SIMULASI PENGUJIAN PRESTASI SUDU TURBIN ANGIN Sulistyo Atmadi"', Ahmad Jamaludin Fitroh**' •iPenellti Pusat Teknologi Dirgantara Terapan. LAPAN ">Peneliti Teknik Penerbangan ITB
ABSTRACT Identification of whether aerodynamic performances of a rotor blades h a s met the criteria according to i t s design or not, t h e general procedure is to fabricate a n d perform a field testing; or testing its model in a windtunnel. Both method require high cost however; therefore, a simulation method using Fluent software had used for obtaining lower cost. The model used is an LS(1)-0417 Mod airfoil having 3 blades a n d rotor diameter 7,21 m. Simulation test shows a good result with a difference of 4,61 % for torque and power from design result. ABSTRAK Untuk mengetahui a p a k a h prestasi aerodinamik s e b u a h s u d u s u d a h m e m e n u h i kriteria yang diinginkan sesuai rancangan a t a u belum, m a k a t a h a p a n yang dilakukan adalah m e m b u a t s u d u tersebut, kemudian mengujinya di lapangan; a t a u m e m b u a t model d a n mengujinya di terowongan angin. Kedua cara tersebut memerlukan biaya yang c u k u p mahal; sehingga u n t u k memperoleh hasil pengujian yang m u r a h dilakukan cara simulasi dengan m e n g g u n a k a n perangkat lunak Fluent. Pengujian dilakukan pada rancangan s u d u aerofoil LS (1J-0417 Mod dengan j u m l a h s u d u 3 d a n diameter 7.21 m. Simulasi m e n u n j u k k a n perbedaan 4,61 % u n t u k torsi m a u p u n daya yang dihasilkan dan dibandingkan dengan hasil rancangan, hasil tersebut dianggap c u k u p baik. Kata kunci : Sudu, Turbin angin, FLUENT 1
PENDAHULUAN
Pada u m u m n y a , u n t u k menguji apakah rancangan aerodinamik s u d u sudah memenuhi kriteria yang diinginkan sesuai r a n c a n g a n a t a u belum m a k a dilakukan dengan membuat s u d u tersebut, kemudian mengujinya di lapangan, a t a u membuat model d a n mengujinya di terowongan angin, tapi k e d u a cara tersebut memerlukan biaya cukup mahal, sehingga u n t u k memperoleh hasil pengujian yang m u r a h dilakukan cara simulasi dengan menggunakan perangkat lunak Fluent Simulasi dilakukan secara Computational Fluid Dynamic {CFD), d a n perangkat lunak yang digunakan adalah FLUENT. Perangkat lunak FLUENT adalah salah s a t u perangkat lunak berbasis CFD yang mana memecahkan persamaan kekekalan massa, momentum, dan energi
dan menggunakan persamaan tuxbulensi sebagai pelengkapnya. Alasan u t a m a memilih FLUENT adalah karena perangkat lunak tersebut dapat mengakomodasi berbagai k a s u s fluida. 2
METODOLOGI
Alur pengerjaan yang dilakukan adalah m e n g u m p u l k a n data geometri dan kondisi operasional s u d u kemudian melakukan simulasi. Data geometri s u d u meliputi diameter pangkal, diameter Ujung, aerofoil yang digunakan, distribusi chord d a n sudut puntir. Kondisi operasional meliputi t e k a n a n d a n temperatur udara, kecepatan angin, kecepatan putar- Kegiatan simulasi melalui beberapa t a h a p , yaitu p e m b u a t a n model dan grid, pemilihan kondisi batas, simulasi {running), dan yang terakhir adalah pengolahan data. 91
2.4 Grid Turbin angin ini terdiri dari 3 b u a h s u d u yang identik d a n b e r a d a dalam s u m b u p u t a r yang s a m a . Oleh k a r e n a itu simulasi d a p a t d i l a k u k a n d e n g a n s a t u s u d u saja s e c a r a periodik. Simulasi secara periodik j u g a memberik a n k e u n t u n g a n lainnya, yaitu grid yang diperlukan j u g a lebih sedikit sehingga mempercepat proses iterasi. J e n i s grid y a n g d i g u n a k a n adalah map (hexagonal-quadrilateral) dengan j u m l a h 160.000 elemen. Grid jenis ini dipilih k a r e n a m u d a h diatur k e r a p a t a n n y a p a d a d a e r a h t e r t e n t u d a n lebih c e p a t proses iterasinya. Berikut ini b e n t u k grid-nya:
Gambar 2-2: Bentuk grid s u d u
Gambar 2-3: Bentuk grid m a s u k / k e l u a r Grid dibangun p a d a p e r m u k a a n model d a n u d a r a di sekitar model, b u k a n di dalam model. Hal tersebut dikarenak a n yang a k a n dihitung adalah parameter aliran di sekitar model, b u k a n di dalam model. 92
2.5 Kondisi Batas Terdapat beberapa kondisi b a t a s yang disediakan oleh FLUENT. Untuk kasus kali ini, kondisi b a t a s u n t u k aliran m a s u k adalah pressure inlet d a n untuk aliran keluar adalah pressure outlet Kondisi b a t a s pressure inlet dipilih karena aliran yang a k a n disimulasikan bersifat kompresibel. Kondisi b a t a s pressure inZetberpasangan dengan kondisi batas pressure outlet.
Pemilihan tersebut didasarkan p a d a pertimbangan bahwa Spalart-Allmaras mer u p a k a n model turbulensi yang paling sederhana d a n paling sering digunakan sehingga effort iterasinya lebih kecil, d a n masih m a m p u mengakomodasi putaran. 2.6 Simulasi Setelah model, grid, d a n kondisi batas telah dipenuhi, m a k a langkah selanjutnya adalah simulasi (running). Simulasi dilakukan p a d a kondisi steady, yang tidak memperhitungkan efek waktu. Diskritisasinya m e n g g u n a k a n orde 2 (second order) supaya hasilnya lebih akurat. Setting CFD lainnya, misalnya Courant Number, Under Relaxation disesuaikan dengan situasi d a n kondisi. 3
HASIL
Hasil simulasi dapat ditunjukkan dalam b e n t u k kontur warna, grafik a t a u plot d a n dalam b e n t u k angka. Hasil simulasi dalam bentuk k o n t u r warna digunakan u n t u k menggambarkan distribusi parameter aliran, misalnya tek a n a n a t a u kecepatan. Grafik atau plot digunakan dalam b e n t u k koordinat x-y. Hasil simulasi dalam b e n t u k angka digunakan u n t u k menampilkan hasil akhir, misalnya gaya total, momen, a t a u laju aliran m a s s a . Berikut ini distribusi kecepatan aksial, kecepatan radial, d a n t e k a n a n total :
Terdapat j u g a beberapa model turbulensi yang disediakan oleh FLUENT, diantaranya Spalart-Allmaras, k-epsilon, k-omega, Reynolds Stress, d a n Iain-lain. Pada studi k a s u s kali ini yang digunakan adalah model turbulensi Spalart-Allmaras.
Gambar 3-1: Distribusi kecepatan aksial m a s u k (m/det)
93
-'
Gambar 3-2: Distribusi kecepatan aksial keluar (m/det) \ \
IWk-05
Gambar 3-6: Distribusi tekanan total s u d u t a m p a k belakang (Pa) Perbandingan prestasi s u d u hasil simulasi CFD dengan r a n c a n g a n : Tabel 3 - 1 : PRESTASI SUDU
Gambar 3-3: Distribusi kecepatan radial m a s u k (m/det)
Hasil simulasi tidak j a u h berbeda dengan rancangan. 4
Gambar 3.4 Distribusi kecepatan radial keluar (m/det)
Gambar 3-5: Distribusi tekanan total s u d u t a m p a k depan (Pa) 94
ANALISIS
Pada distribusi kecepatan aksial, harga positif d a n negatifnya disesuaikan dengan sistem koordinatnya, yaitu sistem koordinat x-y. Kontur kecepatan aksial aliran m a s u k d a n keluar diambil dari t a m p a k depan sehingga besarnya kecepatan aksial yang tertera berharga negatif. Hal tersebut berarti bahwa aliran memasuki dan keluar dari turbin angin dengan kecepatan sekitar 5 m / s . Pada distribusi kecepatan radial, t a m p a k bahwa kecepatan radial pada aliran m a s u k d a n aliran keluar mendekati nol. Hal tersebut membuktikan b a h w a p a d a turbin angin, vektor angin yang dominan adalah kecepatan angin dalam arah aksial dan tangensial. Dengan demikian proses desain d a n analisis s u d u c u k u p valid secara 2-D. Kontur distribusi tekanan total di atas dapat disajikan dalam b e n t u k yang sedikit berbeda, seperti pada Gambar 4 - 1 .
telah berhasil dilakukan dengan hasil mendekati rancangan. Hasil simulasi dapat digunakan sebagai m a s u k a n u n t u k m e m a s t i k a n bahwa r a n c a n g a n s u d a h baik, n a m u n selanj u t n y a perlu dilakukan pengujian lapangan, d a n d i h a r a p k a n hasilnya tidak m e n y i m p a n g j a u h , sehingga d a p a t menghemat biaya pengujian. 6
Pada gambar di atas, s u d u sebelah atas m e r u p a k a n s u d u daerah ujung (tip), dan s u d u sebelah bawah m e r u p a k a n sudu daerah pangkal [hub). Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa t e k a n a n total paling besar terjadi pada daerah leading edge, semakin ke ujung semakin besar. Hal tersebut dikarenakan daerah leading edge m e r u p a k a n daerah stagnasi, yaitu daerah dimana kecepatan aliran u d a r a mendekati nol sehingga t e k a n a n totalnya berharga m a k s i m u m . Di daerah stagnasi, semakin ke ujung t e k a n a n totalnya semakin besar. Hal tersebut dikarenakan semakin ke ujung kecepatan tangensialnya semakin besar. Meningkatnya kecepatan tangensial menghasilkan kenaikan tekanan dinamik yang p a d a akhirnya menghasilkan kenaikan t e k a n a n total. Hasil simulasi menunjukkan bahwa torsi yang dihasilkan lebih besar dari p a d a r a n c a n g a n / p e r h i t u n g a n . Pada kecepatan p u t a r (rpm) yang sama, m a k a daya yang dihasilkan j u g a lebih besar dari r a n c a n g a n k a r e n a daya m e r u p a k a n perkalian a n t a r a torsi d a n kecepatan putar. Meskipun daya keluaran turbin angin hasil simulasi lebih besar dari perhitungan awal, n a m u n daya yang dapat diserap oleh generator p a d a 160,1 rpm tetap sebesar 1090 Watt. 5
KESIMPULAN
Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa • Simulasi CFD s u d u turbin angin 5 m / s menggunakan perangkat l u n a k FLUENT
SARAN
Beberapa langkah yang d a p a t dilakukan u n t u k memperoleh hasil yang lebih baik dari penelitian ini a n t a r a lain: • Menggunakan model turbulensi yang berbeda sehingga dapat dilakukan perbandingan. • Menambah grid hingga j a u h ke depan dan j a u h ke belakang s u d u sehingga aliran m a s u k d a n keluar s u d u merupakan aliran yang benar-benar tidak terganggu {free stream). Konsekuensinya adalah akan m e m b u t u h k a n effort waktu komputasi d a n k a p a s i t a s komputer. • Menambah grid hingga j a u h di atas s u d u (batas grid dalam a r a h radial semakin jauh) sebagai manifestasi dari u d a r a free stream. Hal tersebut juga a k a n m e m b u t u h k a n effort yang semakin besar. DAFTAR RUJUKAN Anderson, J. D. Jr., 1985. Fundamentals of Aerodynamics, McGraw-Hill Book Co., Singapore. FLUENTManual. Glauert, H., 1935. Airplane Propellers. Div. L, Vol IV of Durand's Aerodynamics Theory, Dover Publication, New York. Gostelow, 1984. Cascade Aerodynamics, Pergamon Press, Sidney. Larrabee, E. E., 1979. Design of Propellers for Motorsoares, NASA CP-2085, Part I. Mc. Cormick, Barnes W., 1995. Aerodynamics, Aeronautics, and Flight Performance, J o h n Wiley & Sons, Canada. 95
