SNTMUT - 2014
ISBN: 978-602-70012-0-6
ANALISIS CFD PADA TURBIN ANGIN HYBRID SAVONIUS-DARRIEUS Erwin ST., MT, Imron Rosyadi ST., MT., Edward H. Tambunan Bayu Ary Nugroho, Luffy Noor Agnes Perwira Muhammad Aji Akbar, Robby Rahadian Jurusan Teknik Mesin Universitas Sultan AgengTirtayasa Jl. Jend Sudirman KM.3 Cilegon, Banten 42435 Email:
[email protected] Abstrak Efektifitas penggunaan pembangkit listrik tenaga angin sangatlah bergantung pada desain turbin angin, akan tetapi perancangan suatu desain turbin angin tentu memakan waktu dan biaya yang besar, untuk itu penulis mencoba untuk melakukan penelitian mengenai efektifitas desain turbin angin dengan menggunakan metode simulasi computer sehingga dapat menekan waktu dan biaya yang dibutuhkan. Dalam proses penelitian ini yang dilakukan ialah: melakukan percobaan simulasi komputasi pada desain blade turbin angin Savonius dan Darrieus NACA 0012 dengan menggunakan software simulasi fluida Flow Simulation 2011 pada variasi sudut serang (angle of attack), 0˚, 5˚, 10˚ ,15˚ dan 20˚ untuk mengetahui varian mana yang menghasilkan daya torsional yang lebih besar. Dari hasil penelitian yang dilakukan bahwa gaya (force) yang dihasilkan oleh blade Darrieus mengalami peningkatan berbanding lurus dengan besarnya sudut serang α hingga mencapai maksimum pada 15˚, pada sudut serang 20˚ blade mengalami penurunan gaya akibat meningkatnya gaya hambat. Kata kunci :Turbin angin, savonious-darrieus, CFD, torsi.
Pendahuluan Perancangan turbin angin untuk mendapatkan desain dengan performa yang memiliki nilai efektifitas yang tinggi memerlukan biaya tambahan dan waktu yang lebih banyak, mengingat banyaknya variabel desain yang bisa dirubah, besarnya perubahan itu serta menganalisa efek dari perubahan tersebut. Hal ini tentu saja dapat diatasi dengan menggunakan metode simulasi komputer yang dapat menekan biaya dan waktu yang dibutuhkan. Tinjauan pustaka Pengaruh penambahan aditif Jet Age Conditioner (JAC)Gas Conditioner pada bensin terhadap mesin 4 silinder 4 langkah secara ilmiah dapat meningkatkan performansi pada motor bakar. Selanjutnya pengaruh dari aditif tidak hanya berpengaruh terhadap performansi motor bakar saja, namun hal ini berpengaruh juga terhadap gas buang . 1. Turbin Angin Savonius Turbin angin Savonius adalah salah satu tipe turbin angin sumbu vertikal yang (VAWT) yang digunakan untuk mengubah kekuatan angin menjadi torsi pada poros berputar. Turbin angin Savonius turbin adalah salah satu turbin angin yang tergolong sederhana.Secara aerodinamis, turbin ini digerakkan oleh gaya hambat (drag force) terhadap angin yang ditangkap oleh sudu. 2. Turbin Angin Darrieus Turbin angin Darrieus adalah jenis turbin angin sumbu vertikal (VAWT) yang digunakan untuk menghasilkan listrik dari energi yang dibawa oleh angin. Secara aerodinamis, turbin ini digerakkan oleh gaya angkat (lift force) terhadap angin yang ditangkap oleh sudu.
Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014
KE04 - 1
SNTMUT - 2014
ISBN: 978-602-70012-0-6
3. Gaya Hambat (Drag Force) Gaya hambat adalah gaya yang menghambat pergerakan sebuah benda padat melalui sebuah fluida (cairan atau gas). Bentuk gaya hambat yang paling umum tersusun dari sejumlah gaya gesek, yang bertindak sejajar dengan permukaan benda, plus gaya tekanan, yang bertindak dalam arah tegak lurus dengan permukaan benda. Bagi sebuah benda padat yang bergerak melalui sebuah atau gaya dinamika fluida yang bekerja dalam arahnya pergerakan. Komponen tegak lurus terhadap arah pergerakan ini dianggap sebagai gaya angkat. Dengan begitu gaya hambat berlawanan dengan arah pergerakan benda, dan dalam sebuah kendaraan yang digerakkan mesin diatasi dengan gaya dorong. 4. Gaya Angkat (Lift Force) Gaya angkat (lift) biasanya dimanfaatkan pada industry pesawat. Disain sayap dan badan pesawat secara keseluruhan dirancang dengan sedemikian rupa untuk dapat mengangkat pesawat untuk terbang. Meskipun plat datar sebenarnya dapat membangkitkan gaya angkat pada sudut angin tertentu, namun ada kecenderungan pemikiran bahwa bentuk aerofoil melengkung yang menyerupai bentuk sayap burung dapat menghasilkan gaya angkat yang lebih efektif. 5. CFD (ComputationalFluidsDynamic) Komputasi dinamika Fluida biasanya disingkat sebagai CFD (Computational Dynamics Fluid), merupakan suatu teknologi komputasi yang memungkinkan anda untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat-zat yang mengalir. CFD adalah cabang dari mekanika fluida yang menggunakan metode numeric dan algoritma untuk memecahkan dan menganalisis masalah yang melibatkan dari aliran fluida tersebut. Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika). Pada analisis ini computer digunakan untuk melakukan perhitungan yang diperlukan untuk mensimulasikan interaksi cairan dan gas dengan permukaan yang didefinisikan oleh kondisi batas, dengan kecepatan tinggi superkomputer, agar hasil analisis yang lebih baik dapat dicapai. Validasi awal dari perangkat lunak tersebut dilakukan menggunakan pengujian pada terowongan angin (wind tunnel). Metodologi Penelitian 1. Waktu dan Tempat Simulasi dilakukan menggunakan perangkat komputer. Waktu yang dibutuhkan dalam melakukan persiapan, melakukan pengujian, dan menganalisa hasil uji adalah kurang lebih sekitar 1 (satu) bulan. 2. Bahan dan Alat - Bahan Adapun bahan yang digunakan untuk proses simulasi dalam penelitian ini adalah berupa model desain dalam bentuk gambar 3D yang meliputi desain blade Darrieus dan Savonius. -
Alat Adapun alat-alat yang digunakan untuk proses simulasi dalam penelitian ini berupa perangkat Hardware dan Software.
Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014
KE04 - 2
SNTMUT - 2014
ISBN: 978-602-70012-0-6
1,Hardware: Alat yang digunakan untuk prosedur simulasi adalah: Komputer portabel (Laptop) HP Pavilion G4 Intel core i5-2410M CPU @3.30GHz, 4.0GB RAM, Mobile Intel HD Graphics. 2.Sofware: Proses pembuatan 3D Model mengunakan software Solidworks 2011. Proses simulasi menggunakan software Flow Simulation Solidworks 2011. 3. Pengujian Rincian metode pengujian yang akan ditempuh simulasi CFD turbin angin savonius-darrieus adalah sebagaiberikut: Tahap I : Pra-proses (Preprocessing) Menentukan geometri atau batasan fisik (physical bounds) pada model. Tahap II : Simulasi (Simulation) Simulasi dilakukan sehingga diperoleh hasil perhitungan. Tahap II : Pasca-Proses (Postprocessor) Pada tahapan akhir hasil iterasi/perhitungan dan solusi dapat disajikan secara visual. Prosedur Simulasi Melakukan setting besarnya sudut serang (angle of attack) pada model 3D setiap varian desain blade darrieus yang akan disimulasikan. 2. Membuat suatu project simulasi baru. 3. Melakukan setting padawizard 4. Menentukan domain dan kondisi batas 5. Melakukan setting pada parameter-parameter yang ingin dicari 6. Memulai proses simulasi 7. Membuka solver untuk melihat hasil simulasi 8. Melakukan setting pada tampilan (preview) hasil simulasi 9. Amati kontur dan pola-pola tampilan hasil simulasi hingga waktu yang telah ditentukan. 10. Setelah simulasi berhenti, lakukan cut plot untuk menampilkan hasil simulasi dengan jelas. 11. Aktifkan flow trajectories untuk menampilkan simulasi aliran. 12. Plot hasil untuk menyajikan hasil simulasi dalam bentuk data
1.
Proses simulasi dapat disajikan dalam bentuk diagram berikut:
Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014
KE04 - 3
SNTMUT - 2014
ISBN: 978-602-70012-0-6
Gambar 1.Diagram AlirSimulasi Hasil dan Pembahasan 1. Data Hasil Simulasi Berdasarkan spesifikasi desain blade turbin angin Darrieus dan Savonius yang diuji dengan kecepatan angin 2 m/s dalam simulasi ini diperoleh data-data sebagai berikut: Tabel 1. Hasil Simulasi pada v=2m/s Angle of attack 0˚ 5˚ 10˚ 15˚ 20˚
Velocity (m/s)
Mach number
Pressure (Pa)
Min
Max
Min
Max
Min
Max
0 0 0 0 0
2.39 2.63 2.87 3.07 3.04
0 0 0 0 0
0.00695 0.00768 0.00836 0.00896 0.00885
101322 101322 101322 101320 101321
101328 101328 101328 101328 101328
Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014
KE04 - 4
SNTMUT - 2014
ISBN: 978-602-70012-0-6
Tabel 2.Gaya yang dihasilkanberdasarkanHasilSimulasipada v=2m/s Parameter
Blade Darrieus α= 0˚
α= 5˚
Savonius U
α= 10˚ α= 15˚ α= 20˚
X component Force [N]
0.003 0.006
0.008
0.023
0.026
0.175
Y component Force [N]
0.007 0.026
0.04
0.082
0.074
0.0004
Force [N]
0.008 0.026
0.04
0.085
0.079
0.174
Berdasarkan spesifikasi desain blade turbin angin Darrieus 15˚ yang diuji dengan kecepatan angin 20 m/s dalam simulasi ini diperoleh data-data sebagai berikut: Tabel 3. Hasil Simulasi pada v=20m/s Angle of attack 15˚
Velocity Mach Pressure (m/s) number (Pa) Min Max Min Max Min Max 0 31.82 0 0.09270 100875 101600
Tabel 4. Gaya yang dihasilkan berdasarkan Hasil Simulasi pada v=20m/s Parameter X component Force [N] Y component Force [N] Force [N]
0.1
Blade Darrieus α= 15˚ 1.601 5.239 5.478
X component Force [N]
0.08 0.06
Y component Force [N]
0.04 0.02 0 α= 0˚
α= α= α= α= 5˚ 10˚ 15˚ 20˚
Force [N]
Gambar 2. Grafik Perbandingan Gaya (Force) Darrieus Terhadap Sudut Serang (Angle Of Attack) 2. Pengolahan Data Hasil Simulasi Untuk mengetahui besarnya momen torsi yang dihasilkan oleh masingmasing varian blade tersebut dapat dicari dengan persamaan: τ = F. r Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014
(1)
KE04 - 5
SNTMUT - 2014
ISBN: 978-602-70012-0-6
Dari hasil perhitungan diperoleh: Darrieus α = 0˚
τ = 0,04 Nm
Darrieus α = 5˚
τ = 0,013 Nm
Darrieus α = 10˚
τ = 0,02 Nm
Darrieus α = 15˚
τ = 0,0425 Nm
Darrieus α = 20˚
τ = 0,0395 Nm
Savonius U
τ = 0,0391 Nm
Kesimpulan Dari hasil pengolahan data-data dapat ditarik beberapa kesimpulan: 1. Gaya (force) yang dihasilkan oleh blade darrieus mengalami peningkatan berbanding lurus dengan besarnya sudut serang α hingga mencapai maksimum pada 15˚, pada sudut serang 20˚ blade mengalami penurunan gaya. Hal ini disebabkan karena sudut serang telah melewati critical angle sehingga gaya angkat (lift) menurun sedangkan gaya hambat (drag) meningkat. 2. Dari hasil perhitungan diperoleh nilai momen torsional yang paling tinggi pada varian sudut serang α: 15˚ yaitu: τ = 0,0425 Nm Daftar Pustaka Akhbari, M.H, Simulation of Dynamic Stall for a NACA 0012 Airfoil Using a Vortex Method. Jurnal of fluids and structure, 2003. Fauzi S, N.P, Tandian dan N. Rosidin, 2006, Perancangan, Pembuatan dan Pengujian Prototipe SKEA Menggunakan Rotor Savonius dan Windside untuk Penerangan Jalan Tol, TeknikMesin FTI ITB, Bandung. Firman Tuakia, 2008, Dasar-dasar menggunakan CFD Fluent. Informatika. Bandung. Pranowo,1998, Simulasi Numerik Aliran Udara Melewati Pylon Aksisimetrik dengan Menyertakan Pengaruh Viskositas dan Konfigurasi. Fakultas Teknik UGM, Yogyakarta. R. Gupta, R Das, dan K. K, Sharma, 2008,Comparative Study of a Three-bucket Savonius Rotor With a Combined Three-bucket-bladed Darrieus Rotor, Department of Mechanical Engineering, National Institude of Technology. Sathaye, S.S, 2004, Lift Distributions on Low Aspect Ratio Wings at Low Reynolds Numbers, Worcester Polytechnic Intitute. Sudargana, R. Guruh Kis Yuniarso, 2012, Analisa perancangan turbin darrieus pada hydrofoil naca 0015 dari karakteristik cl dan cd pada variasi sudut serang menggunakan regresi linier pada matlab, FakultasTeknik, Universitas Diponegoro, Semarang. Victor, L.S dan Benjamin E. W, 1999, Mekanika Fluida, Edisi 8, jilid 1, terjemahan Arko Prijono, Penerbit Erlangga.
Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014
KE04 - 6
