Bab 4: Proses Simulasi
Halaman - 34 -
BAB IV
PROSES SIMULASI
4.1. Pendahuluan
Di dalam bab ini akan dibahas mengenai proses simulasi. Dimulai dengan
langkah secara umum untuk tiap tahap, data geometri turbin serta kondisi operasi.
Data yang ditulis hanyalah data yang digunakan dalam simulasi, data lain yang
tidak diperlukan tidak ditulis. Selain itu penggunaan perangkat lunak yang dipakai
tidak akan terlalu detail dibahas, hanya terbatas pada langkah langkah intinya.
Simulasi turbin diawali dengan membuat model turbin serta mesh yang
akan digunakan sebagai domain komputasi di dalam CATIA dan ANSYS ICEM
CFD. Setelah itu simulasi dilanjutkan dengan mensimulasikan aliran udara di
sekitar turbin dengan ANSYS CFX. Parameter yang dimasukkan bersumber dari
data operasional turbin. Beberapa macam simulasi yang dilakukan akan dibahas di
bab selanjutnya.
4.2. Data Awal
Turbin uap dalam Tugas Akhir ini adalah tipe Double Flow Impulse
Reaction Condensing Turbine. Turbin ini merupakan gabungan turbin tipe impuls
dan reaksi dan memiliki 2 arah aliran uap yang berkebalikan. Dua tingkat pertama
turbin merupakan bilah tipe impuls, sedangkan 3 tingkat terakhir merupakan tipe
reaksi
Simulasi dalam tugas akhir ini hanya untuk tingkat pertama saja dari
konfigurasi turbin lengkap. Data yang diperlukan untuk simulasi adalah data
geometri turbin serta kondisi operasionalnya.
Gambar 4.1 Profil bilah stator
Bab 4: Proses Simulasi
Halaman - 35 -
Gambar 4.2 Profil bilah rotor awal (impuls)
Gambar 4.3 Profil bilah rotor pengganti (50% reaksi)
Bilah stator turbin mempunyai tinggi 52 mm, dengan panjang chord
airfoilnya 50 mm. Jumlahnya dalam satu lingkaran penuh adalah 100 buah.
Sedangkan bilah rotor turbin mempunyai panjang chord 40 mm. Tinggi bilah 60
mm dengan jumlah 178 bilah dalam 1 lingkaran penuh. Untuk lebih jelasnya
dapat dilihat di tabel berikut.
Tabel 4.1 Dimensi, jumlah bilah dan panjang bilah
Chord length (mm) Jumlah bilah Hub-shroud (mm) Stator 50 100 52 Rotor 40 178 60 Untuk data kondisi operasi diambil hanya beberapa data yang seperlunya
saja. Data tersebut meliputi temperatur masuk stator sebesar 161.9 °C, tekanan
masuk stator 6.31 bar, tekanan keluar rotor sebesar 2.53 bar. Untuk lebih jelasnya
dapat dilihat di tabel berikut.
Tabel 4.2 Data operasional yang dipakai
Temperatur inlet ( C ) 161.9 Tekanan total inlet (bar) 6.31 Tekanan outlet (bar) 2.53
Bab 4: Proses Simulasi
Halaman - 36 -
Kondisi batas inlet dan outlet :
• Inlet : Pressure inlet ; kondisi batas ini memberikan harga besar tekanan di
daerah masuk aliran
• Outlet : Pressure outlet ; kondisi batas ini mmberikan harga besar tekanan
di daerah keluar aliran
Kondisi batas yang lain :
• Periodic ; kondisi batas ini mendefinisikan bahwa terjadi daerah yang
berulang untuk bilah-bilah di sebelahnya sehingga tidak perlu membuat
domani komputasi untuk keseluruhan model (1 lingkaran penuh).
• Wall ; kondisi batas ini diberikan pada semua permukaan bilah, hub dan
shroud.
Gambar 4.4 Kondisi batas pada domain komputasi
4.3 Berbagai kasus yang Disimulasikan [9, 10]
Denga prosedur simulasi seperti yang telah dijelaskan diatas maka dikembangkan
beberapa kasus. Simulasi yang dilakukan meliputi :
A. Simulasi untuk meningkatkan akurasi perhitungan :
1. Simulasi dengan berbagai jumlah grid
Simulasi pertama yang dilakukan adalah dengan mencoba beberapa model
dengan jumlah grid yang berbeda. Tujuannya adalah untuk mengetahui bagaimana
Bab 4: Proses Simulasi
Halaman - 37 -
pengaruh jumlah grid terhadap output yang dihasilkan. Dengan mengetahui
pengaruh tersebut diharapkan output dari model dengan jumlah grid tertentu dapat
lebih akurat dan model yang dipilih digunakan sebagai model untuk simulasi-
simulasi selanjutnya.
2. Simulasi dengan model turbulensi yang berbeda
Setelah didapatkan model dengan jumlah elemen tertentu maka perlu
diketahui juga pengaruh pemilihan model turbulensi terhadap hasil yang
didapatkan. Di ANSYS CFX Turbomachinery disediakan 4 buah model turbulensi
yaitu k-epsilon, Shear Stress Transport, BSL Reynolds Stress dan SSG Reynolds
Stress. Dengan melakukan simulasi untuk keempat model turbulensi tersebut
dapat diketahui perbedaan hasil perhitungannya. Diharapkan dengan pemakaian
model turbulensi yang sesuai simulasi selanjutnya memilki hasil yang cukup
akurat dan efisien.
B. Simulasi beberapa kasus diantaranya :
1. Simulasi steady dengan variasi putaran rotor
Kasus pertama yang dilakukan adalah kondisi steady dengan variasi putaran rotor.
Hasil yang didapatkan akan dianalisis dan dibandingkan secara aerodinamika .
Dengan melakukan perbandingan tersebut diharapkan karakteristik aliran serta
pengaruh putaran rotor terhadap daya maupun efisiensi dapat diketahui dan
dipahami.
2. Simulasi quasi steady dengan interface frozen rotor
Kasus kedua yang dikembangkan adalah simulasi dengan menerapkan
interface frozen rotor. Hasil simulasi ini akan dianalisis dengan hasil simulasi
steady. Dengan analisis dan perbandingan tersebut maka karakteristik aliran dapat
diketahui. Hal lain yang diharapkan adalah dapat memahami dengan baik
karakteristik aliran di stator dan rotor dengan interface frozen rotor.
3. Simulasi dengan kondisi unsteady
Simulasi ini dilakukan setelah didapatkan hasil pada kondisi steady karena
simulasi ini membutuhkan harga tebakan awal yang diambil dari kondisi steady.
Simulasi unsteady dilakukan dengan perhitungan yang detailnya terdapat di bab V.
Bab 4: Proses Simulasi
Halaman - 38 -
C. Simulasi dengan melakukan perubahan pada model bilah rotor
Simulasi terakhir yang dilakukan adalah dengan merubah model bilah
rotor. Bilah rotor diganti dari tipe impuls dengan tipe reaksi. Setelah dilakukan
simulasi unsteady, simulasi selanjutnya adalah melihat bagaimana pengaruh
perubahan bilah terhadap perilaku aliran, daya serta efisiensinya.
4.4 Prosedur Simulasi
Data awal yang didapatkan kemudian diolah dalam berbagi tahap.
Prosedur dibagi dalam empat tahapan simulasi. Dengan adanya beberapa kali
simulasi maka beberapa tahapan dibawah ini akan diulang untuk tiap simulasi.
Untuk simulasi dengan melihat perubahan parameter fisik aliran ataupun jumlah
mesh maka tahapan yang diulang adalah kedua atau ketiga saja. Simulasi dibagi
dalam 4 tahap penting yaitu :
1. Membuat geometri turbin dengan CATIA
2. Membuat mesh sebagai domain komputasi dengan ANSYS ICEM
CFD
3. Memasukkan parameter simulasi dan menjalankan solver dengan
ANSYS CFX
4. Melihat hasil simulasi dengan ANSYS CFX
1. Membuat geometri bilah turbin di CATIA
Untuk mendapatkan hasil perhitungan yang akurat maka domain
perhitungan juga harus dibuat sedekat mungkin dengan keadaan sebenarnya.
Mesh sebagai domain perhitungan dibuat dengan acuan geometri, oleh karena itu
tahap pembuatan geometri juga sangat menentukan keakuratan hasil.
Data awal yang didapat adalah hardcopy profil bilah turbin dan dimensinya.
CATIA dipilih sebagai software untuk membuat geometri dengan alasan
kelengkapan fiturnya serta kemudahan bagi pemakai untuk membuat suatu
geometri dengan berbagai parameter.
Berikut ini langkah pembuatan geometri di CATIA :
1. Membuat sistem koordinat baru
2. Menentukan bidang dan membuat sketsa airfoil stator dan rotor untuk hub
Bab 4: Proses Simulasi
Halaman - 39 -
3. Menetukan bidang dan membuat sketsa airfoil stator dan rotor untuk
shroud
4. Mengatur orientasi bidang shroud terhadap hub untuk mengatur sudut
twist
5. Membuat parameter yang digunakan untuk mempermudah modifikasi
geometri seperti jumlah bilah, posisi airfoil dan sebagainya.
6. Menguhubungkan profil airfoil hub dan shroud dengan acuan sumbu rotasi
7. Membuat permukaan untuk kondisi batas
8. Menyimpan file dalam bentuk .igs agar bisa dibuka di ANSYS ICEM
CFD untuk membuat mesh
Keluaran dari tahapan ini adalah file geometri yang nantinya dapat dibuka di
ANSYS ICEM CFD.
Ada berbagai macam tipe file yang dapat diimport ke ANSYS ICEM CFD
antara lain ACIS, CATIA V4, DDN, DWG, STEP/IGES dan lain sebagainya.
Untuk tugas akhir ini dibuat dalam tipe file IGES atau file dengan ekstensi .igs.
Dibawah ini adalah gambar hasil pembuatan geometri di CATIA V5,bagian turbin
yang digambarkan domain komputasi dan batas-batasnya. Seperti dinding bilah
serta daerah inlet fluida dan outlet fluida.
Gambar 4.5 Pandangan 3D bilah stator dan rotor
Bab 4: Proses Simulasi
Halaman - 40 -
Gambar 4.6 Domain komputasi stator
Gambar 4.7 Domain komputasi rotor impuls
Gambar 4.8 Domain komputasi rotor reaksi
Bab 4: Proses Simulasi
Halaman - 41 -
2. Membuat mesh sebagai domain komputasi di ANSYS ICEM CFD
Tujuan dari tahap ini adalah menghasilkan mesh sebagai domain
perhitungan. Perangkat lunak yang digunakan adalah ANSYS ICEM CFD,
prangkat lunak ini menyediakan fitur pembuatan grid secara otomatis sehingga
menghemat waktu dan tenaga.
Berikut ini langkah pembuatan mesh di ANSYS ICEM CFD :
1. Mengimport file geometri yang telah dibuat di CATIAFile yang diimpor
adalah file hasil geometri di CATIA, bertipe .igs. File ini adalah file hasil
membuat model di CATIA V5 misalnya rotor.igs setelah diimpor ke
ANSYS ICEM CFD menjadi rotor.tin
2. Memperbaiki geometri bila terjadi ketidaksesuaian dengan membuat garis-
garis dan titik-titik yang baru
Repair geometri-buid topology adalah satu command yang digunakan
untuk membuat point dan curve dari garis dan titik yang dibuat di CATIA.
Perbaikan dapat berupa penggabungan beberapa garis, permukaan maupun
pemisahan garis dan permukaan. Pembuatan garis dan titik yang baru
biasanya diperlukan sebagai acuan dalam membuat block akan dijelaskan
di nomor 4.
3. Membagi permukaan ke dalam part-part baru yang akan digunakan
sebagai kondisi batas.
Untuk satu bilah biasanya dibagi dalam beberapa part seperti inlet,
outlet, hub, shroud, blade, dan periodic1 dan periodic2. Untuk blade bisa
juga dibagi menjadi beberapa part seperi upper blade dan lower blade.
4. Menentukan pembagian blok dengan membuat titik, garis dan permukaan
yang membatasinya.
Hal pertama yang dilakukan adalah menentukan strategi bagaimana
membuat blok. Blok sangat penting karena menentukan bentuk dan
kualitas grid. Semakin kompleks geometri yang dimodelkan maka
semakin besar juga usaha untuk membuat blok. Untuk model bilah turbin
ini dibuat 5 blok untuk setiap bilahnya. Titik dan garis dibuat setelah
diputuskan berapa dan bagaimana blok akan dibuat di geometri.
Bab 4: Proses Simulasi
Halaman - 42 -
5. Membuat blok dan mengasosiasikan ke geometri agar mesh yang dibuat
dalam blok sesuai dengan geometri.
Command yang digunakan di langkah ini adalah create block dan split
block, associate vertex, curve dan surface.
6. Menentukan jumlah elemen yang akan dibuat dalam mesh untuk tiap block
Command yang digunakan adalah Pre Mesh parameter-edge
paremeter. Command ini digunakan untuk menentukan berapa jumlah
elemen dalam tiap edge sehingga jumlah elemen keseluruhan dapat
ditentukan.
7. Melihat elemen elemen sebelum terjadi mesh di Pre Mesh
Hal ini dapat dilakukan dengan cara mengaktifkan Pre Mesh.
Dengan mengaktifkan Pre Mesh kita dapat melihat bagaimana distribusi
mesh di bilah turbin. Misalnya untuk daerah trailing edge dimana terdapat
kemungkinan terjadi separasi aliran ataupun fenomena aliran yang lain
sebaiknya grid harus lebih banyak. Untuk daerah lain yang diperkirakan
tidak terjadi fenomena tertentu sebaiknya tidak perlu diperbanyak dengan
pertimbangan lamanya waktu komputasi.
8. Mengatur kembali jumlah elemen dan melihat kualitas mesh yang sudah
dibuat dengan kriteria tertentu
Setelah melihat dan melakukan penyesuaian jumlah dan susunan grid
maka grid yang dibuat harus dilihat apakah memenuhi kriteria untuk dapat
dilanjutkan Command yang digunakan adalah Pre Mesh quality dengan
kriteria volume dan angle.
9. Mengubah Pre Mesh menjadi Unstructured Mesh bila kualitas mesh sudah
mencukupi
Bila mesh yang dihasilkan dirasa mencukupi dan memenuhi kriteria maka
Pre-mesh yang dihasilkan diubah menjadi mesh dengan command Convert
to unstructured mesh.
10. Mengubah setting solver ke Fluent V6 atau V4 untuk mendefinisikan
kondisi batas
Bab 4: Proses Simulasi
Halaman - 43 -
Untuk mendefinisikan kondisi batas, solver harus diganti dahulu ke Fluent
V6. Kondisi batas yang diterapkan adalah pressure inlet, pressure outlet,
wall, periodic.
11. Setelah mendefinisikan kondisi batas maka solver di setting ke ANSYS
CFX. Solver yang tadinya Fluent V6 harus diubah kembali ke ANSYS
CFX sehingga file output yang terbentuk bertipe .cfx5.
12. Membuat file output dalam bentuk .cfx5
Dengan command write input ANSYS ICEM CFD akan membuat file
dengan ekstensi .cfx5. File bentuk ini akan digunakan sebagai input oleh
ANSYS CFX. Mesh yang dihasilkan disajikan sebagai berikut :
Gambar 4.9 Blok domain komputasi stator
Gambar 4.10 Blok domain komputasi rotor impuls dan reaksi
Bab 4: Proses Simulasi
Halaman - 44 -
Gambar 4.11 Mesh untuk bilah stator dalam 3D
Gambar 3.12 Mesh untuk bilah stator dalam 2D
Gambar 3.13 Mesh untuk bilah rotor impuls dalam 3D
Bab 4: Proses Simulasi
Halaman - 45 -
Gambar 3.14 Mesh untuk bilah rotor impuls dalam 2D
Gambar 3.15 Mesh untuk bilah rotor reaksi dalam 3D
Gambar 3.16 Mesh untuk bilah rotor reaksi 2D
Bab 4: Proses Simulasi
Halaman - 46 -
3. Memasukkan parameter simulasi dan menjalankan solver ANSYS
CFX
Parameter yang menjadi masukan antara lain :
ANSYS CFX-Pre :
• Jenis Fluida : Water vapour
Fluida yang digunakan adalah uap air dengan tekanan 6.31 bar dan suhu
161.9 °C. ANSYS CFX telah menyediakan berbagai macam jenis fluida,
kita tinggal memilih ataupun dapat memasukkan nilai-nilai tertentu dalam
penentuan jenis dan keadaan fluidanya.
Untuk simulasi ini digunakan fluida uap air dengan asumsi gas ideal
( water ideal gas).
• Tipe simulasi : Steady dan Transien
Terdapat 2 macam tipe yang dapat dipilih untuk simulasi, tipe steady
digunakan untuk simulasi dimana parameter aliran yang tidak berubah
terhadap waktu. Transien merupakan kondisi dimana parameter aliran
berubah terhadap waktu. Tugas akhir ini akan mensimulasikan kedua
kondisi tersebut.
• Data Model : Tekanan referensi, Heat transfer dan Model turbulensi
• Kondisi Batas : P Total Inlet - P Static Outlet Flow direction
Interface S1 to S1 : Periodic
• Boundary definition : Wall (no slip)
ANSYS CFX-Solver :
• Type of Run : Full
• Run Mode : Serial
4. Melihat hasil simulasi ANSYS CFX
Hasil perhitungan lalu diekspor ke ANSYS CFX Post. Workspace ini
digunakan untuk melihat berbagai hasil dalam kontur, vektor, streamline. Seperti
misalnya vektor kecepatan dan kontur tekanan di bidang cascade. Dengan melihat
hasil dalam bentuk tertentu diharapkan akan menjadi lebih mudah dipahami dan
analisis akan menjadi lebih cepat.
Bab 4: Proses Simulasi
Halaman - 47 -
Salah satu contoh adalah apabila kita ingin melihat kontur properti di
bidang cascade :
1. Membuat Plane (bidang) dimana kontur kecepatan ingin kita
ketahui
2. Membuat Contour yang letaknya di bidang 1
3. Mengatur variabel yang ingin diketahui sepert tekanan, kecepatan
ataupun Mach Number beserta jumlah kontur yang terlihat.
4. Membuat Vector ataupun Streamline di bidang lain yang ingin kita
ketahui propertinya