i

TUGAS AKHIR

Analisa Karakteristik Temperatur dan Kecepatan Udara

Pada Ruangan Untuk kenyamanan Termal dengan Variasi

Kecepatan Udara Menggunakan Metode Computational

Fluid Dynamic (CFD)

Disusun Sebagai Syarat Untuk Menyelesaikan Program Studi Strata I

pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Disusun oleh :

UNGGUL ADI PAMUNGKAS

D200130088

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

2017

ii

iii

iv

v

vi

MOTTO

“Genggamlah dunia sebelum dunia Menggenggangmu”

-Unggul Adi Pamungkas-

“Jadilah orang yang rajin sebelum menyesali kemalasan yang membuat

kita melewatkan kesempatan emas”

-Nuzulia Ariyana-

vii

PERSEMBAHAN

Puji syukur Alhamdulilah, hamba panjatkan atas rahmat, karunia dan

keridhaan Allah SWT yang menggenggam dan memiliki seluruh jiwa ini,

Berkat ilmu yang ia berikan dan campur tangan-Nyalah karya sederhana ini

dapat terselesaikan dengan baik. Dengan rasa syukur karya ini

dipersembahkan untuk :

➢ Ibunda tercinta Siwi Hadiningsih serta ayah tercinta Slamet Riyadi

yang telah mendidik dengan penuh kasih sayang. Terima kasih serta

do’a lah yang mampu aku berikan pada kalian sebagai balasan atas

apa yang telah kalian berikan kepada ku.

➢ Kakak-kakakku tersayang Muhammad Ary Rakasiwi, Desyana

Indriyanti, Melanie Siwi Nugrahwati, Sugiyanto terima kasih atas doa

dan semangatnya.

➢ Nuzulia Ariyana yang selalu memberikan support, terima kasih.

➢ Sahabat dan teman seperjuangan Heru, Aziz, Bagus, Edi, Rosyid,

Tama terima kasih atas support dan kerja samanya selama

penelitian.

➢ Teman-teman Teknik Mesin angkatan 2013, terutama untuk

Danang, Damba, Racha, Aziz, Bayu, Rudi, Jamil, serta teman-teman

lain yang tidak bisa disebutkan satu persatu terima kasih atas

bantuan dan dukungannya selama menempuh masa perkulliahan,

yang selalu memberikan pelajaran berharga yang tidak bisa dinilai

dengan materi, sehingga penulis bisa sampai pada titik ini.

viii

KATA PENGANTAR

Segala puji syukur ke hadirat Allah SWT atas segala rahmat dan

karunia-Nya yang telah dilimpahkan kepada penulis, sehingga Tugas Akhir

ini dapat terselesaikan dengan baik.

Adapun Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan

Sidang Sarjana S-1 pada jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas

Muhammadiyah Surakarta.

Dalam Tugas Akhir ini telah banyak mendapat bantuan dari berbagai

pihak, dan dengan penuh keikhlasan hati ingin menyampaikan terima kasih

kepada :

1. Bapak Ir. H. Sri Sunarjono, MT. Ph.D Selaku Dekan Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta.

2. Bapak Ir. H. Subroto, MT selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas

Teknik Unversitas Muhammadiyah Surakarta .

3. Bapak Ir. Sunardi Wiyono, MT selaku Sekretaris Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknik Univeritas Muhammadiyah Surakarta yang membantu

dalam proses-proses administrasi selama masa perkuliahan.

4. Bapak Marwan Effendy, ST., MT., Ph.D selaku Pembimbing yang telah

membimbing, mengarahkan, memberi petunjuk dalam penyusunan

Tugas Akhir ini.

5. Bapak Ir. Sarjito, MT., Ph.D selaku Pembimbing Akademik

6. Jajaran staf dan dosen Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah

Surakarta

Akhir kata, penulis mohon maaf, jika sekiranya terdapat kesalahan

dan kekurangan dalam penulisan Tugas Akhir ini, yang disebabkan adanya

keterbatasan-keterbatasan antara lain waktu, dana, literatur, yang

ix

ada dan pengetahuan yang dimiliki. Harapan penulis semoga laporan ini

bermanfaat untuk pembaca.

Tugas Akhir ini semoga dapat bermanfaat khususnya bagi penulis

dan pihak lain yang membutuhkan, Amin ya Robballamin.

Surakarta Oktober 2017

Penulis

x

Analisa Karakteristik Temperatur dan Kecepatan Udara Pada Ruangan Untuk kenyamanan Termal dengan Variasi Kecepatan Udara Menggunakan Metode Computational

Fluid Dynamic (CFD)

Unggul Adi Pamungkas, Marwan Effendy

Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta

Jalan A.Yani Tromol Pos 1 Pabelan , Kartasura.

Email : Unggulpamungkas9@gmail.com

ABSTRAKSI

Penelitian ini bertujuan untuk memprediksi, serta menganalisis pola distribusi temperatur dan kecepatan udara pada sebuah ruangan yang memiliki instalasi 2 unit AC split. Pendekatan simulasi CFD diterapkan pada penelitian ini dengan didahului pengukuran secara eksperimen pada kondisi sebenarnya untuk validasi data..

Dalam penelitian ini, ruangan berukuran 10,45 m x 8,1 m x 3,92 m yang terletak di Ruang H 404 Fakultas Teknik dijadikan sebagai obyek simulasi. Tiga variasi kecepatan udara yang diukur pada bagian depan evaporator, yaitu pada unit AC 1 2,467 m/s, 3,733 m/s dan 5 m/s, sedangkan unit AC 2 1,833 m/s, 2,733 m/s dan 3,2 m/s menjadi parameter yang diubah-ubah untuk diselidiki pengaruhnya terhadap distribusi temperatur dan kecepatan udara. Proses simulasi diawali dengan memvalidasi tiga tipe mesh yang berbeda 149328 element, 327440 element, 971209 element sebagai langkah standar yang harus dilalui pada penelitian berbasis simulasi / komputasi untuk menentukan konstruksi mesh yang mampu menghasilkan data simulasi dibanding data pengukuran. Asumsi dalam simulasi adalah ruangan kosong serta tidak ada pengaruh kalor dari luar ruangan.

Berdasarkan validasi yang telah dilakukan, konstruksi mesh 971209 element mampu memberikan prediksi yang paling akurat dengan tingkat perbedaan dengan hasil penukuran sebesar 4.53%. Simulasi terhadap tiga variasi kecepatan udara yang melintasi evaporator menunjukan bahwa tidak berpengaruh terlalu signifikan terhadap suhu rata-rata didalam ruangan dimana didapatkan hasil sebesar 23,73°C, 23,28°C dan 23,77°C. Sedangkan rata-rata kecepatan udara didalam ruangan terjadi kenaikan pada tiap variasi yang didapatkan hasil 0,05 m/s, 0,08 m/s dan 0,11 m/s.

Kata kunci : Computational Fluid Dynamic, Kenyamanan termal.

xi

Analysis Of Temperature Characteristic and Air Velocity In The Room For Thermal Comfort With Air Velocity Variation

Using Computational Fluid Dynamic (CFD)

Unggul Adi Pamungkas, Marwan Effendy

Department of Mechanical Engineering, Universitas Muhammadiyah Surakarta

Jalan A.Yani Tromol Pos 1 Pabelan , Kartasura.

Email : Unggulpamungkas9@gmail.com

ABSTRACT

This study aims to predict, as well as analyze the pattern of temperature distribution and air velocity in a room that has the installation of two split AC units. CFD simulation approach is applied in this study by preceded experimental measurements on actual conditions for data validation.

In this study, the room measuring 10.45 m x 8.1 m x 3.92 m located in Room H 404 Faculty of Engineering serve as a simulation object. Three variations of air velocity measured at the front of the evaporator, ie at AC 1 unit 2,467 m / s, 3,733 m / s and 5 m / s, while AC unit 2 1,833 m / s, 2,733 m / s and 3,2 m / s becomes a parameter that is altered to investigate its effect on the distribution of temperature and air velocity. The simulation process begins with validating three different types of mesh 149328 element, 327440 element, 971209 element as the standard step that must be passed on simulation / computation based research to determine mesh construction that can produce simulation data than measurement data. The assumption in the simulation is empty space and there is no influence of heat from outside the room.

Based on the validation done, the mesh construction 971209 element is able to provide the most accurate prediction with the difference level with the measurement result of 4.53%. The simulation of three variations of air velocity across the evaporator shows that it does not have a significant effect on the average temperature in the room where the results are 23.73 ° C, 23.28 ° C and 23.77 ° C. While the average air velocity in the room there is an increase in each variation obtained results of 0.05 m / s, 0.08 m / s and 0.11 m / s.

Keyword : Computational Fluid Dynamic, thermal comfort

xii

DAFTAR ISI

Halaman Judul ........................................................................................ i

Pernyataan Keaslian Skripsi ................................................................... ii

Halaman Persetujuan ............................................................................. iii

Halaman Pengesahan ............................................................................ iv

Lembar Soal Tugas Akhir ....................................................................... v

Halaman Motto ........................................................................................ vi

HalamanPersembahan ........................................................................... vii

Kata Pengantar ....................................................................................... viii

Abstraksi ................................................................................................. x

Abstract ................................................................................................... xi

Daftar Isi ................................................................................................. xii

Daftar Gambar ...................................................................................... xiv

Daftar Tabel .......................................................................................... xvi

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang .................................................................... 1

1.2 Rumusan Masalah ............................................................... 3

1.3 Batasan Masalah .................................................................. 3

1.4 Tujuan Penelitian .................................................................. 4

1.5 Manfaat Penelitian ................................................................ 4

xiii

BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka ................................................................ 5

2.2 Landasan Teori .................................................................. 8 2.2.1 Computational Fluid Dynamics (CFD) ..................... 8

2.2.2 Pembuatan Geometri .............................................. 9

2.2.3 Pembuatan Grid (Meshing) ..................................... 10

2.2.4 Aliran Laminar dan Turbulensi ................................ 11

2.2.5 Model Turbulensi .................................................... 12

2.2.6 Proses Adiabatik ..................................................... 14

2.2.7 Perpindahan Kalor .................................................. 14

2.2.8 Konduksi ................................................................. 15

2.2.9 Radiasi .................................................................... 15

2.2.10 Konveksi ................................................................. 16

2.2.11 Kenyamanan Termal ............................................... 16

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Diagram Alir Penelitian ....................................................... 19

3.2 Pengukuran Dimensi Ruangan dan Variabel .................... 20

3.3 Desain dan Geometri Ruangan .......................................... 22

3.4 Mehing ............................................................................... 24

3.5 Kondisi Batas (Boundary Coundition) ................................. 29

3.6 Calculating dan Analisis Data ............................................. 30

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Validasi Data ....................................................................... 36

4.1.1 Mesh tipe 1 .................................................................... 37

4.1.2 Mesh tipe 2 .................................................................... 39

4.1.3 Mesh tipe 3 .................................................................... 40

4.2 Variasi Kecepatan ................................................................ 41

4.2.1 Suhu udara .................................................................... 42

4.2.2 Kecepatan udara ........................................................... 45

BAB V PENUTUP

5.1 Kesimpulan ........................................................................... 48

5.2 Saran .................................................................................... 49

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Aliran Laminar ................................................................... 11

Gambar 2.2 Aliran Turbulen .................................................................. 12

Gambar 2.3 Faktor yang mempengaruhi kenyamanan termal .............. 18

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ...................................................... 19

Gambar 3.2 Posisi pengambilan titik temperatur .................................. 21

Gambar 3.3 Ruang kelas pandangan depan ........................................ 22

Gambar 3.4 Ruang kelas pandangan atas ........................................... 22

Gambar 3.5 Ruang kelas H404 ............................................................. 23

Gambar 3.6 Model Ruang kelas untuk proses simulasi ........................ 23

Gambar 3.7 Penempatan AC ................................................................ 24

Gambar 3.8 Import geometri kedalam gambit ....................................... 25

Gambar 3.9 Memecah beberapa volume geometri ............................... 26

Gambar 3.10 Mesh edge/garis pada gambit ......................................... 26

Gambar 3.11 Mesh face dan volume pada gambit ............................... 27

Gambar 3.12 Mendefinisikan permodelan komputasi ........................... 27

Gambar 3.13 Mendefiniskan fluida udara pada model komputasi ........ 28

Gambar 3.14 Tipe-tipe mesh ................................................................ 28

Gambar 3.15 Membaca file mesh pada fluent ...................................... 30

Gambar 3.16 Memberikan nilai gaya gravitasi ...................................... 31

Gambar 3.17 Memilih model persamaan yang akan digunakan ........... 31

xv

Gambar 3.18 Menentukan jenis fluida .................................................. 32

Gambar 3.19 Menentukan kondisi batas .............................................. 32

Gambar 3.20 Reference values pada Ansys Fluent .............................. 33

Gambar 3.21 Memilih solution methods ................................................ 33

Gambar 3.22 Proses Running ............................................................... 34

Gambar 3.23 Perhitungan convergen pada Ansys Fluent .................... 34

Gambar 3.24 Report pada CFD-Post .................................................... 35

Gambar 4.1 Validasi mesh tipe 1 .......................................................... 37

Gambar 4.2 Validasi mesh tipe 2 .......................................................... 39

Gambar 4.3 validasi mesh tipe 3 ........................................................... 40

Gambar 4.4 Perbandingan suhu udara ................................................. 42

Gambar 4.5 Pola persebaran suhu udara Z = 0.5 m ............................. 43

Gambar 4.6 Pola persebaran suhu udara Z = 3.44 m ........................... 44

Gambar 4.7 Pola persebaran suhu udara Z = 7.28 m ........................... 44

Gambar 4.8 Perbandingan kecepatan udara ........................................ 45

Gambar 4.9 Vektor arah aliaran udara Z = 0.5 m ................................. 46

Gambar 4.10 Vektor arah aliran udara Z = 3.44 m ............................... 47

Gambar 4.11 Vektor arah aliran udara Z = 7.28 m ............................... 47

xvi

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Temperatur dan kecepatan udara evaporator AC ................. 20

Tabel 3.2 Temperatur ruangan ............................................................. 21

Tabel 3.3 Jenis Mesh ............................................................................ 28