DESAIN POMPA, KOMPRESOR, FAN, DAN BLOWER (TURBOBACHINERY) MENGGUNAKAN CFD

Computational fluid dynamics (CFD) adalah metode numerik untuk menyelesaikan permasalahan-permasalahan dinamika fluida menggunakan bantuan komputer. Metode ini sudah cukup lama digunakan oleh para engineer pada berbagai ranah industri seperti aerospace, otomotif, proses, energi, bahkan hingga medis. Salah satu industri yang didominasi oleh penggunaan CFD ini adalah desain turbomachinery seperti pompa, turbin, kompresor, fan dan blower.

Turbomachinery pada dasarnya adalah mesin yang mentransfer energi antara fluida dan rotor. Untuk fan, blower dan kompresor, energi mekanik dari putaran rotor (yang digerakkan oleh motor listrik atau bahan bakar) akan menggerakkan fluida yang ada di sekitarnya sehingga menghasilkan kecepatan aliran yang tinggi (untuk blower dan fan) atau meningkatkan energi fluida dalam bentuk tekanan yang tinggi yang disertai kenaikan temperatur (untuk kompresor). Sedangkan pompa biasanya mengacu pada sistem penambah tekanan fluida yang incompressible seperti air atau bahan kimia.

Kemudian turbin bekerja sebaliknya, fluida yang mengalir membawa energi berupa kecepatan, tekanan atau terkadang temperatur (entalpi) mendorong turbin hingga berputar dan menghasilkan energi mekanik yang dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik dengan memutar generator atau dimanfaatkan untuk memutar kembali fan, blower atau kompresor yang dihubungkan dengan poros.

contoh turbomachinery dalam mesin pesawat terbang (terdapat fan, kompresor dan turbin dalam satu sistem)

CFD memegang peranan yang sangat penting dalam desain turbomachinery, keunggulan utamanya adalah mengurangi siklus desain dalam meningkatkan performa, mengurangi berat dan biaya. sebagai contoh, gambar dibawah ini mengilustrasikan variasi sudut blade saat masuk kompresor dan jumlah blade pada kompresor sentrifugal. Menggunakan bantuan komputer, kita dapat dengan sangat cepat dan mudah mengedit model tersebut kemudian langsung disimulasikan menggunakan CFD dan dalam waktu singkat memperoleh prediksi performa yang kita inginkan. Bayangkan ketika kita harus “mengedit” model tersebut secara fisik, mungkin akan memakan cukup banyak waktu dan biaya untuk membuat satu model saja.

Ilustrasi modifikasi blade kompresor sentrifugal menggunakan komputer

Salah satu fitur yang cukup penting yang dimiliki oleh CFD adalah kemampuanya untuk melihat secara detail parameter-parameter aliran (kecepatan, tekanan, temperatur dll) disetiap lokasi dan di setiap waktu untuk analisis transient. Kita dapat dengan sangat mudah “menunjuk” lokasi tersebut untuk dianalisis tanpa harus menginstal probe atau sejenisnya, dan kita dapat melakukan “zoom” dalam dimensi waktu dengan mengatur step waktu yang kita inginkan tanpa harus menggunakan kamera super cepat.

Selain analisis aliran fluida, CFD juga sangat memegang peranan penting dalam desain turbomachinery karena kapabilitasnya dalam analisis perpindahan kalor. Berikut adalah contoh distribusi temperatur pada rotor turbin uap pada saat proses pendinginan dan distribusi .

distribusi temperatur pada rotor turbin uap dengan CFD

Pada era yang sudah serba canggih dan cepat ini, teknologi komputasi paralel memungkinkan perhitungan yang jauh lebih cepat dibantu dengan high performance computer yang menyokong kemampuan CFD ini. Analisis CFD untuk desain turbin pada umumnya menggunakan software komersial seperti ANSYS FLUENT atau software opensource seperti openFOAM.

Menggunakan CFD, prediksi peningkatan entropi saat terjadinya vortices dan wake mix pada aliran transient dapat diprediksi dengan sangat mudah, bahkan saat ini yang menjadi hambatan adalah justru validasi hasil CFD tersebut karena sulitnya perancangan metode eksperimen untuk kasus ini.

Berikut adalah contoh-contoh kasus simulasi CFD turbomachinery:

Distribusi streamline turbin ORC
Distribusi tekanan pada rotor turbin ORC
Streamline pada bilah rotor turbin dan stator
Distribusi kecepatan secara periodik pada turbin gas untuk rotor dan stator
Distribusi tekanan pada bilah turbin gas

Salah satu hal yang cukup menarik dari metode komputasi ini adalah kemampuanya untuk saling terkoneksi dengan metode analisis lain. Seperti misalkan kemampuan untuk mengeksport hasil simulasi aliran dari CFD sebagai input tekanan pada permukaan blade untuk simulasi struktural. Berikut adalah contoh simulasi struktural (FEA) yang inputnya menggunakan hasil simulasi CFD:

Analisis flutter menggunakan modal analysis yang dipadukan dengan hasil CFD
Analisis tegangan pada sambungan blade dengan beban mekanik serta fluida hasil simulasi CFD

By Caesar Wiratama

aeroengineering.co.id merupakan jasa layanan dibawah PT Markom Teknologi Engineering dengan berbagai jenis solusi, mulai dari drafting CAD, pembuatan animasi, simulasi aliran dengan CFD dan simulasi struktur dengan FEA. Pelajari selengkapnya di sini.

Author: Caesar Wiratama

caesar@aeroengineering.co.id 0815-4806-5205

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *