The Analysis of Diameter Expansion and Connection Angle Variations Effects In Hyropower Penstock Pipe Bend on Pressure Drop Using Computational Fluid Dynamics Simulation

Agung Widodo; Dony Hidayat Al-Janan; Aldias Bahatmaka

doi:10.24036/wb52b413

Authors

Agung Widodo Universitas Negeri Semarang
Dony Hidayat Al-Janan Universitas Negeri Semarang
Aldias Bahatmaka Universitas Negeri Semarang

DOI:

https://doi.org/10.24036/wb52b413

Keywords:

Penstock, Hydropower Plant, Pressure Drop, CFD, ANSYS

Abstract

Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) memanfaatkan pipa pesat (penstock) sebagai saluran utama pengaliran air dari reservoir menuju rumah pembangkit. Belokan pada jalur pipa pesat berpotensi menyebabkan pressure drop yang dapat menurunkan efisiensi sistem secara keseluruhan. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis pengaruh variasi perbesaran diameter dan variasi sudut penghubung pada belokan pipa terhadap nilai pressure drop. Kajian teoritis yang digunakan meliputi prinsip persamaan kontinuitas dan persamaan bernoulli dalam sistem perpipaan. Penelitian ini menggunakan pendekatan kuantitatif dengan metode eksperimen berbasis simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD) menggunakan perangkat lunak ANSYS Fluent 2019 R3. Pengambilan data dilakukan menggunakan simulasi numerik numerik terhadap 13 variasi desain belokan pipa yang mencakup variasi perbesaran diameter 1D, 1,25D dan 1,5D dengan variasi sudut penghubung 10°, 20°, 30°, 45°, 60° dan 90°, menggunakan model turbulensi k-epsilon realizable dengan kecepatan inlet 7 m/s. Hasil simulasi menunjukkan bahwa nilai pressure drop dipengaruhi secara signifikan oleh kedua variabel. Semakin kecil sudut penghubung, semakin rendah nilai pressure drop yang dihasilkan, dengan peningkatan sudut dari 10° ke 90° menyebabkan kenaikan pressure drop sebesar 898,0% pada variasi 1,25D dan 1.707,9% pada variasi 1,5D. Perbesaran diameter efektif menurunkan pressure drop hanya pada sudut penghubung kecil, sedangkan pada sudut besar justru memicu separasi aliran dan zona resirkulasi. Desain paling optimal adalah 1,25D dengan sudut penghubung 10°, yang menghasilkan pressure drop sebesar 1.094,350 Pa atau lebih rendah 47,7% dibandingkan desain standar 1D. Penelitian ini memberikan rekomendasi desain belokan pipa pesat yang mampu meminimalkan kerugian tekanan guna meningkatkan efisiensi sistem PLTA.

References

Alhabsyi, A. C., Badrun, B., & Yusuf, A. R. (2023). Studi Perencanaan Pipa Penstock Pada Pembangunan PLTA Poso. Jurnal Penelitian Teknik Sipil Konsolidasi, 1(3), 156–159. https://doi.org/10.56326/jptsk.v1i3.3014

Al-Tameemi, W. T. M., Al-Tameemi, M. R. J., & Khudhair, A. J. (2025). PRESSURE LOSS COEFFICIENT OF LAMINAR FLOW ACROSS 30°, 45° AND 60° MINI MITRE BENDS. Kufa Journal of Engineering, 16(4), 288–301. https://doi.org/10.30572/2018/KJE/160417

Dewadi, M. F., Pido, R., & Issafira, D. R. (2023). MEKANIKA FLUIDA (M. F. Dewadi, Ed.). Indie Press. www.indiepress.id

Fadhli, & Sriwati. (2017). STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH VARIASI BELOKAN PIPA (ELBOW) TERHADAP KECEPATAN ALIRAN FLUIDADAN KERUGIAN TEKANAN. 12, 1717–1721.

Gulo, S. R., & Wungu, T. D. K. (2026). Analisis Distribusi Tekanan dan Kecepatan dalam Pipa Elbow Menggunakan Computational Fluid Dynamics. Jurnal Teori Dan Aplikasi Fisika, 14(01), 40.

Haq, R. N., Prasetyo, B. Y., & Praktiko. (2025). Simulasi Computational Fluids Dynamic Distribusi Temperatur dan Kecepatan Udara Pada Sistem Pendingin Thermoelectric. IRWNS, 323–329.

Hasibuan, B. A., Siahaan, J. C., & Harianda, I. (2022). ANALISIS UNJUK KERJA TURBIN AIR KAPASITAS 3×6 MW PADA BEBAN NORMAL DAN BEBAN PUNCAK DI UNIT PLTA PAKKAT PT. ENERGY SAKTI SANTOSA. SINERGI Polmed : JURNAL ILMIAH TEKNIK MESIN, 13–22. http://ojs.polmed.ac.id/index.php/Sinergi/index

Joshi, T., Parkash, O., & Krishan, G. (2022). CFD modeling for slurry flow through a horizontal pipe bend at different Prandtl number. International Journal of Hydrogen Energy, 23731–23750.

Karpenko, M., Stosiak, M., Sukevicius, S., Skackauskas, P., Urbanowicz, K., & Deptula, A. (2023). Hydrodynamic Processes in Angular Fitting Connections of a Transport Machine’s Hydraulic Drive. Machines, 11(3). https://doi.org/10.3390/machines11030355

Mulyana, C., & Riyandi, D. N. (2019). MODEL PENGARUH DIAMETER PIPA TERHADAP PRESSURE DROP PADA PIPA PLTP DOMINASI UAP. Jurnal Ilmu Dan Inovasi Fisika), 03(01), 26–32.

Nuryoto, Rahmayetty, R., Yusuf Rumbino, Astrilia Damayanti, & Doni Rahmat Wicakso. (2024). OBSERVASI PENURUNAN TEKANAN (PRESSURE DROP) PADA SISTEM PERPIPAAN: PENGARUH PANJANG DAN DIAMETER PIPA, ELBOW, DAN TEE. Jurnal Rekayasa Mesin, 15(2), 1023–1039. https://doi.org/10.21776/jrm.v15i2.1666

Rathakrishnan, E. (2022). FLUID MECHANICS An Introduction (4th ed.). PHI Learning Private Limited.

Saber, H. A., & Maree, I. E. (2022). A COMPUTATIONAL STUDY OF CURVATURE EFFECT ON PRESSURE DROP OF GAS-LIQUID TWO-PHASE FLOW THROUGH 90 DEGREE ELBOW. Thermal Science, 26(4), 3215–3228. https://doi.org/10.2298/TSCI210322002S

, F. M., & Al-Janan, D. H. (2025). Analysis of the Effect of 90 0 Pipe Elbow Design Variations and Inlet Flow Velocity on Pressure Drop Using Computational Fluid Dynamics Simulation. Jurnal Vokasi Mekanika, 7(3), 355–366.

Sugiyono. (2022). METODE PENELITIAN KUANTITATIF, KUALITATIF, DAN R&D. ALFABETA.

Taufiqurrahman, A., & Windarta, J. (2020). Overview Potensi dan Perkembangan Pemanfaatan Energi Air di Indonesia. Jurnal Energi Baru Dan Terbarukan, 1(3), 124–132. https://doi.org/10.14710/jebt.2020.10036

Yulianti, R., Syukrilla, W. A., Febriyanti, T. L., Rahayu, D. S., Agung, B. H., Oktarianto, M. L., Koto, S. K., Rahmawan, S., Asmara, A., Sidabutar, Y. A., Krisma, D. A., Adi, N. R. M., & Zulaeha, O. (2024). Metode Penelitian Eksperimen Konsep, Implementasi, dan Studi Kasus (Sarwandi, Ed.). PT. Mifandi Mandiri Digital.