TUGAS AKHIR - TM 090340
ANALISIS PENGARUH OVERLAP RATIO PADA TURBIN ANGIN SUMBU VERTIKAL SAVONIUS MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK FLUENT 6.3.26 FARICH FIRMANSYAH HALWAN NRP. 2111 030 037 Dosen Pembimbing Giri Nugroho ST, MSc PROGRAM STUDI DIPLOMA III JURUSAN TEKNIK MESIN Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2014
i
FINAL PROJECT - TM 090340 (KE)
ANALYSIS THE INFLUENCE OF OVERLAP RATIO TO THE VERTICAL AXIS WIND TURBINE SAVONIUS USING FLUENT 6.3.26 FARICH FIRMANSYAH HALWAN NRP. 2111 030 037 Counselor Lecturer Giri Nugroho, ST, MSc DIPLOMA III STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT Facuty of Industrial Technology Institute Technology of Sepuluh Nopember Surabaya 2013
ii
ANALISIS PENGARUH OVERLAP RATIO PADA TURBIN ANGIN SUMBU VERTIKAL SAVONIUS MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK FLUENT 6.3.26 TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Ahli Madya Teknik Mesin Pada Bidang Studi Konversi Energi Program Studi Diploma III Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Oleh : FARICH FIRMANSYAH HALWAN NRP. 2111 030 037 Disetujui oleh Dosen Pembimbing Tugas Akhir :
1. Giri Nugroho ST, MSc ............................... ( Pembimbing )
SURABAYA Juli 2014
iii
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL ...................................................................... LEMBAR PENGESAHAN........................................................ ABSTRAK.................................................................................. KATA PENGANTAR................................................................. DAFTAR ISI............................................................................... DAFTAR GAMBAR.................................................................. DAFTAR TABEL............................................................................
i iii iv vi viii x xii
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang...................................................................... 1.2 Rumusan Masalah.............................................................. 1.3 Tujuan Penelitian.................................................................... 1.4 Batasan Masalah................................................................ 1.5 Manfaat Penulisan…………………………..………………... 1.6 Sistematika Penulisan………………………..………………
1 2 2 2 3 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Profil Kecepatan Angin di Indonesia...................................... 2.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal................................................... 2.3Turbin Angin Savonius............................................................. 2.4Udara dan Sifat-sifatnya............................................................. 2.4.1 Densitas........................................................................... 2.4.2 Viskositas........................................................................ 2.4.3 Bilangan Reynolds........................................................... 2.5Tekanan Statis, Stagnasi, dan Dinamis................................. 2.6Teori Eksternal........................................................................... 2.6.1 Aliran Nonviscous dan Viscous……………………….. 2.6.2 Boundary Layer Development…………………………. 2.6.3 Separasi Aliran………………………………………... 2.7Gaya Drag (Gaya Hambat)…………………………………… 2.8Computional Fluid Dynamics………………………………. 2.8.1 Gambit…………………………………………………. 2.8.2 Fuent……………………………………………………
5 7 8 9 10 11 12 13 17 17 18 20 23 24 24 25
viii
1 Grid Indepedensi…………………….………………... 2 Formulasi Solver……………………………………… 3 Penentuan Model……………………………................ 4 Penentuan Kondisi Batas………………………………
25 26 26 28
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Preprocessing............................................................................ 3.1.1 Geometri Savonius Blade.............................................. 3.1.2 Pemodelan Dua Dimensi................................................ 3.1.3 Parameter Pemodelan..................................................... 3.2Processing atau Solving............................................................. 3.3Postprocessing...................................................……………… 3.4 Diagram Alir Penelitian..........………………….......................
31 31 32 38 43 44 44
BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN 4.1 Analisa Grid Independensi ............... ...................................... 4.2 Analisa Distribusi Kecepatan................................................... 4.3 Analisa Distribusi Tekanan...................................................... 4.3.1Savonius dengan Overlap Ratio 0,1…………….............. 4.3.2Savonius dengan Overlap Ratio 0,15…............................ 4.3.3 Savonius dengan Overlap Ratio 0,2…………………… 4.3.4 Savonius dengan Overlap Ratio 0,25…………………… 4.4 Pembahasan...............................................................................
47 48 51 56 60 65 70
BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan dan Saran............................................................
71
DAFTAR PUSTAKA.....................................................................
73
LAMPIRAN
ix
DAFTAR TABEL 3.1 Dimensi celah antar sudu………………………………. 32 4.1 Analisa Grid Independensi tekanan total pada overlap ratio 0,15……………………………………………… 47 4.2 Distribusi Tekanan Pada Sudu Bagian Atas Savonius dengan overlap ratio 0,1……………………………… 53 4.3 Distribusi Tekanan Pada Sudu Bagian Bawah Savonius dengan overlap ratio 0,1 ................................................... 53 4.4 Distribusi Tekanan Pada Sudu Bagian Atas Savonius dengan overlap ratio 0,15 ................................................. 58 4.5 Distribusi Tekanan Pada Sudu Bagian Bawah Savonius dengan overlap ratio 0,15 ................................................. 58 4.6 Distribusi Tekanan Pada Sudu Bagian Atas Savonius dengan overlap ratio 0,2 ................................................... 62 4.7 Distribusi Tekanan Pada Sudu Bagian Bawah Savonius dengan overlap ratio 0,2 ................................................... 63 4.8 Distribusi Tekanan Pada Sudu Bagian Atas Savonius dengan overlap ratio 0,25 ................................................. 67 4.9 Distribusi Tekanan Pada Sudu Bagian Bawah Savonius dengan overlap ratio 0,25 ................................................. 67 4.10 Data perhitungan ............................................................... 70
xii
DAFTAR GAMBAR 2.1. 2.2. 2.3. 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19
Angin Planetary Dalam Atmosfer.................................... 5 Kelas kecepatan angin di indonesia ................................. 6 Savonius dengan dua sudu ............................................... 9 Pengukuran Tekanan Statis .............................................. 14 Pengukuran Tekanan Stagnasi ......................................... 16 Pengukuran Tekanan Total .............................................. 16 Perbedaan Antara Fluida ideal dan Viscous .................... 18 Boundary Layer Pada Plat Datar ..................................... 19 Boundary layer flow dengan pressure gradient ............... 20 Aliran pada lintasan berbentuke sphere ........................... 22 a. Aliran incompressible melewati bola (sphere) ............ 22 b. Separasi aliran melewati benda streamline .................. 22 Ilustrasi Gaya Hambat ..................................................... 24 Dimensi Savonius ............................................................ 31 Domain pemodelan savonius ........................................... 32 Mesh pada Gambit ........................................................... 33 Kualitas Mesh .................................................................. 34 Daerah batas kecepatan inlet............................................ 35 Daerah batas control volume outlet ................................. 35 Daerah batas dinding atas dan dinding bawah ................. 36 Daerah batas sisi sudu atas dan bawah ............................ 36 Daerah mesh yang didefinisikan sebagai fluida udara ..... 37 Meng-export ke filetype; .msh ......................................... 38 Menu bar saat start-up software fluent ............................ 38 meng-import grid pada Fluent ......................................... 39 Pemilihan Model Pada Fluent .......................................... 39 Penentuan matrials pada fluent ........................................ 40 Penentuan operating conditions pada fluent .................... 40 Boundary Condition pada fluent ...................................... 41 Pemilhan Solution pada fluent ......................................... 42 Initialize pada fluent ........................................................ 42 Monitor residual pada fluent ............................................ 43
x
3.20 3.21 3.22 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5
Iterasi pada fluent ............................................................ 43 Menampilkan hasil analisa fluent .................................... 44 Diagram alir penelitian .................................................... 46 Pathline velocity pada overlap ratio 0,1 .......................... 48 Pathline velocity pada overlap ratio 0,15 ........................ 49 Pathline velocity pada overlap ratio 0,2 .......................... 49 Pathline velocity pada overlap ratio 0,25 ........................ 50 Distribusi tekanan statispada savonius dengan overlap ratio 0,1 ........................................................................... 51 4.6 Distribusi tekanan pada savonius dengan overlap ratio 0,15 .................................................................................. 52 4.7 Distribusi tekanan statis pada savonius dengan overlap ratio 0,15 ......................................................................... 56 4.8 Distribusi tekanan pada savonius dengan overlap ratio 0,15 .................................................................................. 57 4.9 Distribusi tekanan statis pada savonius dengan overlap ratio 0,2 ........................................................................... 60 4.10 Distribusi tekanan pada savonius dengan overlap ratio 0,2 .................................................................................... 61 4.11 Distribusi tekanan statis pada savonius dengan overlap ratio 0,25 ......................................................................... 65 4.12 Distribusi tekanan pada savonius dengan overlap ratio 0,25 .................................................................................. 66
xi
KATA PENGANTAR Segala puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT yang telah memberikan segala rahmat dan hidayah-Nya hingga penulis dengan segala keterbatasannya dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik. Dalam terselesaikannya tugas akhir ini, penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada seluruh pihak yang telah membantu secara moral maupun materi, yakni: 1. Bapak Giri Nugroho ST, MSc sebagai dosen pembimbing tugas akhir yang telah banyak memberikan bimbingan dan ilmu mengenai mekanika fluida yang terkait dengan tugas akhir. 2. Bapak Ir. Suhariyanto, Program StudiD3 JurusanTeknik Mesin FTI-ITS. 3. Ibu Liza Rusdiyana, ST, MT selaku Koordinator Tugas Akhir D3 Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS. 4. Para Dosen Penguji selaku dosen yang memberikan kritik, saran, serta masukan yang sangat bermanfaat untuk penyempurnaanTugas Akhir ini. 5. SeluruhDosendanKaryawanyang telah banyak membimbing penulis dalam menggali ilmu di D3 Teknik Mesin ITS. 6. Bapak danI buk tercinta yang selalu memberikan do’a dan motivasinya. Tanpa do’a dan motivasi penulis tidak bias menyelesaikan tugas akhir dengan baik. 7. Mas Fauz, Mbak Ridha, Mbak Rizqi, Mbak Rahmah, Mbak Rafiqah saudara tercinta yang selalu memberikan do’a dan motivasi. 8. Wahyu Indrawan dan M. Alif Asrofi atas kerjasamanya dalam mengerja kandan menjadi partner yang baik dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 9. Kisah Erlangga, Anang Firmansyah, Rifian Binugraha, Indra Fajar, Andri Nusantara, Simeon Messaya, Urandy Triaryosi, Edwin Johan, Dili Kurniawan yang memberikan motivasi satu sama lain selama pembimbingan tugas akhir. vi
10. Aji Dwi, Iwan Purnomo, Sam Matahari, Irhaz Soekarno, Moch Adham, OkkyArdiansyah, Rojagid Ariadi yang selalu memotivasi penulis untuk menyelesaikanTugas Akhir. 11. Seluruh teman-teman angkatan 2011 yang selalu membantu dan memberikan semangat kepada penulis. Terima kasih atas segala kritik dan saran sertamotivasi yang telah kalian berikan. 12. Seluruh pihak yang belum disebutkan di atas yang telah memberikan do’a, bantuan, dan dukungannya bagi penulis hingga tugas akhir ini dapat terselesaikan dengan baik dan tepat waktu. Penulis mengharapkan kritik dan saran demi kesempurnaan tugas akhir ini. Akhirnya, penulis berharap semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan di masa depan.
Surabaya, Juli 2014
Penulis
vii
ANALISIS PENGARUH OVERLAP RATIO PADA TURBIN ANGIN SUMBU VERTIKAL SAVONIUS MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK FLUENT 6.3.26 Nama Mahasiswa NRP Jurusan Dosen Pembimbing
: Farich Firmansyah Halwan : 2111 030 037 : D3 Teknik Mesin FTI-ITS : Giri Nugroho ST, MSc
Abstrak Pada saat ini dunia sedang dilanda krisis energi, termasuk Indonesia. Pemanfaatan energi alternatif merupakan salah satu cara untuk mengatasi permasalahan tersebut. Salah satu energi alternatif yang memiliki potensi besar untuk menggantikan bahan bakar minyak adalah angin.Tugas akhir ini dilakukan penelitian turbin angin sumbu vertical savonius. Tujuan tugas akhir ini untuk mengetahui karakteristik aliran dan gaya yang dapat dihasilkan oleh kincir angin savonius dengan memvariasikan overlap ratio 0,1; 0,15; 0,2; 0,25. Pengujian dilakukan melalui pemodelan numerik dengan menggunakan software fluent 6.3.26 secara dua dimensi. Karakteristik aliran dinyatakan dalam distribusi kecepatan dan grafik disribusi tekanan disekitar sudu untuk mengetahui pengaruh overlap ratio terhadap optimasi savonius. Dari hasil pengujian terlihat overlap ratio mempengaruhi distribusi kecepatan dan distribusi tekanan pada daerah sekitar sudu savonius. Pengaruh pada hasil simulasiter sebut menyatakan bahwa semakin besar overlap ratio besar.Savonius dengan Overlap ratio 0,2 memiliki performa yang paling baik, yakni dengan Daya maksimal 65,35 Watt dan Torsi awal1,17 Nm. Kata kunci : Turbin angin sumbu vertical, Savonius, Overlap ratio, Pemodelan numerik 2D
iv
ANALYSIS THE INFLUENCE OF OVERLAP RATIO TO THE VERTICAL AXIS WIND TURBINE SAVONIUSUSING FLUENT 6.3.26 Name NRP Major Counselor Lecture
: FarichFirmansyahHalwan : 2111 030 037 : D3 Teknik Mesin FTI-ITS : GiriNugroho ST, MSc
Abstract Nowdays, the crisis of energy happens around the world. It also happens in Indonesia. Utilization of alternative energy is the one way to overcome it. One of the alternative energy has great potential energy to replace the fossil fuels is wind energy. In this final project research of savonius vertical axis wind turbine. The purpose of this final project to determine the flow characteristics and the force that can be produced by savonius with varying the overlap ratio 0.1; 0.15; 0.2; 0.25. The test conducted through numerical modelling by using software fluent 6.3.26 in two dimensions. The flow characteristic expressed in velocity distribution and pressure distribution around the blade in order to know the influence of overlap ratio to savonius performance. The results show that overlap ratio effects the velocity distribution and pressure distribution in around the savonius blade. The influences of simulation result are the greater of overlap ratio than the velocity and pressure distribution from the top blade to bottom blade getting bigger. Savonius with overlap ratio 0.2 has a great performances are maximum power 65.35 Watt and initial torsion 1.17 Nm. Keywords : vertical axis wind turbine, savonius, overlap ratio, the numerical mmodelling 2D
v
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Pada saat ini dunia sedang dilanda krisis energi. Permasalahan energi ini juga dialami Indonesia. Data Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral pada tahun 2006, cadangan minyak Indonesia adalah sekitar 9 miliar barel dan diperkirakan segera habis apabila tidak dilakukan konversi bahan bakar minyak ke sumber energi lain. Salah satu energi alternatif yang memiliki potensi besar untuk menggantikan bahan bakar minyak adalah angin. Berdasarkan Blueprint Pengelolaan Energi Nasional 2006-2025, potensi energi angin di Indonesia adalah setara dengan 9,29 GW, sementara plant yang sudah ada saat ini baru berkapasitas 0,5 MW (Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral, 2006). Namun permasalahan yang ada di Indonesia adalah profil kecepatan anginnya yang rendah sehingga tidak memungkinkan untuk pembangkitan skala besar. Berdasarkan peta kelas kecepatan angin Indonesia (Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional/LAPAN), Indonesia memiliki kecepatan antara 0-5,6 m/s. Oleh karena itu diperlukan Sistem Konversi Energi Angin (SKEA) yang sesuai dengan profil kecepatan rendah. Tugas akhir ini difokuskan pada SKEA dengan Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV) Savonius karena turbin angin ini dapat bekerja dengan baik dengan profil kecepatan angin di Indonesia yang rendah dan fluktuatif. Meskipun turbin Savonius merupakan TASV yang memiliki efisiensi cukup rendah dibandingkan turbin angin lainnya, namun TASV ini memiliki keunggulan yaitu fabrikasi yang seerhana, dapat menerima angin dari segala arah, noise yang rendah dan tidak memerlukan komponen perlindungan terhadap kecepatan putaran tinggi. Untuk mendapatkan efisiensi yang baik, telah dilakukan modifikasi pada turbin diantaranya adalah penambahan end plate, modifikasi pada geometri dan bentuk profil sudu, penambahan jumlah stage, penggunaan valve, dan lain sebagainya (J.V. Akwa dkk, 2012). Dalam penelitian tugas akhir ini dilakukan perbandinganoverlap ratio.Overlap ratio merupakan perbandingan
1
antara jarak celah antar sudu dengan diameter turbin.Turbin angin savonius ini akan disimulasikan dengan menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk memodelkan distribusi tekanan dan aliran udara, yang kemudian digunakan untuk menganalisa performasi dari masing-masing variasi sehingga didapatkan konfigurasi yang paling optimal. 1.2 Rumusan Masalah Tugas akhir ini merencenakan sebuah desain model turbin savonius yag dapat diaplikasikan sebagai pembangkit listrik alternatif. Penelitian ini menganalisa secara numerik mengenai pengaruh overlap ratio terhadap turbin savonius. Dalam menganalisa aliran fluida digunakan software CFD yaitu Gambit dan Fluent. Overlap ratio akan mencoba divariasikan untuk mengetahui pengaruhnya terhadap aliran fluida, distribusi tekanan dan kecepatan disekitar blade. Variasi overlap ratio yang direncanakan sebesar 0,1; 0,15; 0,2; 0,25 Untuk mengetahui overlap ratio yang optimal maka tugas akhir ini menampilkan karakteristik aliran fluida dengan tampilan 2D, sehinga aliran yang melintasi sudu terlihat jelas. 1.3 Tujuan Penelitian Melalui pemodelan numeric Computational Fluid Dynamics (CFD) akan dikaji : 1. Mengetahui distribusi kecepatan yang terjadi pada daerah sekeliling sudu. 2. Mengetahui distribusi tekanan yang terjadi pada daerah sekeliling sudu. 3. Menganalisa pengaruh overlap ratio pada turbin savonius. 4. Mengetahui yang manakah dapat menghasilkan dayayang lebih besar. 1.4 Batasan Masalah Untuk memperkecil lingkup dan untuk memudahkan dalam analisis masalah dibutuhkan adanya pembatasan masalah. Batasan masalah yang digunakan dalam penulisan Tugas Akhir ini antara lain sebagai berikut :
2
1. 2. 3. 4.
Kondisi steady state, aliran incompressible. Pengujian pada kondisI udara standart. Modifikasi hanya pada overlap ratiosudu. Analisa 2D dengan menggunakan perangkat lunak Fluent 6.3.26 5. Kecepatan angin yang digunakan pada pemodelan 5 m/s. 6. Perhitungan daya didasarkan arah angin 90˚ ke frontal area sehingga daya yang dihasilkan adalah daya maksimal yang mungkin terjadi.
1.5 Manfaat Penulisan Manfaat yang dapat diambil dari penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut: 1. Mampu membandingkan distribusi kecepatan pada sudu. 2. Mampu membandingkan distribusi tekanan pada sudu. 3. Dapat membandingkan nilai overlap ratio yang manakah lebih optimal. 1.6 Sistematika Penulisan BAB I: PENDAHULUAN Berisikan latar belakang penulisan, permasalahan yang diangkat, pembatasan masalah, tujuan penulisan, manfaat penulisan dan sistematika penulisan. BAB II: DASAR TEORI Mengulas tentang hukum-hukum yang mendasari, teoriexternal flow, gaya hambat dan pengenalan FLUENT 6.3.26. BAB III: METODOLOGI PENELITIAN Menguraikan langkah-langkah menyelesaikan tugas akhir ini sesuai dengan diagram alir. BAB IV :
ANALISA DAN PEMBAHASAN Menguraikan data simulasi, grafik, hasil kontur warna, arah vektor dan pembahasan.
3
BAB V :
KESIMPULAN DAN SARAN Menguraikan kesimpulan yang dapat diambil yang merupakan jawaban dari permasalahan yang diangkat dan berisikan saran-saran dari penulis.
4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Profil Kecepatan Angin di Indonesia Angin secara garis besar dapat dikelompokkan menjadi 2 yaitu angin planetary dan lokal. Angin planetary ini disebabkan oleh pemanasan yang lebih besar pada permukaan bumi pada bagian equator daripada kutub utara dan selatan. Hal ini yang menyebabkan udara hangat di daerah tropis naik dan mengalir melalui atmosfer ke kutub dan udara dingin dari kutub mengalir kembali ke equator didekat permukaan bumi.
Gambar 2.1 Angin planetary dalam atmosfer bumi. (Wind Energy Explained, J.F. Manwell, figure 2.1) Arah angin dipengaruhi oleh rotasi bumi. Udara hangat menuju kutub di atas atmosfer diasumsikan ke arah timur (dikedua hemisfer), yang menyebabkan timbulnya westerlies. Pada saat yang sama inersi udara dingin bergerak ke equator dekat permukaan bumi. Menyebabkan bergerak ke barat menghasilkan northeast trade winds di hemisfer utara dan southeast trade winds di hemisfer selatan.
5
Angin lokal disebabkan oleh dua mekanisme, yaitu yang pertama adalah perbedaaan panas antara daratan dan air, dan yang kedua karena daerah dataran rendah dengan dataran tinggi. Indonesia merupakan negara kepulauan yang terletak antara o 11 Lintang Utara (LU) sampai 6o Lintang Selatan dan 96o Bujur Barat (BB) sampai 141o Bujur Timur (BT). Berdasarkan letak atronomis tersebut wilayah Indonesia dilewati oleh garis khatulistiwa yang menyebabkan Indonesia mempunyai iklim tropis dan mendapatkan sinar matahari sepanjang tahun. Kecepatan angina pada daerah yang beriklim tropis lebih rendah dibanding daerah yang beriklim subtropis . Hal ini dikarenakan angin yang berasal dari belahan bumi utara dan belahan selatan bertemu di garis khatuistiwa sehingga momentumnya mendekati nol. Gambar dibawah ini merupakan peta persebaran angin di Indonesia.
Gambar 2.2 kelas kecepatan angin di Indonesia Berdasarkan Gambar 2.2 dapat diketahui bahwa kecepatan angin di wilayah yang dilewati garis khatulistiwa (Sumatra, Kalimantan, Sulawesi, Kep. Maluku, dan Irian Jaya) mempunyai kecepatan angin yang sangat rendah yaitu antara 0 - 4,4 m/s. Sedangkan pengukuran data ekspimental untuk penelitian tugas akhir
6
ini dilakukan di wilayah pesisir Pulau Jawa yang mempunyai kecepatan angina antara 4,4-5 m/s sehingga memungkinkan untuk digunakan sebagai lokasi SKEA skala kecil. Dari data Blueprint Energi Nasional, Departemen ESDM RI dapat dilihat bahwa potensi PLTB di Indonesia sangat menarik untuk dikembangkan karena dari potensi sebesar 9,29 GW, baru sekitar 0,5 GW yang dikembangkan, yang berarti baru sekitar 5,38%. Dari peta persebaran diatas dapat dilihat bahwa di daerah sepanjang garis khatulistiwa memiliki kecepatan angin yang rendah dibanding daerah NTT dan Lombok. Iklim tropis ini menyebabkan Indonesia memiliki kecepatan angin yang rendah karena memiliki suhu yang tinggi. Akibatnya potensi angin pada daerah khatulistiwa sangat kecil. Hal ini menjadi masalah bagi pengembangan pembangkit energi angin di Indonesia yaitu pengembangan tidak bisa dilakukan secara optimal. 2.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal Turbin angin sumbu vertikal (TASV) adalah jenis turbin dengan rotor yang berotasi pada sumbu vertical. TASV memiliki poros/sumbu rotor utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah turbin tidak harus diarahkan ke angin agar menjadi efektif. Kelebihan ini sangat berguna di tempat-tempat yang arah anginnya sangat bervariasi. VAWT mampu mendayagunakan angin dari berbagai arah. Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di dekat tanah, jadi menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses untuk keperluan perawatan. Tapi ini menyebabkan sejumlah desain menghasilkan tenaga putaran yang berdenyut. Drag (gaya yang menahan pergerakan sebuah benda padat melalui fluida (zat cair atau gas) bisa saja tercipta saat kincir berputar. Karena sulit dipasang di atas menara, turbin sumbu tegak sering dipasang lebih dekat ke dasar tempat ia diletakkan, seperti
7
tanah atau puncak atap sebuah bangunan. Kecepatan angin lebih pelan pada ketinggian yang rendah, sehingga yang tersedia adalah energi angin yang sedikit. Aliran udara di dekat tanah dan obyek yang lain mampu menciptakan aliran yang bergolak, yang bisa menyebabkan berbagai permasalahan yang berkaitan dengan getaran, diantaranya kebisingan dan bearing wear yang akan meningkatkan biaya pemeliharaan atau mempersingkat umur turbin angin. Jika tinggi puncak atap yang dipasangi menara turbin kira-kira 50% dari tinggi bangunan, ini merupakan titik optimal bagi energi angin yang maksimal dan turbulensi angin yang minimal. 2.3 Turbin Angin Savonius Turbin angin savonius pertama kali diperkenalkan oleh insinyur Finlandia Sigurd J. Savonius pada tahun 1922. Turbin angin sumbu vertikal yang terdiri dari dua sudu terbentuk setengah silinder atau elips yang dirangkai sehingga membentuk ‘S’. Berdasarkan prinsip aerodinamis, rotor turbin ini memanfaatkan gaya hambat (drag) saat mengekstrak energi angin dari aliran angin yang melalui sudu turbin. Koefisien hambat permukaan cekung lebih besar dari pada permukaan cembung. Oleh karena itu, sisi permukaan cekung setengah silinder yang dilalui angin akan memberikan gaya hambat yang lebih besar daripada sisi lain sehingga rotor berputar. Setiap turbin angin yang memanfaatkan potensi angin dengan gaya hambat memiliki efisiensi yang terbatasi karena kecepatan sudu tidak dapat melebihi kecepatan angin yang melaluinya. Dengan memanfaatkan gaya hambat turbin angin savonius memiliki putaran dan gaya yang rendah. Meskipun demikian turbin savonius tidak memerlukan energi awal memulai rotor untuk berputar yang merupakan keunggulan turbin ini.
8
Gambar 2.3 Savonius dengan dua sudu Keunggulan lainnya adalah fabrikasinya yang mudah bahkan dalam beberapa aplikasi untuk skala kecil dibuat dari drum bekas yang dipotong menjadi dua ( Mathew, 2006). 2.4 Udara dan Sifat-sifatnya Udara adalah fluida yang memiliki densitas dan viskositas. Densitas ( ) didefinisikan sebagai massa persatuan volume. Properti ini tergantung pada tekanan (P) dan temperatur (T). Kendaraan di jalan pada umumnya berjalan dengan kecepatan dibawah sepertiga kecepatan suara. Pada batas kecepatan tersebut harga variasi tekanan dan temperatur dalam aliran dengan harga free stream sangat kecil, oleh karena itu perubahan pada densitas dapat diabaikan. Dengan demikian aliran udara yang mengalir di sekeliling kendaraan dapat dikategorikan sebagai aliran fluida incompressible. Untuk kondisi standar, P = 1 atm dan T = 288 K, harga densitas atau = 1,2250 kg/m3. Properti lainnya dari udara adalah viskositas.
9
Properti ini disebabkan oleh gesekan molekuler antara partkelpartikel fluida. Gesekan ini berhubungan dengan fluks momentum karena gradient kecepatan. Untuk fluida incompressible, properti ini bergantung pada temperatur. Pada kondisi standar viskositas = 1,7894 x 10-5 Ns/m2 dan = 1,4607x10-5 m2/s. Viskositas yang dimiliki fluida ini menyebabkan terjadinya friction drag sehingga timbul gradien kecepatan pada dinding.
2.4.1 Densitas Udara adalah fluida yang memiliki densitas dan viskositas. Densitas ( ) didefinisikan sebagai massa persatuan volume. Properti ini tergantung pada tekanan (P) dan temperatur (T). Densitas dapat dinyatakan dalam tiga bentuk, yaitu: 1) Densitas Massa Merupakan perbandingan jumlah massa dengan jumlah volume. Densitas massa dapat dirumuskan dalam bentuk persamaan:
(2.1) m = massa (kg) = volume (m3) = massa jenis (kg/m3) Harga standarnya pada tekanan p = 1,01325 x 105 2 N/m dengan temperatur 288,15 K sehingga densitas udara 1,23 kg/m3 dan untuk air adalah 1000 kg/m3.
Dimana :
2) Berat Spesifik Didefinisikan sebagai densitas massa dikalikan dengan grafitasi dan dapat dirumuskan dengan .
(2.2)
10
Dimana unit berat spesifik N/m3. Untuk 12,07 N/m3) dan air = 9,81 x 103 N/m3).
udara
=
3) Densitas Relatif (Spesific Grafity) Densitas relatif disebut juga spesific grafity (SG) yaitu perbandingan antara berat spesifik suatu zat dengan berat spesifik air pada temperatur 4oC. Densitas relatif tidak memiliki satuan. (2.3) 2.4.2 Viskositas Properti lainnya dari udara adalah viskositas. Properti ini disebabkan oleh gesekan molekuler antara partkel-partikel fluida. Gesekan ini berhubungan dengan fluks momentum karena gradient kecepatan. Untuk fluida incompressible, properti ini bergantung pada temperatur. Viskositas dinyatakan dalam dua bentuk yaitu: 1) Viskositas Dinamis (µ) Merupakan perbandingan tegangan geser dengan laju perubahannya, besarnya viskositas air bervariasi dan dipengaruhi oleh temperatur. Pada kondisi standar (temperatur kamar 26,5oC) besar viskositas dinamik adalah = 1,7894 x 10-5 N s/m2 = 8,6 x 10-4 Ns/m2 dan air
udara
2) Viskositas Kinematik ( ) Merupakan perbandingan viskositas terhadap kerapatan densitas ( ) :
dinamik
(µ)
(2.4) Viskositas kinematik muncul dalam banyak terapan, misalnya dalam bilangan reynold yang tanpa dimensi. Untuk o -7 2 air pada temperatur 26,5 C ialah 8,6 x 10 m /s dan udara 2 -5 1,4607x10 m /s
11
2.4.3 Bilangan Reynolds Kondisi aliran laminar atau turbulent dapat dinyatakan dengan bilangan Reynolds untuk aliran incompressible. Jenis lapis batas yang terjadi pada aliran udara yang mengaliri suatu obyek juga sangat ditentukan oleh bilangan Reynolds (Re). Hal ini dapat dijelaskan bahwa dalam lapis batas gaya geser dan gaya inersia sangat penting, sementara bilangan reynolds sendiri mengambarkan perbandingan antara gaya inersia terhadap gaya geser. Re = (2.5) dimana : Gaya Inersia Gaya Geser
= p x A = .U 2 .L2
.U 2 .L L
= x A =
Sehingga, Untuk aliran eksternal Re =
.U 2 .L2 .U .L .U 2
(2.6)
.L L dimana :
: Densitas fluida U : Kecepatan aliran free stream fluida L : Panjang karakteristik yang diukur pada medan aliran, dalam kasus ini digunakan diameter hidrolis, yaitu Dh : Viskositas dinamis fluida Untuk aliran internal Diameter hidrolis (Dh) digunakan untuk perhitungan saluran tak bundar. Diameter hidrolis dapat didefinisikan sebagai Dh =
4A P
Dimana :
A = Luas penampang P = keliling penampang
12
(2.7)
Sehingga, Reh =
.U .Dh
(2.8)
2.5 Tekanan Statis, Stagnasi, dan Dinamis Tekanan P yang digunakan pada persamaan Bernoulli adalah tekanan thermodinamis atau lebih dikenal dengan tekanan statis. Tekanan statis adalah tekanan yang diukur oleh alat ukur yang bergerak bersama-sama aliran dengan kecepatan yang sama. Bagaimanapun juga cara pengukuran yang demikian sangat sulit dilakukan. Oleh karena itu perlu ada cara yang praktis untuk mengukurnya. Fluida yang mengalir lurus akan mempunyai streamlines lurus pula dan tidak mempunyai variasi tekanan ke arah normal dari aliran streamlines tersebut. Kenyataan ini memungkinkan untuk melakukan pengukuran tekanan statis dengan menggunakan wall pressure tap yang ditempatkan di daerah dimana aliran streamlines lurus, seperti yang terlihat pada gambar dibawah.
13
h Gambar 2.4 PengukuranTekanan Statis Pressure tap adalah sebuah lubang kecil yang dibuat pada dinding dimana axisnya tegak lurus terhadap permukaan dinding. Apabila lubang tersebut tegak lurus terhadap dinding suatu saluran dan bebas dari kotoran, akurasi pengukuran tekanan statis akan dapat diperoleh dengan menghubungkan pressure tap dengan suatu alat ukur yang sesuai. Apabila fluida mengalir jauh dari dinding, atau bila streamlines-nya berbentuk kurva, akurasi pengukuran tekanan statis dapat diperoleh dengan menggunakan pressure probe, seperti yang telihat pada gambar 2.5. Tekanan stagnasi adalah tekanan yang dapat diukur bila aliran diperlambat sampai kecepatannya sama dengan nol dengan proses tanpa gesekan. Pada aliran incompressible, persamaan Bernoulli dapat digunakan sehubungan dengan perubahan kecepatan dan tekanan sepanjang streamlines. Dengan mengabaikan diferensial elevasi, persamaan Bernoulli menjadi :
p
v2 konstan 2
14
Bila tekanan statis p pada suatu titik dalam suatu aliran dimana kecepatannya adalah V, maka tekanan stagnasi po, dimana kecepatan stagnasi Vo adalah nol, maka : 2
po
Vo p V2 2 2 dimana Vo = 0, sehingga :
po
p
V2 2
atau,
po p
1 V 2 2
Persamaan di atas adalah kalimat matematis dari defenisi tekanan stagnasi, yang valid untuk aliran incompressible. Bentuk 1 pV 2 2
umumnya disebut tekanan dinamis. Jadi persamaan tekanan dinamis 1 adalah : V 2 p o p 2 dan kecepatannya adalah :
V
2p 0 p
(2.9)
(Fox dan Mc. Donald, 1998) Jadi, bila tekanan stagnasi dan tekanan statis diukur pada suatu titik, maka persamaan kecepatan diatas akan menghasilkan kecepatan aliran lokal. Tekanan stagnasi dapat diukur dengan menggunakan sebuah probe dimana lubangnya langsung berhadapan dengan aliran seperti terlihat pada gambar 2.5. Probe ini dikenal dengan nama stagnation
15
pressure probe atau pitot tube. Daerah pengukurannya juga harus sejajar dengan arah aliran lokal.
h Gambar 2.5 PengukuranTekanan Stagnasi Pada gambar 2.6 terlihat bahwa tekanan statis dapat dibaca dari wall static pressure tap yang terletak pada dinding. Sedangkan tekanan stagnasi dapat diukur langsung dengan menggunakan total head tube yang berhadapan langsung dengan aliran.
h Gambar 2.6 PengukuranTekanan total Perbedaan antara tekanan lokal statik pada setiap titik dalam aliran dengan tekanan statik pada freestream bergantung langsung
16
dengan tekanan dinamik pada free stream, dan perbandingan ini yang dusebut dengan koefisien tekanan atau pressure coefficient (Cp).
Cp
p p 1 U 2 2
(2.10)
(WECS, L.L. Ferris, 1990) Dimana: P = tekanan local static atau tekanan pada kontur P = tekanan statik freestream V = kecepatan freestream 2.6 Teori Eksternal 2.6.1 Aliran Nonviscous dan Viscous Pada dasarnya aliran terbagi atas dua jenis yaitu aliran viscous dan aliran non viscous. Aliran non viscous bukan berarti bahwa aliran tidak mempunyai viskositas atau = 0, karena setiap fluida pasti akan mempunyai viskositas tertentu. Pengertian aliran non viscous adalah aliran yang mempunyai gradien kecepatan mendekati nol atau tegangan gesernya mendekati nol. Sedang untuk aliran viscous, efek dari viskositasnya akan mengikutkan tegangan geser antara partikel fluida dengan permukaan padat yang dilaluinya. Pada aliran fluida ideal, semua partikel akan bergerak pada kecepatan yang sama, tetapi pada aliran viscous yang mengikutkan tegangan geser akan menjadikan profil kecepatan fluidanya akan menjadi tidak seragam seperti gambar 2.7 dibawah ini. Untuk aliran viscous, kecepatan fluida tepat diatas permukaan padat sama dengan nol. Dan semakin jauh dari permukaan padat, secara berangsur-angsur tegangan geser yang terjadi semakin berkurang, sehingga berangsur-angsur pula kecepatan aliran akan membesar. Dan pada suatu titik tertentu pengaruh tegangan geser terhadap aliran akan hilang sehingga kecepatan aliran akan mencapai harga yang sama dengan aliran bebasnya.
17
Gambar 2.7 Perbedaan Antara Fluida Ideal dan Viscous (Fox dan Mc. Donald, 1998) 2.6.2
Boundary Layer Development Suatu aliran disebut sebagai aliran eksternal bila aliran tersebut melewati suatu contour body yang berada pada aliran fluida tanpa batas. Contoh aliran eksternal adalah aliran fluida yang melewati sisi luar dari permukaan lengkung dan pelat datar (semiinfinite flat plate). Saat aliran fluida nyata dari free stream menuju suatu bodi, fluida akan mengalami perubahan kecepatan dari keadaan uniform (U) ke kondisi aliran yang mempunyai distribusi kecepatan (velocity distribution). Hal ini terjadi karena pengaruh dari viskositas fluida dan contour body yang dilewatinya. Distribusi kecepatan diawali dari suatu titik yang harga kecepatannya nol (zero velocity), yaitu tepat pada permukaan bodi yang dilewati aliran. Dimana vektor kecepatan menyinggung streamline secara tegak lurus terhadap arah normal dan besarnya kecepatan makin bertambah bila titik pengamatan makin menjauhi kontur / wall (finite) hingga mencapai harga kecepatan pada free stream bila aliran sudah tidak terpengaruh oleh dinding (wall). Kondisi transisi terjadi bila kecepatan fluida berubah dari kecepatan yang tidak sama dengan kecepatan free stream menjadi free stream. Hal ini terjadi pada suatu lapisan tipis
18
(layer) dekat dengan wall yang Oleh L. Prandtl (1904) lapisan ini disebut boundary layer atau frictional layer karena terjadi efek friksi pada daerah ini. Distribusi kecepatan tersebut akan terjadi selama fluida melewati kontur body dengan ketebalan boundary layer yang semakin bertambah dari leading edge ke belakang. Struktur boundary layer flow dapat digambarkan dengan mengamati gerakan partikel fluida. Saat mengalir diluar boundary layer, partikel mempertahankan bentuk asalnya sambil bergerak translasi namun tidak berotasi dan efek viscosity dapat diabaikan. Kondisi dengan zero vorticity ini dinamakan irrotational. Gangguan mulai terjadi saat partikel memasuki boundary layer karena adanya velocity gradient dan efek viscosity. Akibatnya, selama bergerak translasi, partikel fluida juga begerak rotasi. Dengan demikian vorticity-nya tidak sama dengan nol (non zero vorticity). Kondisi ini dinamakan rotational.
Gambar 2.8 Boundary Layer Pada Pelat Datar (Fox dan Mc. Donald, 1998) Gambar di atas menunjukkan suatu pengembangan boundary layer sepanjang permukaan pelat. Pada daerah ini terjadi dua bentuk
19
aliran. Awalnya aliran adalah laminar sepanjang jarak tertentu dari leading edge, kemudian terjadi suatu transisi aliran yang akhirnya akan berubah menjadi turbulen. Untuk aliran incompressible melewati smooth flate plate (zero pressure gradient), perubahan dari laminar ke turbulen dapat dipengaruhi oleh Reynolds number,
Re x
U x
(2.11)
(Fox dan Mc. Donald, 1998) 2.6.3 Separasi Aliran Setiap aliran fluida terutama aliran viscous, apabila menemui suatu gangguan berupa benda atau solid surface, alirannya akan mengalami separasi karena vorticity yang terjadi besar sehingga energi yang ada atau momentum yang ada tidak bisa mengatasi adverse pressure gradient dan pengaruh gesekan yang terjadi pada solid surface tersebut.
Gambar 2.9 Boundary layer flow dengan pressure gradient. (Fox, and Mc. Donald, 8th edition)
20
Separasi aliran fluida dua dimensi membawa kerugian pada aliran laminar atau aliran yang dalam kondisi paralel. Aliran laminar dua dimensi tersebut akan dirusak oleh efek friksi dan adanya adverse pressure gradient pada permukaan dari solid. Separasi ini dimulai pada titik dimana perubahan kecepatan ke arah y sama dengan nol. Hal ini dapat dilihat dalam gambar 2.10. Vorticity yang terjadi pada titik ini sangat besar sehingga momentum yang ada mulai dirusak vorticity tersebut dan terjadilah vortex. Vortex merupakan daerah di belakang daerah separasi. Ada dua daerah yang ada pada daerah separasi ini yaitu daerah laminar yang terseparasi dan daerah resirkulasi. Daerah separasi tersebut semakin ke belakang semakin besar sampai pada suatu titik dimana alirannya sudah kembali ke kondisi pararel (alirannya sudah pararel), dan hal ini dikenal dengan reattachment. Pada titik ini energi yang terdapat di dalam aliran fluida ini sudah dapat mengatasi adverse pressure gradient yang terjadi sebelumnya atau dengan kata lain energi yang momentumnya sudah mendapatkan tambahan kembali dari kondisi freestream –nya. Namun aliran ini sudah berubah menjadi aliran yang turbulen karena penambahan momentum yang ada tersebut melebihi dari kondisi laminarnya. Aliran yang turbulen ini baik sekali untuk mengatasi adverse pressure gradient. Pada aliran fluida yang melintasi suatu permukaan berbentuk kurva (melengkung) maka distribusi tekanan dan distribusi kecepatan akan mengalami perubahan. Pada sebuah sirkular silinder yang dilalui oleh aliran fluida dalam sebuah medan aliran incompressible diasumsikan sebagai aliran inviscid sehingga aliran tampak simetris baik kearah y maupun x. Seperti tampak pada gambar dibawah ini :
21
Gambar 2.10 Aliran pada lintasan berbentuk sphere (Fox, and Mc. Donald, 8th edition) Kecepatan yang mengelilingi silinder meningkat sampai suatu titik maksimum D dan kemudian berkurang saat bergerak lebih jauh kebelakang dari titik D. Titik D disebut titik separasi (separation point), dimana partikel fluida mndorong objek dan memnyebabkan terjadinya wake. Pada suatu aliran inviscid peningkatan distribusi kecepatan dihubungkan oleh pengurangan distribusi tekanan pada aliran yang melintasi profil silinder tersebut. Sehingga pada suatu aliran incompressible inviscid flow yang melintasi silinder, distribusi tekanan disepanjang permukaan dari silinder berkurang saat berjalan dari A-D dan akan meningkat lagi saat bergerak dari D-E. Pada aliran viscous steady incompressible bentuk aliran akan tampak seperti gambar berikut ini :
B E
(a.)
(b.)
Gambar 2.11 (a.) Aliran incompressible melewati bola (sphere) (b.) Separasi aliran melewati benda streamline (Fox, and Mc. Donald, 8th edition)
22
Pada gambar 2.11b bagaimana bentuk streamline bekerja. Gaya drag pada kebanyakan aerodinamik karena tekanan rendah pada wake: jika wake dapat dikurangi atau dihapus, drag akan dapat banyak dikurangi. Jika kita membuat bola menyerupai bentuk air mata pada gambar 2.11b streamline terbuka, dan tekanan akan meningkat dengan pelan, seperti memperpanjang aliran sehingga partikel aliran tidak didorong untuk memisahkan dari objek sampai mencapai akhir dari objek. Wake yang terjadi lebih kecil, sehingga mengurangi tekanan drag. Hanya satu aspek negatif dari streamline ini adalah luas permukaan total dengan gesekan terjadi lebih besar, sehingga drag karena gesekan akan sedikit berkurang. Namun pada aliran setelah titik B tekanan akan meningkat dalam arah aliran sehingga pada beberapa titik momentum aliran dari fluida didalam boundary layer tidak cukup untuk membawa elemen jauh kedalam daerah peningkatan tekanan sehingga aliran fluida yang berdekatan pada permukaan akan mengalami pemecahan ke arah balik dan aliran akan terseparasi dari permukaan. Hasil dari separasi boundary layer pada daerah relative tekanan rendah dibelakang body yang mana momentum alirannya tidak mencukupi disebut wake. 2.7 Gaya Drag (Gaya Hambat) Gaya hambat (drag) adalah gaya yang bekerja dalam arah horizontal (pararel terhadap aliran) dan berlawanan arah dengan objek yang dikenainya. Besarnya gaya hambat (drag) untuk setiap bentuk objek berbeda satu dengan yang lainnya, dan ini tergantung pada faktor koefisien drag atau CD. selain itu juga ia dipengaruhi oleh luasan frontal dari objek tersebut, dan tekanan dinamik. Adapun perumusan gaya hambat (drag) pada suatu benda adalah sebagi berikut:
23
1 FD C d . .Va2 . A f 2
(2-4)
Gambar 2.12 Ilustrasi gaya hambat Dimana:
A=Luas frontal
=Densitas udara V=Kecepatan kendaraan relative terhadap udara
2.8 Dinamika Aliran Fluida secara Komputasi (Computational Fluid Dynamics) Dengan menggunakan salah satu software CFD dapat dibuat virtual prototype dari sebuah sistem atau alat yang ingin dianalisis dengan menerapkan kondisi nyata di lapangan. Software CFD akan memberikan data-data, gambar-gambar, atau kurva-kurva yang menunjukkan prediksi dari performansi keandalan sistem yang telah didesain tersebut. Hasil analisis CFD bisa menyajikan prediksi kualitatif dan kuantitatif dari berbagai persoalan dinamika fluida. 2.8.1
GAMBIT (Geometry and Mesh Building Intelligent Toolkit) Software GAMBIT dapat membuat model dan melakukan proses meshing untuk berbagai macam bentuk, termasuk bentukbentuk yang rumit dan tidak beraturan. Hal ini dikarenakan Gambit dapat melakukan meshing dengan berbagai macam bentuk mesh,
24
yaitu mesh heksahedral terstruktur dan tidak terstruktur, tetrahedral, piramid, dan prisma. Selain itu, Gambit juga dapat dilakukan pengecekan kualitas mesh sesuai dengan standar yang kita inginkan. Tahap pemodelan terakhir pada Gambit adalah proses penentuan jenis kondisi batas. Mesh yang telah dibuat pada Gambit dapat diekspor ke semua solver Fluent. Software yang digunakan dalam penelitian ini adalah Gambit 2.2.30. 2.8.2
FLUENT Fluent adalah satu jenis progam CFD yang menggunakan metode volume hingga (finite volume). Fluent menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh (grid) yang tidak terstruktur sekalipun dengan cara yang relatif mudah. Jenis mesh yang didukung oleh Fluent adalah tipe 2D triangular-quadrilateral, 3D tetrahedralhexahedral-pyramid-wedge, dan mesh campuran (hybrid). Fluent juga memungkinkan penggunanya untuk memperhalus atau memperbessar mesh yang sudah ada. Beberapa kelebihan Fluent yaitu mudah untuk digunakan, model yang realistik (tersedia berbagai pilihan solver), diskritisasi atau meshing model yang efisien (dalam Gambit), cepat dalam penyajian hasil (bisa dengan paralel komputer), dan visualisasi yang mudah untuk dimengerti. Aplikasi Fluent di dalam dunia industri, sering digunakan untuk desain dari suatu sistem fluida, dan juga untuk mencari sumber atau analisis kegagalan suatu sistem fluida. Software yang digunakan dalam penelitian ini adalah Fluent 6.3.26. 1.
Grid Independensi Penelitian terdahulu agar melakukan CFD simulasi dengan sukses perlu memperhatikan grid independensi. Salah satu cara agar dapat menguji grid independensi adalah dengan melakukan adapt. Grid independensi sendiri adalah solusi yang konvergen yang
25
ditentukan dari perhitungan CFD yang tidak dipengaruhi oleh besar kecilnya grid. Apabila dengan meningkatkan jumlah dari sel maka kemungkinan tidak akan mengubah flow-field solution dan integrated quantities. Didalam prakteknya grid independensi diindikasikan dengan menghaluskan mesh sehingga hal tersebut dapat mengubah solusi numerik. Oleh karena itu dengan adapt dapat kita ketahui beberapa bagian mesh saja yang harus lebih dihaluskan agar tidak mengubah solusi numerik. 2. Formulasi Solver Fluent tersedia tiga formulasi solver, yaitu segregated, coupled implisit, dan coupled eksplisit. Ketiga formulasi tersebut menghasilkan solusi yang akurat untuk berbagai jenis kasus, tetapi pada beberapa kasus tertentu salah satu formulasi mungkin dapat menghasilkan solusi yang lebih cepat daripada yang lain. Formulasi solver segregated menyelesaikan persamaan-persamaan pada suatu kasus secara bertahap, sedangkan pada solver coupled menyelesaikan semua persamaan secara bersamaan. Formulasi solver tersebut menyelesaikan persamaan untuk besaran-besaran tambahan (misalnya, radiasi, turbulensi) secara bertahap. Solver coupled implisit dan eksplisit mempunyai perbedaan pada cara melinierkan persamaan-persamaan yang akan diselesaikan. Secara umum, solver segregated banyak digunakan untuk kasus dengan fluida inkompresibel dan kompresibel dengan kecepatan aliran rendah sampai menengah (bilangan Mach < 1). Adapun solver coupled pada dasarnya didesain untuk kasus fluida kompresibel dengan kecepatan tinggi (bilangan Mach ≥ 1). 3. Penentuan Model Fluent terdapat beberapa model dan persamaan dasar yang dapat dipilih sesuai dengan kasus yang akan dianalisis. Persamaan-
26
persamaan tersebut meliputi model multifasa, persamaan energi, model viskos, model spesies transport dan reaksi, model fasa diskrit, model pembekuan dan peleburan, dan model akustik. Pada topik kali ini akan dibahas lebih lanjut mengenai persamaan energi dan model viskos. Secara garis besar, model turbulen dapat didekati dengan dua pendekatan, yaitu berdasarkan Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) dan berdasarkan Large Eddy Simulation (LES). Sebelum menentukan model viskos, harus ditentukan terlebih dahulu apakah aliran fluida yang akan disimulasikan termasuk dalam aliran laminar atau turbulen dengan menghitung bilangan Reynolds terlebih dahulu. Apabila termasuk aliran turbulen, maka Fluent menyediakan beberapa model turbulensi, yaitu model Spalart-Allmaras, model k-epsilon (k-ε) Standart, kεRenormalization group (RNG k-ε), k-εRealizable, model k-ω Standart, k-ω Shear Stress Transport (SST), model Reynolds stress (RSM), dan model Large Eddy Simulation (LES) khusus 3D. Dari pemodelan - pemodelan tersebut, pemodelan turbulensi yang baik dalam memprediksi tekanan statis dinding adalah pemodelan k-ε Realizable. Hal ini dikarenakan error yang terjadi pada model terebut adalah paling kecil, sehingga dapat dikatakan lebih akurat dibandingkan pemodelan lain untuk mendeskripsikan tekanan statis. Model realizable k-epsilon merupakan pengembangan model yang relatif baru dan berbeda dengan model k-epsilon dalam dua hal, yaitu: - Pada model realizable k-epsilon terdapat formulasi baru untuk memodelkan viskositas turbulen. - Sebuah persamaan untuk epsilon telah diturunkan dari persamaan untuk menghitung fluktuasi vortisitas rata-rata. Istilah realizable mempunyai arti bahwa model tersebut memenuhi beberapa batasan matematis pada bilangan Reynolds, konsisten dengan bentuk fisik aliran turbulen. Kelebihan dari model realizable k-epsilon adalah lebih akurat untuk memprediksikan laju
27
penyebaran fluida dari pancaran jet/nozel. Model ini juga memberikan performa yang bagus untuk aliran yang melibatkan putaran, lapisan batas yang mempunyai gradien tekanan yang besar, separasi, dan resirkulasi. Salah satu keterbatasan model realizable kepsilon ialah terbentuknya viskositas turbulen non fisik pada kasus dimana domain perhitungan mengandung zona fluida yang diam dan berputar (multiple reference frame, sliding mesh). 4. Penentuan Kondisi Batas Untuk mendefinisikan suatu kasus, harus dimasukkan informasi pada variabel aliran pada domain kasus tersebut, antara lain fluks massa, momentum, energi, dan lain-lain. Informasi tersebut salah satunya harus dimasukkan dalam kondisi batas (boundary condition). Penentuan kondisi batas melibatkan beberapa hal, yaitu: - mengidentifikasi lokasi kondisi batas, misalnya sisi masuk, sisi keluar, dinding, dan lain-lain; - memasukkan informasi/data pada batas yang telah ditentukan. Data yang diperlukan (input) pada kondisi batas merupakan data yang sudah diketahui atau data yang dapat diasumsikan. Tetapi asumsi data tersebut harus diperkirakan mendekati yang sebenarnya. Input data yang salah pada kondisi batas akan sangat berpengaruh terhadap hasil simulasi. Kondisi batas yang terdapat pada Fluent sebagai berikut: - Umum: pressure inlet, pressure outlet - Aliran inkompresibel: velocity inlet, outflow - Aliran kompresibel: mass flow inlet, pressure far-field - Spesial: inlet vent, outlet vent, intake fan, exhaust fan - Lain-lain: wall, symmetry, periodic, axis Pada pembahasan kali ini akan dibahas lebih lanjut mengenai velocity inlet, outflow, dan wall.
28
a) Velocity Inlet Kondisi batas velocity inlet digunakan untuk mendefinisikan kecepatan aliran dan besaran skalar lainnya pada sisi masuk aliran. Kondisi batas ini hanya digunakan untuk aliran inkompresibel. Metode spesifikasi kecepatan yang ada pada kondisi batas ini adalah: - Komponen (Components) - Besar/nilai kecepatan, tegak lurus terhadap batas (Magnitude, normal to boundary) - Besar/nilai kecepatan dan arah (Magnitude & direction) b) Outflow Kondisi batas ini digunakan apabila data aliran pada sisi keluar tidak diketahui sama sekali. Data pada sisi keluar diekstrapolasi dari data yang ada pada aliran sebelum mencapai sisi keluar.tidak perlu dimasukkan data apapun pada kondisi batas ini. Keterbatasan kondisi batas outflow adalah: - Hanya dapat dipakai jika aliran pada sisi keluar adalah aliran berkembang penuh (fully developed). - Hanya dapat dipakai untuk aliran inkompresibel. - Tidak dapat digunakan bersamaan dengan kondisi batas pressure inlet, harus menggunakan kondisi batas velocity inlet pada sisi masuk. - Tidak dapat digunakan untuk aliran transien dan massa jenis yang tidak konstan sepanjang aliran. - Tidak dapat digunakan untuk kasus yang mengalami aliran balik pada sisi keluarnya, karena persamaan yang digunakan untuk mengekstrapolasi data pada aliran megasumsikan aliran yang terjadi pada sisi keluar adalah aliran berkembang penuh yang tidak mungkin terjadi aliran balik. Oleh karena itu apabila hendak dipakai kondisi batas outflow, harus dipastikan terlebih dahulu bahwa lokasi kondisi batas tersebut telah berada pada daerah aliran berkembang penuh.
29
c) Wall Kondisi batas ini digunakan sebagai dinding untuk aliran fluida dalam saluran atau dapat disebut juga sebagai dinding saluran. Kondisi batas ini digunakan juga sebagai pembatas antara daerah fluida (cair dan gas) dan padatan. Pada aliran viskos, kondisi no slip yang terjadi pada dinding sebagai berikut: - Kecepatan tangensial fluida pada dinding sama dengan kecepatan dinding, jadi apabila dindingnya tidak bergerak maka kecepatan tangensial fluida pada dinding sama dengan nol. - Komponen arah normal kecepatan fluida pada dinding sama dengan nol.Tegangan geser yang terjadi antara dinding dan fluida dapat ditentukan. Apabila persamaan energi diaktifkan, maka pada dinding terdapat beberapa tipe fungsi kondisi termal antara lain heat flux, temperatur, konveksi, dan radiasi. Kekasaran permukaan dinding dapat ditentukan apabila menggunakan model viscous turbulen. Dinding juga dapat dibuat bergerak secara translasi atau berputar dengan menentukan kecepatan putar atau translasi dinding.
30
BAB III METODOLOGI PENELITIAN Pada Tugas Akhir ini visualisasi karakteristik aliran yang melintasi kincir angin Savonius dilakukan dengan menggunakan metode numerik dengan software Fluent 6.3.26. Pada metode numerik ini ada tiga tahapan utama yang harus dilakukan, antara lain: preprocessing, solving, atau processing dan postprocessing. 3.1 Preprocessing Preprocessing merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisa sebuah model komputasi (CFD). Tahapan ini meliputi beberapa sub-tahapan antara lain: pembuatan geometri, penentuan domain, pembuatan meshing dan penentuan parameter-parameter yang digunakan. 3.1.1 Geometri savonius blade Pembuatan geometri savonius ini menggunakan software Gambit. Adapun geometri dan dimensi dari savonius blade adalah sebagai berikut:
Gambar 3.1 Dimensi savonius Geometri sudu berbentuk setengah lingkaran dengan diameter luar savonius blade 31 cm dan diameter dalam savonius blade 30 cm. Savonius blade memiliki tebal 0,5 cm dan tinggi turbin 120 cm. Untuk menentukan dimensi celah antar sudu (o) adalah sebagai berikut :
31
Table 3.1 Dimensi celah antar sudu Overlap ratio Celah antar sudu (cm) 0,1 6 0,15 9 0,2 12 0,25 15 3.1.2 Pemodelan Dua Dimensi Proses pembuatan model sudu dua dimensi ini dilakukan menggunakan software Gambit 2.2.30, berikut adalah langkahlangkah yang dilakukan pada software tersebut. a. Membuat model geometri Yaitu menggambar model uji berupa sudu VAWT tipe savonius dengan variasi overlap ratio 0,1, 0,15, 0,2, 0,25. b. Membuat model domain Menentukan dimensi domain dalam pemodelan numerik yang nantinya menjadi batasan pada software fluent 6.3.26. Berikut adalah gamar domain yang digunakan untuk pemodelan :
Gambar 3.2 Domain pemodelan savonius
32
c. Membuat mesh elemen hingga Membuat mesh adalah membagi model solid menjadi elemen-elemen kecil sehingga kondisi batas dan beberapa parameter yang diperlukan dapat diaplikasikan ke dalam elemen-elemen tersebut. Pada paket program ini bentuk mesh sangat mempengaruhi hasil pemodelan. Pada pembuatan mesh ini dipilih map pada daerah diluar sudu dan dipilih tipe quad pave untuk daerah disekitar sudu.
Gambar 3.3 Mesh pada Gambit d. Menentukan kualitas mesh Pada gambit kita dapat melihat apakah kualitas mesh pada model yang kita buat. Kualitas mesh yang rendah dapat menghasilkan solusi yang kurang akurat dan memperlama waktu konvergensi, untuk mendapatkan mesh yang baik dapat dilakukan pengecekan melalui gambar dibawah ini dengan standar bahwa mesh tidak lebih dari 0,9 (Firman Tuakia, 2008).
33
Gambar 3.4 Kualitas Mesh e. Menentukan kondisi batas Pemberian kondisi batas ini ditujukan agar mempermudah pengambilan data khususnya pemilihan bagian–bagian yang nantinya akan di-input nilai properties saat dioperasikan pada software Fluent 6.3.26. Pemberian kondisi batas model ini dibagi menjadi delapan kondisi batas yaitu sisi sudu atas bagian depan dan belakang, sisi sudu bawah bagian depan dan belakang, inlet sebagai daerah input properties kecepatan awal, outlet sebagai batas analisa control surface pada model uji, dinding atas dan bawah.
34
Gambar 3.5 Daerah batas kecepatan inlet
Gambar 3.6 Daerah batas control volume outlet Pada saat memilih batas outlet sebagai control volume yang perlu diperhatikan adalah pemilihan tipe outflow, karena pada tipe outlet harus disesuaikan pemilihan di daerah inlet. pemilihan ini juga akan mempengaruhi arah distribusi kecepatan pada saat di operasikan pada software Fluent.
35
Gambar 3.7 Daerah batas dinding atas dan dinding bawah
Gambar 3.8 Daerah batas sisi sudu atas dan bawah Pada pemilihan batas dinding atas dan bawah, serta pada sisi sudu atas dan bawah digunakan tipe wall agar nantinya kecepatan aliran fluida dengan arah streamline pada daerah batas dinding atas dan bawah serta pada sisi sudu atas dan bawah menjadi nol.
36
f. Mendefinisikan kondisi batas semua bidang mesh sebagai fluida udara. Pendefinisian ini dilakukan karena meshing pada semua bidang akan disimulasikan sebagai fluida udara yang mengalir arah ordinat X negatif menuju ordinat X positif. Serta akan mempermudah analisa software Fluent saat di operasikan model uji tersebut. Berikut merupakan langkah membuat model uji yang mendefinisikan kondisi batas bidang mesh sebagai fluida udara.
Gambar 3.9 Daerah mesh yang didefinisikan sebagai fluida udara g. Meng-export file kerja GAMBIT Langkah ini dimaksudkan agar bentuk geometri meshing yang telah dibuat pada software GAMBIT dapat dioperasikan oleh software Fluent. Untuk itu file yang telah dibuat dalam software GAMBIT harus di eksport ke file type: .msh.
37
Gambar 3.10 Meng-export ke file type; .msh
3.1.3 Parameter Pemodelan Pada pemodelan karakteristik fluida ini akan menggunakan salah satu software analisis komputasi fluida dinamik atau Computational Fluid Dynamic (CFD). Gambit 2.4.6 dan Fluent 6.3.26 merupakan salah satu program dari CFD.
Gambar 3.11 Menu bar saat start-up software Fluent 6.3.26. Berikut ini merupakan langkah-langkah pemodelan numerik menggunakan software Fluent 6.3.26 :
38
1. Grid Langkah ini dilakukan dengan mengimport grid yang telah dibuat pada software Gambit 2.2.30
Gambar 3.12 meng-import grid pada Fluent 6.3.26 2. Models Sebelum menentukan model viscous, harus ditentukan terlebih dahulu apakah aliran yang disimulasikan termasuk aliran laminar atau turbulen. Dalam kasus ini digunakan model k-epsilon dengan realizable karena diharapkan hasil yang diperoleh akurat dalam memprediksi laju penyebaran fluida.
Gambar 3.13 Pemilihan models pada Fluent 6.3.26
39
3. Materials Langkah yang paling penting dalam pemodelan di Fluent 6.3.26 adalah mendefinisikan sifat fisik material. Pada form material terdapat data-data propertis dan material yang harus dimasukkan. Dalam hal ini material yang digunakan adalah udara dengan density 1,225 kg/m3 dan viscouscity 1,7894x10-5 kg/m.s.
Gambar 3.14 Penentuan materials pada Fluent 6.3.26 4. Operating Conditions Merupakan perkiraan kondisi yang diberikan pada kodisi pengoperasian STP (Standart, Temperature and Pressure) berupa tekanan (p) disekitar Mobil Pancasona, yaitu sebesar 1 atm = 101325 Pascal.
Gambar 3.15 Penentuan operating conditions pada Fluent 6.3.26
40
5. Boundary Conditions Merupakan penentuan kondisi batas melibatkan beberapa hal, yaitu dengan pemberian beban kecepatan, tekanan maupun pemberian kondisi batas turbulensi pada inlet, outlet serta kondisi pada wall. Pada kondisi batas inlet adalah kecepatan sebesar 5m/s dan pada kondisi batas outlet adalah outflow.
Gambar 3.16 Boundary conditions pada Fluent 6.3.26
6. Solution Solusi pada pemodelan ini adalah menggunakan simplec (karena dapat mempercepat konvergensi untuk kasus yang sederhana) dan diskritisasinya menggunakan second order, second order upwind.
41
Gambar 3.17 Pemilihan solution pada Fluent 6.3.26 7. Initialize Proses iterate memerlukan initialize (tebakan awal) sebelum memulai perhitungan agar memudahkan konvergen.
Gambar 3.18 Initialize pada Fluent 6.3.26 8. Monitor Residual Menentukan kriteria konvergensi, dalam hal ini iterasi hingga mencapai harga 10-5, artinya convergence criterion yang diinginkan. Convergence criterion ditetapkan sebesar proses
42
iterasi dinyatakan telah konvergen setelah residualnya mencapai harga di bawah 10-5.
Gambar 3.19 Monitor Residual pada Fluent 6.3.26 9. Iterasi Menentukan kriteria konvergensi (tebakan awal dari hasil iterasi) pada Fluent 6.3.26.
Gambar 3.20 Iterasi pada Fluent 6.3.26 3.2 Processing atau Solving Dengan bantuan software fluent 6.3.26, kondisi-kondisi yang telah ditetapkan pada saat preprocessing akan dihitung (diiterasi). Jika kriteria konvergensi tercapai dengan kriteria konvergensi 10-5,
43
maka tahapan dilanjutkan pada postprocessing dan jika tidak tercapai tahapan akan mundur ke belakang pada tahapan pembuatan meshing. 3.3 Postprocessing Merupakan tampilan hasil serta analisa terhadap hasil yang telah diperoleh. Penggunaan model numerik dapat menghasilkan kontur tekanan, plot tekanan statis, vektor kecepatan, kontur kecepatan, dan kontur tekanan total.
Gambar 3.21 Menampilkan hasil analisa fluent 3.4
Diagram Alir Penelitian Secara umum penelitian dalam tugas akhir ini dilakukan dalam beberapa tahap yang dipresentasikan dalam diagram alir dibawah ini:
44
Mulai
Perumasan masalah
Studi literatur
Menentukan model sudu dan daerah analisis
Pemodelan dua dimensi pada Gambit
Meshing pada model tidak Meshing tercapai ya Menentukan kondisi batas inlet, outlet, dinding atas dan bawah, sudu atas dan bawah.
A
45
A
Simulasi dengan Fluent 6.3.26 dengan memasukkan batas: Viscous, Material, Operating Condition, Boundary Condition, Solution, Initialize, Monitor Residual tidak Proses iterasi
Konvergensi tercapai ya Postprocessing : - Observasi pathline velocity - Distribusi tekanan statis (countur)
Analisa hasil
Kesimpulan
Selesai Gambar 3.22 Diagram alir penelitian
46
BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN Pada tugas akhir ini pengamatan dilakukan pada bagian sudu kincir angin tipe savonius. Pengamatan ini dilakukan pada pengaruh overlap ratio pada sudu kincir angin sumbu vertical tipe savonius. Bentuk kincir angin ini dilakukan pengujian numerik 2D dengan menggunakan software Fluent 6.3.26, untuk mendapatkan kontur tekanan, plot grafik distribusi tekanan, dan pathline kecepatan. Sehingga dapat dilakukan analisa distribusi kecepatan, analisa distribusi tekanan, dan perhitungan daya. 4.1 Analisa Grid Independensi Dalam studi numerik menggunakan software Fluent 6.3.26 diperlukan keakuratan data, baik pada langkah post processing maupun pre processingnya. Hal ini dilakukan agar data yang diperoleh dapat divalidasi pada aplikasi sebenarnya. Untuk itu diperlukan langkah grid independensi untuk menentukan tingkat serta struktur grid terbaik agar hasil pemodelan mendekati sebenarnya. Tabel 4.1 Analisa Grid Independensi tekanan total pada overlap ratio 0,15 Grid Faces Kalitas Mesh Tekanan Total A 90085 0,5 24,89 Pa B 105223 0,5 25,2 Pa C 138350 0,5 25,17Pa Tabel 4.1 menunjukkan variasi meshing model uji pada pemodelan 2D Savonius. Meshing A merupakan meshing yang paling renggang dengan jumlah faces 90085, sedangkan meshing C adalah meshing yang paling rapat dengan jumlah faces 138350. Dari tabel 4.1 dapat dilihat bahwa pada mesh B dan C dengan variasi meshing yang berbeda, ternyata menghasilkan nilai
47
tekanan total yang hampir sama. Oleh karena itu, pada variasi meshing B dan C dapat disimpulkan bahwa dengan mesh yang berbeda tersebut ternyata memiliki tingkat grid independence yang dilakukan oleh solusi secara numerik. Yaitu, meskipun kedua variasi meshing tersebut mempunyai selisih face yang cukup jauh, Cp yang dihasilkan relatif sama. Selanjutnya akan digunakan variasi meshing B untuk melakukan solusi numerik pada pemodelan fluent. Karena dengan jumlah face yang lebih sedikit dari meshing C sudah dapat menghasilkan nilai tekanan totalyang relatif sama dengan penambahan jumlah face yang lebih rapat. 4.2 Analisa Distribusi Kecepatan Berdasarkan hasil simulasi pada Fluent didapatkan visualisasi pathline velocitypada savonius dengan variasi overlap ratio. Dari gambar dibawah ini dapat dijelaskan bahwa angin diasumsikan datang dari arah kiri dengan kecepatan 5 m/s bergerak menuju sudu.
Gambar 4.1 pathline velocity pada overlap ratio 0,1
48
Gambar 4.2 pathline velocity pada overlap ratio 0,15
Gambar 4.3 pathline velocity pada overlap ratio 0,2
49
Gambar 4.4 pathline velocity pada overlap ratio 0,25 Secara visualisasi pathlines terlihat aliran setelah menabrak sudu atas bagian depan dan mengikuti bentuk kelengkungan sudu, lalu diteruskan kebagian sudu bawah bagian belakang. Pada overlap ratio 0,1, aliran yang melewati sudu bagian bawah paling sedikit dibandingkan yang lain karena celah antar sudu kecil, jadi semakin besar overlap ratio semakin banyak aliran yang melewati sudu bagian bawah. Visualisasi pathlines juga bahwa aliran fluida yang melewati celah antar sudu terkecil (overlap ratio 0,1) memiliki kecepatan yang paling tinggi dibandingkan overlap ratio lainnya dan semakin besar celah antar sudu kecepatan aliran fluida semakin rendah. Semakin rendah kecepatan fluida yang melewati celah antar sudu mengakibatkan kemungkinan terjadinya aliran sekunder pada sisi atas returning blade semakin besar. Semakin besar celah antar sudu maka kemungkinan aliran fluida untuk melewati keseluruhan sisi dalam returning blade akan semakin kecil. Seperti yang ditunjukan pada overlap ratio 0,25 terjadi aliran sekunder yang paling besar. Pada visualisasi pathlines juga terlihat kondisi aliran dibelakang turbin menunjukkan adanyawake regionyang timbul karena adanya penghalang pada aliran yaitu berupa turbin itu
50
sendiri.Untuk overlap ratio 0,1 memiliki wake regionyang lebih besar dibandingkan overlap ratio lainnya. Semakin besar wake regiondi belakang tubin menyebabkan semakin besar pula gaya drag yang melawan putaran turbin,sehingga dapat menghambat sudu untuk berputar. 4.3Analisa Distribusi Tekanan 4.3.1 Savonius dengan Overlap Ratio 0,1
Gambar 4.5 Distribusi tekanan statispada savonius dengan overlap ratio 0,1 Berdasarkan gambar 4.5 aliran udara dari free stream mengalir dari kiri menuju sudu savonius dan terjadi tumbukan dengan bagian depan sudu, sehingga aliran udara mengalami perlambatan. Aliran mengalami stagnasi pada daerah atas advancing blade dan daerah tengah returning blade, pada daerah tersebut memiliki tekanan yang paling tinggi. Penumpukan aliran paling banyak terjadi padaadvancing blade bagian depan sehingga memiliki tekanan yang paling besar. Karena adanya celah antar sudu aliran udara dari advancing blade bagian depan diarahkan menuju returning blade bagian belakang. Overlap ratio yang kecil memiiki celah antar sudu yang kecil sehingga aliran
51
yang menuju returning blade juga sedikit.Tekanan pada returning blade bagian belakang sangat kecil.
Gambar 4.6 Distribusi tekanan pada savonius dengan overlap ratio 0,1 Supaya analisa distribusi tekanan pada sudu semakin jelas maka ditampilkan tabel distribusi tekanan beserta grafik untuk menunjang angka yang pasti pada gambar tersebut.
Sudu atas depan Jarak (m) 0.27 0.24 0.21 0.18 0.15 0.12
Sudu atas belakang
Tekanan (Pa) 31.63 26.15 25.3 24.97 24.78 24.6
Jarak (m) 0.27 0.24 0.21 0.18 0.15 0.12
52
Tekanan (Pa) -12.91 -9.52 -8.92 -8.28 -7.54 -6.89
0.09 24.31 0.09 -6.62 0.06 23.91 0.06 -6.8 0.03 23.34 0.03 -7.62 0 22.47 0 -8.57 -0.03 8.71 -0.03 -9.63 Rata-rata 23.65 Rata-rata -8.48 Tabel 4.2 Distribusi tekanan pada sudu bagian atas savonius dengan overlap ratio 0,1 Sudu bawah depan
Sudu bawah belakang
Jarak (m) Tekanan (Pa) Jarak(m) Tekanan (Pa) -0.27 -19.56 -0.27 -3.45 -0.24 -14.6 -0.24 1.64 -0.21 -2.85 -0.21 2.71 -0.18 10.07 -0.18 2.8 -0.15 20.85 -0.15 3.3 -0.12 26.49 -0.12 3.47 -0.09 29.02 -0.09 3.63 -0.06 28.76 -0.06 3.92 -0.03 25.77 -0.03 4.09 0 20.05 0 2.09 0.03 13.29 0.03 -0.51 Rata-rata 12.48 Rata-rata 2.15 Tabel 4.3 Distribusi tekanan pada sudu bagian bawah savonius dengan overlap ratio 0,1
53
Distribusi tekanan ini berfungsi untuk mengetahui berapa besar daya yang dihasilkan oleh kincir angin savonius dengan overlap ratio 0,1. Menghitung tekanan total pada sudu Ptotal = Psudu atas –Psudu bawah Dimana
Psudu atas = Patas depan – Patas belakang = 23,65 – (-8,48) = 32,13 Pa Psudu bawah = Pbawah depan –Pbawah belakang = 12,48 – 2,15 = 10,33 Pa
Sehingga Ptotal = Psudu atas – Psudu bawah = 32,13 Pa – 10,33 Pa = 21,8 Pa Untuk mengetahui gaya yang dihasilkan oleh sudu untuk memutar kincir dapat dihitung sebagai berikut : F = Ptotalx A = 21,8 Pa x 0.54 m x 1 per satuan panjang = 11,77 N Untuk dapat mengetahui besarnya Torsi yang dapat dihasilkan oleh kincir angin dapat dihasilkan pada saat pertama kali berputar yaitu melalui : τ=Fxr = 11,77 N x 0.12 m = 1,41Nm
54
Daya maksimum yang dapat dihasilkan oleh kincir angin yaitu: Wmaks = F x v = 11,77 N x 5 m/s = 58,85 watt Putaran yang dihasilkan oleh kincir angina adalah:
ω=
= = 41,73 rad/s n
= = = 398 rpm
Sehingga dapat dijelaskan bahwa kincir angin savonius dengan overlap ratio 0,1 diatas dapat menghasilkan daya ideal sebesar 58,85 watt dan torsi awal sebesar 1,41 Nmdengan putaran sebanyak 398 rpm.
55
4.3.2 Savonius dengan Overlap Ratio 0,15
Gambar 4.7 Distribusi tekanan statispada savonius dengan overlap ratio 0,15 Berdasarkan gambar 4.7 aliran udara dari free stream mengalir dari kiri menuju sudu savonius dan terjadi tumbukan dengan bagian depan sudu, sehingga aliran udara mengalami perlambatan. Aliran mengalami stagnasi pada daerah atas advancing blade dan daerah tengah returning blade, pada daerah tersebut memiliki tekanan yang paling tinggi. Penumpukan aliran paling banyak terjadi padaadvancing blade bagian depan sehingga memiliki tekanan yang paling besar. Karena adanya celah antar sudu aliran udara dari advancing blade bagian depan diarahkan menuju returning blade bagian belakang. Overlap ratio 0,15 memiliki celah antar sudu yang lebih besar dibandingkan overlap ratio 0,1 sehingga aliran yang menuju returning blade lebih banyak.Jadi tekanan pada returning blade bagian belakang lebih besar dan dapat membantu turbin untuk berputar.
56
Gambar 4.8 Distribusi tekanan pada savonius dengan overlap ratio 0,15 Supaya analisa distribusi tekanan pada sudu semakin jelas maka ditampilkan tabel distribusi tekanan beserta grafik untuk menunjang angka yang pasti pada gambar tersebut. Sudu atas depan Jarak (m) 0.255 0.24 0.21 0.18 0.15 0.12 0.09 0.06 0.03 0
Sudu atas belakang
Tekanan (Pa) 26.56 22.07 20.91 20.16 19.85 19.50 19.14 18.75 18.22 17.22
Jarak (m) 0.255 0.24 0.21 0.18 0.15 0.12 0.09 0.06 0.03 0
57
Tekanan (Pa) -16.26 -14.9 -13.33 -12.57 -11.53 -10.88 -10.54 -10.7 -11.29 -12.56
-0.03 14.69 -0.03 -13.2 -0.045 5.7 -0.045 -17.85 Rata-rata 18.56 Rata-rata -12.97 Tabel 4.4 Distribusi tekanan pada sudu bagian atas savonius dengan overlap ratio 0,15 Sudu bawah depan Sudu bawah belakang Jarak (m) Tekanan (Pa) Jarak (m) Tekanan (Pa) -0.255 -22.27 -0.255 -5.34 -0.24 -20.68 -0.24 0.018 -0.21 -8.21 -0.21 1.83 -0.18 4.45 -0.18 2.21 -0.15 13.3 -0.15 2.8 -0.12 21.54 -0.12 3.2 -0.09 24.45 -0.09 3.58 -0.06 24.34 -0.06 3.81 -0.03 21.12 -0.03 3.63 0 15.86 0 3 0.03 11.79 0.03 -0.71 0.45 6.62 0.45 -1.77 Rata-rata 7.69 Rata-rata 1.35 Tabel 4.5 Distribusi tekanan pada sudu bagian bawah savonius dengan overlap ratio 0,15 Distribusi tekanan ini berfungsi untuk mengetahui berapa besar daya yang dihasilkan oleh kincir angin savonius dengan overlap ratio 0,15. Menghitung tekanan total pada sudu
Ptotal = Psudu atas –Psudu bawah 58
Dimana, Psudu atas = Patas depan – Patas belakang = 18,56– (-12,97) = 31,53 Pa Psudu bawah = Pbawah depan –Pbawah belakang = 7,69– 1,35 = 6,34 Pa Sehingga, Ptotal = Psudu atas – Psudu bawah = 31,53 Pa – 6,34 Pa = 25,2 Pa Untuk mengetahui gaya yang dihasilkan oleh sudu untuk memutar kincir dapat dihitung sebagai berikut :
F = Ptotalx A = 25,2 Pa x 0,51 m x 1 per satuan panjang = 12,85 N
Untuk dapat mengetahui besarnya Torsi yang dapat dihasilkan oleh kincir angin dapat dihasilkan pada saat pertama kali berputar yaitu melalui :
τ=Fxr = 12,85 N x 0.105 m = 1,35 Nm
Daya maksimum yang dapat dihasilkan oleh kincir angin yaitu:
Wmaks = F x v = 12,85 N x 5 m/s = 64,25 watt
Putaran yang dihasilkan oleh kincir angina adalah:
ω= 59
=
=47,6 rad/s n= = = 454 rpm Sehingga dapat dijelaskan bahwa kincir angin savonius dengan overlap ratio 0,15 diatas dapat menghasilkan daya ideal sebesar 64,25 watt dan torsi awal sebesar 1,35 Nm dengan putaran sebanyak 454 rpm. 4.3.3 Savonius dengan Overlap Ratio 0,2
Gambar 4.9 Distribusi tekanan statispada savonius dengan overlap ratio 0,2 Berdasarkan gambar 4.9 aliran udara dari free stream mengalir dari kiri menuju sudu savonius dan terjadi tumbukan dengan bagian depan sudu, sehingga aliran udara mengalami perlambatan. Aliran mengalami stagnasi pada daerah atas
60
advancing blade dan daerah tengah returning blade, pada daerah tersebut memiliki tekanan yang paling tinggi. Penumpukan aliran paling banyak terjadi padaadvancing blade bagian depan sehingga memiliki tekanan yang paling besar. Karena adanya celah antar sudu aliran udara dari advancing blade bagian depan diarahkan menuju returning blade bagian belakang. Overlap ratio 0,2 memiliki celah antar sudu yang lebih besar dibandingkan overlap ratio 0,1 dan 0,15 sehingga aliran yang menuju returning blade lebih banyak. Semakin besar celah antar sudu, tekanan pada advancing blade bagian depan berkurang, tapi tekanan pada returning blade bagian belakang lebih besar dan dapat mengurangi tekanan pada returning blade bagian depan. Kondisi tersebut dapat membantu turbin berputar lebih optimal karena tekanan pada returning blade yang dapat melawan putaran turbin lebih kecil. .
Gambar 4.10 Distribusi tekanan pada savonius dengan overlap ratio 0,2 Supaya analisa distribusi tekanan pada sudu semakin jelas maka ditampilkan tabel distribusi tekanan beserta grafik untuk menunjang angka yang pasti pada gambar tersebut.
61
Sudu atas depan
Sudu atas belakang
Jarak (m) Tekanan (Pa) Jarak (m) Tekanan (Pa) 0.24 22.89 0.24 -25.5 0.21 17.14 0.21 -16.23 0.18 16.63 0.18 -15.51 0.15 15.82 0.15 -14.64 0.12 15.54 0.12 -13.91 0.09 15.08 0.09 -13.38 0.06 14.7 0.06 -13.31 0.03 14.26 0.03 -13.94 0 13.34 0 -14.96 -0.03 11.9 -0.03 -15.95 -0.06 4 -0.06 -20.55 Rata-rata 14.66 Rata-rata -16.17 Tabel 4.6 Distribusi tekanan pada sudu bagian atas savonius dengan overlap ratio 0,2 Sudu bawah depan Jarak (m) -0.24 -0.21 -0.18 -0.15 -0.12 -0.09 -0.06 -0.03
Sudu bawah belakang
Tekanan (Pa) -24.18 -22.28 -6.58 5.99 13.79 20.19 21.1 19.12
Jarak (m) -0.24 -0.21 -0.18 -0.15 -0.12 -0.09 -0.06 -0.03
62
Tekanan (Pa) -6.84 0.44 1.64 2.61 2.93 3.36 3.4 3.05
0 13.61 0 2.42 0.03 7.095 0.03 -0.075 0.06 2.11 0.06 -2.6 Rata-rata 4.54 Rata-rata 0.94 Tabel 4.7 Distribusi tekanan pada sudu bagian bawah savonius dengan overlap ratio 0,2 Distribusi tekanan ini berfungsi untuk mengetahui berapa besar daya yang dihasilkan oleh kincir angin savonius dengan overlap ratio 0,2. Menghitung tekanan total pada sudu Ptotal = Psudu atas –Psudu bawah Dimana, Psudu atas = Patas depan – Patas belakang = 14,66 – (-16,17) = 30,83 Pa Psudu bawah = Pbawah depan –Pbawah belakang = 4,54 – 0,94 = 3,6 Pa Sehingga, Ptotal = Psudu atas – Psudu bawah = 30,83 Pa – 3,6 Pa = 27,23 Pa Untuk mengetahui gaya yang dihasilkan oleh sudu untuk memutar kincir dapat dihitung sebagai berikut : F = Ptotalx A = 27,23 Pa x 0,48 m x 1 per satuan panjang = 13,07 N
63
Untuk dapat mengetahui besarnya Torsi yang dapat dihasilkan oleh kincir angin dapat dihasilkan pada saat pertama kali berputar yaitu melalui : τ=Fxr = 13,07 N x 0.09 m = 1,17 Nm Daya maksimum yang dapat dihasilkan oleh kincir angin yaitu: Wmaks = F x v = 13,07 N x 5 m/s = 65,35 watt Putaran yang dihasilkan oleh kincir angin yaitu: ω= = = 55,85 rad/s n= = = 533 rpm Sehingga dapat dijelaskan bahwa kincir angin savonius dengan overlap ratio 0,2 diatas dapat menghasilkan daya ideal sebesar 65,35watt dan torsi awal sebesar 1,17 Nm dengan putaran sebanyak 533 rpm.
64
4.3.4 Savonius dengan Overlap Ratio 0,25
Gambar 4.11 Distribusi tekanan statispada savonius dengan overlap ratio 0,25 Berdasarkan gambar 4.11 aliran udara dari free stream mengalir dari kiri menuju sudu savonius dan terjadi tumbukan dengan bagian depan sudu, sehingga aliran udara mengalami perlambatan. Aliran mengalami stagnasi pada daerah atas advancing blade dan daerah tengah returning blade, pada daerah tersebut memiliki tekanan yang paling tinggi. Penumpukan aliran paling banyak terjadi padaadvancing blade bagian depan sehingga memiliki tekanan yang paling besar, namun tekanannya lebih kecil dibandingkan savonius dengan overlap ratio lainnya. Karena adanya celah antar sudu aliran udara dari advancing blade bagian depan diarahkan menuju returning blade bagian belakang. Overlap ratio 0,25 memiliki celah antar sudu yang lebih besar dibandingkan overlap ratio lainnya sehingga aliran yang menuju returning blade lebih banyak.Jadi tekanan pada returning blade bagian belakang lebih besar dan dapat mengurangi tekanan pada returning blade bagian depan. Kondisi tersebut dapat membantu turbin berputar lebih optimal karena tekanan pada returning blade yang dapat melawan putaran turbin lebih kecil. Namun semakin
65
besar celah antar sudu maka diameter turbin akan semakin kecil sehingga akan berpengaruh pada performa turbin.
Gambar 4.12 Distribusi tekanan pada savonius dengan overlap ratio 0,25 Supaya analisa distribusi tekanan pada sudu semakin jelas maka ditampilkan tabel distribusi tekanan beserta grafik untuk menunjang angka yang pasti pada gambar tersebut. Sudu atas depan Jarak (m) 0.225 0.21 0.18 0.15 0.12 0.09 0.06
Sudu atas belakang
Tekanan (Pa) 19.63 14.89 13.36 12.43 12.15 11.62 11.25
Jarak (m) 0.225 0.21 0.18 0.15 0.12 0.09 0.06
66
Tekanan (Pa) -29.09 -19.45 -17.4 -16.82 -16.07 -15.23 -15.04
0.03 10.94 0.03 -15.37 0 10.46 0 -16.04 -0.03 9.91 -0.03 -17.20 -0.06 8.4 -0.06 -17.86 -0.075 5.07 -0.075 -22.13 Rata-rata 11.68 Rata-rata -18.14 Tabel 4.8 Distribusi tekanan pada sudu bagian atas savonius dengan overlap ratio 0,25 Sudu bawah depan
Sudu bawah belakang
Jarak (m) Tekanan (Pa) Jarak (m) Tekanan (Pa) -0.225 -25.43 -0.225 -16.9 -0.21 -23.29 -0.21 -3.12 -0.18 -10.4 -0.18 1.19 -0.15 2.09 -0.15 2.51 -0.12 10.46 -0.12 2.99 -0.09 16.06 -0.09 2.95 -0.06 19.24 -0.06 2.76 -0.03 14.85 -0.03 1.94 0 11.59 0 1.21 0.03 6.42 0.03 0.42 0.06 1.04 0.06 -0.8 0.075 -0.03 0.075 -2.09 Rata-rata 1.88 Rata-rata -0.57 Tabel 4.9 Distribusi tekanan pada sudu bagian bawah savonius dengan overlap ratio 0,25
67
Distribusi tekanan ini berfungsi untuk mengetahui berapa besar daya yang dihasilkan oleh kincir angin savonius dengan overlap ratio 0,25. Menghitung tekanan total pada sudu: Ptotal = Psudu atas –Psudu bawah Dimana, Psudu atas = Patas depan – Patas belakang = 11,68 – (-18,14) = 29,82 Pa Psudu bawah = Pbawah depan –Pbawah belakang = 1,88 – (-0,57) = 2,45 Pa Sehingga, Ptotal = Psudu atas – Psudu bawah = 29,82 Pa – 2,45 Pa = 27,37 Pa Untuk mengetahui gaya yang dihasilkan oleh sudu untuk memutar kincir dapat dihitung sebagai berikut : F = Ptotalx A = 27,37 Pa x 0,45 m x 1 per satuan panjang = 12,31 N Untuk dapat mengetahui besarnya Torsi yang dapat dihasilkan oleh kincir angin dapat dihasilkan pada saat pertama kali berputar yaitu melalui : τ=Fxr = 12,31 N x 0.075 m = 0,92 Nm
68
Daya maksimum yang dapat dihasilkan oleh kincir angin yaitu: Wmaks = F x v = 12,31 N x 5 m/s = 61,55 watt Putaran yang dihasilkan oleh kincir angin yaitu:
ω=
= = 66,9 rad/s
n= = = 638 rpm Sehingga dapat dijelaskan bahwa kincir angin savonius dengan overlap ratio 0,25 diatas dapat menghasilkan daya ideal sebesar 61,55watt dan torsi awal sebesar 0,92 Nm dengan putaran sebanyak 638 rpm.
69
4.4 Pembahasan Dari hasil analisa dan perhitungan didapatkan data sebagai berikut : Tabel 4.10 Data perhitungan Overlap Tekanan Gaya ratio ` Total (N) (Pa) 0,1 21,8 11,77
Torsi Awal (Nm) 1,41
Daya Putaran maksimal (rpm) (Watt) 58,85 398
0,15
25,2
12,85
1,35
64,25
454
0,2
27,23
13,07
1,17
65,35
533
0,25
27,37
12,31
0,92
61,55
638
Dari tabel di atas tekanan total yang paling besar terdapat pada savonius dengan overlap ratio 0,25 yakni 27,37 Pascal. Gaya yang terjadi paling besar terdapat pada savonius dengan overlap ratio 0,2 yakni 13,07 Newton. Pada savonius dengan overlap ratio 0,1 memiliki torsi yang paling besar yakni 1,41 Nm. Dari tabel di atas daya maksimal yang dihasilkan paling besar dimiliki oleh savonius dengan overlap ratio 0,2 yakni 65,35 Newton. Putaran paling tinggi terjadi pada savonius dengan overlap ratio 0,25 yakni 638 rpm.
70
BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil analisa sudu kincir angin antara savonius standart dengan split savonius menggunakan pemodelan numeric 2D dengan menggunakan software Fluent 6.3.26, maka dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Dari hasil simulasi distribusi kecepatan pada savonius menunjukan overlap ratio mempengaruhi gaya drag pada sudu. Savonius dengan overlap ratio 0,1 menghasilkan gaya drag yang lebih besar di bagian belakang turbin karena memiliki wake region yang besar. 2. Dari hasil simulasi distribusi tekanan, savonius dengan overlap ratio 0,25 memiliki tekanan total lebih besar dibandingkan yang lain yakni 27,37 Pascal. 3. Dari hasil perhitungan, savonius dengan Overlap ratio 0,2 memiliki performa yang paling baik, yakni dengan Daya maksimal 65,35 Watt dan Torsi awal 1,17 Nm. 5.2 Saran Beberapa saran yang dapat direkomendasikan untuk perkembangan penelitian ini adalah 1. Perlunya penelitian lanjut tentang optimasi torsi dan daya poros pada VAWT. 2. Perlunya pembuatan model dari kincir angin savonius tersebut agar dapat membandingkan data hasil perhitungan aktual.
71
Halaman ini sengaja dikosongkan
72
LAMPIRAN 1 : Dimensi savonius dengan overlap ratio 0,1
LAMPIRAN 2 : Dimensi savonius dengan overlap ratio 0,15
LAMPIRAN 3 : Dimensi savonius dengan overlap ratio 0,2
LAMPIRAN 4 : Dimensi savonius dengan overlap ratio 0,25
DAFTAR PUSTAKA Anderson John D. JR. 1988. Fundamentals of aerodynamics: International Edition. Singapore: McGraw-hill Book Co. Bao, F., and Dallmann, Uwe Ch., (2004), “Some physical aspects of separation bubble on a rounded backward-facing step”, Aerospace Science and Technology, Vol. 8, 83-91 Damjanović, Darko, Kozak, Dražan, Ivandić, Željko, and Kokanović, Mato. Car Design As A New Conceptual And CFD Analysis In Purpose of Improving Aerodynamics. 2010. Croatia
Ferris, L. 1990. Wind Energy Conversion Systems. Prentice Hall Fox, Robert W and McDonald, Alan T. 1998. Introduction of fluid mechanics: Fifth edition. USA: John Wiley & Sons, Inc. Handoko, Hariesya T. 2012. Studi Numerik Perbandingan Kincir Angin Sumbu Vertikal antara Savonius Standart dengan Split Savonius. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Hucho, W.-H. 1987, "Aerodynamics of Passenger Cars," in Aerodynamics of Road Vehicles, Hucho, W-H ed, Butterworth and Co. Ltd, London, Unite Pritchard, Philip J., Fox and McDonald’s. 2011. Introduction of fluid mechanics: Eight edition. USA: John Wiley & Sons, Inc. Tuakia, Firman. 2008. Dasar-Dasar FLUENT. Bandung: Informatika.
73
CFD
Menggunakan
BIODATA PENULIS Penulis dilahirkan di Surabaya, 26 September 1992, merupakan anak keenam dari enam bersaudara . Penulis telah menempuh pendidikan formal yaitu TK Dharma Wanita Gresik, SDN Pongangan 2 Manyar Gresik, SMP Negeri 1 Gresik, SMA Negeri 1 Gresik. Pada tahun 2011 Penulis diterima di Jurusan D3 Teknik Mesin FTI – ITS dan terdaftar sebagai mahasiswa dengan NRP 2111030037. Konversi Energi merupakan bidang studi yang dipilih penulis. Selama duduk di bangku kuliah penulis aktif mengikuti kegiatan perkuliahan. Penulis juga pernah mengikuti berbagai kegiatan dan bergabung dalam organisasi.Kegiatan yang pernah di ikutinya antara lain : Staff Lembaga Minat Bakat di Himpunan D3 TeknikMesin. Kegiatan diluar kuliah yang di ikuti penulis : Pelatihan dasar LKMM Pra TD di Fakultas Teknik Industri ITS (2011), PKTI (Pelatihan Karya Tulis Ilmiah), Pelatihan Motor Bakar. Penulis juga pernah mengikuti kerja praktek di PT. Petrokimia Gresik selama 1 s/d 31 Juli 2013 di bidang Rancang Bangun.
