LAPORAN PENDAHULUAN OTTO (MESIN BAKAR BENSIN)

LAPORAN PENDAHULUAN

MESIN MOTOR BENSIN (OTTO)

A.    Maksud dan Tujuan

1.      Diharapkan agar para praktikan dapat mengetahui proses dan cara kerja yang telah ditentukan dengan baik dan benar.

2.      Diharapkan agar para praktikan mengetahui fungsi dan kegunaan dari alat-alat yang digunakan pada praktek mesin bensin.

3.      Diharapkan agar para praktikan dapat menyelesaikan lembar kerja dengan baik dan benar.

4.      Untuk mengetahui grafik karakteristik dari motor bensin yang diuji kemudian hasilnya digambarkan dalam bentuk grafik karakteristik.

B.     Latar Belakang

Siklus Otto adalah siklus thermodinamika yang paling banyak digunakan dalam kehidupan manusia. Mobil dan sepeda motor berbahan bakar bensin (Petrol Fuel) adalah contoh penerapan dari sebuah siklus Otto.
Secara thermodinamika, siklus ini memiliki 4 buah proses thermodinamika yang terdiri dari 2 buah proses isokhorik (volume tetap) dan 2 buah proses adiabatis (kalor tetap). Untuk lebih jelasnya dapat dilihat diagram tekanan (p) vs temperatur (V) berikut:

Proses yang terjadi adalah :
1-2 : Kompresi adiabatis
2-3 : Pembakaran isokhorik
3-4 : Ekspansi / langkah kerja adiabatis
4-1 : Langkah buang isokhorik

Beberapa rumus yang digunakan untuk menganalisa sebuah siklus Otto adalah sebagai berikut :
1. Proses Kompresi Adiabatis
2. Proses Pembakaran Isokhorik
3. Proses Ekspansi / Langkah Kerja
4. Kerja Siklus
5. Tekanan Efektif Rata-rata (Mean Effective Pressure)
6. Daya Indikasi Motor

Dimana parameter – parameternya adalah :
p = Tekanan gas (Kg/m^3)
T = Temperatur gas (K; Kelvin)
V = Volume gas (m^3)
r = Rasio kompresi (V1 – V2)
Cv = Panas jenis gas pada volume tetap ( kj/kg K)
k = Rasio panas jenis gas (Cp/Cv)
f = Rasio bahan bakar / udara
Q = Nilai panas bahan bakar (kj/kg)
W = Kerja (Joule)
n = Putaran mesin per detik (rps)
i = Index pengali; i=1 untuk 2 tak dan i=0.5 untuk 4 tak
z = Jumlah silinder
P = Daya ( Watt )

C.    Landasan Teori

Siklus Otto adalah siklus ideal untuk mesin torak dengan pengapian-nyala bunga api.Pada mesin pembakaran dengan sistem pengapian-nyala ini, campuran bahan bakar dan udara dibakar dengan menggunakan percikan bunga api dari busi. Piston bergerak dalam empat langkah (disebut juga mesin dua siklus) dalam silinder, sedangkan poros engkol berputar dua kali untuk setiap siklus termodinamika. Mesin seperti ini disebut mesin pembakaran internal empat langkah. Skema berikut memperlihatkan setiap langkah piston dan pernyataan prosesnya pada diagram P-v untuk kondisi aktual mesin pengapian-nyala empat langkah,

Dari skema di atas tersebut, kondisi awal kedua katup hisap dan buang dalam keadaan tertutup sedangkan piston pada posisi terendahnya yaitu pada titik mati bawah (Bottom Dead Center/BDC). Selama langkah kompresi, piston bergerak ke atas, di mana campuran udara-bahan bakar dikompresi. Sesaat sebelum piston mencapai posisi tertingginya yaitu titik mati atas (Top Dead Center/TDC), percikan bunga api ditimbulkan oleh busi sehingga membakar campuran, yang kemudian menaikkan tekanan dan temperatur sistem. Tekanan gas yang tinggi tersebut mendorong piston ke bawah sehingga menyebabkan poros engkol berputar, selama langkah usaha (langkah ekspansi) ini dihasilkan kerja keluaran yang bermanfaat. Pada ujung langkah ini, piston pada posisi terendahnya untuk menyelesaikan siklus yang pertama (mesin satu siklus), sehingga isi silindernya berupa sisa pembakaran.

Piston bergerak kembali ke atas membersihkan gas buang melalui katup buang (langkah pembuangan), kemudian piston turun kembali ke bawah mengambil campuran udara-bahan bakar yang baru melalui katup hisap (langkah hisap). Sebagai catatan bahwa tekanan dalam silinder di atas tekanan lingkungan saat langkah buang dan berada di bawah tekanan lingkungan saat langkah hisap.

Analisis termodinamika untuk kondisi aktual tersebut dapat disederhanakan bila digunakan asumsi udara-standar yang berlaku sebagai gas-ideal. Karenaitu, siklus untuk kondisi aktual dimodifikasi menjadi sistem tertutup yang disebut sebagai siklus Otto ideal. Skema dan pernyataan prosesnya pada diagram P-v dan T-s seperti terlihat pada gambar berikut,

Gambar Siklus Otto Ideal

Siklus Otto ideal terdiri dari empat proses reversibel internal, yaitu proses 1-2 kompresi isentropik, proses 2-3 penambahan kalor pada volume tetap, proses 3-4 ekspansi isentropik, dan proses 4-1 pelepasan kalor pada volume tetap. Karena siklus Otto ideal ini merupakan sistem tertutup, maka ada beberapa asumsi yang digunakan yaitu (1) mengabaikan perubahan energi kinetik dan potensial, dan (2) tidak ada kerja yang timbul selama proses perpindahan kalor.

Efisiensi termal siklus Otto ideal ini tergantung dari besarnya rasio kompresi mesin dan rasio kalor spesifik dari fluida kerjanya. Efisiensi siklus akan naik bila rasio kompresi dan rasio kalor spesifik semakin besar.

         Sistem bahan bakar (fuel system) terdiri dari beberapa komponen, dimulai dari tangki bahan bakar (fuel tank) sampai pada charcoal canister. Bahan bakar yang tersimpan dalam tangki dikirim oleh pompa bahan bakar (fuel pump) ke karburator melalui pipa-pipa dan selang-selang.kotoran dan benda-benda lainya dikeluarkan dari bahan bakar oleh saringan (fuel filter).

Karburator menyalurkan ke mesin sejumlah bahan bakar yang dibutuhkan berupa campuran udara dan bahan bakar. Sejumlah gas HC yang timbul di dalam tangki dikurangi oleh charcoal canister. Bensin di alirkan dari tangki melalui saringan, selang dan pipa-pipa hisap (suction tube). Bensin yang sudah disaring dikirim ke karburator oleh pompa bahan bakar, dan karburator mencampurnya dengan udara dengan suatu perbandingan tertentu menjadi campuran udara dan bahan bakar. Sebagian campuran udara dan bahan bakar menguap dan menjadi kabut saat mengalir melalui intake manifold ke silinder.

Campuran Udara dan Bahan Bakar

Bahan bakar yang dikirim kedalam silinder untuk mesin harus ada dalam Kondisi mudah terbakar agar dapat menghasilkan efesiensi tenaga yang maksimum. Bensin sedikit sulit terbakar, bila tidak dirubah kedalam bentuk gas. Bensin tidak dapat terbakar dengan sendirinya, harus dicampur dengan udara dalam perbandingan yang tepat. Untuk mendapatkan campuran udara dan bahan bakar yang baik, uap bensin harus bercampur dengan sejumlah udara yang tepat. Perbandingan campuran udara juga mempengaruhi pemakaian bahan bakar.

Perbandingan Udara Dengan Bahan Bakar

Perbandingan udara dengan bahan bakar dinyatakan dalam volume atau berat dari bagian udara dan bahan bakar. Pada umumnya, perbandingan udara dan bahan bakar dinyatakan berdasarkan perbandingan berat udara dengan berat bahan bakar. Bensin harus dapat terbakar keseluruhannya di dalam ruang bakar untuk menghasilkan tenaga yang besar pada mesin. Perbandingan udara dan bahan bakar dalam teorinya adalah 15:1, yaitu 15 untuk udara berbanding 1 untuk bensin.

Tetapi pada kenyataannya, mesin menghendaki campuran udara dan bahan bakar dalam perbandingan yang berbeda-beda tergantung pada temperatur, kecepatan mesin, beban, dan kondisi lainya. Pada table di bawah ini diperlihatkan perbandingan udara dan bahan bakar yang dibutuhkan sesuai dengan kondisi mesin.

BAHAN LAPORAN UJI GOVERNOR (GETARAN BEBAS)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1.    LATAR BELAKANG

Uji governor adalah unit jenis sentrifugal yang memberikan kontrol presisi kecepatan mesin. Ketika kontrol kecepatan tidak diinginkan itu harus dilepaskan dengan tipe twin-pin. Tidak pernah terlibat kopling ini dengan menjalankan mesin. Untuk mengoperasikannya menarik tutup luar dan putar ¼ berubah di kedua arah sampai Anda merasakan dua lugs drop ke dalam wadahnya yang disediakan. Governor bergerak ketika lugs berada di relung yang lebih dalam.  Relung dangkal menguncinya dalam posisi terlepas. Beberapa cengkeraman governor dikendalikan oleh pegas dimuat tuas dipasang di bagian atas perumahan gubernur operasi yang jelas. Sabuk ketegangan dapat disesuaikan dengan menaikkan atau menurunkan gubernur dalam lubang pemasangan ditempatkan. Jauhkan katrol dan sabuk bebas dari kotoran dan minyak. Belt selip akan mempengaruhi operasi gubernur dan sabuk ketat dapat menyebabkan keausan yang cepat dari poros gubernur dan bantalan. Menyesuaikan untuk memungkinkan 1 " depresi tengah antara puli dengan thumb pressure.

Getaran bebas terjadi jika sistem berosilasi karena bekerjanya gaya yang ada dalam sistem itu sendiri (inherent), dan jika ada gaya luas yang bekerja. Sistem yang bergetar bebas akan bergerak pada satu atau lebih frekuensi naturalnya, yang merupakan sifat sistem dinamika yang dibentuk oleh distribusi massa dan kekuatannya. Semua sistem yang memiliki massa dan elastisitas dapat mengalami getaran bebas atau getaran yang terjadi tanpa rangsangan luar.

Gambar 1.1 Alat Uji Governor Test

1.2.  MAKSUD DAN TUJUAN

1.2.1.  Maksud Pengujian

                    Mengetahui karakteristik dari alat uji governor yang dapat dinyatakan dalam kurva (grafik) karakteristik dan menjadi karakteristik alat uji governor dengan menggunakan beban bandul dan kecepatan putaran yang berubah-ubah.

1.2.2.   Tujuan Pengujian

                    Tujuan pengujian governor sentrifugal adalah untuk mengetahui karakteristik dari alat uji governor yang dapat dinyatakan dalam kurva-kurva (grafik) karakteristik yaitu antara lain:

1.      Mencari karakteristik alat uji dengan menggunakan beban bandul dengan kecepatan putaran yang berubah-ubah.

2.      Mencari kurva (grafik) alat uji governor, yaitu

a.       Grafik hubungan antara kecepatan putaran (n) dengan beban (w).

b.      Grafik hunungan antara kecepatan putaran (n) dengan tinggi kenaikan sleeve (h).

3.      Mengetahui cara pengujian secara menyeluruh, baik mengenai cara, jenis alat ukur maupun sistem pengujian itu sendiri.

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1.  Dasar Teori

2.2.1.  Pengertian Governor

Governor adalah alat kontrol otomatis yang selalu berperan mengatur dan mengendalikan mesin. Selain itu, governor atau biasa juga disebut speed limiter merupakan alat yang digunakan untuk mengukur dan mengatur kecepatan suatu mesin.

2.2.2 Prinsip Kerja Governor

Governor adalah alat yang digunakan untuk mengontrol kecepatan dari penggerak   mula / utama dari kecepatan berlebihan dan menstabilkan kecepatan putaran mesin yang diinginkan. Governor mengatur kecepatan rata-rata mesin atau penggerak mula apabila terjadi variasi kecepatan frekuensi beban. Jika beban motor konstan maka kecepatan motor konstan dari suatu siklus ke siklus lainnya. Jika beban meningkat, kecepatan motor menurun dan sudut governor akan bertambah dengan perubahan, sehingga menggerakkan katup terbuka untuk memperbanyak fluida kerja yang meningkatkan beban.

2.2.3 Karakteristik Governor

1.      Penurunan kecepatan, atau berkurangnya  kecepatan mesin dari tanpa beban ke beban penuh yang dinyatakan dalam putaran/menit atau sebagai presentase dari kecepatan normal/ rata-rata.

2.      Pengaturan Isohkhorik, yaitu mempertahankan kecepatan mesin konstan pada segala beban, pengaturan kecepatan yang mungkin dari penurunan kecepatan nol.

3.      Kepekaan/sensitify atau perubahan kecepatan yang diperlukan sebelum Governor akan melakukan gerakan.

4.      Kestabilan yaitu kemampuan mengatur waktu mempertahankan kecepatan mesin yang diinginkan tanpa naik turun atau constan.

5.      Ayunan, yaitu naik turun yang kontinyu dari mesin terhadap kecepatan yang diperlukan meskipun ketika beban tidak bertambah.

6.      Ketangkasan, kecepatan aksi pengatur. Biasanya dinyatakan sebagai waktu dalam detik yang diperlukan governor untuk menggerakkan kendali bahan bakar dari kedudukan tanpa batasan bahan sampai beban penuh.

7.      Daya dari pengatur, gaya yang ditimbulkan pada governor untuk mengatasi tahanan dalam sistem kendali bahan bakar.

2.2.4 Sistem Pengaturan pada Governor

Konstruksi pengaturan dari governor bermacam-macam berdasarkan tipenya,
karena itu bagian ini hanya membicarakan macam beban sentrifugal saja.
a. Putar tuas pengontrol putaran kearah katup throttle karburator, membuka dan mengunci dengan memutar tuas kupu-kupu.
b. Tempatkan obeng pada lubang poros pengatur dan putarlah sehingga beban pengatur. Seperti dibicarakan di atas, pengaturannya harus dipasang sedemikian rupa sehingga waktu katup throttle karburator terbuka lebar waktu beban pengatur pada posisi tertutup rapat.

2.2.5 Gaya – Gaya yang Bekerja Pada Governor

Gaya adalah penyebab timbulnya percepatan. Jika dalam suatu gerakan ada percepatan maka harus ada gaya sebagai penyebabnya. Hal ini dinyatakan dalam hukum newton II :

F = m.a

Hubungan ini menunjukkan bahwa arah gaya selalu sama dengan arah percepatan sebab massa (m) selalu berharga positif.

Adapun gaya-gaya yang bekerja pada governor, yaitu :

1.    Gaya Setrifugal

Merupakan sebuah gaya yang ditimbulkan akibat adanya gerakan suatu benda atau partikel sebuah lintasan lengkung sehingga gaya yang ditimbulkan keluar lingkaran.

F = m. v²/R

Gambar 2.1 Gaya Sentrifugal

2.    Gaya Sentripetal

Yaitu gaya yang diperlukan agar benda dapat tetap bias bergerak melingkar. Jika arah gaya sentrifugal mengarah keluar maka arah gaya sentripental mengarah ke dalam lingkaran.

F=m. w2.R

Gambar 2.2 Gaya Sentripetal

3.    Gaya Tangensial

Yaitu gaya dalam yang bekerja sejajar dengan bidang penampang potong atau tegak lurus terhadap sumbu batang.
Ft = T/ dp/2  (Kg)

   

Gambar 2.3 Gaya Tangensial

2.2.6 Klasifikasi Universal Governor

Berdasarkan cara kerjanya governor dibedakan atas dua bagian, yaitu

·         Centrifugal governor

·         Inersia governor

Centrifugal governor bekerja berdasarkan momen inersia yang timbul karena terjadinya percepatan sudut. Karena lebih rumit, makan jenis yang kedua tidak banyak digunakan walaupun responnya lebih cepat. Dalam percobaan ini digunakan centrifugal governor. Pada dasarnya governor dalam keadaan seimbang bila gaya sentrifugal  yang besar yang dicapai pada awal sleve dengan putaran dan sudut yang dibentuk oleh kedua lengan governor sebelum konstan.
Governor mengatur dan mengendalikan aliran bahan bakar supaya kecepatan penggerak tetap konstan, Skema sederhana Governor Proel
Dengan mengabaikan beban dan gangguan lain atau akibat peruybahan akibat dari kondisi operasi seperti perubahan penyetelan kecepatan. Dilain pihak flywhell bertindak mengatur variasi kecepatan yan gdisebabkan oleh fluktuasi momen puntir dalam siklus operasi dan tidak mengatur variasi kecepatan yang disebabkan oleh beban yang bervariasi. Menurut  posisi massa yang berputar dan cara pemasangannya

pada penggerak mula, yang secara umum ada dua type, yaitu:

1.    Type flywhell governor :

a.       Gravity load governor.

b.      Whell governor.

c.       Porter governor.

d.      Proel governor.

e.       Spring governor.

f.       Hartnell governor.

2.      Type Shaft governor

a.       Centrifugal governor.

b.      Inersia governor.

Dapat pula dikatakan bahwa governor merupakan suatu alat kontrol automatik  yang selalu berperan sebagai pengatur dan pengendali output mesin. Jika terjadi perubahan bearan yang diinginkan maka governor selalu berfungsi mengatur suplai untuk mengatur output. Governor mengatur kecepatan rata-rata mesin atau penggerak mula, apabila terjadi variasi beban atau fluktuasi kecepatan. Jika beban motor konstan, maka kecepatan rata-rata juga konstan dari suatu siklus kesiklus berikutnya. Jika beban motor meningkat, kecepatan motor menurun dan sudut governor akan bertambah dengan perubahan sehingga menggerakkan katup untuk memperbanyak fluida kerja yang meningkatkan beban motor dalam siklus operasi dan tidak mengatur kecepatan yang bervariasi karena fluktuasi beban.

Alat uji Governor Proell terdiri dari motor listrik sebagai pemutar, massa bandul dua buah, lengan pemegang massa dan sleeve yang akan bergerak naik turun di poros utama jika massa diputar dengan putaran tertentu. Makin besar putaran motor listrik, maka makin besar pula jari-jari putar yang dibentuk oleh massa, yang berbanding lurus dengan peningkatan besar gaya sentrifugal yang dihasilkan.Mengukur besar gaya sentrifugal yang dihasilkan oleh Governor Proell dan mengamati fenomena yang terjadi selama pengujian. Sensor alat ukur putaran pada poros governor dengan display  digital, Poros diputar motor listrik DC yang dapat diatur dari kotak panel kontrol. Data yang dikumpulkan adalah tinggi angkat sleeve (akan diperoleh jari-jari putar) dan putaran poros.

Benda yang mempunyai massa m, diputar dengan kecepatan sudut w dengan jari-jari putar sebesar r, maka benda tersebut akan menghasilkan gaya sentrifugal yang arah menjauhi sumbu putar. Makin besar putaran yang diberikan, maka gaya sentrifugal yang dihasilkan juga makin besar.

Mengukur besar gaya sentrifugal yang dihasilkan oleh massa yang diputar dengan menggunakan satu peralatan uji gaya sentrifugal, mengamati dan memahami fenomena yang terjadi dari proses pengujian yang dilaksanakan. Alat ukur gaya menggunakan force meter digital, pengaturan putaran meja menggunakan power yang bervariasi. Putaran meja diukur dengan tachometer digital.

              Governor atau pengatur otomatis merupakan suatu komponen pada motor bakar yang berfungsi untuk mengontrol kecepatan mesin dengan cara mengendalikan jumlah bahan bakar yang diberikan sehingga kecepatan mesin dapat dipertahankan tetap stabil tanpa tergantung posisi pembebanan.

       Penggunaan governor banyak sekali ditemukan dalam kehidupan sehari-hari terutama pada mesin kendaraan, kapal laut dan pesawat udara. Karena peralatan ini cukup penting, maka dianggap perlu untuk memahami prinsip kerja dari suatu governor dengan merancang dan membuat peralatan tersebut dalam skala laboratorium.

        Mesin pada kendaraan bisa bergerak karena mendapat gaya dorong dari berbagai macam sumber antara lain motor bakar dan listrik. Daya yang dihasilkan oleh mesin biasanya bervariasi sedangkan penggerak seringkali harus beroperasi pada kecepatan konstan. Untuk mencapai kondisi tersebut dibutuhkan suatu alat yang disebut dengan pengatur (governor). Elemen yang sangat berpengaruh yang dijadikan input dalam sistem pengukuran kecepatan pada governor adalah putaran (n) dari poros yang akan menggerakkan lengan-lengan governor beserta bandul (flyball) yang menghasilkan gaya sentrifugal.

2.2.7 Komponen Governor

Governor terdiri dari beberapa

komponen-komponen utama, yaitu:

1. Poros Utama

2. Batang Penghubung 1/lengan flyball

3. Lengan flyball

4. flyball

5. Sleeve

6. Puli

7. Sabuk V

8. Motor Penggerak

 

                                           

Gambar 2.4 Governor mekanik

Pada sebuah governor putaran flyball sebanding dengan putaran poros utama yang memiliki putaran sudut (ω). Kecepan sudut akan bervariasi menurut putaran poros (n). Besarnya kecepatan sudut dapat ditentukan dengan

menggunakan persamaan :

Dimana :

ω = kecepatan sudut (rad/sec)

n = putaran poros (rpm)

Untuk menentukan putaran sudut (ω) pada sebuah governor dapat digunakan persamaan dibawah ini:

       

   2.2.8 Sabuk V (V-Belt)

             Transmisi dengan elemen mesin yang luwes dapat digolongkan atas transmisi sabuk, transmisi rantai, dan transmisi kabel atau tali. Dari macam-macam transmisi tersebut, kabel dan tali hanya dipakai untuk maksud khusus (Sularso, 2002). Karena transmisi belt untuk pemakaian yang lama, belt makin lama makin bertambah panjang (mulur), maka perlu puli penegang belt agar kontak antara belt dan puli selalu dalam keadaan baik dan penerusan daya dapat maksimum. Misalnya dengan menggunakan screw take up, gravity take up, atau counter gravity take up (M. F. Spotts, 1985). Sabuk dengan penampang V ini dipasang pada puli dengan alur dan meneruskan momen antara dua poros yang jaraknya dapat sampai 5 (m) dengan perbandingan putaran antara 1/1 sampai 7/1. Sebagian besar transmisi sabuk menggunakan sabuk-V karena mudah penanganannya dan harganyapun murah. Kecepatan sabuk direncanakan untuk 10 sampai 20 (m/s) pada umumnya, dan maksimal sampai 25 (m/s). Daya maksimal yang dapat ditransmisikan kurang lebih sampai 500 (Kw). Sabuk V ini merupakan jenis sabuk yang banyak digunakan dikalangan masyrakat, karena kemungkinan untuk terjadinya slip sangat kecil sehingga dapat diabaikan.

2.2.8 Motor Listrik

               Motor listrik merupakan sebuah perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya, memutar impeller pompa, fan atau blower, menggerakan kompresor, mengangkat bahan, dll. Motor listrik digunakan juga di rumah (mixer, bor listrik, fan angin) dan di industri. Motor listrik kadangkala disebut “kuda kerja” nya industri sebab diperkirakan bahwa motor menggunakan sekitar 70% beban listrik total di industri.

2.2.9 Tachometer

               Pada setiap pelatihan audit untuk pengukuran kecepatan, misalnya motor, pengukurannya sangat kritis karena kemungkinan ada perubahan frekuensi, slip pada belt dan pembebanan. Salah satu jenis alat pengukur kecepatan yaitu tachometer. Tachometer sederhana adalah jenis alat kontak, yang dapat digunakan untuk mengukur kecepatan yang memungkinkan dapat diakses secara langsung. Tachometer digunakan untuk mengukur kecepatan putaran motor, kipas, pully , dan lain sebagainya.

2.2.10 Voltage Regulator

               Voltage Regulator (pengatur tegangan) merupakan suatu alat yang berfungsi untuk mengatur tegangan, dimana alat ini bekerja dengan cara menerima tegangan dari sumber tegangan listrik dan keluarannya dapat diatur sesaui kebutuhan.

Laporan CFD Bab 1 - 2

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah metode perhitungan dengan sebuah kontrol dimensi, luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap-tiap elemen pembaginya. Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian, hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing. Bagian-bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan adalah aplikasi.

Kontrol-kontrol penghitungan ini beserta kontrol-kontrol penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebut tadi atau meshing. Nantinya, pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan. Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan dengan menggunakan bantuan komputasi komputer. Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid.

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia, namun seiring dengan perkembangannya industri ditahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain. Contoh sekarang ini banyak sekali paket-paket softwareCAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada desain yang dibuat. Pemakaian CFD secara umum dipakai untuk memprediksi :

a.       Aliran dan panas

b.      Transfer massa

c.       Perubahan fasa seperti pada proses melting, pengembunan dan pendidihan

d.      Reaksi kimia seperti pembakaran

e.       Gerakan mekanis seperti piston dan fan

f.       Tegangan dan tumpuan pada benda solid

g.      Gelembung elektromagnetik

CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida. Mulai dari aliran fluida, heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida. Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida, konservasi energi, momentum, massa, serta species, penghitungan dengan CFD dapat dilakukian. Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan melibatkan dengan memanfaatkan persamaan- persamaan yang terlibat. Persaman-persamaan ini adalah persamaan yang membangkitkan dengan memasukan parameter apa saja yang terlibat dalam domain. Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisis melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi tersebut. Inisialisasi awal dari persaman adalah boundary condition. Boundary condition adalah kondisi di mana kontrol-kontrol perhitungan didefinisikan sebagai definisi awal yang akan dilibatkan kekontrol-kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persaman-persamaan yang terlibat.

Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama:

a.       Prepocessor

Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisian kondisi batas atau boundary condition. Ditahap ini juga sebuah benda atau ruangan yang akan dianalisis dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering juga disebut dengan meshing.

b.      Processor

Tahap selanjutnya adalah processor, pada tahap ini dilakukan proses penghitungan data-data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif. Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen. Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit.

c.       Post processor

Tahap akhir merupakan tahap post processor di mana hasil perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar, grafik bahkan animasi dengan pola warna tertentu.

Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (softwareCFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisis terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut. Atau dalam proses design enggineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek. Hal ini yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakterisrik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik, vektor, kontur dan bahkan animasi.

Tata Cara Menjalankan Program CfdesignV.10

                                              

A. Membuka Program CFDesignV.10

1.      Langkah pertama buka program CfdesignV.10 melalui Desktop komputer anda klik/enter progam CFDesignV.10

                                                         

Gambar 1.1 CFD Pada Menu dekstop

 

Gambar 1.2 CFD Pada Menu all program

Atau bisa melalui klik start, all programs, CFdesign 10.0, klik program CFDesign10.0

2.      Langkah kedua dapat secara langsung melalui program PRO-E, perhatikan gambar di bawah ini,

Gambar 1.3 Progran CFD pada Pro-Engineering

B. Menjalankan progam CFDesignV.10

Setelah progam CFD terbuka,

Gambar 1.4 Logo CFD

Tata Cara Navigasi Menggunakan Mouse Dalam CFDesignV.10

Gambar 1.5 Perintah mouse

Perintah Kegunaan Scroll ke bawah pada roda tengah mouse tepat pada benda kerja Perbesar gambar Scroll ke atas pada roda tengah mouse tepat pada benda kerja Perkecil gambar Tekan Ctrl + Tekan scroll mouse kemudian digerakan Rotasi benda kerja Tekan Ctrl + Tekan kanan mouse lalu digerakan Memindahkan posisi benda kerja Klik kanan Mouse pada benda kerja Menghilangkan bagian dari benda kerja Klik kanan Mouse di luar benda kerja Mengembalikan bagian dari benda kerja Tekan Shift + Tekan scroll mouse kemudian digerakan Memutar benda kerja searah pada satu sumbu Klik kiri pada benda kerja Untuk menandai benda kerja

1.2 TUJUAN PENULISAN LAPORAN

Setelah melaksanakan praktek pembelajaran Pro Engineering di Laboratorium. Maka mahasiswa diwajibkan menuliskan laporan sebagai syarat untuk :

1. Sebagai tanda bukti mahasiswa, untuk melaksanakan UAS praktek CFD Design di Laboratorium praktikum.
2. Menunujukan bahwa mahasiswa telah mengikuti mata kuliah CFD Design dan mengetahui ilmu dari mata kuliah tersebut.
3. Sebagai bukti bahwa mahasiswa telah menuangkan pikiran kedalam bentuk tulisan yang dapat diuji kebenarannya.

1.3  METODE PENULISAN LAPORAN

            Adapun metode yang mahasiswa gunakan dalam penulisan laporan ini adalah sebagai berikut :

1.      Interview yaitu metode yang dilaksanakan mahasiswa pada saat praktek CFD Design di Laboratorium yang tujuannya untuk bertanya lebih banyak untuk memahami tentang mata kuliah CFD Design tersebut.

2.      Melaksanakan praktek secara langsung tentang apa yang telah di pelajari dalam mata kuliah CFD Design tersebut.

3.      Mengambil referensi dari sebuah buku pedoman mahasiswa dalam pembelajaran mata kuliah CFD Design.

1.4  SISTEMATIKA PENULISAN

 Sistematika penulisan laporan adalah:

1.      Bab I  (pertama) di kemukan dengan pendahuluan, latar belakang dan maksud & tujuan yaitu sistematika penulisan agar memudahkan para pembaca/pengguna untuk mengikuti dan memahami pembahasan laporan ini.

2.      Bab II (kedua) menguraikan tentang teori dasar  dari CFD

3.      Bab III (ketiga) berisi Analisa Latihan Praktikum

4.      Bab IV (keempat) berisi Analisa Ujian Praktikum

5.      Bab V (kelima) berisi Kesimpulan

6.      Daftar Pustaka

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1   CFD (Computational Fluid Dynamics)

CFD adalah analisa system yang mencakup aliran fluida, aliran kalor dan berhubungan dengan fenomena seperti reaksi kimia dengan menggunakan seperangkat simulasi komputer.

Pemakaian CFD ini sangat baik diterapkan untuk mencakup semua penggunaannya di dalam dunia industri diantaranya : Aerodinamik pada pesawat terbang dan kendaraan, menganalisa gaya angkat, pergerakan air yang dihasilkan oleh perahu, pembakaran dalam engine dan turbin gas pada power plan, aliran didalam putaran lubang pada mesin turbo, percampuran dan pemisahan polimer moulding dalam proses kimia dll.

Penggunaan CFD pada penelitian dimaksudkan untuk memvisualisasikan aliran di dalam sebuah vortex dan memberi informasi property aliran yang sulit diperoleh secara menyeluruh dalam sebuah eksperimen. Proses komputasi atau perhitungan-perhitungan yang digunakan dalam CFD berdasarkan hukum Navier-Stokes.

Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah sebuah analisis system yang melibatkan aliran fluida, perpindahan panas dan fenomena terkait seperti reaksi kimia dengan cara simulasi berbasis komputer. Teknik ini sangat handal dan meliputi cakupan luas dalam area industry dan non industry. Beberapa contohnya yaitu :

·         Aerodinamika pesawat dan kendaraan : lift dan drag

·         Hidrodinamika kapal

·         Pembangkit Tenaga : pembakaran dalam mesin IC dan turbin gas

·         Mesin turbo : aliran dalam laluan rotating, diffuser dsb.

·         Rekayasa electrical dan electronic : pendingin peralatan termasuk microchip

·         Rekayasa proses kimia : mixing dan separation, polymer moulding

·         Lingkungan internal dan eksternal gedung : beban angin dan pendinginan/ventilasi

·         Rekayasa kelautan : beban struktur off-shore

·         Rekayasa lingkungan : distribusi polutan dan anak sungai

· Oceanografi dan hidrologi : aliran sungai, muara, laut

· Meteorologi : prediksi cuaca

· Rekayasa biomedis : aliran darah melalui arteri dan vena

• Keunggulan/keuntungan teknik analisis ini dibandingkan dengan pendekatan eksperimen dalam sebuah desain system fluida yaitu :

a.       Reduksi substansial waktu dan biaya untuk desain baru.

b.      Kemampuan studi system yang tidak mampu dikontrol dengan eksperimen (misal   system yang sangat luas).

c.       Kemampuan studi system dalam kondisi berbahaya pada dan di luar batas kinerja normal (seperti pada studi keselamatan dan scenario kecelakaan)

d.      Detil hasil yang lebih banyak secara praktis

Sistem analisis CFD tersusun dari beberapa algoritma numeric (disebut Code), yang terbagi oleh 3 elemen sebagai berikut :

1. Pre-processor

Merupakan bagian input suatu problem fluida ke sebuah program CFD melalui interface dan tranformasi lanjut ke dalam sebuah bentuk yang sesuai untuk solver. Langkah-langkah pengguna dalam tahap pre-processing yaitu :

• Definisi geometri region analisa : domain komputasional
• Pembuatan grid : pemecahan domain menjadi beberapa sub domain yang lebih kecil dan non overlapping : sebuah grid (mesh) atau volume atur/elemen
• Pemilihan fenomena fisik dan kimia yang perlu dimodelkan
• Definisi properties fluida
• Spesikasikan kondisi batas yang sesuai pada sel-sel yang berhimpit dengan batas domain

Solusi sebuah problem fluida (kecepatan, tekanan, temperature dsb) didefinisikan di setiap nodal di dalam masing-masing sel. Akurasi sebuah solusi CFD ditentukan oleh jumlah sel dalam grid. Secara umum, semakin besar jumlah sel semakin baik akurasi solusi. Baik akurasi solusi dan biaya hardware computer serta lama kalkulasi tergantung kepada halusnya/rapatnya grid. Mesh-mesh optimal sering merupakan non-uniform : lebih rapat pada area di mana variasi-variasi banyak terjadi dari poin ke poin dan lebih jarang pada region dengan perubahan yang sedikit. Kemampuan teknik (self) adaptive meshing telah membantu pengembangan CFD guna otomatikal penghalusan grid untuk area dengan variasi yang padat. Sekitar 50% waktu proyek CFD di industry tercurah pada pendefinisian geometri domain dan penyusunan grid. Guna meningkatkan produktivitas pengguna code-code utama sekarang termasuk interface jenis CAD dan/atau fasilitas import data dari pemodelan surface dan meshing seperti PATRAN dan I-DEAS. Pre-prosesor hingga saat ini juga membantu user mengakses data library properties fluida umum dan fasilitas memasukkan model proses fisikal dan kimikal (model turbulence, perpindahan kalor radiatif, pembakaran) bersama persamaan aliran fluida utama.

2. Solver

Terdapat 3 macam teknik solusi numeric : beda hingga (finite difference), elemen hingga (finite element) dan metode spectral. Kerangka utama metode numeric untuk dasar sebuah solver terdiri dari langkah :

• Aproksimasi variable-variabel aliran yang tidak diketahui dengan fungsi-fungsi sederhana.
• Diskretisasi dengan substitusi aproksimasi ke dalam persamaan atur aliran dan manipulasi matematis lanjut.
• Solusi persamaan-persamaan aljabar. Perbedaan utama di antara ketiga macam teknik adalah pada cara aproksimasi variable-variabel aliran dan proses diskretisasi.

Metode Beda Hingga

Menggambarkan variable tidak diketahui Φ sebuah problem aliran dengan cara sampel-sampel titik pada titik-titik nodal sebuah grid dari garis koordinat. Ekspansi Deret Taylor terpotong sering dipakai untuk membangun aproksimasi-aproksimasi beda hingga derivative Φ dalam suku-suku sampel-sampel titik Φ di masing-masing titik grid dan tetangga terdekat. Derivatif tersebut muncul dalam persamaan atur digantikan oleh beda hingga menghasilkan persamaan aljabar untuk nilai-nilai Φ di setiap titik grid. Smith (1985) memberikan sebuah perhitungan komperhensif dari seluruh aspek metode beda hingga.

Metode Elemen Hingga

Menggunakan fungsi-fungsi potong (piecewise) sederhana (missal linier atau kuadratik) pada elemen-elemen untuk menggambarkan variasi-variasi local variable aliran yang tidak diketahui Φ. Persamaan atur terpenuhi secara tepat oleh solusi eksak Φ. Jika fungsi-fungsi aproksimasi potong untuk Φ disubstitusikan ke dalam persamaan, terdapat sebuah ketidak pastian hasil (residual) yang didefinisikan untuk mengukur kesalahan. Kemudian residual (kesalahan) diminimalkan melalui sebuah pengalian dengan sebuah set fungsi berbobot dan mengintegrasikannya. Hasilnya diperoleh sekumpulan persamaan aljabar untuk koefisien-koefisien tak diketahui dari fungsi-fungsi aproksimasi. Teori elemen hingga awalnya dikembangkan untuk analisis tegangan struktur. Untuk sebuah standar aplikasi fluida adalah Zienkiewics dan Taylor (1991).

Metode Spektral

Mengaproksimasikan variable Φ dengan deret Fourier terpotong atau deret Polinomial Chebyshev. Aproksimasi tidak secara local namun valid di semua domain komputasional, mengganti tak diketahui dalam persamaan atur dengan deret-deret terpotong. Batasan yang membawa ke persamaan aljabar untuk seluruh koefisien deret Fourier dan Chebyshev diberikan oleh konsep residual berbobot mirip dengan elemen hingga atau membuat fungsi aproksimasi serupa dengan solusi eksak pada sebuah nilai dari titik-titik grid. Informasi selebihnya dapat diperoleh dalam Gottlieb dan Orszag (1977).

Metode Volume Hingga (Finite Volume)

Awalnya dikembangkan untuk special formulasi beda hingga, algoritma numeric terdiri dari langkah :

· Intergrasi persamaan atur aliran fluida di seluruh volume atur (hingga) dari domain solusi

· Diskretisasi dengan substitusi beragam aproksimasi beda hingga untuk suku-suku persamaan terintegrasi proses aliran seperti konveksi, difusi dan sumber. Akan dikonversikan persamaan integral menjadi sebuah sistem persamaan aljabar.

· Solusi persamaan-persamaan aljabar dengan metode iterative

Langkah awal, integrasi volume atur, membedakan metode volume hingga dari seluruh teknik CFD. Hasilnya menggambarkan konservasi (eksak) properties relevan di setiap sel ukuran hingga. Relasi yang jelas antara algoritma numeric dan prinsip konservasi fisis dasar memberikan sebuah ketertarikan dan konsep yang lebih mudah bagi para enginer.

Konservasi variable umum aliran Φ contohnya sebuah komponen kecepatan atau entalpi, dalam sebuah volume hingga dapat digambarkan sebagai keseimbangan di antara bermacam proses berkecenderungan menambah atau mengurangi. Dengan kata lain :

3. Post-processor

Hasil perhitungan modul solver berupa nilai-nilai numerik (angka-angka) variabel-variabel dasar aliran seperti komponen-komponen kecepatan, tekanan, temperatur dan fraksi-fraksi masa. Dalam modul post-processor nilai-nilai numerik ini diolah agar pengguna dapat dengan mudah membaca dan menganalisis hasil-hasil perhitungan CFD. Hasil-hasil ini dapat disajikan dalam bentuk grafis-grafis ataupun kontur-kontur distribusi parameter-parameter aliran fluida. Selain itu juga, modul post-processor menghitung parameter-parameter desain seperti koefisien gesek, Cd, Cl, Fluks panas , Gaya-gaya yang dikembangkan aliran fluida, Torsi, Daya dan lain sebagainya.

2.2 EFD (Engineering Fluid Dynamics)

Perkembangan terbaru dari CFD untuk aplikasi enggineering adalah EFD (Enggineering Fluid Dynamics). EFD telah terkombinasi secara langsung dengan software permodelan 3 dimensi (3D CAD) yang telah umum digunakan, seperti: Inventor, NX, Solid Works, Catia dll. Kelebihan dengan adanya permodelan 3 dimensi ini adalah:

1. Waktu yang diperlukan untuk mendesain suatu system aliran fluida lebih cepat.
2. Mereduksi biaya yang diperlukan untuk membuat prototype secara fisik karena telah digantikan simulasi 3D.
3. Meminimalisasi kesalahan pada tahap design.

Beberapa aplikasi pengguaan EFD pada dunia industri :

1. Simulasi aerodinamis pada bodi mobil.
2. Simulasi semburan bahan bakar pada ruang bakar.
3. distribusi kecepatan pada pipa dan valve, dll.

EFD adalah resolusi terbaru dari CFD (Computational Fluid Dynamics) yang disebut Engineering Fluid Dynamics. EFD merupakan program CFD dengan fitur yang lebih lengkap dan canggih dibandingkan dengan CFD untuk pengguna AutoCAD, CATIA, Solid Works dan lain lain. EFD mengkombinasikan semua langkah-langkah simulasi dimulai dari penggunaan data 3D CAD untuk pemodelan ,pemecahan masalah dan hasil visualisasi dalam satu program yang mudah digunakan. Dengan kata lain EFD merupakan CFD yang mempunyai orientasi pada proses. EFD pada dasarnya sama dengan CFD pendahulunya.Akan tetapi ada 7 kelebihan utama yang membuat EFD lebih cepat dan mudah digunakan serta lebih akurat. Mengkombinasikan EFD dengan CAD memampukannya menjadi sebuah program simulasi yang sangat canggih yang bermanfaat untuk:

1. Mengimprove performa, functional dan reliability dari produk.
2. Mengurangi cost produksi
3. Meminimalisasi kesalahan dalam mendesain

Dengan kelebihan kelebihan yang dimiliki oleh EFD,maka para penggunanya dapat menghemat banyak waktu dan meningkatkan kinerja produktivitas karena dapat menekan biaya pembuatan prototype dan pengujiannya,yang dapat digantikan dengan membuat simulasinya pada EFD.

Tujuh kunci teknologi yang membuat EFD lebih maju dibandingkan dengan CFD (7Key Technologies):

 1. DC :Direct CAD to CFD Concept

2. EVI:Engineering vs Analysis User Interface

3. DVA :Design Variant Analysis

4. RAM :Intelligent Rectangular Adaptive Mesh

5. MWF :Modified Wall Functions

6. LTTM :Laminar Transitional Turbulent Modelling

7. ACC :Automatic Convergence Control

Contoh –contoh penerapan dari software EFD ini yaitu :

1. Di bidang Otomotif : penentuan sifat aerodinamik pada bagian kendaraan, aliran di katup dan silinder.
2. Di bidang proses industri : analisa blade pompa, proses terjadinya kavitasi pada pompa maupun pipa, Heat Exchanger. - Di bidang Elektronika : analisa aliran thermal di dalam assembli komputer, pada tata letak server database.
3. Di bidang HVAC (Heat Ventilating Air Conditioner) : distribusi aliran udara dan temperatur, parameter kenyaman tata letak ruangan.
4. Di bidang kesehatan : kontaminasi udara, air, atau fluida lainnya. Keuntungan dalam memakai EFD diantaranya :

·         Dengan mudah mengintegrasikan berbagai macam factor yang saling mempengaruhi aliran fluida.

·         Untuk mengoptimalkan disain perhitungan yang melelahkan yang membutuhkan tingkat ketelitian sangat tinggi.

·         Menghemat ongkos biaya pengujian eksperimental dan waktu.

·         Memberi kemudahan dan kecepatan dalam trouble-shooting dan pengambilan keputusan apabila terjadi permasalahan yang diakibatkan oleh human error.

·         Dapat menyelesaikan secara bersamaan pada proses perpindahan panas konveksi, konduksi dan radiasi.

·         Otomatisasi perubahan radiasi dengan menampilkan factor perhitungan.

·         Otomatisasi pemuatan kondisi syarat batas pada solar boundry.