PENELITIAN KARAKTERISTIK AERODINAM1KA SAVONIUS BERSUDU BANYAK DENGAN METODA PENGGESERAN MESH Agus Arlbowo Peneliti Unit UJI Aerodinamika. LAPAN
ABSTRACT Rotation of Savonius olades could be simulated u s i n g Sliding Mesh methode. The effective solution c a n be obtained by interfacing between moving zone a n d fixed zone by coordinating the linked cell. The n u m b e r of tested blades 2, 3, 4, and 6. The result is the Savonius turbine with 3 blades having torque coefficient higher a n d efficiency level the compared which the other blades. The spacing of blade axis make air flow infiltrate a n d c a u s i n g increase of force m o m e n a n d negative d r a g force. By increasing t h e n u m b e r of blades will result in t h e reduction of negative a n d positive force between one blade to the other. As a result, the performance will be reduced due to the increased n u m b e r of blades. ABSTRAK Perputaran s u d u Savonius dapat disimulasikan dengan menggunakan metoda penggeseran mesh. Dengan koordinasi a n t a r sel p a d a interface a n t a r a zona p u t a r d a n zona tetap, terdapat s a t u koordinasi solusi yang tepat. Kincir Savonius yang telah diuji adalah s u d u 2, 3, 4, d a n 6. Diperoleh hasil bahwa Savonius s u d u 3 mempunyai koefisien momen rata-rata d a n tingkat efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan yang kincir s u d u lainnya. Kerenggangan p a d a poros s u d u kincir menjadikan aliran d a p a t menerobos dan menerpa s u d u dibelakang poros dan ini akan meningkatkan gaya momen serta menambah gaya h a m b a t negatif pada s u d u tersebut. J u m l a h s u d u yang banyak a k a n mengakibatkan saling reduksi gaya positif dan negatif a n t a r a satu s u d u dengan s u d u lainnya. Akibatnya, performasinya a k a n m e n u r u n seiring dengan p e r t a m b a h a n jumlah s u d u tersebut. Kata k u n c i ; Energi Angin, Savonius, Koefisien Momen, Sliding Mesh 1 LATAR BELAKANG Energi angin m e r u p a k a n s u m b e r energi terbarukan yang c u k u p m e n d a p a t s a m b u t a n positif dari masyarakat saat ini. Peningkatan pemakaian energi yang berlebihan menyebabkan terjadinya kelangkaan b a h a n bakar minyak bumi di seluruh dunia. Akibat dari itu, terjadi akselerasi penciptaan energi alternatif yang dapat menggantikan posisi minyak b u m i sebagai b a h a n bakar primer. Salah s a t u n y a adalah pemanfaatan energi yang dihasilkan oleh angin. Teknologi energi angin merupakan teknologi konversi dari p u t a r a n kincir akibat s a p u a n angin menjadi energi d a n dengan b a n t u a n generator akan menghasilkan energi listrik atau dengan m e m u t a r pompa
a k a n menyedot air dari s u m u r dsb. Untuk mendapatkan energi listrik yang memadai diperlukan p u t a r a n y a n g tinggi dari kincir angin tersebut (rpm), u n t u k itu tipe kincir poros horisontal seperti tipe propeler atau kincir poros vertikal seperti tipe Darieus sangat populer di masyarakat. Di sisi lain, u n t u k pemompaan air, diperlukan momen putar [torque) yang besar. Salah satu contoh adalah kincir angin pemompa air bertipe s u d u banyak yang populer di Amerika atau kincir angin Savonius yang mempunyai poros vertikal. Di Indonesia, banyak daerah yang relatif b e r s u h u pan as d a n minim air pertaniannya c u k u p relevan u n t u k mengadopsi teknologi Savonius sebagai pemompa air misalnya di daerah persawahan. io
JumalTel(nologi(DirgantaraVoL 4 No. 1
Kincir Savonius secara efisiensi masih kurang dibanding dengan tipe kincir lainnya. Kelebihannya hanya pada proses pembuatannya yang tergolong sederhana, ditambah dengan kinerja p u t a r n y a yang tidak terpengaruh oleh a r a h m a t a angin. Penelitian mengenai Savonius banyak dilakukan secara teoritis dan eksperimen. Beberapa analisa hanya mampu menyimpulkan efisiensi s u d u Sttara \imum d a n tidak secara spesifik. Ada beberapa tulisan yang menggunakan simuJasi numerik kontinuitas. Hanya saj'a penelitian m e n d a l a m mengenai efek aliran d a n korelasinya t e r h a d a p j u m l a h sudu, faktor kerenggangan a n t a r sudu, faktor kelengkungan s u d u d a n sebagainya belum banyak yang mengupasnya. Untuk itu, p a d a penelitian ini, dilakukan analisa secara numerik melalui simulasi CFD 2-Dimensi. Bagaimana kelakuan aliran di sekitar sudu saat kincir berputar dengan menggunakan metoda pergeseran mesh dibahas dalam tulisan ini. J u g a mengenai besarnya gaya m o m e n yang dihasilkan oleh masing-masing s u d u s a a t berputar dibahas dalam tulisan ini. 2
KONTINUITAS ALIRAN
Gambar 2-1 : Koordinat kincir Savonius Simulasi numerik yang dilakukan disini menggunakan grid tak berstruktur dengan menggunakan teori MAC (Marker and Cell), dengan referensi faktor turbulensi s t a n d a r (RNG) u n t u k kecepatan tak terkompres. Sudu kincir mendapat gaya dorong dari angin yang menerpanya, kemudian berputar dengan rotasi radial tetap sebesar co (untuk menghitung torque statik 40
Juni 2006:39-46
co = 0). Untuk memenuhi kondisi batas p a d a permukaan sudu, di ambil poros z sebagai poros berputarnya. Pada poros poros z, kincir berputar dengan kecepatan co d a n poros koordinat (X, Y, z).
domain seluruh wilayah perhitungan dan gambar p e m b e s a r a n disekitar kincir. Pada beberapa aplikasi fiuida dinamika, pergerakan aliran disebabkan oleh terjadinya pergeseran a n t a r a benda dengan fiuida disekelilingnya. Biasanya diiringi dengan fenomena unsteady p a d a pola aliran. Pada penelitian ini, s u d u Savonius berputar pada porosnya. Wilayah luar sudu m e r u p a k a n wilayah tetap {fixed domain), d a n wilayah sudu (rotor) merupakan bagian yang direferensikan sebagai kerangka berputar (moving reference frame). Batas wilayah a n t a r a kerangka tetap dan kerangka berputar dibatasi oleh interface yang selalu b e r u b a h secara dinamik. Secara garis besar, karakteristik metoda pergeseran m e s h , adalah sebagai berikut • Geometri m u k a setiap sel p a d a interface pergeseran p a d a u m u m n y a teridentifikasi. • Di sini terjadi persesuaian satu lawan satu setiap waktu a n t a r a m u k a sel yang saling berlawanan pada wilayah interface pergeseran. • Proses komputasi berlangsung secara serempak di seluruh wilayah perhitungan baik di wilayah fixed zone m a u p u n di wilayah moving zone. • Solusi d a p a t dimulai dari semua kondisi awal.
Gambar 3 - 1 : Domain pergeseran Mesh Mesh yang digunakan merupakan kombinasi 3 bagian kelompok mesh, yaitu domain aliran bagian luar mempunyai faktor kerenggangan 1, domain olahan dengan faktor kerenggangan 0.02 d a n domain p u t a r dengan faktor kerenggangan 0 . 0 1 . Hal ini dimaksudkan u n t u k penghematan waktu hitung d a n iterasi. Pada Gambar 3-1 m e n u n j u k k a n mesh
Gambar 3-2 adalah ilustrasi penggeseran m e s h berdasar referensi m a n u a l fluent 6 . 1 . Karena pergeseran moving zone, maka mesh pada domain tersebut melakukan distorsi secara otomatis. Apabila jarak node dengan node p a d a interface terdekat lebih dekat dibanding dengan jarak dengan node sebelumnya m a k a interface akan berpindah pada posisi yang baru walaupun masih a d a penyimpangan. Disamping itu pengurangan penyimpangan yang a d a d a n m e s h b a r u p u n terbentuk.
41
Gambar 3-2: Ilustrasi penggeseran Mesh
4 HASIL PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN Simulasi numerik dilakukan dengan m e n g g u n a k a n software CFD Fluent 6.2, u n t u k kincir Savonius s u d u 2, 3,4, dan 6 pada kecepatan aliran V = 5 m / s dengan perputaran s u d u p a d a porosnya per menit = 3 RPM. Gambar 4-2, merupakan kcefisien gaya h a m b a t Cd d a n momen Cm hasil dari perhitungan diferensial tekanan pada p e r m u k a a n masing masing s u d u . Hasil yang didapat p a d a kincir, adalah • 2 s u d u : Cd p a d a s u d u no. 2 lebih besar dari Cd s u d u no. 1. Seiring dengan itu koefisien momen s u d u no 2 menjadi besar tetapi mempunyai a r a h p u t a r yang berlawanan dengan a r a h perputaran kincir yang semestinya (searah jarum jam). Akibat hampir seimbangnya gaya momen a n t a r a keduanya, kincir 2 s u d u dengan posisi seperti ini mempunyai potensi berbalik a r a h akibat delta momen p u t a r sangat kecil. • 3 s u d u : Cm p a d a s u d u no 1 d a n 2 adalah 0 . 2 0 1 , k o n t r a Cm s u d u no 3 sebesar 0.094. Total Cm adalah 0.107. 42
Cd sudu no 3 paling besar, akibat dari p u s a r a n k u a t yang masih menggelayuti s u d u no 3 pada posisi tersebut. Tetapi gaya momen s u d u no 1 d a n 2 d a p a t menyeimbangi prosentasi torsi yang dihasilkan. Pada Gambar 4-3 terlihat koefisien gaya dalam satu p u t a r a n kontinu dari kincir s u d u 3 dengan visualisasi tiap-tiap titik kritikal dari gaya momen yang dihasilkan. Pada titik B d a n C, kincir mempunyai gaya momen paling kecil akibat p u s a r a n k u a t yang menempel p a d a p e r m u k a a n bawah s u d u , sehingga mengakibatkan melonjaknya gaya h a m b a t s u d u d a n yang pasti a k a n meningkatkan gaya momen yang berlawanan a r a h dengan arah p u t a r kincir. Namun, seiring dengan berputamya kincir, p u s a r a n yang k u a t tersebut akan terlepas dari p e r m u k a a n bawah sudu d a n hal itu a k a n mengurangi gaya hambatnya dan j u g a a k a n menaikkan gaya momennya seperti p a d a kincir dalam posisi di titik A d a n D. • 4 s u d u : Cd s u d u no 3 bernilai negatif dan hal ini berarti bahwa vektor gaya hambatnya berlawanan dengan arah aliran. Aliran yang menerpa sudu melalui celah p a d a poros kincir menjadikan tekanan p e r m u k a a n bawah s u d u no 3 berkurang. Sebaliknya p a d a wilayah a n t a r a sudu no 3 dan no 4 terjadi pusaran, akibatnya timbul gaya h a m b a t yang berlawanan a r a h dengan arah aliran. Pada Gambar 4-5, dijelaskan koefisien tekanan Cp p a d a p e r m u k a a n atas dan bawah s u d u p a d a posisi kincir seperti p a d a Gambar 4-4. P e r m u k a a n atas sudu no 4 mempunyai Cp lebih besar dibandingkan dengan permukaan bawahnya. Hal ini mengakibatkan gaya hambat sudu no 4 menjadi lebih besar (Gambar 4-2c) dibandingkan dengan s u d u lainnya. • 6 s u d u : Pada Gambar 4-2, s u d u no 5 mempunyai gaya h a m b a t paling besar, J u g a gaya momen yang berlawanan arah dengan p u t a r a n kincir paling besar. Tetapi secara total, gaya momen tersebut di eliminasi dengan total gaya momen dari sudu no 1, 3, d a n 4. S u d u no 1 mendapat effort dari aliran yang mengalir
mclalui celah poros kincir, yang mengakibatkan kecepatan aliran pada perm u k a a n bawah s u d u no 1 meningkat. Hal ini menyebabkan terjadi penambahan gaya momen w a l a u p u n terjadi pula penambahan gaya hambat negatifnya. Pada G a m b a r 4 - 1 , diperlihatkan perbedaan koefisieri momen seluruh sudu yang di uji pada penelitian ini. Kincir 2 sudu, tampak mempunyai nilai koefisien momen yang ekstrim. Pada posisi tertentu (sudut serang tertentu) diperoleh Cm yang paling besar dibandingkan dengan sudu lainnya, n a m u n di posisi lain, kincir ini mempunyai momen total mendekati nol d a n positif. Posisi ini merupakan potensi kincir b e r p u t a r berbalik a r a h yang berlawanan dengan arah putaran kincir yang sebenarnya. Kincir 3 sudu, mempunyai j u m l a h koefisien momen a n t a r a -0.12 hingga -0.175. Artinya, dibanding dengan kincir tipe lain, kincir 3 s u d u mempunyai momen p u t a r yang rata-rata lebih tinggi dan konstan u n t u k segala arah putarnya. Kincir 4 sudu, mempunyai j u m l a h koefisien momen rata-rata yang tinggi pula, n a m u n bila dibandingkan dengan kincir 3 sudu tingkat effort d a n elisiensinya masih sedikit lebih rendah. Kincir 6 sudu, mempunyai jumlah momen yang terendah dibandingkan dengan kincir tipe yang lainnya. Banyaknya sudu mengakibatkan terjadinya saling reduksi gaya yang dihasilkan oleh tiaptiap s u d u dengan sudu-sudu yang lainnya. Akibatnya, performansi kincir tipe ini menjadi lebih r e n d a h .
5
KESIMPULAN
Dari hasil penelitian disimpulkan sebagai berikut
ini, dapat
• Momen p u t a r rata-rata kincir s u d u 3, paling optimal. • Kincir 2 s u d u mempunyai koefisien momen yang ekstrim d a n pada posisi s u d u t serang tertentu, mempunyai kemungkinan berbalik a r a h dari arah putar yang sebenarnya.
• Kerenggangan p a d a poros kincir menyebabkan aliran menerobos dan menerpa s u d u di belakang poros dengan mengakibatkan b e r t a m b a h n y a gaya momen dan b e r t a m b a h n y a gaya h a m b a t negatif pada s u d u tersebut. • S e m p u r n a n y a kinerja interface a n t a r a zona bergerak d a n zona tetap, menjadikan tidak terjadinya keterlambalan dalam menjembatani akses transfer kode antar kedua zona tersebut. Efek gangguan p a d a aliran dengan a d a n y a interface tidak didapati p a d a penelitian ini. • Semakin bertambahnya jumlah sudu akan mengakibatkan terjadinya saling reduksi gaya positif d a n negatif a n t a r a satu sudu dengan sudu lainnya, Akibatnya, performasinya a k a n m e n u r u n selling dengan p e r t a m b a h a n j u m l a h s u d u . UCAPAN TERIMA KASIH Penelitian ini adalah bagian dari proyek RUKK LAPAN 2 0 0 5 / 2 0 0 6 berjudul Rancang Bangun Turbin Angin Savonius "Double Action" u n t u k Pembangkit Listrik. Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bpk Drs. Soeripno, Kabid Energi Angin LAPAN d a n Sdr. Arif Hardoko, M.Sc.ME yang telah memberikan kesempatan kepada penulis u n t u k m e l a k s a n a k a n penelitian d a n perancangan s u d u Turbin Savonius Double Action. DAFTAR RUJUKAN P.N. S h a n k a r , 1976. The Effect of Geometry and Reynolds Number on Savonius Type Rotors, Technical Memorandum AE-TM-3-76, National Aeronautical Laboratory Banglore. Modi, V. J. a n d M. S. Fernando, 1989. On the Performance of the Savonius Wind Turbine, J o u r n a l of Solar Energy Eng. Vol. 111,71-81. Ushiyama, I. and H. Nagai, 1988. Optimum Design Configurations and Performance of Savonius Rotors. Wind Engineering Vol. 12 No. 1 , 5 9 - 7 5 . Pruwadi, T. et a l . , 1985. Design, Fabrication and Testing of a 2-2 Blade Savonius type wind rotor. TIATC, J a p a n . NN, 2 0 0 3 . Manual Fluent 6.1, Fluent Incorporation. 43
Blade
1
2
3
4
5
6
Cd
0.254
0.298
-
-
-
-
Cm
-0.12
0.11
-
-
-
-
a) Koef. G a y a p a d a Kincir 2 S u d u
Blade
1
2
3
4
5
6
Cd
0.042
0.277
0.355
-
-
-
Cm
-0.113
-0.088
0.094
-
-
-
b) Koef. G a y a p a d a Kiii c i r 3 S u d u
Blade
1
2
3
4
5
6
Cd
0.431
0.114
-0.103
0.592
-
-
Cm
-0.267
-0.037
-0.052
0.239
-
-
(c) Koef. Gaya p a d a Kincir 4 S u d u
Blade
1
2
3
4 0.109
5
6
Cd
-0.105 -0.025 0.419
0.531 0.217
Cm
-0.084 0.008 -0.133 -0.131 0.233 0.065
(d) Koef. Gaya p a d a Kincir 6 Sudu Gambar 4-2: Koefisien gaya h a m b a t Cd d a n Koefisien momen Cm p a d a kecepatan aliran V = 5 m / s , RPM = 3. Simbol Negatif (-) p a d a Cm adalah a r a h momen searah dengan a r a h j a r u m jam, d a n Simbol negatif p a d a Cd adalah arah gaya berlawanan dengan arah aliran.Pada gambar ini a r a h aliran positif adalah dari kiri ke k a n a n kincir HA
Gambar 4-4 : Visualisasi aliran Savonius s u d u 4 pada V = 5 m / s , RPM = 3 45
46
