Valve - Raditya Aryaputra Adityawarman

Raditya Aryaputra

Biodata Diri

Nama: Raditya Aryaputra Adityawarman

NPM: 1806181691

Kelas: Sistem Fluida-03

Pertemuan 1: Kamis, 12 November 2020

Pada pertemuan ini kami mempelajari karakterisasi aliran dari valve dan memperkirakan pressure drop yang terjadi pada model valve.

Fungsi dari valve adalah membuka aliran/menghentikan aliran, mengatur/meregulasi jumlah aliran, dan mengarahkan aliran untuk menghindari backflow.

Tipe-tipe valve:

• butterfly valve
• check valve
• gate valve
• globe valve
• ball valve

Kemudian Ales menjelaskan tentang apa itu CFD. CFD (Computational Fluid Dynamics) adalah pengembangan ilmu menggunakan analisis numerik untuk memcahkan masalah yang melibatkan aliran fluida. Contohnya fenomena konduksi, konveksi, aliran, dan lain-lain. Selain itu CFD berguna untuk menghitung rumus dan visualisasi sehingga kita dapat memanfaatkan sistem fluida.

Lalu kami menjalankan simulasi dengan CFDSOF mengenai pressure drop pada aliran gate valve. Berikut urutan pengerjaan simulasinya:

Simulasi Pressure Drop Aliran Gate Valve

---

SET UP

1. Pertama, buka aplikasi dan buat file CFD
2. Kemudian masukkan geometri valve
3. Skalakan geometri valve jika diperlukan
4. Pada base mesh, tentukan boundary condition pada box mesh boundaries. Terdapat beberapa pilihan yaitu inlet, outlet, wall, symmetry, dan empty. Inlet dan outlet untuk keluar dan masuknya fluida, wall untuk permukaan kotak, dan empty jika tidak ingin dianalisis.
5. Pada generate mesh, pastikan titik mesh location di dalam kotak tersebut, karena kita menganalisis aliran internal
6. Kemudian masuk ke geometry mesh dan pilih surface refinement 3. Fungsinya agar mesh yang dibuat lebih banyak dan hasil simulasi lebih akurat
7. Klik generate mesh
8. Lalu check mesh, memastikan semua mesh sudah dibuat dengan baik
9. Pada simulation model, pilih turbulance-RANS dan apply model
10. Kemudian muncul tab turbulance. Pada tab itu pilih turbulance model sst-kω
11. Fluid properties sudah benar, maka biarkan saja
12. Pada boundary condition, inlet dengan tipe velocity inlet sebesar 1 m/s, outlet dengan tipe outflow, dan yang lain stationary wall.
13. Pada tab CFD-solve, run dengan 3000 iterasi/perhitungan
14. Tunggu hingga konvergen dan selesai

POST PROCESSING

1. Pada tab post-processing, masuk ke paraview
2. Apply model sehingga terlihat valvenya. Pastikan ada variabel tekanan, kecepatan, dan turbulen.
3. Kecepatan pada paraview merupakan kecepatan kinematik, yaitu kecepatan statik dibagi rho. Kita harus menghitung tekanan statik melalui kalkulator. pstatic=p.1.225
4. Buka kalkulator lagi untuk menghitung magnitude kecepatan untuk mencari p dinamik. magU=sqrt(U_X^2+U_Y^2+U_Z^2)
5. Hitung p dinamik. pdynamic=0.5*1.225*magU^2
6. Kemudian hitung p total dan klik apply. ptotal=pstatic+pdynamic
7. Lalu kita ekstrak surface yang diinginkan, yaitu inlet dan outlet dengan cara filters->alphabetical->extract block->pilih inlet1 dan outlet1
8. Kita lihat p total inlet dan outlet dengan integrate variable
9. Terakhir, kita menghitung pressure drop dengan cara dp = ptotal inlet- ptotal outlet dengan satuan Pascal.

Lampiran

Tugas Simulasi Valve

---

Pada tugas ini, saya mencoba simulasi valve dengan bentuk yang berbeda. Berikut model valve yang digunakan:

Kemudian saya melakukan meshing serta boundary condition.

Lalu dilakukan simulasi dengan iterasi sebanyak 2000 dengan v inlet 1 m/s.

Setelah dilakukan simulasi, buka paraview dan hitung p statik, p dinamik, dan p totalnya. Pressure drop dari simulasi ini adalah 0,00207598

Untuk mengetahui disribusi tekanan total pada sumbu x, maka kita perlu membuat grafik. Caranya yaitu:

1. Klik p total, lalu pilih plot overline
2. Pastikan garis melintang di sumbu x dan berada di tengah-tengah valve, lalu klik apply
3. Pilih variabel yang diplot. Pada simulasi ini yang dilihan tekanan total

Selanjutnya untuk visualisasi tekanan total dapat menggunakan slice, caranya:

1. Klik p total, lalu pilih slice
2. Pada slice, pilih plane pada normal z, dan klik apply

Dari situ kita bisa memilih kontur tekanan total, untuk variabel lain bisa juga dilihat.

Pertemuan 2: Kamis, 19 November 2020

Pada pertemuan ini, Pak Dai menjelsakan mengenai segitiga kecepatan pada sistem fluida. Segitiga kecepatan merupakan segitiga yang menunjukkan arah vektor kecepatan pada sistem fluida. Selain itu, Pak Dai menjelaskan tentang apa itu sistem fluida. Sistem fluida adalah panduan antar komponen-komponen atau sub-sistem yang salung bekerja sama dengan aturan tertentu untuk mencapai suatu tujuan masalah fluida. misalkan: tangki dan pompa yang merupakan suatu sistem yang saling kerja sama untuk memindahkan fluida dari suatu fluida dari suatu tempat ke tempat lain, dan terdiri dari elemen-elemen sub sistem untuk memindahkan energi mekanik menjadi energi fluida.

Kemudian bang Edo menjelaskan mengapa kita butuh CFD walaupun kita sudah mempelajari sistem fluida. Pada sistem fluida masih teoritis dan masih perlu adanya evaluasi dan validasi, dalam hal ini bisa diselesaikan dengan CFD. Contohnya untuk mendesain turbin air, kita simulasi dengan cfd untuk menentukan sudut sudu. Kita tidak bisa melihat pengaruh segitiga kecepatan hanya dengan teoritis saja karen CFD bisa simulasi secara dinamik atau real time. Selain fungsi visualisasi, kita bisa melihat plotting apakah analisis tepat atau tidak.

Lalu Pak Dai menjelaskan 3 metode analisa sistem fluida:

• eksperimen: metode ini hasilnya aktual atau secara real time, tapi memerlukan banyak resources baik waktu maupun ekonomis.
• teori: metode ini memberikan keyakinan kita untuk verifikasi data eksperimen betul atau tidak pada kondisi ideal, karena eksperimen ada kesalahan data.
• numerik atau CFD: bila perhitungan yang dilakukan sangat kompleks dan tidak bisa diselesaikan pada metode teoritis, maka bisa memakai CFD. kelebihannya tidak memerlukan resources yang banyak, namun kekurangannya tidak akurat seperti eksperimen dan tidak ideal seperti teoritis.

Ketiga metode tersebut saling melengkapi, maka dari itu kita harus mengenal ketiga metode ini untuk menyelesaikan masalah terkait sistem fluida.

Kemudian Pak Dai menjelaskan perbedaan antara turbin impuls dan turbin reaksi.

• turbin impuls : Turbin impuls mengubah energi fluida dalam bentuk tekanan dengan mengubah arah aliran fluida ketika terkena bilah rotor. Turbin ini memanfaatkan head yang tinggi, dedesain berbentuk mangkuk agar terjadi perubahan momentum.
• turbin reaksi : Turbin reaksi mengubah energi fluida dengan reaksi pada bilah rotor, ketika fluida mengalami perubahan momentum. Tekanan di bagian atas kecil sementara tekanan bagian bawah besar sehingga ada gaya lengan atau torsi.

Selanjutnya, Pak Dai menjelaskan kelebihan dari openmodelica kita tidak harus bisa coding, cukup dengan pemodelan saja sudah bisa dilakukan simulasi. Pak Dai juga menjelaskan contoh aplikasi sistem fluida pada openmodelica, yaitu empty tank. Simulasi ini menunjukkan perubahan volume tangki 1 dan 2 karena perbedaan ketinggian tangki. Pada hasil simulasi grafik volume pada tangki 1 menunjukkan penurunan, sementara grafik volume tangki 2 menunjukkan kenaikan.

Tugas Mempelajari OpenModelica untuk Mempelajari Sistem Fluida

---

Dalam mempelajari sistem fluida, saya melihat aliran pada threetanks. Pada contoh tersebut, variabel yang berbeda adalah ketinggian pipa dan tinggi air di dalam tangki. Keadaan pertama yaitu ketinggian pipa 1 = 2 m, pipa 2 = 2 m, dan pipa 3 = -1 m. Sementara ketinggian air di dalam tangki 1=8 m, tangki 2 = 3 m, dan tangki 3 = 3 m. Parameter lainnya saya buat sama. Hasil dari simulasi tersebut menunjukkan volume pada tangki 1 yang berkurang dari 8 m hingga 4 m, mengisi tangki 2 dan 3. Volume tangki 2 awalnya berkurang karena mengisi tangki 3, namun karena mendapat air dari tangki 1 maka volume meningkat kembali. Sementara tangki 3 volumenya meningkat karena terisi oleh tangki 2 dan 3.

Ketika saya samakan tinggi pipa pada semua tangki menjadi 2 m, terlihat bahwa volume yang mengalami penurunan hanya pada tangki 1, karena mempunya ketinggian air di dalam air yang lebih besar, sementara kedua tangki lainnya mengalami kenaikan karena terisi air dari tangki 1.

Saat ketinggian air di dalam tangki / volume air dibuat sama semua pada ketiga tangki teersebut, tidak terjadi perubahan apapun, terlihat grafik volume yang rata terhadap waktu

Berkas file bisa dilihat di sini: https://drive.google.com/file/d/1i5lrYwOOnMVXlirF5uwLLbZmdUU2alXf/view?usp=sharing

Pertemuan 3: Kamis, 26 November 2020

Pada pertemuan ini, Pak Dai didampingi oleh pak Hariyotejo membahas mengenai pemodelan sistem fluida pada aplikasi openmodelica. Harapan dari pembelajaran ini yaitu setelah melakukan pemodelan, lebih memungkinkan untuk belajar lebih dalam dan cepat dibandingkan hitung manual dan semakin mengerti perhitungan sistem fluida.

Pemodelan adalah sebuah usaha untuk mempelajari sebuah sistem aktual melalui melalui sebuah sistem yang disimplifikasi. Model adalah sebuah sistem yang disederhanakan untuk merepresentasikan sistem aktual yang kompleks dan berukuran besar. Secara geometri dan variable disederhanakan tanpa mengurangi keakuratan sistem.

Prinsip dari pemodelan adalah usaha membuat replika kondisi aktual, tidak pernah sama tapi perubahan variabel gerometri lebih mudah dipelajari.

Model dibagi dua:

• Model fisik: pemodelan skala kecil
• Model virtual/komputasi: memerlukan ilmu-ilmu dasar fluida sehingga hasil pemodelan sesuai dan sebelum digunakan harus punya kepercayaan tentang apa hasil yang dihitung

Dalam pemodelan,sistem fisik ditransformasikan ke dalam model, lalu model tersebut didefinisikan dengan variabel dan dihubungkan satu sama lain dengan hukum-hukum fisika berupa persamaan. Ada 2 pendekatan dalam pemodelan, yaitu:

• hukum fisika (law driven model): model berdasarkan fisika. contohnya hukum bernoulli, kontinuitas, dan lain-lain.
• artificial intelligent (data driven model): variabel-variabel dari data yang tersedia dikumpulkan sehingga terlihat pola

Aplikasi pemodelan merupakan gabungan dari kedua pendekatan tersebut.

Pemodelan dengan Openmodelica

---

Selanjutnya kelas dilanjutkan dengan simulasi sistem fluida pada aplikasi openmodelica oleh Pak Hariyotejo. Beberapa contoh yang dibahas antara lain pemodelan two tank, empty tank dan simple cooling.

Pemodelan Two Tanks

Pada simulasi ini, Pak Hariyo menjelaskan dasar-dasar proses pengoperasian openmodelica dan fitur-fitur yang ada di aplikasi openmodelica. Setelah itu kami mencoba contoh two tanks dengan cara Modelica -> Theremal -> Examples -> Two Tanks. Pada contoh tersebut, ada dua tangki dengan ketinggian fluida di dalam tank dan temperatur yang berbeda. Tank 1 memiliki ketinggian air 0,9m dengan suhu 40 C. Tank 2 memiliki ketinggian air 0,1 m dengan suhu 20 C. Kedua tangki tersebut kemudian dihubungkan dengan pipa datar.

Kemudian setelah dilakukan simulasi, terlihat bahwa pada waktu 1,5 detik aliran akan mengalami titik equilibrium, titik di mana tidak ada perubahan volume relatif terhadap waktu. Dalam waktu 1.5 detik, terjadi penurunan volume pada tangki 1 kenaikan volume pada tangki 2 karena terjadi perpindahan fluida dari tangki 1 ke 2. Aliran akan berhenti pada ketinggian 0.5 m.

Berikut kode yang digunakan dalam pemodelan tersebut:

Pemodelan Two Tanks

Pada simulasi ini, Pak Hariyo menjelaskan pemodelan two tanks dari library, yaitu Modelica -> Fluid -> Examples -> Tanks -> Empty Tanks. Pada contoh tersebut, ada dua tangki yang dihubungkan dengan pipa dengan posisi vertikal dengan ketinggian tangki dan ketinggian air di dalam tangki yang berbeda. Dari perbedaan ketinggian tersebut, air dalam tangki 1 mengalir ke pipa dan mengisi tangki 2. Berikut pemodelannya:

Selanjutnya dilakukan verifikasi model, pastikal equation dan variabel jumlahnya sama. Kemudian dilakukan simulasi. Hasil dari simulasi menunjukkan perubahan volume tangki terhadap waktu karena pengaruh perbedaan ketinggian kedudukan tangki.

Perbedaan ketinggian dari tinggi air di dalam pipa dipengaruhi oleh panjang pipa vertikal.

Berikut kode yang digunakan dalam pemodelan tersebut:

Pemodelan Simple Cooling

Pada simulasi ini, Pak Hariyo menjelaskan pemodelan simple cooling yang diakses dengan library, yaitu Modelica -> Thermal -> Examples -> Simple Cooling. Pada bagian atas ada sistem saluran dari sebuah pompa. Pada bagian bawah terdapat convection, heat capacitance. Di dalam pompa, fluida dikompresikan sehingga tekanan naik untuk mengalirkan fluida. Fluida dialirkan ke pipa dan disalurkan ke outlet pipa. Pada pipa, ada perubahan kalor konveksi. Fluida di dalam pipa berinteraksi dengan fluida yang ada di luar pipa. Peran dari fluida yang mengalir dalam pipa adalah untuk mendinginkan sistem yang berada di dekat pipa.

Berikut kode yang digunakan dalam pemodelan tersebut:

Tugas Analisa Pemodelan Sistem dengan Tools Openmodelica

---

Dari sistem fluida yang diberikan dalam gambar-gambar berikut, buatlah analisa pemodelannya sbb :

1. Deskripsi/uraian fisik berdasarkan bagan yang ada
2. Prosedur analisa pemodelan
3. Analisa dan Interpretasi Hasil Pemodelan
4. Catatan konsep utama hukum fisika yang diimplementasikan dalam pemodelan
5. Berikan hasil-hasil simulasi parameter untuk mendukung kesimpulan yang diperoleh

1. Heating System

Heating System

1. Deskripsi/uraian fisik

j

2. Prosedur analisa pemodelan

l

3. Analisa dan Interpretasi Hasil Pemodelan

b

4. Konsep utama hukum fisika yang diimplementasikan dalam pemodelan

l

5. Hasil simulasi parameter untuk mendukung kesimpulan yang diperoleh

k

2. Three Tanks

Three Tanks

1. Deskripsi/uraian fisik

Sistem tersebut terdiri 3 buah tangki dengan ukuran, ketinggian tangki, dan ketinggian air di dalam tangki yang berbeda. Sistem itu juga terdapat pipa dengan ketinggian yang berbeda. Ketiga tangki tersebut terhubung dengan pipa yang menyambung port antar tangki. Berikut parameter masing-masing bagan:

Tangki 1

• ketinggian tangki = 12 m
• luas = 1 m2
• tinggi air di dalam tangki = 8 m
• diameter port = 0,1 m

Tangki 2 dan 3

• ketinggian tangki = 12 m
• luas = 1 m2
• tinggi air di dalam tangki = 3 m
• diameter port = 0,1 m

Pipa 1 dan 2

• panjang pipa = 2 m
• ketinggian port b-a = 2 m
• diameter pipa = 0,1 m

Pipa 3

• panjang pipa = 2 m
• ketinggian port b-a = -1 m
• diameter pipa = 0,1 m

2. Prosedur analisa pemodelan

• Pertama-tama, buka aplikasi openmodelica
• Untuk membuka file three tank, pilih libraries-fluid-examples-tanks-three tanks
• Setelah sistem three tank terbuka, ubah parameter dengan klik dua kali atau menambahkan coding.
• Check model terlebih dahulu sebelum simulasi. Pastikan equation dan variabel sama.
• Terakhir simulasi terhadap waktu. Hasil simulasi tersebut bisa ditarik kesimpulan

3. Analisa dan Interpretasi Hasil Pemodelan

Kondisi tangki terebut memiliki ketinggian air yang berbeda-beda dengan ketinggan pipa yang berbeda pula. Ketika volume dalam tangki tersebut berbeda, maka tekanan pada air juga berbeda. Oleh karena itu, volume air yang lebih tinggi akan berpindah ke volume yang sedikit. Hal itu terlihat dari air pada tangki 1 mengalir ke tangki 2 dan 3 sampai terjadi kesetimbangan. Volume tangki 2 awalnya berkurang karena mengisi tangki 3, namun karena mendapat air dari tangki 1 maka volume meningkat kembali. Sementara tangki 3 volumenya meningkat karena terisi oleh tangki 2 dan 3.

4. Konsep utama hukum fisika yang diimplementasikan dalam pemodelan

Hukum fisika dalam pemodelan tersebut adalah hukum tekanan hidrostatis dan hukum bernoulli dirumuskan sebagai berikut:

 Ph = ρgh

• Ph = Tekanan Hidrostatis (N/m2 atau Pa) >> 1 atm = 1 Pa
• ρ = Massa jenis (km/m3)
• g = Gaya gravitasi (m/s2)
• h = Kedalaman suatu benda dari permukaan zat cair (m)
• Ph = ρgh + P
• P = Tekanan udara luar (1 atm atau 76 cm Hg)

5. Hasil simulasi parameter untuk mendukung kesimpulan yang diperoleh

Berikut hasil simulasi berupa grafik volum terhadap waktu dengan waktu 200 detik: