struktural:  Selain  performa  hidrolik,  pastikan  untuk  menganalisis kekuatan  struktural impeller .  Pastikan  bahwa  desain impeller tetap  kuat  dan  aman  saat berputar dengan kecepatan tinggi.
5. Evaluasi Hasil: Lakukan evaluasi terhadap hasil simulasi dan identifikasi desain impeller yang  memberikan  performa  dan  efisiensi  yang  optimal  sesuai  dengan  kriteria  yang ditetapkan.
6. Pembuatan  Prototipe  dan  Uji  Coba:  Setelah  desain  dianggap  memadai  berdasarkan simulasi CFD, buat prototipe impeller dan uji di lingkungan yang sesuai dengan kondisi operasional  yang  diinginkan.  Uji  kinerja impeller dan  pastikan  hasilnya  sesuai  dengan prediksi dari simulasi CFD.
7. Iterasi dan Perbaikan: Jika hasil uji coba tidak memenuhi kriteria yang ditetapkan, lakukan iterasi  kembali  ke  langkah-langkah  sebelumnya  untuk  meningkatkan  desain.  Lakukan evaluasi dan perbaikan berulang hingga desain mencapai performa yang optimal.
Optimasi  desain impeller dapat  dilakukan  dengan  simulasi  CFD  da  FSI.  CFD merupakan  singkatan  dari  "Computational  Fluid  Dynamics"  atau  dalam  bahasa  Indonesia dikenal  sebagai  "Dinamika  Fluida  Komputasional."  CFD  adalah  cabang  ilmu  yang menggunakan metode numerik dan komputasi untuk menganalisis dan memodelkan perilaku aliran fluida secara virtual di sekitar benda atau dalam sistem tertentu.
Dalam  CFD,  persamaan  dasar  yang  menggambarkan  aliran  fluida,  yaitu  persamaan konservasi massa, momentum, dan energi, dipecahkan menggunakan metode numerik untuk memprediksi  aliran  fluida  di  sekitar  suatu  objek  atau  dalam  suatu  domain  tertentu.  CFD digunakan  untuk  memahami  dan  mengoptimalkan  berbagai  fenomena  yang  terkait  dengan aliran  fluida,  termasuk  tekanan,  kecepatan,  distribusi  suhu,  turbulensi,  dan  gaya  yang dihasilkan oleh fluida pada benda.
Simulasi  FSI  adalah  singkatan  dari  "Fluid-Structure  Interaction"  atau  dalam  bahasa Indonesia  dikenal  sebagai  "Interaksi  Fluida-Struktur."  Simulasi  FSI  adalah  metode  yang digunakan untuk memodelkan dan menganalisis interaksi antara aliran fluida dan struktur yang terkena aliran tersebut.
Dalam  simulasi  FSI,  bagian  dari  sistem  dianggap  sebagai  fluida,  sementara  bagian lainnya  dianggap  sebagai  struktur  yang  berinteraksi  dengan  fluida.  Ketika  aliran  fluida bergerak  di  sekitar  struktur,  tekanan  dan gaya  dari  fluida  akan  mempengaruhi  gerakan  atau deformasi struktur, dan sebaliknya, deformasi atau gerakan struktur juga akan mempengaruhi aliran fluida di sekitarnya.
Pilihan  desain  impeller  sangat  tergantung  pada  karakteristik  aplikasi  dan  sifat  fluida yang akan dipompa atau dihisap. Desain impeller Circular Arc dapat menjadi pilihan yang baik untuk aplikasi dengan kecepatan putaran tinggi, aliran tinggi, dan beban sentrifugal yang harus dikelola dengan baik. Impeller Circular Arc (Ark Pelampung) adalah jenis desain impeller yang bentuk sudu-sudunya menyerupai sejumlah arc lingkaran (busur) yang berputar mengelilingi poros pusatnya. Impeller dengan desain seperti ini sering digunakan dalam beberapa aplikasi, terutama  di  industri  turbin  angin  atau  turbin  hidro  yang  menggunakan  air  sebagai  fluida kerjanya.
Beberapa karakteristik dari impeller Circular Arc termasuk:
1. Efisiensi Tinggi: Desain sudu busur dari impeller ini dapat memberikan efisiensi hidrolik yang tinggi dalam mengkonversi energi kinetik menjadi energi tekanan pada fluida yang dihisap atau dipompa.
2. Beban Sentrifugal Rendah: Sudu-sudu busur memungkinkan beban sentrifugal yang lebih merata dan rendah pada sudut-sudut impeller, yang dapat mengurangi beban pada bantalan dan meningkatkan keandalan impeller.
3. Kemampuan Mengatasi Kavitasi: Impeller Circular Arc diketahui memiliki kemampuan yang baik dalam mengatasi fenomena kavitas, yaitu pembentukan gelembung-gelembung udara  di  sekitar  sudu-sudu  impeller  akibat  tekanan  yang  rendah.  Kavitasi  dapat menyebabkan penurunan performa dan kerusakan pada impeller, dan desain Circular Arc membantu mengurangi risiko kavitas.
4. Stabilitas Rotasi: Desain Circular Arc dapat memberikan stabilitas rotasi yang baik pada impeller,  yang  meminimalkan  getaran  yang  berlebihan  dan  potensi  kerusakan  akibat keausan.Namun, desain impeller ini mungkin tidak selalu cocok untuk semua aplikasi, dan optimasi desain harus mempertimbangkan persyaratan khusus dari masing-masing aplikasi yang dihadapi.
Pada  penelitian  ini,  penulis  membandingkan  optimasi  desain  antara impeller model Circular  Arc dan impeller model  variasi  yang  penulis  desain  sendiri.  Optimasi  dilakukan menggunakan  pendekatan  CFD  dan  FSI.  Simulasi menggunakan  CFD  meliputi  tekanan  dan distribusi kecepatan. Sedangkan simulasi menggunakan FSI meliputi tegangan, regangan dan deformasi.

## PROSEDUR EKSPERIMEN
Prosedur penelitian ini adalah sebagai berikut:

## 1. Perhitungan Desain Impeller
Perhitungan  desain  impeller  dilakukan  untuk  menentukan  dimensi  utama  dari  impeller. Dimensi utama impeller antara lain: diameter poros, diameter leher, diameter mata, diameter sisi  masuk,  sudut  masuk,  lebar  Haluan  sisi  masuk,  diameter  sisi  keluar,  sudut  keluar  dan jumlah  sudu.  Dimensi  utama  yang  diperoleh  dari  hasil  perhitungan  selanjutnya  akan digunakan  sebagai  acuan  dalam  penggambaran  model  impeller.  Berikut  adalah  dimensi utama impeller.
Tabel 1. Dimensi utama impeller Diameter poros impeller 20 mm Diameter mata impeller 30 mm Jumlah sudu 6 Diameter impeller 120 mm

## 2. Perancangan Model Impeller
Model impeller digambarkan melalui software, yang sebelumnya didapat dari data-data hasil perhitungan  impeller  yang  berupa  dimensi  utama  impeller.  Dalam  pengambaran  dimulai dengan  menggambar  hub  dari  impeller,  selanjutnya  dilakukan  pelukisan  sudu  dengan menggunakan metode  circular  arc  dengan  membagi  impeller menjadi  lingkaran-lingkaran konsentris.  Berikut  adalah  data  jari-jari  lingkaran  impeller  model  circular  arc  dan  model variasi.
Tabel 2. Data jari-jari lingkaran impeller model circular arc Titik β [°] R [mm] cos(β) ρ 1 49.5 20 0.649448048  - 2 47.9225 30 0.670135194  35.13657 3 46.345 40 0.690314381  46.61372 4 44.7675 50 0.709970313  57.06358 5 43.19 60 0.729088092  66.69278
Gambar 1. Desain impeller model circular arc Tabel 3. Data jari-jari lingkaran impeller model variasi Titik β [°] R [mm] cos(β) ρ 1 31,8 20 0,8849892693  31,8 2 5,8 27,5 0,99488070 5,8 3 23 35 0,9205048 23 4 45,3 42,5 0,703394 45,3 5 62,7 50 0,45864955 62,7
Gambar 2. Desain impeller model variasi

## 3. Pengambilan Data
Di dalam pengambilan data kita mengidentifikasikan jenis pompa apa yang dipakai dengan spesifikasinya,  daya,  rpm,  head  dan  suction  yang  dimiliki  pompa  sentrifugal  dan menganalisa secara software.
4. Analisis sofware
Data-data yang didapat dari identifikasi jenis pompa dijadikan data inputan dalam analisis software dengan menggunakan CFD dan FSI.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
1. Hasil Simulasi CFD
a) Tekanan
Hasil  simulasi  CFD  pertama  yang  diamati  dari  kedua  model  tersebut  adalah  berupa Tekanan distribution. Distribusi tekanan dari kedua model tersebut dapat dilihat pada gambar berikut :
Gambar 3. Kontur tekanan pada impeller model variasi
Gambar 4. Kontur tekanan pada model Impeller Circular Arc
Berdasarkan Contour di atas, pada model Impeller Circular Arc terlihat bahwa tekanan air meningkat secara bertahap jika dibandingkan dengan model pertama. Selanjutnya

## b) Distribusi Kecepatan
Yang  diamati  nilai  perbedaan  distribusi  kecepatan  dari  kedua  model  impeller  yang  ada  dan dapat dilihat pada gambar di bawah ini :
Gambar 5. Kontur kecepatan pada impeller Variasi
Gambar 6. kontur kecepatan pada impeller Circular Arc
Berdasarkan kontur di atas, kecepatan air pada model pertama (model variasi) Ketika akan meninggalkan pompa menuju outlet masih cenderung tinggi jika dibandingkan dengan model impeller dari Circular Arc . Hal tersebut menyebabkan tekanan air yang dihasilkan dari pompa dengan model impeller variasi masih cukup rendah jika dibandingkan dengan pompa dengan impeller model kedua.
Selanjutnya juga dapat dilihat perbedaan tekanan antara sisi inlet dan sisi outlet dari kedua model impeller. Perbedaan nilai tersebut dapat dilihat pada tabel 3 berikut :
Tabel 3. Perbedaan nilai tekanan inlet dan outlet Impeller Pin Pout ΔP = Pout – Pin Variasi -25033 3137 28169 Circular Arc -298230  37257  33555
Berdasarkan tabel di atas, model impeller yang Digambar menggunakan Circular Arc menghasilkan tekanan outlet yang lebih tinggi dan tekanan inlet yang lebih rendah. Hal tersebut juga mengakibatkan kenaikan tekanan yang dihasilkan juga lebih baik daripada model impeller variasi.

## 2. Hasil Simulasi FSI
a) Tegangan
Hasil simulasi FSI pertama yang diamati dari kedua model tersebut adalah bagaimana Stress yang dialami kedua impeller. Distribusi tegangan von-mises dari kedua model impeller dapat dilihat pada gambar berikut :
Gambar 7. Tegangan von-mises pada Impeller Variasi

## Gambar 8. Tegangan Von-mises pada impeller Circular Arc
Berdasarkan kontur diatas, tekanan yang dialami oleh impeller dengan penggambaran Circular Arc lebih tinggi dibandingkan dengan model variasi (σvon- Mises max model variasi = 30,079 MPa dan σvon-Mises max model Circular Arc = 36,395 MPa). Hal tersebut dapat terjadi  karena  peningkatan  tekanan  air  pada  model  impeller Circular  Arc lebih  tinggi dibandingkan  dengan  model  impeller  variasi  berdasarkan  hasil  simulasi  CFD  sebelumnya. selanjutnya,  bagian  yang  mayoritas  mengalami  tekanan  adalah  pada  bagian tengah  impeller dekat dengan Suction side yang disebabkan karena terjadinya peningkatan tekanan air Ketika keluar dari impeller.
b) Regangan
Gambar 9. Strain pada model impeller Variasi
Gambar 10. strain pada impeller Circular Arc
Sama halnya dengan kontur tegangan (von-mises stress) sebelumnya, regangan (strain) yang dialami oleh impeller dengan model Circular Arc lebih tinggi dari impeller variasi.
c) Deformasi
Selanjutnya  juga  dapat  diamati  deformasi  yang  terjadi  akibat  dari  tekanan  air  yang dialami oleh kedua impeller yang dapat dilihat pada gambar berikut:
Gambar 10. Deformasi yang pada impeller variasi

## Gambar 11. Deformasi yang pada impeller Circular Arc
Berdasarkan kontur diatas, dapat dilihat bahwa  deformasi yang dialami oleh impeller pada Circular Arc lebih tinggi dibandingkan dengan model yang pertama (δmax model variasi = 0,011779 mm dan δmax model circular arc = 0,036154 mm) dan terjadi pada pinggir luar impeller.  Hal  ini  dapat  terjadi  karena  tekanan  air  yang  keluar  dari  impeller  pada  model penggambaran Circular  Arc lebih  tinggi  dari  model  impeller  variasi,  selain  itu  terjadi peningkatan  tekanan  air  sepanjang  volute  yang  menyebabkan  bagian  pinggir  impeller mengalami deformasi yang besar. Dari kontur tersebut juga dapat diamati bahwa pada pompa dengan model impeller variasi terjadi penurunan tekanan air Ketika akan keluar melewati outlet yang  ditandai  dengan  terjadinya  penurunan  deformasi  yang  dialami  impeller  variasi  pada bagian  atas  impeller  pada  kontur  (area  dekat  dengan  sisi  outlet).  Sedangkan  pada  model impeller Circular Arc , deformasi mengalami kenaikkan pada bagian atas impeller pada kontur (area  dekat  dengan  outlet).  Hal  ini  mengindikasikan  bahwa  peningkatan  tekanan  air  pada pompa dengan menggunakan model impeller Circular Arc lebih optimal.

## KESIMPULAN DAN SARAN
Berdasarkan  hasil  simulasi,  perbandingan  efisiensi  impeller  dengan metode Circular Arc dan model variasi dapat disimpulkan bahwa impeller metode Circular Arc lebih efisien dan dapat menghasilkan air yang lebih besar dari pada impeller variasi, namun dengan akibat bahwa nilai dari tegangan, regangan, dan deformasi yang terjadi pada impeller Circular Arc jauh lebih tinggi.

## REFERENSI
[1]  Iskandar, Y., Nazaruddin, N., & Arif, Z. (2021). Pengaruh Jumlah Sudu Impeller Terhadap Debit  Air  Yang  Dihasilkan  Pompa  Centrifugal.  Journal  of  Mechanical  Engineering Manufactures
Materials and Energy, 5(1), 78–90.
https://doi.org/10.31289/jmemme.v5i1.4472
[2]  Wang, S. G., Guo, Z. J., and Li, D. R., 2003, Shadow Compensation of Color Aerial Images , Geomatics and Information Science of Wuhuan University (Chinese), Vol. 28, No. 5, 514-516.
[3]  Musyafa, A. A., & Siregar, I. H. (2020). Pengaruh Jumlah Sudu Sentrifugal ImpelleMusyafa, A. A., & Siregar, I. H. (2015). Pengaruh Jumlah Sudu Sentrifugal Impeller Terhadap Kapasitas Dan Efisiensi Pompa Sentrifugal. Teknik Mesin,
Universitas Negeri Surabaya, 03, 136–144. Teknik Mesin, Universitas Negeri Surabaya, 03, 136–144
[4]  Pendidikan, S., Mesin, T., Teknik, F., Surabaya, U. N., Mesin, J. T., Teknik, F., & Surabaya, U. N. (1800). POMPA SENTRIFUGAL Dimas Alief Pratama Indra Herlamba Siregar. 83–88.
[5]  Putra, L. A. (2017). Analisa Kerusakan Pompa Sentrifugal P-011C Di Pt. Sulfindo Adiusaha Dengan Menggunakan Transducer Getaran Accelerometer. Jurnal Teknik Mesin, 5(3), 9. https://doi.org/10.22441/jtm.v5i3.1211
[6]  Rahman, A., Zakinura, M., Mesin, T., Negeri, P., & Performance, L. (n.d.). Analisa low performance pompa sentrifugal single stage double souction radially split tipe bb.2 (pp. 496–501).
[7]  Ranggatama, G., & Pranoto, H. (2020). Analisis perancangan pompa sentrifugal pada perancangan Shower Tester Booth di PT X. Jurnal Teknik Mesin, 09(2), 88–95.
[8]  S Muttalli, R., Agrawal, S., & Warudkar, H. (2014). CFD Simulation of Centrifugal Pump Impeller Using ANSYS-CFX. International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology, 03(08), 15553–15561. https://doi.org/10.15680/ijirset.2014.0308066
[9]  Suhadi, A., Studi, P., Teknik, M., & Pancasila, U. (n.d.). PENGEMBANGAN PROSES PEMBUATAN IMPELLER. 8(3), 115–119.
[10] Teknik, J., Perkapalan, S., & Kelautan, F. T. (2015). Optimasi Desain Impeller Pompa Sentrifugal Menggunakan Pendekatan CFD. 4(2), 6– 11.