Filetype PDF | Posted on 19 Jan 2023 | 2 years ago
Authentication
digital resources
153x Filetype PDF File size 0.96 MB Source: repositori.lapan.go.id
Analisis Computational Fluid ..... (Firman Hartono dan Arizal)
ANALISIS COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC (CFD) RUANG
BAKAR MESIN TURBOJET TJE500FH V.1
(COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC ANALYSIS OF TURBOJET
TJE500FH V.1’S COMBUSTION CHAMBER)
*) **)
Firman Hartono dan Arizal
*) Institut Teknologi Bandung
**)
Universitas Nurtanio Bandung
e-mail: firman7738@gmail.com
ABSTRACT
This paper explains the results of Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis
of TJE500FH combustion chamber. The purpose of this work is to investigate the
characteristics of airflow in the combustion chamber especially to find out why flame
exists outside the exhaust nozzle. The simulation uses full 3D model in cold flow
condition, steady and constant density flow. The standard k – model is used to
calculate the effect of turbulence. From the simulation, it is found that the mass of
airflow entering primary and secondary zones is smaller than its design value. Hence
the rich fuel – air mixture is probably formed in primary and secondary zones. Further,
most of air enters the liner through dilution holes so that instead of cools the
combustion products, the combustion reaction takes place in this zone. Lack of air
entering primary and secondary zones are probably due to the sharp edges of the inner
and outer wall of the liner.
Keywords: Small turbojet, Gas turbine, CFD, Combustion chamber
ABSTRAK
Pada makalah ini dijelaskan hasil-hasil Computational Fluid Dynamics (CFD)
dari ruang bakar versi 1 mesin TJE500FH. Tujuan dari simulasi ini adalah untuk
menyelidiki karakteristik aliran udara di dalam ruang bakar terutama terkait fenomena
adanya pembakaran di luar nosel. Simulasi ruang bakar dalam makalah ini
menggunakan model 3D pada kondisi dingin, tunak dan dengan kerapatan udara
dianggap konstan. Model turbulensi k – standar digunakan untuk menghitung efek
turbulensi terhadap medan aliran yang dihasilkan. Dari simulasi ini, diketahui bahwa
massa udara yang masuk zona primer dan zona sekunder liner lebih kecil dari
rancangannya sehingga kemungkinan tercipta campuran bahan bakar – udara yang
terlalu kaya di daerah tersebut. Selanjutnya, sebagian besar udara masuk liner ruang
bakar pada zona dilusi sehingga alih-alih terjadi pendinginan malah terjadi reaksi
pembakaran. Kurangnya udara pada zona primer dan zona sekunder tampaknya
disebabkan oleh bentuk sisi-sisi luar liner yang tajam.
Kata kunci: Mesin turbojet kecil, Turbin gas, CFD, Ruang bakar
1 PENDAHULUAN mesin turbojet, TJE500FH terdiri dari
TJE500FH v.1 merupakan mesin tiga komponen utama yaitu: kompresor,
turbojet kecil yang dirancang untuk ruang bakar dan turbin. Fungsi dari
menghasilkan gaya dorong statik masing-masing komponen ini adalah:
maksimum 500 N pada kondisi muka kompresor untuk melakukan proses
laut standar ISA. Seperti umumnya kompresi sehingga tekanan fluida kerja
81
Jurnal Teknologi Dirgantara Vol. 10 No. 2 Desember 2013 : 81-92
naik, ruang bakar untuk melakukan sesuai dengan kondisi riil, sebuah model
proses pembakaran sehingga terjadi dengan skala yang tepat (lebih baik jika
perubahan energi dari energi kimia skala 1:1) dan alat-alat ukur yang
bahan bakar menjadi energi dalam memenuhi standar. Hal ini menyebabkan
bentuk panas dan energi kinetik, dan metode eksperimen membutuhkan waktu
turbin yang berfungsi mengambil yang cukup lama dan biaya yang relatif
sebagian energi yang dihasilkan dari mahal. Berbeda dengan metode
proses pembakaran untuk memutar eksperimen, metode komputasi hanya
kompresor. Selanjutnya sisa energi gas memerlukan komputer yang memenuhi
hasil pembakaran disemburkan dengan kriteria dan pemodelan yang tepat
kecepatan tinggi untuk menghasilkan sehingga membutuhkan waktu yang
gaya dorong. Proses perancangan mesin lebih singkat dan biaya yang lebih
ini dapat dilihat pada Hartono [Hartono, murah. Metode komputasi dapat dilakukan
F., 2010] dengan titik desain sebagai lebih dulu sebelum eksperimen.
berikut: Dalam makalah ini dilaporkan
- Laju massa udara = 0.88 kg/s hasil-hasil analisis numerik komponen
- Rasio tekanan kompresor = 4.06 ruang bakar TJE500FH v.1. Tujuan dari
- Temperatur masuk turbin = 1150 K dilakukannya analisis ini adalah untuk
Selanjutnya mesin turbojet menyelidiki sifat-sifat aliran yang
TJE500FH v.1 yang telah dibangun dihasilkan oleh ruang bakar yang telah
ditunjukkan pada Gambar 1-1 [Hartono, dirancang. Hal ini terutama untuk
F., 2011]. menjelaskan fenomena adanya semburan
api diluar nosel dalam uji coba
TJE500FH v.1 seperti terlihat pada
Gambar 1-2.
Gambar 1-1: Mesin turbojet TJE500FH v.1
Sebagai salah satu komponen inti
mesin turbojet, ruang bakar harus Gambar 1-2: Uji coba mesin turbojet TJE500FH
memiliki kinerja yang sesuai dengan v.1
rancangan. Hal ini penting karena Sebelum dilakukan analisis 3
ketidaksesuaian kinerja salah satu dimensi, telah terlebih dahulu dilakukan
komponen mesin dapat menyebabkan analisis 2 dimensi aksisimetrik. Hasil
mesin gagal beroperasi atau minimal analisis 2 dimensi aksisimetrik ruang
menjadi tidak efisien. bakar ini dapat dilihat pada [Rahardianto
Terdapat setidaknya dua metode S dan Hartono, F., 2011].
untuk menyelidiki kinerja komponen 2 RUANG BAKAR TJE500FH V.1
ruang bakar, yaitu: metode eksperimen 2.1 Pengantar
dan metode komputasi. Metode
eksperimen membutuhkan sebuah test Ruang bakar TJE500FH v.1
bed yang dapat memberikan massa termasuk ke dalam tipe ruang bakar
udara, tekanan dan temperatur yang annular straight through flow. Proses
82
Analisis Computational Fluid ..... (Firman Hartono dan Arizal)
perancangan ruang bakar secara umum melalui proses perancangan aerodinamika,
mengacu pada [Lefebvre, A.H., 1983], namun demikian perancangan aero-
namun pertimbangan dalam pemilihan dinamika pada [Lefebvre, A.H., 1983] tidak
tipe ruang bakar ini dapat dilihat pada dapat digunakan untuk menentukan
[Hartono, F., 2010]. jarak antar lubang atau pola lubang.
Ruang bakar terdiri dari casing
dan liner. Casing adalah bagian Table 2-1: HASIL PERANCANGAN RUANG BAKAR
selongsong luar ruang bakar yang Kriteria Nilai Satuan
berfungsi mengatur aliran udara Diameter liner 115 mm
sebelum memasuki liner dan melindungi dalam (depan)
komponen mesin dan lingkungan luar Diameter liner luar 160 mm
dari radiasi panas ruang bakar. Di Casing dalam 164 mm
bagian dalam casing terdapat liner. Liner (front)
merupakan bagian dari ruang bakar Casing luar 111 mm
yang fungsinya sebagai tempat Panjang liner 134 mm
berlangsungnya reaksi pembakaran. Jumlah lubang 53
Ruang bakar ini dirancang untuk primer
memiliki tiga zona yaitu zona primer, Diameter lubang 3,4 mm
zona sekunder dan zona dilusi. Zona primer
primer adalah daerah tempat proses Jumlah lubang 109
pembakaran utama berlangsung. Zona sekunder
sekunder adalah tempat proses Diameter lubang 1,7 mm
sekunder
pembakaran lanjutan (jika masih ada Jumlah lubang 50
bahan bakar yang belum terbakar) dilusi
berlangsung. Zona dilusi adalah tempat Diameter lubang 3,6 mm
terjadinya pendinginan gas-gas hasil dilusi
pembakaran agar memiliki temperatur
yang sesuai dengan temperatur masuk 2.3 Manufaktur Ruang Bakar
turbin hasil perancangan termodinamika. Dimensi liner ruang bakar
Dalam proses perancangan aerodinamika, ditunjukkan pada Gambar 2-1. Seperti
ditentukan agar 31% udara masuk ke telah dijelaskan sebelumnya, tidak ada
dalam zona primer, 29% udara masuk metode yang secara khusus dapat
ke dalam zona sekunder dan 40% udara digunakan untuk menentukan posisi
masuk ke dalam zona dilusi. dan pola lubang-lubang pada liner
Untuk mengatur banyaknya udara sehingga sangat mungkin posisi dan
yang masuk, pada dinding liner setiap pola lubang-lubang pada liner akan
zona terdapat lubang-lubang. Ukuran berubah atau mengalami modifikasi.
dan jumlah lubang bervariasi tergantung Dengan demikian, liner ini merupakan
pada jumlah udara yang harus masuk liner ruang bakar versi pertama.
dan tingkat penetrasi udara. Perhitungan
untuk penentuan ukuran dan jumlah
lubang mengacu pada [Lefebvre, A.H.,
1983].
2.2 Hasil Perancangan
Ruang bakar anular hasil
perancangan aerodinamika disajikan
pada Tabel 2-1. Perhitungan jumlah dan
diameter lubang pada setiap zona di
dalam ruang bakar dapat dilakukan Gambar 2-1: Liner ruang bakar TJE500FH v.1
83
Jurnal Teknologi Dirgantara Vol. 10 No. 2 Desember 2013 : 81-92
Liner dibuat dari material baja = matriks tegangan geser fluida
ij
pelat yang di roll. Bahan bakar masuk ke
u
uu
j 2
dalam liner melalui dua pipa bahan il
(3-3)
ij ij
bakar. Bahan bakar yang digunakan x x 3 x
j i l
adalah gas LPG dan kerosene. LPG
F = faktor body forces dalam fluida
digunakan untuk proses penyalaan awal Kedua persamaan tersebut dapat
dan akselerasi awal sedangkan kerosene dinyatakan dalam bentuk persamaan
digunakan untuk operasi mesin selanjut- transport.
nya. Hasil manufaktur liner ditunjukkan
pada Gambar 2-2. udA dA S dV
(3-4)
V
Untuk persamaan kontinuitas,
faktor skalar berharga 1 dan berharga
0. Sedangkan untuk persamaan
konservasi momentum, merupakan
vektor kecepatan dan koefisien
merupakan koefisien viskositas fluida
(. Suku S merupakan rangkuman dari
gaya konservatif (body forces) dan
kontribusi kecil dari tegangan viskos
(viscous stress). Suku yang mengandung
faktor gradien tekanan akan dikaitkan
dengan metode velocity-pressure coupling.
Aliran turbulen ditandai dengan
hadirnya medan aliran yang berfluktuasi.
Fluktuasi ini memiliki sifat mencampur
Gambar 2-2: Manufaktur liner ruang bakar besaran yang mengalami proses transport
TJE500FH v.1 seperti momentum. Untuk itu, pada
3 MODEL NUMERIK persamaan atur aliran harus ditambahkan
3.1 Persamaan Atur fungsi time-averaged. Dengan menambah-
Pemodelan numerik aliran [Fluent kan fungsi tersebut, akan muncul
Manual, Fluent Inc.] dilakukan dengan besaran baru hasil dari pemodelan
menggunakan persamaan konservasi fluktuasi tersebut. Proses ini dinamakan
massa (kontinuitas) dan persamaan pemodelan turbulen. Terdapat banyak
konservasi momentum dalam bentuk model turbulensi yang dapat dipilih
integral dan kondisi stasioner. untuk mensimulasikan aliran. Untuk
aliran di dalam ruang bakar dengan
Persamaan Kontinuitas putaran (swirling flows) tinggi, sebaiknya
udA 0 digunakan model turbulensi RSM [Hogg,
(3-1)
S. dan Leschziner, M.A., 1989]. Untuk
aliran di dalam ruang bakar dengan
Persamaan Momentum putaran rendah, model turbulensi RSM
(3-2)
uudA pdA dA FdV
menjadi tidak ekonomis sehingga tidak
V disarankan. Hasil penelitian pada
Keterangan: [Widmann, J.F., Charagundla, S.R., dan
= densitas fluida Presser, C., 1999] menunjukkan bahwa
u = vektor kecepatan pada putaran yang rendah model
A = vektor normal bidang batas turbulensi RNG k– sudah sesuai
P = tekanan dengan hasil eksperimen.
84
no reviews yet
Please Login to review.
