One-dimensional numerical model of water hammer in hydropower station pipeline

HANMI, Ferdian August Santika, Prof. Dr. Ir. Bambang Triatmodjo, CES, DEA

2008 | Tesis | S2 Teknik Sipil

Water hammer adalah fluktuasi tekanan dalam pipa yang terjadi oleh karena adanya perubahan aliran yang disebabkan oleh adanya gangguan terhadap aliran tersebut seperti penutupan katup dalam suatu jangka waktu terentu. Masalah yang muncul adalah saat aliran dengan kecepatan tinggi dipaksa berhenti sehubungan dengan adanya operasi penutupan katup. Gelombang tekanan yang besar akan merambat ke arah hulu dan hilir dan menimbulkan kerusakan pada dinding pipa. Penelitian ini bertujuan untuk memahami perilaku aliran pada kondisi tersebut dengan membangun sebuah model numeris satu dimensi tentang water hammer. Simulasi operasi penutupan katup akan dilakukan terhadap model tersebut. Pemodelan menggunakan dua pasang persamaan yang diturunkan dari persamaan kontinuitas dan dinamik sebagai dasar. Metode karaketeristik dan beda hingga dipakai untuk menyelesaikan tersebut menjadi persamaan kerja dalam analisis aliran di pipa. Data teknis dari waterway PLTA Sigura-gura digunakan sebagai masukan dalam case program yang kompleks. Model dibangun dan dikompilasi menggunakan bahasa pemrograman MATLAB 7.1. Enam skenario operasi penutupan katup diaplikasikan pada model dengan waktu komputasi T = 600 detik, Δt = 0.1 detik, waktu operasi katup Tc = 3.0 s dan konstanta penutupan katup Em = 3.0. Hasil penelitian menunjukkan bahwa semakin besar jumlah katup ditutup pada saat bersamaan akan menghasilkan osilasi yang lebih besar pada pipa dan surge tank. Skenario A.6 dengan seluruh katup ditutup secara simultan dan identik menghasilkan osilasi debit dan tekanan terbesar dan paling rapat di seluruh sistem pipa. Skenario A.2 dengan 1 katup ditutup menghasilkan fluktuasi debit dan tekanan terkecil. Sehubungan dengan adanya sambungan paralel pada system pipa, tiap subsistem akan memiliki perilaku aliran yang berbeda tergantung pada skenario operasi penutupan katup. Penutupan satu atau lebih katup pada suatu subsistem akan mempengaruhi perilaku aliran pada subsistem lainnya pada suatu waktu tertentu.

Water hammer is pressure fluctuation caused by a flow change in the pipeline. It occurs when the flow in the pipeline obtain disturbance such as valve closure within a period of time. The problem occurs when a high flow velocity is forced to be stopped immediately due to sudden valve closure. A high pressure wave will exist and bring damage to the conduit wall while travelling up and down along the conduit. In order to understand the flow behaviour, a numerical model of water hammer was built in this research. Simulations of valve operation were sequentially conducted, by using the corresponding model. Two pairs of governing equations which were derived from continuity and dynamic equations were the basis of modelling. Method of Characteristic (MOC) and finite difference method were applied in solving the working equations in pipeline analysis. The properties of waterway of Sigura-gura Hydropower Station were used as input in case program of complex system. The program was written and compiled in MATLAB 7.1. Six scenarios of valve closure operations were applied with identical time of computation T = 600 seconds, Δt = 0.1 s, time of valve operation Tc = 3.0 s, Em = 3.0. It was shown that the more number of valves were being shut down simultaneously, the larger oscillations were generated in the conduits and surge tank. Scenario A.6, by which all valves were simultaneously and identically shut down, generated the largest and tightest both flow and pressure oscillations throughout the system. Scenario A.2 of 1 valve being shut down generated the smallest value of flow and pressure fluctuation. The extreme values of H for all scenarios occurred in Conduit #5 and Conduit #4, depending to valve closure operation. Due to the branching junctions, each subsystem might have different flow behaviour from one towards another depending to the valve closure scenario. However, the closure of valve(s) in one subsystem would influence the flow behaviour in another sub-system at a certain time.

Kata Kunci : Model numeris satu dimensi,Persamaan kontinuitas,Persamaan dinamik,Tinggi tekan,Debit, one-dimensional numerical model, continuity equation, dynamic equation, pressure head, discharge.