Valve-Favian Adyatma

Nama: Favian Adyatma

NPM: 1806181773

Mata kuliah: Sistem Fluida 03

Pertemuan 01: Analisa Dua Jenis Gate Valve

Pada pertemuan pertama kelas Sisflu 03, Pak Dai dan teman-teman membahas mengenai opened gate valve dan simulasi aliran fluida yang sebelumnya sudah dijelaskan melalui dua part video tutorial simulasi di platform YouTube. Maka, setelah kelas pertama telah usai kami ditugaskan untuk melakukan hal yang sama kemudian ditambah simulasi tambahan satu gate valve.

Melalui laman ini, saya akan menjelaskan proses yang telah saya lakukan dalam menjalankan simulasi aliran fluida pada gate valve. Simulasi yang saya lakukan adalah dua kali dengan gate valve yang sudah disediakan oleh asisten dosen kelas Sisflu 03 dan gate valve pilihan pribadi.

Gate Valve Opened

Valve ini sudah disediakan dalam bentuk .stl sehingga kita cukup melakukan simulasi saja. Berikut adalah hasil tangkapan layar dari proses simulasi yang telah dilakukan beserta penjelasannya.

Saya melakukan proses simulasi seperti yang dicontohkan pada video tutorial, tetapi beberapa kendala terjadi. Saat proses menjalankan simulasi, saya harus melakukan percobaan sebanyak sepuluh kali sampai akhirnya mendapatkan hasil yang diinginkan. Kendati demikian, proses tersebut akhirnya melahirkan hasil simulasi pada CFDSOF-NG yang cukup memuaskan, seperti yang dapat diamati pada gambar di atas.

Kemudian, hambatan yang terjadi tidak selesai sampai disitu, karena Paraview yang digunakan tidak memberikan gambaran pressure drop dari simulasi yang diinginkan. Pada video tutorial, hasil meshing yang di-import ke aplikasi Paraview memperlihatkan beda warna yang signifikan sebagai tanda perbedaan tekanan permukaan satu dan lainnya, yakni pada permukaan inlet dan outlet. Namun, tanpa tahu sebabnya, saya belum mengetahui kendala yang terjadi pada simulasi Paraview yang dilakukan. Pada gambar di atas, meshing digambarkan dengan warna biru secara keseluruhan. Meskipun rumus perhitungan telah dimasukkan melalui fitur calculator, tetap tidak terjadi perubahan gambaran perbedaan tekanan. Maka, simulasi pada Paraview belum memberikan hasil memuaskan sesuai dengan yang diinginkan.

Gate Water Valve

Untuk simulasi objek kedua ini, perangkat lunak yang digunakan masih sama. Pada simulasi ini masih terjadi kendala dan hambatan yang serupa. Berikut penjelasan lebih lengkapnya.

Simulasi pada perangkat lunak CFDSOF-NG menjalankan proses meshing dengan hasil yang baik. Gambar di atas adalah proses saat menjalankan proses iterasi.

Sama seperti kendala sebelumnya, hasil simulasi pada CFDSOF-NG belum memberikan perbedaan distribusi tekanan pada valve saat di-import ke perangkat lunak Paraview dan hanya memberikan warna biru secara keseluruhan. Hal tersebut membuat distribusi tekanan dan pressure drop tidak dapat diamati. Untuk kedepannya, akan dilakukan perbaikan dimulai dari perbaikan perangkat lunak yang digunakan.

Setelah adanya evaluasi, akhirnya saya berhasil untuk mempraktekkan simulasi yang ditugaskan kepada kami.

Pertemuan 02: 19 November 2020 - Rekapan Diskusi Kelas

Pertemuan kedua diadakan pada Kamis, 19 November 2020. Pada kelas kedua Sistem Fluida 03 ini, kami bergabung dengan kelas CFD yang terdapat banyak senior kami. Maka dari itu, dengan lancar kami berdiskusi. Kegiatan dibuka dengan diskusi tentang yang kita dapatkan sepanjang pembelajaran sistem fluida di semester 5.

Selanjutnya, kami membahas juga mengenai sistem fluida itu sendiri, dimulai dari definisinya hingga pembahasan mengenai peran dari segitiga kecepatan pada blade mesin fluida.

pembahasan di kelas

Sketsa tersebut menggambarkan juga tentang bagian-bagian dari blade, diantaranya hub dan tip. Kedua komponen tersebut menyusun cara untuk menghitung spesifikasi dari mesin fluida terkait. Disampaikan juga bahwa analisis tersebut dapat menggunakan tiga metode, yaitu eksperimental, CFD (Computational Fluid Dynamics), dan teoritis. Ketiga metode tersebut saling melengkapi dan memiliki keuntungan-kerugiannya masing-masing. Eksperimental memiliki reliability paling tinggi karena secara real dilaksanakan sebuah penelitian terkait sebuah simulasi. Metode teoritis tidak lebih real daripada eksperimental, tetapi cukup efisien karena hanya memerlukan perhitungan (tidak perlu melakukan eksperimen), serta hanya bisa untuk sebuah kasus. Sementara itu, metode CFD adalah cara yang paling praktis untuk digunakan dan dapat dipraktekkan pada kondisi yang berubah-ubah, misal simulasi berputarnya sebuah turbin. Namun, CFD belum divalidasi secara langsung seperti kedua metode sebelumnya.

pembahasan di kelas

Sesi kelas dilanjutkan dengan berdiskusi terkait perbedaan turbin impuls dan turbin reaksi. Kami juga berdiskusi terkait perbedaan mendasarnya, serta perbedaan bentuk dasar geometri blade-nya, dimana blade turbin impuls lebih cekung.

Demikian hasil dari diskusi kelas Sistem Fluida 03 pada Kamis, 19 November 2020.

Tugas 02

Tugas ketiga yang diberikan kepada kelas Sistem Fluida 03 adalah mengkaji dan mempelajari simulasi permodelan sistem fluida pada aplikasi OpenModelica, lebih spesifiknya adalah menggunakan fitur Examples di bagian Fluid Library. Kami ditugaskan untuk merekap hasil pembelajaran kita di air.eng.ui.ac.id seperti biasa.

Melalui fitur yang ada di OpenModelica tersebut, contohnya Example (fluid library), sepertinya kita dapat melakukan simulasi aliran hingga sistem fluida (perpipaan).

Gambar di atas adalah subfitur dari fitur Example yang terdapat di Library Fluid. Hasil pelajaran yang saya dapatkan adalah fitur-fitur tersebut dapat digunakan untuk menjalankan simulasi aliran sistem fluida. Kendati demikian, saya belum menemukan cara untuk dapat melakukan simulasi menggunakan aplikasi ini, proses tersebut masih saya lakukan dengan mencari referensi dan video di YouTube. Sejauh ini, saya menggunakan referensi modul OpenModelica, tayangan YouTube mengenai OpenModelica, dan bertanya kepada sesama rekan sekelas, dimana proses tersebut masih berlanjut hingga tulisan ini dibuat.

Lebih dari itu, kita juga sudah dapat melakukan simulasi sistem fluida karena OpenModelica telah menyediakan template simulasi sistem fluida. Template tersebut dapat dilakukan dengan cara mengklik PumpingSystem pada fitur Examples. Berikut adalah template simulasi aliran fluida tersebut.

Simulasi aliran sistem fluida dari aplikasi OpenModelica

Selain itu, ada pula fitur yang lain mengenai tank dengan masih melalui fitur Examples. Saya mencoba untuk input EmptyTank dan TankWithOverflow pada fitur tersebut, kemudian akan ditampilkan mengenai sketsa simulasi beserta metoda numerik atau coding-nya.

Fitur EmptyTanks

Fitur TanksWithOverflow

Kemudian, saya mencoba untuk melakukan simulate pada TankWithOverFlow yang sudah tersedia. Maka, saya memperoleh besaran angka mengenai tekanan dan properti lainnya. Di bawah ini adalah gambaran dari hasil perhitungan atau hasil simulate yang dilakukan.

Pada gambar tersebut juga didapatkan besaran dari data yang telah disebutkan, seperti tekanan (1.589 bar), temperatur (20 degC), mass flow (2 kg/s), dan lain-lain

Saya menghadapi kendala dalam penyimpanan berkas dalam format .mo sebab saat dibuka kembali tidak ditemukan hasil dari yang sudah ada. Namun, apa yang saya pelajari bisa dilihat dengan file .mo berikut:

https://drive.google.com/file/d/1iaO1v0nUQL8i-y4TGB_fpG03AcXKlyGE/view?usp=sharing

Pertemuan 03: 26 November 2020

Sama dengan kelas sebelumnya, kelas ketiga ini diawali dengan diskusi, yaitu mengenai pengertian CFD (Computational Fluid Dynamics) beserta fungsinya. Pak Dai memimpin diskusi ini, mengawalinya dengan melempar kepada kita masing-masing untuk menyampaikan pendapatnya mengenai definisi dari simulasi aliran sistem fluida menggunakan komputasi (aplikasi). Beberapa orang memberikan opininya dan pada akhirnya tiba pada satu simpulan yang diutarakan oleh Pak Dai.

Sesi kelas dilanjutkan dengan praktek simulasi sistem fluida pada aplikasi CFD OpenModelica yang dipimpin oleh Pak Hario. Beliau adalah asisten dari Pak Dai pada kelas Sistem Fluida 03. Pengajaran dari Pak Hario diawali dengan membuka fitur yang terdapat di OpenModelica.

Berikutnya kami mencoba fitur Tanks, yaitu fitur yang memungkinkan kita melakukan simulasi menggunakan tanki berisi fluida. Pada percobaan simulasi kali ini, simulasinya adalah memindahkan fluida yang berada dalam suatu tangki kepada tangki yang lain. Berikut saya sertakan hasil pengerjaan selama kelas ketiga Sistem Fluida 03.

Tampak saat simulasi aliran pipa horizontal sistem fluida pada saat mengalirkan fluida dari tanki yang lebih tinggi kepada tangki dengan ketinggian yang lebih rendah

Pada gambar di atas, terlihat bahwa aliran fluida terjadi secara horizontal, tetapi fluida tetap dapat mengalir karena kedua tangki memiliki ketinggian air berbeda sehingga energi potensial yang dimiliki fluida tersebut pun berbeda. Tangki pertama memiliki tinggi 0.9 m sedangkan tangki kedua memiliki ketinggian 0.1 m. Maka, ketika kami lakukan simulasi, ketinggian fluida pada kedua tangki memiliki tinggi yang sama, yakni 0.5 m.

Lebih jauh lagi, kami mempelajari bahwa parameter-parameter pada simulasi bisa diatur sesuai yang kita inginkan. Parameter tersebut dapat diganti dengan membuka pilihan parameter. Sehabis menekan option tersebut, kita akan ditampilkan beberapa parameter, seperti tinggi awal, luas penampang, dan lain-lain, yang dapat ditentukan sesuai keinginan (sesuai keadaan di lapangan) untuk kemudian disimulasikan kembali seperti sebelumnya. Hasil dari simulasi ini akan tampil setelah diklik fitur Simulate yang bersimbol tanda panah ke kanan.

Di atas adalah tampak dari option parameter yang dapat kita tentukan sesuai data aktual di lapangan. Kemudian gambar kedua menunjukkan simulasi pada saat kami mengubah parameter sinulasi aliran fluida pipa horizontal hanya mengalir selama 0.5 detik. Maka dari itu, ketinggian fluida pada kedua tangki belum mencapai ketinggian 0.5 m, melainkan 0.554134 m dan 0.445866 m.

Setelah itu kami mencoba sebuah fitur. Fitur tersebut adalah Thermal-->HeatFluidFlow-->Examples. Fitur ini menampilkan sebuah skema pendinginan suatu zat, dimana melibatkan beberapa komponen heat exchanger, seperti heat capacitor, pump, dan thermal conductor.

Simulasi berlanjut kembali dengan percobaan yang lain. Kali ini kami melakukan simulasi dengan fitur EmptyTank. Berikut adalah gambaran mengenai simulasi yang kami lakukan.

Demikianlah simulasi yang telah kami lakukan sepanjang kelas ketiga Sistem Fluida 03 pada tanggal 26 November 2020.

Tugas 03

Tugas diberikan juga sehari setelah kelas usai. Tugas kali ini adalah analisis mengenai dua simulasi, yaitu simulasi HeatingSystem dan ThreeTank. Berikut adalah rincian dari tugas analisa tersebut.

Saya akan mencoba menjawab tugas yang diberikan sesuai dengan nomor tertera di atas.

1. Deskripsi/uraian fisik berdasarkan bagan yang ada

Di atas adalah tampilan awal jika kita melakukan simulasi pada fitur Fluid.Examples.HeatingSystem. Beberapa alat dan mesin sistem fluida terlibat pada sistem tersebut, diantaranya adalah pompa, valve, pembakar, sensor, dan pipa. Sistem ini bertujuan untuk memanaskan fluida melalui sebuah skema sistem fluida dan dipanaskan dengan suatu sistem pemanasan. Nemun, di situ juga terdapat keterlibatan dari komponen-komponen controlling system. Komponen tersebut berfungsi untuk memberikan feedback dan menyesuaikannya dengan temperatur fluida yang kita inginkan

Soal yang kedua adalah simulasi ThreeTank. Tampilan ini muncul setelah kita memasukkan fitur ThreeTank. Tiga tangki yang muncul adalah gambaran dimana terjadi pergerakan fluida diantara ketiga tangki tersebut. Adanya beda ketinggian, baik posisi maupun ketinggian fluida dalam tangki, mengakibatkan adanya perbedaan potensial antara ketiga tangki tersebut. Sebagai akibatnya, akan terjadi aliran fluida dari tempat bertekanan tinggi ke tempat bertekanan rendah. Ketinggian fluida dalam tangki juga dapat di-adjust sesuai dengan yang dikehendaki melalui fitur Parameter.

2. Prosedur analisa pemodelan

Soal HeatingSystem

Analisa dapat dilakukan dengan meninjau dengan mesin fluida yang terlibat, termasuk didalamnya komponen-komponen, seperti valve dan sensor. Seperti kita setiap komponen memiliki cara kalkulasinya tersendiri. Contohnya adalah pompa sentrifugal yang sudah pernah dibahas perhitungan analisisnya pada tengah semester yang lalu.

Selain cara CFD melalui aplikasi OpenModelica, analisa pemodelan ini juga dapat dilakukan dengan dua cara lainnya, yaitu metode teoritis dan eksperimental. Rumus-rumus yang terkait perhitungan simulasi ini dapat dituliskan pada subbahasan berikutnya.

Soal ThreeTank

Simulasi ThreeTank merupakan soal yang erat kaitannya dengan tekanan hidrostatis dan hukum-hukum mekanika fluida. Tekanan hidrostatis dapat dihitung melalui rumus-rumus fisika, sehingga perhitungan cocok dilakukan dengan metode teoritis dan CFD. CFD memudahkan kita jika ingin mengubah parameter-parameter yang ada, tetapi bisa dikatakan cocok dengan metode teoritis karena simulasi ini cukup sederhana.

3. Analisa dan interpretasi hasil pemodelan

Soal HeatingSystem

Sebagaimana tergambar di atas simulasi ini merupakan aliran yang berawal dari sebuah tank yang berada di tempat tertinggi dari sistem, kemudian dipompa menuju section selanjutnya, yaitu burner (pembakar). Pada proses tersebut, sudah terjadi fungsi controlling melalui dua sensor yang sudah dipasang, yakni sensor massa (m_sensor) dan sensor suhu (T_sensor). Kemudian aliran fluida tetap mengalir melalui pipa yang dapat ditentukan aspek-aspeknya dengan Parameter.

Berikutnya, fluida masuk melalui valve (katup) yang dapat dibuka-tutup. Fluida terus mengalir untuk kemudian didinginkan dengan radiator yang memanfaatkan temperatur ambien. Suhu yang dihasilkan juga harus melalui sensor yang ada untuk mengontrol suhu yang diinginkan. Proses yang terjadi ini memungkinkan proses HeatingSystem dapat memenuhi temperatur fluida yang diinginkan

Soal ThreeTank

Dengan melakukan Simulate pada aplikasi OpenModelica, kita akan mendapatkan besaran-besaran dari variabel terikatnya. parameter yang sudah ada sebelumnya tidak saya ganti, yakni dengan ketinggian Tank1 8 m, Tank2 3 m, dan Tank3 3 m serta panjang pipa Tank3 lebih pendek dari kedua tangki yang lain. Apa yang akan menjadi pengamatan di sini adalah terjadinya proses aliran fluida, serta ditinjau juga bagaimana fluida jika mengalir dari ketinggian berbeda dan jika fluida mengalir dari ketinggian yang sama dengan ketinggan tangki yang berbeda. Tentunya kedua perbedaan itu memberikan hasil yang berbeda. Hasil pun menunjukkan volume akhir pada Tank2 dan Tank3 berbeda.

4. Catatan konsep hukum utama fisika yang diimplementasikan dalam pemodelan

Soal HeatingSystem

Simulasi HeatingSystem sebagaimana yang sudah tertera gambarnya di atas merupakan sistem yang memiliki hubungan erat dengan rumus-rumus mekanika fluida dan transfer panas. Transfer kalor sendiri terjadi pada saat reaksi di radiator dan burner (pembakar). Begitu banyak rumus yang terlibat pada HeatingSystem, tetapi apabila dirangkum dapat menjadi seperti berikut.

Rumus pompa sentrifugal:

Pompa sentrifugal memiliki banyak uraian sehingga tidak dapat dimanifestasikan hanya dalam beberapa rumus. Namun, saya akan tetap mencantumkan rumus-rumus serta gambaran penting dalam pembahasan pompa sentrifugal.

Gambar di atas adalah segitiga kecepatan (imajiner) yang sangat umum digunakan pada analisis pompa sentrifugal dalam menentukan properties pompa, seperti head dan kapasitas.

Rumus tekanan jatuh:

Pressure drop tentu akan terjadi selama ada aliran fluida melalui pipa. Rumus umum dari pressure drop adalah sebagai berikut.

Soal ThreeTanks

ThreeTanks tidak menggambarkan suatu analisa sistem dengan rumus yang rumit. Rumus sederhana yang digunakan antara lain rumus pressure drop dan hidrostatis.

Rumus pressure drop:

Pressure drop tentu akan terjadi selama ada aliran fluida melalui pipa.

Rumus hidrostatis:

Hidrostatis juga terjadi pada sistem ini karena ada energi potensial pada ketinggian tangki, dimana fluidanya mengalir pada ketinggian yang rendah.

5. Berikan hasil-hasil simulasi parameter untuk mendukung kesimpulan yang diperoleh

Soal ThreeTank

Hasil di atas adalah tampilan hasil untuk parameter ketinggian fluida pada tangki (penampungan), dimana level Tank1 dan Tank2 adalah 3,6667 meter dan Tank3 sebesar 6.6667 meter.

Hasil di atas adalah tampilan hasil untuk parameter massa pada tangki, dimana massa fluida di Tank1 dan Tank2 adalah 3650,48 kg dan Tank3 sebesar 6637,24 kg.

Pertemuan 04: 3 Desember 2020

Tugas 04

Pada akhir kelas keempat, kami kembali diberikan tugas mengenai analisis simulasi pada aplikasi OpenModelica. Tidak jauh berbeda konsep tugas sebelumnya, Tugas 04 ini merupakan simulasi gambaran pada sikuls termodinamika pada pembangkit listrik terkombinasi (Combined Cycle Power Plant). Kemudian kamu ditugaskan untuk menjawab beberapa pertanyaan di bawah ini.

Melalui gambar di atas, kami ditugaskan untuk menjawab beberapa pertanyaan di bawah ini.

Untuk mempermudah sistem menjawab, saya akan coba menjawab secara per nomor satu per satu.

1. Bagaimanakah analisa termodinamika (konservasi massa dan energi) pada sistem tersebut, buat skematik analisisnya.

Seperti pembangkit listrik pada umumnya, power plant tipe ini pun memiliki termodinamika yang hampir sama. Umumnya, sistem pembangkit dapat berjalan dengan siklus termodinamika yang melibatkan kompresor, kondensor, evaporator, turbin, serta generator.

Siklus awal yang terjadi adalah reaksi pembakaran pada turbin gas (gas turbine), dimana di situ terjadi pembakaran yang memungkinkan turbin memutar poros yang terpasang pada generator. Generator tersebut akan menghasilkan listrik untuk kemudian ditranspor kepada trafo dan selanjutnya didistribusikan melalui grid.

Setelah combustion berhasil memutar turbin gas, exhaust atau emisi gas buang dari turbin tersebut dimanfaatkan kembali untuk memanaskan fluida (air). Air yang akan dipanaskan mengalir melalui pipa-pipa di dalam HRSG (Heat Recovery Steam Generator). Pipa-pipa tersebut dipaparkan panas emisi dari turbin gas, sehingga panasnya mampu untuk mendidihkan kandungan airnya.

Setelah menjadi uap (steam) karena pemanasan di HRSG, steam tersebut terus dialirkan hingga sampai pada inlet valve dari turbin uap steam turbine yang memiliki fungsi sama dengan turbin gas, yakni memutar generator untuk meng-convert energi mekanik menjadi energi listrik. Tahap akhir adalah melakukan kondensasi dengan alat condensor, hingga fluida berubah fase menjadi cair kembali, untuk dilakukan siklus termodinamika kembali di HRSG.

Konservasi energi melalui ilmu thermodinamika terjadi hampir pada seluruh komponen.

Energi kalor tinggi diawali pada reaksi turbin gas karena adanya pembakaran bahan bakar (fuel), puncaknya adalah ketika aliran fluida telah masuk kepada inlet turbin hingga pada bagian akhir kompresor, di situlah tekanan tertinggi sebelum di-ignite serta memasuki fase ekspansi kemudian mampu untuk memutar generator.

Setelah seluruh proses pertama selesai, jumlah energi dari emisi turbin masih cukup besar untuk dapat masuk kepada siklus pendidihan di Heat Recovery Steam Generator (bertindak seperti boiler). Sisa energi dari emisi turbin mampu merubah fase cair menjadi fase uap (steam), untuk kemudian seterusnya digunakan untuk memutar turbin uap dan menghasilkan listrik dari generator kedua. Emisi dari turbin kedua tersebut nantinya akan dilakukan kondensasi dengan alat condensor.

2. Lakukan identifikasi komponen-komponen utama pada sistem serta berilah deskripsi fungsi kerjanya dalam sistem dan penjelasan analisis parameter yang digunakan.

Terdapat banyak mesin fluida terlibat dalam sistem pembangkit siklus kombinasi ini. Penjelasannya adalah sebagai berikut.

1) Turbin gas

Turbin gas merupakan mesin fluida yang cukup rumit perhitungannya dan terdapat banyak komponen di dalamnya. Secara garis besar, turbin gas memiliki komponen penting, diantaranya blade yang berfungsi sebagai penyusun turbin pada fase kompresor dan juga sisi outlet. Artinya, blade ini sebagai pengarah aliran fluida agar sesuai pada kompresi yang diinginkan. Kemudian ada pula fuel intake yang berfungsi sebagai jalur masuknya bahan bakar dan membantu ekspansi sebagai dorongan putaran turbin. Terakhir adalah shaft atau poros yang gunanya adalah mentransmisi torsi yang dihasilkan, serta diteruskan ke generator dan menjadi energi listrik.

2)

3. Medium fluida kerja apa saja yang terjadi dalam proses siklus tersebut, dan bagaimanakah proses analisis perhitungan dalam pemodelan.

4. Jelaskan flow line (jalur koneksi) masing-masing yang diberi warna hitam, merah, dan biru sesuai dengan interkoneksi yang diberikan dalam diagram tersebut.