## DENGAN ANALISA NUMERIK TERHADAP POLA ALIRAN DAN KECEPATAN KELUARAN OUTLET DUCTING
Fajar Anggara 1
1 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mercu Buana Jakarta
E-mail: fajar.anggara@mercubuana.ac.id
Abstrak-- Pada  penelitian  ini,  aliran  udara  dari  kondensor  pendingin  ruangan  dimanfaatkan  untuk memutar  turbin  melalui  ducting.  Pemasangan  guide  vane  didalam  ducting  digunakan  untuk mengarahkan  aliran  udara  agar  terpusat  ke  arah  sudu  turbin.  Investigasi  numerik  dilakukan  untuk menentukan  rasio  dimensi  panjang  yang  terbaik  antara  guide  vane  dan  ducting  dengan  ANSYS FLUENT  17.  Dengan  membandingkan  3  variasi  yaitu  A,  B  dan  C  bahwa  variasi  B  menghasilkan kecepatan 9.2-9.4 m/s pada outlet ducting. Hal ini disebabkan karena sudut guide vane B lebih kecil dibandingkan  A  dan  jarak  untuk  meningkatkan  kecepatan  lebih  panjang  dibandingkan  jarak  guide vane C.
Kata kunci: Numerik, CFD, ducting, dimensi rasio, turbin
Abstract — It  In  this  research,  air  flowing  from  condenser  of  cold  room  has  been  used  to  turning turbine through ducting. In term of installation the guide vane in the ducting, air flowing is directed to turbine blade. This investigation using ANSYS FLUENT 17 to determine the dimension ratio of length  between  guide  vane  and  ducting.  By  comparing  three  variations  A,  B  and  C  that  the  best ratio is B by producing 9.2-9.4 m/s at the outlet of ducting. This is due to the degree of the guide van B is smaller than A and the distance to increase velocity is longer than guide  vane C.
Keywords: Numeric, CFD, ducting,  ratio dimension, turbine

## 1.  PENDAHULUAN
Pengembangan  teknologi  aplikatif  pada  bidang energi  terbarukan  menjadi  solusi  bagi  manusia untuk  melanjutkan  kehidupan  yang  masih  sangat tergantung dengan sumber energi fosil. Beberapa contoh  aplikasi  pengembangan  di  bidang  energi terbarukan antara lain penyimpanan energi termal dengan paraffin wax [1], aplikasi termoakustik [2], pemanfaatan  turbin  angin  [3],  dan  penggunaan photovoltage [4], [5].
Pentingnya  pemasangan inlet  guide  vane pada aplikasi turbomachinery adalah untuk mengarahkan/memusatkan  aliran  pada  fluida kerja  untuk  menabrak  sudu  turbin.  Parameter inlet  guide  vane, seperti  sudut  tabrak  inlet  dan outlet guide  vane ,  ketebalan  sudu  turbin  sangat mempengaruhi head pada  pompa  [6].  Optimasi performa  turbin  francise  juga  dilakukan  dengan menambahkan  jumlah  guide  vane. Jumlah guide vane mempengaruhi  performa  dari turbine francise [7].
Simulasi  numerik  atau computational  fluid dynamics (CFD)  merupakan  salah  satu  metode yang  digunakan  untuk  mempelajari  fenomena aliran  secara  numerik  [8].  Penggunaan  simulasi numerik  sudah  banyak  digunakan  dikarenakan mampu  mengurangi  biaya  penelitian  dan  sudah digunakan untuk mengamati beberapa fenomena seperti  fenomena  pelelehan  [9],  aliran  pada nozzle [10], spray drying [11] dan lain-lain. Dengan  melihat  pentingnya  desain inlet  guide vane maka penelitian ini dilakukan untuk melihat
rasio  dimensi  panjang inlet  guide  vane dengan ducting terhadap  pola  aliran  dan  kecepatan keluaran  outlet ducting yang  dibantu  dengan analisa  numerik  menggunakan  CFD  ANSYS  17 dalam bentuk tiga dimensi.

## 2.  METODE PENELITIAN
Pada  bagian  ini  menjelaskan  mengenai  tahapan penelitian  yang  dilakukan  pada  simulasi  numerik menggunakan  ANSYS  FLUENT  17  dan  lebih jelasnya  bisa  dilihat  pada  Gambar  1.  Tahapan pertama  adalah  menggambar  geometri  3D menggunakan software CAD.  Geometri  yang digambar  adalah  geometri domain yang  dilalui oleh  fluida.  Sehingga  daerah  yang  dilalui  oleh fluida  menjadi  sebuah  volume solid sedangkan daerah  yang  menjadi  halangan  atau  yang  tidak dilalui  fluida  menjadi  daerah  volume  kosong. Ukuran  dari  geometri inlet  guide  vane tersebut divariasikan dengan variasi A,B dan C.
Setelah  menggambar  geometri,  tahapan  yang dilakukan  berikutnya  adalah  membuat meshing . Meshing yang  dibuat  dalam  bentuk tetrahedral dengan  batas  nilai  maksimum skewness dibawah 0.9 dan bentuk mesh bisa dilihat pada Gambar 2. Pada  Gambar  2  memperlihatkan  bentuk mesh lebih  rapat  dibagian  dinding  sedangkan  area dibelakang ducting dibuat  lebih  longgar.  Hal  ini dikarenakan  bahwa  area  tersebut  adalah  bukan area  kritis  yang  ingin  diamati.  Tingkat  kerapatan pada dinding bertujuan untuk meningkatkan hasil ketelitian  pada  simulasi.  Area  yang  ingin  diamati
berada  pada  daerah  kluaran ducting yang dikotaki warna merah sehingga lebih rapat. Setelah  membuat mesh ,  tahapan  selanjutnya adalah  melakukan  konfigurasi  FLUENT  yang akan dijelaskan pada bagian model simulasi.
Mulai Pembuatan Geometri Domain Fluida Pembuatan
Geometeri Variasi A
Pembuatan Geometeri Variasi B Pembuatan Geometeri Variasi C Pembuatan Mesh Hasil dan Pembahasan Cek Kualitas Mesh Sk ew n es s< 0 .9 Skewness<0.6 Konfigurasi dan Simualasi Ansys Fluent 17 Selesai
Gambar 1. Skema penelitian
2.1 Geometri Geometri yang dibuat dalam bentuk 3D menggunakan solidworks .  yang  disesuaikan dengan  desain  variasi    rasio  dimensi    panjang ducting dengan guide  vane .  Bentuk  setup geometri  bisa  dilihat  pada  Gambar  3.  Variasi rasio  dimensi  panjang inlet  guide  vane dengan ducting diwakili  dengan  perbandingan  P1:P2 dimana panjang ducting dibuat konstan.
Gambar 3. Bentuk set-up geometri

## 2.2 Variasi rasio dimensi panjang
Variasi  rasio  panjang ducting dengan inlet  guide vane dapat ditabelkan pada Tabel 1.
Keterbatasan  nilai  variasi  rasio  dikarenakan dengan kesesuaian tampilan, kemudahan pemasangan  alat  dan  ukuran  diameter  dari kondenser pendingin ruangan.
Tabel 1. Variasi rasio ( ) P1(mm) P2 (mm) ( ) 100 400 ( ) 200 400 ( ) 300 400 3.  MODEL SIMULASI Bentuk pemodelan simulasi numerik menggunakan  persamaan governing  equation .
Persamaan governing equation merupakan persamaan  hukum  kekekalan  yang  ditulis  dalam bentuk  diferensial.  Bentuk  persamaannya  antara lain  persamaan  kekekalan  massa,  energi  dan momentum.
( ) (1)
(2)
Pers  1,  Pers  2  merupakan  persamaan  kekelan massa, momentum berturut-turut. Pada  konfigurasi  FLUENT  digunakan  beberapa asumsi  yang  memudahkan  pengamatan  pada simulasi.  asumsi  yang  digunakan  pada  simulasi numerik  ini  adalah  dalam  keadaan steady  state . Kecepatan  inlet  dari  kondensor  dianggap  relatif konstan.  Hal  ini  disebabkan  karena  ukuran diameter dari baling-baling kondensor cukup kecil dan  setelah  dilakukan  pengambilan  data  ke lapangan  bahwa  perbedaan  kecepatan  pada daerah  yang  paling  efesien  menggerakan  turbin dari baling-baling kondensor relatif sama. Daerah yang paling efektif menggerakan turbin ditunjukan  pada  daerah  yang  dikotaki  merah  di Gambar 4.
Gambar 4. Daerah efektik untuk memutar turbin
Asumsi  lain  yang  digunakan  adalah  bahwa  tidak ada perpindahan kalor dari ducting ke lingkungan. Penggunaan solution  method adalah pressure based .  Pemodelan  turbulensi  menggunakan  k- ε model. Boundary condition kecepatan aliran pada inlet  ducting adalah  4  m/s.  fluida  yang  mengalir adalah udara.

## 4.  PEMBAHASAN
Hasil  simulasi  yang  dihasilkan  dapat  dilihat berupa  kontur  dan  grafik.  Penjelasan  mengenai kontur  kecepatan  axial  dapat  dilihat  pada Gambar  5  di  mana  kontur  kecepatan  pada daerah inlet memiliki kecepatan rendah.
Gambar 5 . Kontur kecepatan pada sumbu axial
Seiring dengan pelebaran luas penampang pada inlet  guide  vane menyebabkan  penyempitan luasan  penampang  aliran  udara  untuk  mengalir. Terjadinya  peningkatan  kecepatan  aliran  udara pada  daerah  tersebut  disebabakan  oleh  hukum kekekalan massa.
Daerah  di  belakang inlet  guide  vane merupakan daerah  berkecepatan  rendah.  Hal  ini  terjadi karena  daerah  tersebut  adalah  daerah  yang dihalangi oleh inlet guide vane .
(a) (b) (c)
Gambar 6. Perbandingan kontur kecepatan variasi (a) A, (b) B dan (c) C.
Tujuan  dipasang  nya inlet  guide  vane adalah memusatkan  dan  mempercepat  aliran  udara pada  daerah  dekat  dinding  outlet ducting . Sehingga aliran udara dapat langsung menabrak sudu turbin.
Dari  Gambar  6  terlihat  pengaruh  variasi inlet guide  vane terhadap  kontur  kecepatan.  Dimana
variasi  B  menghasilkan  kecepatan  paling  tinggi sebesar 9.4 m/s.
Gambar 7. Grafik bentuk profil kecepatan aliran pada outlet ducting Terlihat pada Gambar 7 menjelaskan bagaimana bentuk  profil  kecepatan  pada  sisi  outlet ducting . Hubungan    kecepatan  aliran  dengan  panjang diameter  berbanding  lurus.  Hal  ini  terlihat  pada diameter yang semakin besar terjadi peningkatan kecepatan.
Namun
kondisi
no-slip
mengakibatkan  kecepatan  aliran  pada  dinding ducting adalah 0.
Perbandingan  kecepatan  variasi  A  dengan  B terlihat  pada  Gambar  7,  bahwa  pada  diameter 0.2  dan  -0.2  m  kecepatan  variasi  B  lebih  cepat dibandingkan  variasi  A.  Hal  ini  disebabkan karena  sudut  yang  dimiliki inlet  guide  vane A lebih  besar,  sehingga  mengakibatkan  efek perlambatan aliran
udara lebih besar dibandingkan variasi B.
Namun  pengaruh  dari  sudut inlet  guide  vane bukan menjadi faktor utama terhadap kecepatan. Hal  ini  terlihat  pada  perbandingan  kecepatan variasi  B  dengan  C.  Dimana  sudut inlet  guide vane C  lebih  kecil  dibandingkan  dengan  B. Terlihat pada Gambar 7 pada daerah yang sama yaitu di  0.2  dan  -0.2  m  bahwa  variasi  B  memiliki kecepatan  tinggi  dibandingkan  variasi  C.  Hal  ini dikarenakan  pengaruh  percepatan  dan  panjang lintasan.  Dimana  efek  percepatan  membuat kecepatan  aliran  semakin  cepat  jika  terdapat lintasan yang cukup.

## 5.  KESIMPULAN
Inlet  guide  vane memberikan  pengaruh  pola aliran  yang  sesuai  dengan  kriteria  desain  turbin pada  outlet ducting .  Dimana  kecepatan  aliran semakin  besar  pada  daerah  yang  mendekati dinding outlet ducting . Pengaruh sudut inlet guide vane bukan  menjadi  faktor  utama  untuk meningkatkan  kecepatan  aliran  pada  daerah yang  dekat  dinding.  Namun  terdapat  faktor panjang  lintasan  dan  efek percepatan  yang  turut serta memberikan pengaruh peningkatan kecepatan.  Bahwa  ditemukan  rasio  panjang  1:2
pada inlet  guide  vane dengan ducting memberikan  kecepatan  outlet  yang  paling  cepat pada  konfigurasi  dan  bentuk  inlet  guide  vane tesebut.    yang  dibantu  dengan  analisa  numerik menggunakan CFD ANSYS 17 dalam bentuk tiga dimensi

## DAFTAR PUSTAKA
[1] P.  R.  Ansyah,  J.  Waluyo,  Suhanan,  M. Najib, and F. Anggara, “Thermal behavior of  melting  paraffin  wax  process  in cylindrical capsule by experimental study,” vol. 020008, p. 020008, 2018.
[2] R.  A.  Anugrah,  A.  Widyaparaga,  I.  M.
Miasa,  J.  Waluyo,  Sugiyanto,  and  S. Kamal, “Experimental study on performance of standing-wave
thermoacoustic  engine  at  different  tilted angles  and  resonator  length,” AIP  Conf. Proc. , vol. 2001, no. August, 2018.
[3] A.  M.  Rasham  and  J.  M.  Mahdi, “Performance  of  wind  turbines  at  three sites in Iraq,” Int. J.  Renew. Energy Res. , vol. 8, no. 3, pp. 1327 –1338, 2018.
[4] A. Annuk et al. , “Increasing self electricity consumption  by  using  double  water heating tanks for residential net zeroenergy buildings,” 2017 6th Int.  Conf. Renew. Energy Res. Appl. ICRERA 2017 , vol. 2017-Janua, pp. 106 –110, 2017.
[5] I.  Keskin  and  G.  Soykan,  “Reduction  of peak  power  consumption  by  using photovoltaic  panels  in  Turkey,” 2017  6th Int.  Conf.  Renew.  Energy  Res.  Appl. ICRERA 2017 , vol. 2017-Janua, pp. 886 –
890, 2017.
[6] X.  Wang et  al. ,  “Grey  relational  analysis and optimization of guide vane for reactor coolant  pump  in  the  coasting  transient process,” Ann. Nucl. Energy , vol. 133, pp.
431 –440, 2019.
[7] S.  Chitrakar,  H.  P.  Neopane,  and  O.  G. Dahlhaug,  “Development  of  a  test  rig  for investigating  the  flow  field  around  guide vanes  of  Francis  turbines,” Flow  Meas.
Instrum. , vol. 70, p. 101648, 2019.
[8] C.  T.  Shaw,  “Using  computational  fluid dynamics,” Book ,  vol.  22,  no.  3,  p.  323, 1992.
[9] F.  Anggara et  al. ,  “Simulation  and validation  of  PCM  melting  in  concentric double  pipe  heat  exchanger,” AIP  Conf.
Proc. , vol. 2001, 2018.
[10] B.  Y.  Prawira  and  C.  Soekardi,  “Analisis Aliran  Uap  Pada  Nozzle  Tip  Sampling Probe  Pltp  Menggunakan  Computational Fluid Dynamics,” Sinergi , vol. 21, no. 3, p. 213, 2017.
[11] T.  A.  G.  Langrish  and  D.  F.  Fletcher, “Spray  drying  of  food  ingredients  and
-0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.0 5.0 10.0 Diamet er Du ctin g ( m) Velocity (m/s) Variasi A Variasi B
Variasi C
applications  of  CFD  in  spray  drying,” Chem.  Eng.  Process. ,  vol.  40,  no.  4,  pp.
345 –354, 2001.