## STUDI NUMERIK: KOMPARASI PENGARUH RASIO PANJANG DAN DIAMETER GUIDE VANE TERHADAP ALIRAN UDARA OUTLET DUCTING

## NUMERICAL STUDY: COMPARISON THE EFFECT OF RATIO LENGTH AND DIAMETER GUIDE VANE OF AIR FLOW ON OUTLET DUCTING

## Fajar Anggara
Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mercu Buana, Jakarta, Indonesia email: fajar.anggara1@mercubuana.ac.id
Received: 13 Oktober 2020 Accepted: 30 Desember 2020 Published: 31 Desember 2020 © 2020 SJME Kinematika All
Rights Reserved.

## Abstrak
Guide  vane sangat  berperan  dalam  pengkondisian  pola  aliran  dan  kecepatan fluida  sebelum  melewati  sudu  turbin.  Dengan  konfigurasi  pemasangan  turbin sumbu  aksial  sesudah  kondensor  ac,  dibutuhkan guide  vane yang  mampu menghasilkan  kecepatan  tinggi  pada  daerah  dekat  dinding  ducting.  Untuk  itu penelitian  ini  dilakukan  untuk  membandingkan  pengaruh  rasio  dimensi panjang  dan  diameter  menggunakan  ANSYS  FLUENT  17.  Variasi  dimensi geometri guide vane dibagi menjadi dua tipe, dimana masing-masing memiliki tiga  variasi  geometri.  Tipe  1dengan  rasio  dimensi  panjang  terdiri  atas  variasi A, B dan C sedangkan tipe 2 dengan rasio dimensi diameter, variasinya adalah D,  E  dan  F.  Hasil  memperlihatkan  bahwa  variasi  B  dan  F  menghasilkan kecepatan  paling  tinggi  di  tipenya.  Hal  ini  karena  efek  percepatan  maksimal pada variasi B dan sudut terkecil guide vane akan mengurangi gaya gesek pada variasi F.
Kata Kunci: Guide Vane , CFD, Turbin Aksial

## Abstract
Guide  vane  has  an  important  role  for  conditioning  flow  pattern  of  fluid velocity.  With  the  configuration  of  axial  turbine  blade,  the  flow  pattern  near wall  must  have  the  highest  velocity.  As  such  that  intention,  this  research  is conducted  to  compare  between  the  effect  of  dimension  ratio  of  length  and diameter  of  guide  vane  using  ANSYS  FLUENT  17.  The  dimension  ratio  of guide  vane  has  been  divided  into  two  types  with  each  of  types  has  three variations.  Type  1  is  ratio  of  length  that  having  variation  A, B  and  C,  whilst type 2 is ratio of diameter  with  D, E and F variations. The result shows that variation  B  and  F  produces  the  highest  velocity.  Because  the  effect  of acceleration on variation B is maximum so that it increases the velocity, while on variation F has the smallest angle of guide vane that would reduce the drag force.
Keywords: Guide Vane, CFD, Axial Turbine
DOI: 10.20527/sjmekinematika.v5i2.178 How to cite : Anggara,  F. , “Studi  Numerik:  Komparasi  Pengaruh  Rasio  Panjang  Dan  Diameter Guide  Vane Terhadap Aliran Udara Outlet Ducting ” . Scientific Journal  of Mechanical Engineering  Kinematika, 5(2), 150-159, 2020.

## PENDAHULUAN
Permasalahan  global  yang  muncul  akibat  meningkatnya  jumlah  populasi  manusia dan industri adalah kelangkaan sumber energi.  Beberapa upaya yang sudah dilakukan oleh peneliti antara lain dengan memanfaatkan sumber energi terbarukan, peningkatan efesiensi dari  suatu  sistem  dan  penyimpanan  energi.  Turbin  angin  [1],  mikrohidro  [2]  dan  turbin ombak  laut  [3]  adalah  bentuk  aplikasi  sumber  energi  terbarukan  sedangkan  baterai  dan Thermal Energy Storage (TES) [4], [5]adalah bentuk aplikasi penyimpanan energi.
Guide  vane sangat  berperan  penting  untuk  mengkondisikan  pola  dan  kecepatan aliran  angin  di  dalam ducting [ 6]–[8 ].  Pemasangan guide  vane mampu  meningkatkan efesiensi kerja turbin dan mampu mempengaruhi besarnya kecepatan keluaran angin.
Simulasi Computational  Fluid  Dyinamic (CFD)  dilakukan  untuk  mengamati fenomena  fisis  yang  terjadi  pada  suatu  proses  yang  sedang  diamati  dimana  pendekatan eksperimen  sulit  dijangkau  atau  membutuhkan  biaya  yang  sangat  mahal.  Beberapa penelitian  yang  memanfaatkan  CFD  [9]  dengan  tujuan  tersebut  sudah  banyak  dilakukan seperti  pada  kajian  fenomena  pelelehan [10] , turbomachinery , multiphase [11] dan  masih banyak lagi.
Pada  penelitian  ini  merupakan  salah  satu  bentuk  aplikasi  peningkatan  efesiensi energi  pada  suatu  sistem  refrigrasi    dimana  turbin  angin  aksial  dipasang  pada  sisi outlet kondensor  yang  dihubungkan  oleh ducting. Hal  ini  diharapkan  ketika  aliran  angin  dari kondensor  bisa  dimanfaatkan  untuk  memutar  turbin  angin  tersebut  untuk  menghasilkan energi listrik. Dengan konfigurasi turbin aksial yang dipasang pada kondensor, aliran angin yang  paling  efektif  untuk  memutar  turbin  angin  aksial  adalah  daerah  yang  dekat  dengan dinding ducting .  Untuk  itu  penilitian  ini  ditujukan  untuk  membandingkan  pengaruh dimensi panjang dan diameter pada guide vane menggunakan ANSYS FLUENT 17 dalam bentuk 3D. Hasil dari ukuran dimensi yang dihasilkan pada simulasi ini sangat dibutuhkan untuk proses fabrikasi guide vane

## Model Numerik
Bentuk governing  equation pada  umumnya  ada  tiga  yaitu  persamaan  konservasi  massa, momentum dan energi. Namun karena persamaan energi tidak diaktifkan maka  governing equation  yang  dipakai  hanya  dua  yaitu  konservasi  massa  dan  momentum.  Bentuk persamaan tersebut bisa dilihat sebagai berikut.
Bentuk mass governing equation dengan asumsi steady state [12] :
( ) (1)
Asumsi  bahwa  panas  yang  keluar  dari  kondensor  tidak  mempengaruhi  pola  aliran  udara pada ducting saat melewati guide vane sehingga untuk persamaan energi tidak diaktifkan pada  simulasi  ini.  Bentuk  turbulensi  yang  digunakan  adalah  k  -  ε  dan  fungsi  aliran  pada dinding  adalah enhanced wall treatment . Bentuk momentum governing equation dengan asumsi steady state [13] :
( ) (2) ( ) (3)
( ) (4)
Pada  dasarannya  CFD  mengubah  persamaan governing  equation (persamaan  masa, momentum dan energi) dari bentuk turunan diferensial parsial menjadi bentuk persamaan polinomial.  Metode  diskretisasi  yang  umum  digunakan  pada  CFD  antara  lain  sebagai berikut:
a. FDM ( finite difference method )
b. FEM ( finite element method )
c. FVM ( finite volume method )
Metode  diskritisasi  yang  digunakan  pada  penelitian  ini  adalah  FVM  dalam  bentuk program software [12].  Karena  asumsi  yang  digunakan  bahwa  simulasi  ini  tidak  melihat fenomena transfer energi maka energy transport di nonaktifkan.

## Air Ducting
Air ducting adalah sebuah komponen yang digunakan untuk mengalirkan udara dari satu  tempat  ke  tempat  lain.  Seperti  pada  Gambar  1  komponen  ini  akan  dibuat menggunakan plate besi  berukuran  1  mm,  dan  didesain  sedemikian  rupa  untuk  untuk menghalangi  pengaruh  kecepatan  udara  dari  luar.  Sehingga  aliran  angin  yang dihembusakan oleh kondensor terhadap baling-baling generator bisa lebih dipusatkan.
Gambar 1. Air Ducting
Bahan  material  yang  digunakan air  ducting adalah plate besi  yang  memiliki  nilai konduktivitas panas yang cukup tinggi sehingga panas udara dari kondensor bisa langsung dibuang  ke  lingkungan.  Fenomena  transfer  panas  yang  terjadi  tidak  mempengaruhi  pola aliran  udara  didalam ducting dan  panas  tersebut  diasumsikan  langsung  dibuang  ke lingkungan. Sehingga asumsi transfer energi pada simulasi ini diabaikan.

## Jenis Dan Karakteristik Aliran
Karakteristik  aliran  fluida  pada  aliran  dapat  dibedakan  menjadi  tiga  jenis  yaitu laminar, transisi dan turbulen [14]. Profil aliran fluida yang melalui pipa  dipengaruhi oleh gaya  momentum,  viskositas  dan  gaya  gesek  fluida.  Pembagian  jenis  aliran  fluida  secara umum dapat dikatagorikan dengan memperhitungkan bilangan reynold.
1. Aliran Laminar
Pada  Gambar  2  adalah  aliran  laminar  dimana  pengaruh  viskositas  cukup  besar sehingga  aliran  bergerak  dalam  lapisan  yang  terlihat  jelas.  Khusus  aliran  pada  pipa
kecepatan paling besar berada pada bagian tengah pipa [14] . Aliran laminar ini mempunyai nilai bilangan Reynoldsnya kurang dari 2300 (Re < 2300) [14] .

## Gambar 2. Visualisasi Aliran Laminar [14]

## 2. Aliran Transisi
Gambar  3  adalah  aliran  transisi  dimana  aliran  tersebut  merupakan  peralihan  dari aliran  laminer  ke  aliran  turbulen.  Nilai  bilangan  Reynoldsnya  antara  2300  -  4000 (2300<Re<4000) [14].

## Gambar 3. Visualisasi Aliran Transisi [14]

## 3. Aliran Turbulen
Gambar 4 merupakan aliran turbulen dimana  pergerakan dari partikel-partikel fluida sangat  tidak  beraturan  karena  mengalami  putaran  partikel  antar  lapisan,  sehingga mengakibatkan  pencampuran  antar  lapisan  yang  baik.  Putaran  partikel  ini  sangat dipengaruhi  oleh  bilangan  Reynolds [14] .    Dimana  nilai  bilangan  Renoldsnya  lebih  besar dari 4000 (Re>4000) [14 ].
Gambar 4. Visualisasi Aliran Turbulen [14]

## METODE PENELITIAN
Pada  sesi  ini  menjelaskan  tentang  tahapan-tahapan  penelitian  yang  dilakukan  dan bisa dilihat selengkapnya pada Gambar  5. Pada Gambar 5 proses tahapan dimulai dengan membuat  domain  geometri  fluida  kemudian  dilanjutkan  dengan  pembuatan  mesh dimana domain  geometri  dipotong  dalam  bentuk  volume-volume  kecil  sesusai  dengan  konsep finite  volume.  Tahapan  selanjutnya  adalah  melakukan  konfigurasi  simulasi  ANSYS FLUENT 17 dimana konfigurasi boundary condition dan solution discretization ditentukan berdasarkan asumsi untuk menyelesaikan governing equation. Setelah  dilakukan running tahap result bisa ditampilkan untuk melihat kontur dan grafik kecepatan aliran angin pada outlet  ducting .
Pembuatan geometri pada penelitian ini terdapat 6 geometri yang disesuaikan dengan pembagian tipe 1 dan tipe 2. Dimana tipe 1 adalah variasi rasio dimensi panjang dan tipe 2 adalah variasi rasio diameter inlet guide vane. Pada masing-masing tipe dilakukan 3 variasi rasio, untuk lebih jelasnya bisa dilihat pada Gambar 2  dan Tabel 1. Gambar 6 menjelaskan bagaimana bentuk domain geometri dan setup pemasangan inlet guide vane. Rasio tipe 1 adalah  P1/P2  sedangkan  tipe  2  adalah  D1/D2,.  Tabel  1  menjelaskan  nilai  rasio  dimensi untuk masing-masing tipe 1 dan 2.
Pada tahapan pembuatan mesh , bentuk domain geometri dipotong kecil-kecil sesuai dengan kaedah finite volume. Untuk software ANSYS FLUENT 17 menggunakan  konsep diskretisasi  finite  volume  dan  bisa  dilihat  lebih  jelas  pada  Gambar  7.  Pada  Gambar  7 terlihat  bahwa  bentuk  mesh  yang  digunakan  adalah tetrahedrons dan  sudah  dilakukan settingan fine mesh pada ANSYS 17.
Tabel 1. Daftar variasi pada masing-masing tipe Tipe Besar Rasio Pada Variasi Pembilang (mm) Penyebut (mm)
1(P 1 /P 2 ) (A) 0.25 100 400 (B) 0.5 200 400 (C) 0.75 300 400
2(D 1 /D 2 ) (D) 1
140 140 (E) 0.5 140 280 (F) 0.4 140 350
Pada  tipe  1  variasi  yang  diubah  adalah  perbandingan  panjang  P 1 dengan  P 2 . Perbandingan  P 1 dengan  P 2 secara  tidak  langsung  mengakibatkan  perubahan  sudut kemiringan guide vane , dimana rasio A memiliki sudut kemiringan paling besar di tipe 1. Variasi  pada  tipe  1  ditujukan  untuk  melihat  pengaruh  efek  panjang  lintasan  (P 2 -P 1 ) terhadap  kecepatan  aliran  setelah  melewati guide  vane .  Pada  tipe  2  variasi  yang  diubah adalah  perbandingan  diameter  D 1 dengan  D 2 .  Hal  ini  ditujukan  untuk  melihat  langsung pengaruh sudut kemiringan guide vane . Meshing pada  daerah  dinding  sudah  dibuat  rapat  agar  menghasilkan  tingkat keakurasian  yang  baik.  Pendefinisian boundary  condition pada  mesh  disesuaikan  dengan Gambar  2  yaitu  sisi  dinding  kanan  adalah  inlet  sedangkan  sisi  kiri  adalah outlet .  Sudut guide vane diambil antara sisi miringnya dengan garis imajiner mendatar. Nilai boundary condition pada simulasi ini bisa dilihat pada Tabel 2.
Mulai Studi Pustaka Desain Geometri Tipe 1 Tipe 2 Pembuatan Mesh Konfigurasi Fluent Analisa Hasil Selesai
Gambar 5. Diagram Alir Penelitian
In le t U d a ra O u tl e t Guide Vane D 1 D 2 P1 P2 Ducting Gambar 6. Domain Geometri Gambar 7. Bentuk Mesh
Tabel 2. Nilai boundary condition pada simulasi No Kondisi Batas Keterangan 1 Type velocity- inlet Inlet 4 m/s 2 Type pressure-outlet outlet 0 pa

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada  Gambar  8  menunjukan  kontur  kecepatan  yang  dihasilkan  pada  salah  satu variasi inlet guide vane . Mula-mula  angin masuk dengan kecepatan 4 m/s, namun setelah melewati  daerah  penyempitan  di  Gambar  8  (garis  merah)  kecepatan  angin  pada ducting semakin cepat. Hal ini disebabkan karena hukum kekelan massa dimana efek penyempitan luas  permukaan  menyebabkan  peningkatan  kecepatan  sebagai  timbal  balik  menyamakan mass flowrate udara  pada  daerah  tersebut.  Daerah  kecepatan  yang  terbentuk  inilah  yang diinginkan untuk memutar turbin aksial pada outlet ducting .
a a b
Gambar 8. a) Kontur Kecepatan Angin Variasi A Tipe 1 b) Kontur Kecepatan Angin Variasi D Tipe 2
Pada  Gambar  9  dan  Gambar  10  adalah  profil  kecepatan  aliran  dimana  sumbu  y adalah  posisi  diameter  dengan  0  sebagai pusat  dari  diameter ducting sedangkan  sumbu  x merupakan  kecepatan  udara  pada  simulasi.  Posisi  pengambilan  data  diambil  pada  sisi outlet ducting .  Terlihat  pada  Gambar  9  dan  Gambar  10  terjadinya  penurunan  kecepatan outlet angin  pada  semua  variasi  di  tipe  1  dan2,  pada  posisi  dekat  dengan  pusat  diameter ducting . Hal ini karena pada daerah tersebut, aliran angin dihalangi oleh guide vane. Pada  Gambar  9  terlihat  bahwa  variasi  A  menghasilkan  kecepatan  lebih  rendah dibandingkan variasi B pada posisi dekat dengan dinding. Hal ini disebabkan karena sudut guide  vane variasi  A  lebih  besar  dibandingkan  B  sehingga  pengaruh drag lebih  besar. Sudut  kemiringan guide  vane yang  semakin  besar  menjadi  hambatan  bagi  aliran  udara yang masuk sehingga menyebabkan kecepatan aliran pada outlet lebih kecil. Sudut guide vane variasi B lebih besar dibanding variasi C, namun kecepatan outlet udara pada variasi B  lebih  besar  dibandingkan  dengan  variasi  C.    Hal  ini  disebabkan  karena  jarak  daerah penyempitan  terhadap outlet ducting (P2-P1)  pada  variasi  B  lebih  panjang  dibandingkan variasi C. Sehingga pengaruh percepatan terhadap kecepatan outlet variasi B lebih besar dibandingkan variasi C.
Gambar 9. Grafik Kecepatan Angin Di Sisi Outlet Tipe 1
Pada  Gambar  10  menggambarkan  pola  aliran  angin  pada  sisi outlet untuk  tipe  2. Terlihat  bahwa  kecepatan  angin  pada ducting berbanding  terbalik  dengan  sudut guide vane .  Dimana  semakin  besar  sudut guide  vane maka  semakin  besar  pengaruh drag terhadap  aliran  udara  sehingga  mengakibatkan  kecepatan outlet ducting semakin  kecil.
Namun jika dibandingkan antara tipe 1 dengan tipe 2, bahwa kecepatan pada pada tipe 1 lebih besar.
Gambar 10. Grafik Kecepatan Angin Di Sisi Outlet Tipe 2

## KESIMPULAN
Pola aliran yang dihasilkan oleh guide vane memberikan kecenderungan yang sama dimana  kecepatan  yang  dekat  dengan  dinding ducting pada  sisi outlet semakin  besar. Tentunya  pola  aliran  seperti  ini  yang  dibutuhkan,  agar  semua  aliran  angin  langsung menabrak sudu turbin aksial.
Pengaruh drag semakin  besar  ketika  sudut guide  vane semakin  besar  sehingga menyebabkan  kecepatan  udara  pada outlet  ducting semakin  kecil.  Hal  ini  sangat  terlihat pada pola aliran yang disajikan dalam grafik pada tipe 2.
Pada  tipe  1  juga  memberikan  pengaruh  dimensi  rasio  panjang guide  vane terhadap kecepatan angin pada outlet ducting . Variasi B tipe 1 menjelaskan bahwa kecepatan outlet tidak  hanya  dipengaruhi  oleh drag saja,  namun  ada  pengaruh  lain  yaitu  percepatan. Dimana  efek  percepatan  berbanding  lurus  dengan  jarak  P2-P1.  Dari  hasil  simulasi  rasio terbaik  pada  masing-masing  tipe  yaitu  variasi  B  tipe  1  dan  variasi  F  tipe  2  yang  akan digunakan untuk fabrikasi guide vane .

## REFERENSI
[1] 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, doi: 10.1109/ICRERA.2017.8191249.
[2] K.  V.  Alexander,  E.  P.  Giddens,  and  A.  M.  Fuller,  “Axial-flow  turbines  for  low  head microhydro  systems,” Renew.  Energy ,  vol.  34,  no.  1,  pp.  35–47,  2009,  doi: 10.1016/j.renene.2008.03.017.
[3] R. Alonso, M. Jackson, P. Santoro, M. Fossati, S. Solari, and L. Teixeira, “Wave and tidal energy resource assessment in Uruguayan shelf seas,” Renew. Energy , vol. 114, pp. 18–31, 2017, doi: 10.1016/j.renene.2017.03.074.
[4] 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, doi: 10.1063/1.5049968.
[5] F.  Anggara,  H.  Carles,  P.R.  Ansyah,  “Studi  Numerik:  Pengaruh  Debit  Inlet  Terhadap Karakteristik  Pelelehan  Paraffin  Wax  Pada  Tabung  Silinder,” Sci.  J.  Mech.  Eng. Kinemat. ,vol. 4, no. 1, pp. 1–8, 2019.
[6] 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, doi: 10.1016/j.flowmeasinst.2019.101648.
[7] 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, doi: 10.1016/j.anucene.2019.05.015.
[8] R.A  Ratu,  F.Anggara,  “Investigasi  Analisis  Numerik  Pada  Pengaruh  Perbandingan Diameter  Inlet  Dan  Outlet  Guide  Vane  Terhadap  Velocity  Profile,” Sci.  J.  Mech.  Eng. Kinemat ., vol. 5, no. 1, pp. 1–10, 2020, doi: 10.20527/sjmekinematika.v5i1.98.
[9] A.  Aryadillah  and  A.  Mursadin,  “Analisis  Perbandingan  Kinerja  Sistem  Distribusi  Panas Pada Variasi Ruang Mesin Pengering Ikan,” Sci. J. Mech. Eng. Kinemat. , vol. 1, no. 1, pp. 27–36, 2016, doi: 10.20527/sjmekinematika.v1i1.25.
[10] F.  Anggara et  al. ,  “Simulation  and  validation  of  PCM  melting  in  concentric  double  pipe heat exchanger,” AIP Conf. Proc. , vol. 2001, 2018, doi: 10.1063/1.5049967.
[11] Y.  ting  LIU,  T.  zu  YANG,  Z.  CHEN,  Z.  yu  ZHU,  L.  ZHANG,  and  Q.  HUANG, “Experiment  and  numerical  simulation  of  two-phase  flow  in  oxygen  enriched  side-blown furnace,” Trans.  Nonferrous  Met.  Soc.  China  (English  Ed. ,  vol.  30,  no.  1,  pp.  249–258, 2020, doi: 10.1016/S1003-6326(19)65196-4.
[12] ANSYS, “ANSYS Fluent Theory Guide--Release 17.0,” Comput. Commun. , vol. 15317, no. January, pp. 724–746, 2016, doi: 10.1016/0140-3664(87)90311-2.
[13] ANSYS Inc. (US), “Ansys Users’ Guide,” Aging (Albany. NY). , vol. 7, no. 11, pp. 956–963, 2015, doi: 10.1017/CBO9781107415324.004.
[14] E.J. Shaughnessy, I. M. Katz, J.P. Schaffer, 2013, Introduction To Fluid Mechanics :MIT Press