PROSIDING Vol. 01, Tahun 2016 ISSN: 2477 – 2097 75 STUDI SIMULASI PENGGUNAAN NOZZLE-DIFFUSER SAVONIUS TANDEM PADA TURBIN AIR CROSS FLOW SUMBU VERTIKAL (CROSSVAT) Bagus Wahyudi

  

STUDI SIMULASI PENGGUNAAN NOZZLE-DIFFUSER SAVONIUS

TANDEM PADA TURBIN AIR CROSS FLOW SUMBU VERTIKAL

(CROSSVAT)

  1) 1)

Bagus Wahyudi , Satworo Adi Widodo

1 Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Malang, Alamat: Kampus Polinema

  Jl. Sukarno Hatta 9, Malang, 65141

  

Abstract

The problems of fossil energy crisis led to the development of research to find methods and

technologies in the field of renewable energy. One of the potential of renewable energy that

are often found in Indonesia is the flow of river water resources. The purpose of this study

was to develop a new model of a hydrokinetic Vertical Axis Turbine that is efficient and

easy to manufacture.This study was performed using CFD simulation and experimental

methods using the model of the Nozzle-Diffuser Savonius Tandem (NDST) with moving

deflector that serves as blade motion primary, while NDST is located on the central rotor is

useful to reverse the direction of flow in order to reinforce the push the turning blade

thereby increasing torque and rotor rotation balance. There are three kinds (types) of NDST

models simulated namely: Overlap, Symmetric and Convergent. Based on the pressure

curve gap (Δp), produced the conclusion that the type of convergent (TC) had best

performance when used as a nozzle-diffuser on this CROSSVAT turbine model.

  

Through numerical analysis using CFD simulations has been demonstrated that fluid

Savonius rotor with tangential deflector more better at producing positive torque and power

efficiency then radial deflector.

  Keywords: Cross Flow; Nozzle-Diffuser Savonius Tandem; Moving Deflector; RSM Optimization; CFD Simulation

  

Abstrak

Permasalahan krisis energi fosil memicu berkembangnya penelitian untuk menemukan

metode dan teknologi di bidang energy terbarukan. Salah satu potensi energi terbarukan

yang banyak dijumpai di Indonesia adalah sumberdaya aliran air sungai.Tujuan dari

penelitian ini adalah untuk mengembangkan model baru sebuah Turbin Hydrokinetic

Sumbu Vertikal yang efisien dan mudah dalam pembuatannya.

Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan metode simulasi CFD dan metode

eksperimen menggunakan model nozzle diffuser savonius tandem (NDST) dengan

deflektor gerak yang berfungsi sebagai sudu gerak utama, sedangkan NDST terletak pada

bagian sentral rotor berguna untuk membalik arah aliran agar bisa menguatkan kembali

dorongan pada sudu balik sehingga meningkatkan torsi dan keseimbangan putaran rotor.

Terdapat tiga macam model NDST yang disimulasikan yaitu: Overlap, Simetris dan

Konvergen. Berdasarkan kurva pre ssure gap (Δp), dihasilkan kesimpulan bahwa jenis

konvergen memiliki performansi paling baik jika difungsikan sebagai nozzle-diffuser pada

turbin CROSSVAT model baru ini. Melalui analisa numeric menggunakan simulasi CFD

telah dibuktikan bahwa NDST dengan deflektor tangensial lebih baik untuk menghasilkan

torsi positip dan efisiensi daya dibandingkan dengan deflektor radial.

  

Kata Kunci: Cross Flow; Nozzle Diffuser Savonius Tandem; Deflektor Gerak; Optimasi

RSM; Simulasi CFD

  PENDAHULUAN

  Rendahnya efisiensi Turbin Angin Savonius Sumbu Vertikal disebabkan karena kurangnya kontribusi Gaya Badan atau Body Force (BF) dan Gaya Permukaan atau Surface Force (SF). Selain itu densitas udara yang kecil juga menjadi alasan mengapa BF nya rendah. Luas permukaan yang kecil pada sudu savonius konvensional juga menyebabkan SF menjadi rendah. Kelemahan turbin kinetik sumbu vertikal adalah aliran pada kedua sisi kiri dan kanan dari sumbu tidak bersinergi untuk memutar poros sehingga mengurangi efisiensinya. Satu sisi aliran fluida membuat kontra- produktif untuk menghasilkan torsi karena adanya dorongan negatif.

  Terlepas dari kekurangannya, rotor savonius memiliki banyak manfaat dibandingkan dengan yang lain karena konstruksi yang sederhana dan rendah biaya, kemampuannya untuk menyesuaikan arah aliran, dan memiliki karakteristik torsi awal yang baik pada kecepatan rendah. Untuk itu, banyak penelitian telah dilakukan oleh para peneliti untuk meningkatkan kinerja turbin savonius. Proyek ini mengembangkan model baru turbin air kinetik sumbu vertikal jenis cross flow dilengkapi sudu tandem savonius (diffuser) dengan harapan dapat meningkatkan kinerja dan efisiensi turbin.

  Aplikasi dari komputasi dinamika fluida (CFD) berkembang pesat dalam dua puluh tahun terakhir meningkatkan pentingnya simulasi aliran numerik dalam desain mesin hidrolik. Saat ini, simulasi CFD bahkan dapat menangani geometri yang kompleks untuk mesin-mesin dengan sangat canggih atau high-fidelity [1]. Dari sinilah alasan mengapa penelitian ini hanya difokuskan pada desain bentuk sudu rotor menggunakan pendekatan statistik dan metode optimasi secara numerik. Metode

  

Respone Surface (RSM) adalah kombinasi teknik statistik dan matematika yang berguna

  untuk meningkatkan proses optimasi menggunakan analisis regresi, analisis varians, dan desain eksperimen (DOE).

  Studi eksperimental dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui proses peningkatan efisiensi turbin savonius dengan sudu savonius konvensional (sepasang sudu berbentuk setengah lingkaran) telah dilaporkan oleh sejumlah peneliti, seperti Fujisawa [2], Golecha [3], Nakajima [4], dan lain. Cesar Humberto [5] juga telah mempelajari optimasi menggunakan Algoritma Genetika (GA) untuk menentukan kontur yang paling optimal sudu dengan bentuk gabungan savonius rotor (busur lingkaran) dan sudu lurus, yang sekarang terkenal sebagai jenis Benneth rotor. Tes terowongan angin pada turbin savonius menggunakan perisai (seperti deflektor) yang dibuat oleh Deda Altan di laboratorium Teknik Mesin Pamukkale Universitas Denizli - Turki, telah menghasilkan koefisien daya maksimum 38,5% untuk sudu setengah lingkaran [6], dan 35% koefisien daya listrik seperti dilansir Khan melalui beberapa tes pada bentuk sudu yang berbeda [7].

  Rotor savonius konvensional memiliki dua pasang sudu busur silinder yang terlihat seperti huruf S yang tidak terhubung bagian tengahnya atau dengan kesenjangan (over lap) yang berfungsi sebagai celah masuknya aliran dari sudu pertama (sudu dorong) untuk mendorong sudu kedua (sudu balik). Seperti ditunjukkan dalam Gambar. 1, sudu pertama (dorong) mengembangkan tekanan dorong dari aliran utama (arus bebas) sedangkan sudu kedua (sudu balik) mengembangkan tekanan balik dari arah berlawanan yang keluar melalui celah (over lap) menghasilkan sepasang gaya kopel yang mampu menghasilkan torsi dan tenaga. Gambar 1: Rotor Savonius Konvensional diunduh da8] Banyak peneliti telah menunjukkan pengaruh modifikasi parameter geometri sudu savonius seperti sudu ountir ( twist), rasio overlap, jumlah sudu, multi-stage, bidang sapuan, sudu tidak melingkar, dan tambahan perisai pengarah (plate deflector), rotor tak berujung (endplates), perubahan profil melintang sudu (bucket), dan pengaruh sudu bertigkat [3, 9-14]. Namun demikian, pengaruh variabel desain geometris dan interaksi mereka terhadap kinerja aerodinamis rotor tidak diamati secara rinci dalam studi mereka. Hasil eksperimen berbagai modifikasi turbin angin savonius belum menunjukkan peningkatan yang signifikan karena ketidakmampuan massa udara untuk menghasilkan BF. Dari sudut pandang ini, banyak peneliti telah menunjukkan pengaruh penggunaan air sebagai fluida kerja pada savonius untuk meningkatkan kinerja rotor [15-18].

  Desain baru dari SuduTandem Savonius (diffuser) dibuat untuk mengoptimalkan pengembangan desain savonius rotor sebelumnya dalam rangka untuk meningkatkan efisiensi. Efisiensi dinamika fluida savonius rotor tergantung pada perbedaan tekanan antara hulu dan hilir di bagian baling-baling silinder, karena adanya perubahan aliran fluida menjadi energi mekanik sedemikian rupa akibat dorongan yang optimal pada bagian cembung atau cekung sudu.

  Studi pendahuluan telah dilakukan untuk memilih desain NDST terbaik menggunakan simulasi CFD terdiri dari tiga model yaitu: (a) Tandem Overlap TO, (b) Tandem Simetris TS dan (c) Tandem Konvergen TC. Pembandingan dari tiga model tersebut menunjukkan bahwa yang terbaik membangkitkan energy pada turbin berdasarkan gap tekanan maksimum (

  Δp) antara hulu dan hilir adalah Jenis Konvergen TC. [19]. Mengubah penggunaan angin (fluida tak mampat) menjadi air (fluida mampat) merupakan salah satu metode untuk meningkatkan kekuatan momentum fluida (BF) yang bekerja pada sudu karena densitas yang meningkat. Penelitian ini juga mempromosikan penggunaan rasio antara kecepatan pada celah sudu (Vc) terhadap kecepatan aliran bebas sebelum memasuki rotor (V∞) seperti yang terlihat pada gambar 1 sebagai parameter baru yang disebut rasio kecepatan celah sudu (R CV ). R CV ini menjadi parameter penting dalam desain peningkatan kinerja Hydrokinetics Cross Flow Vertical Axis Turbine (CROSSVAT).

  Bagus Wahyudi, dkk [20] melalui studi pendahuluan optimasi desain terhadap tiga model berdasarkan gap tekanan maksimum antara hulu dan hilir menggunakan simulasi CFD menghasilkan pilihan terbaik pada sudu tandem konvergen. Penelitian terhadap model savonius convergent seperti yang terlihat pada Gambar 2 sebagai bentuk

  dasar dari sudu tandem (diffuser) yang akan dikembangkan dan dioptimalkan lebih lanjut dengan menambahkan sudu plat datar dan sudu lengkung. Model konvergen ini diharapkan memiliki RCV maksimum dan mampu meningkatkan torsi pada rotor.

  Model baru yang dikembangkan menggunakan sudu tambahan (tandem) untuk meningkatkan luas permukaan dan gaya SF agar lebih kuat mendorong sudu balik dan dapat menyeimbangkan pasangan gaya kopel. Langkah desain pertama adalah memperluas daerah sapuan dengan menambahkan sudu tandem yang dapat meningkatkan produksi gaya drag pada sudu savonius seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Untuk mencapai hasil hasil desain yang baik, diperlukan simulasi CFD dan metode RSM untuk memperoleh Radius Tandem yang optimal (Rt) dan celah sudu (e) sebagai variabel independen. Langkah kedua menambahkan sudu plat datar di ujung sudu tandem arah radial sepanjang 1/2 (DTP - D) seperti yang terlihat pada Gambar 3. Jarak antara sumbu dengan ujung sudu plat datar adalah Radius Tip (Rtp) dan sudut pelat perisai arah radial (

  β) ditetapkan sebagai variabel dependen, sedangkan variabel respon adalah beda tekanan (Δp) antara hulu dan hilir.

  Gambar 1 : Geometri STB Gambar 2 : Kombinasi model turbin cross flow sudu savonius tandem dengan Deflektor Bergerak (a) Tangensial dan (b) Radial)

  Untuk mendapatkan torsi dan karakteristik gaya dalam arah normal dan tangensial, nilai-nilai Fn dan Ft harus diketahui sebelumnya. Nilai gaya Fn dan Ft diperoleh dengan mengintegrasikan tekanan pada sudu. _n

  d n d cos cos .......... .......... .( 1 )

  F   P  d    P    _{n i i i} 

   i ¹  _n

  

2

  2 d

     F P sin   .......... .......... .......... .......... .......... .( _{n i i i} 2 )

   _{i }

₁

  2 Dimana

  ΔPi adalah perbedaan tekanan pada permukaan cekung dan cembung, pada tekanan penyadapan tertentu, i. Gaya Fn bertanggung jawab untuk memproduksi torsi pada poros dapat dinyatakan dalam persamaan (3): (Nahar Shamsun, ) Untuk cairan yang mengalir melalui penampang A, laju aliran massa adalah ρ.AV, dan karena itu daya fluida adalah

  2

  1 2 ..

  V 

  1 2 .  . A .

  V .......... .......... ...(

  4 )

  3  P   . A . V .

  3 Dimana P adalah daya (watt), ρ adalah densitas fluida (kg/m ), dan V adalah kecepatan

  fluida kerja (m/s). Daya fluida adalah fluks energi atau rapat daya dari aliran fluida melalui penampang (luas permukaan). Rasio daya poros (Ps) dengan daya yang tersedia dalam aliran fluida (P) dikenal sebagai koefisien daya (Cp = Ps / P) dan ini menunjukkan efisiensi konversi energi.

  Dengan dilandasi oleh uraian latar belakang diatas maka rumusan masalah dalam penelitian ini adalah:

  1. Bagaimana pe ngaruh bentuk sudu tandem Savonius terhadap gap tekanan (Δ p)?.

2. Berapakah harga optimum radius sudu tandem (Rt) dan lebar celah sudu (c) yang berpengaruh secara signifikan terhadap gap tekanan (Δ p)?.

  3. Bagaimana pengaruh sudut kemiringan deflektor gerak terhadap Torsi?

  4. Bagaimana performansi hasil uji simulasi CFD terhadap model turbin CROSSVAT ini?

  Tujuan akhir dari penelitian ini adalah untuk menghasilkan model baru turbin air kinetik sumbu vertikal yang dilengkapi diffuser atau Sudu Tandem Savonius yang memiliki agregat torsi positif dengan efisiensi yang optimum, menggunakan variasi perisai sudu ( deflektor blade) yang mudah dalam desain dan pembuatannya.

METODE PENELITIAN

a. Metode Response Surface (RSM)

  Untuk memahami seberapa jauh proses optimal dipengaruhi oleh sejumlah variabel, memerlukan data eksperimen yang berjumlah besar dan memakan waktu lama, yang secara otomatis juga memerlukan biaya besar pula. Beberapa teknik statistik dan matematika sering digunakan sebagai pendekatan untuk memperoleh pemahaman tentang kondisi optimum dari proses atau desain tanpa memerlukan terlalu banyak data. Salah satu metode yang umum digunakan adalah metode permukaan respon (RSM). RSM adalah kombinasi dari metode matematika dan statistik yang digunakan untuk menganalisis masalah di mana beberapa variabel independen mempengaruhi variabel respon dengan tujuan utama mengoptimalkan respon. Ide dasar dari metode ini adalah penggunaan rancangan percobaan statistik dibantu untuk menemukan nilai optimal respon. Metode ini pertama kali diusulkan pada tahun 1951 dan telah digunakan secara luas pada penelitian dan aplikasi industri hingga saat ini. Misalnya, dengan membangun model matematika, peneliti dapat menentukan nilai variabel independen yang mengarah ke nilai optimal dari variabel respon.

  Langkah pertama dari RSM adalah untuk menemukan hubungan antara respon variabel y dengan xi independen melalui ordo pertama (persamaan polinomial). Variabel independen x1, x2, ... xk diasumsikan dikendalikan oleh peneliti dan mempengaruhi variabel respon y diasumsikan sebagai variabel acak. Selain itu, pada kondisi mendekati respon, ordo kedua atau lebih model (ordo II) biasanya diperlukan untuk mendekati respon karena tangensial di permukaan. Dalam banyak kasus, urutan Model II dinyatakan dalam persamaan. (5) dianggap cukup. Analisis permukaan respon fit Orde II sering disebut sebagai analisis kanonik [22].

  (5)

  Metode kuadrat terkecil digunakan untuk memperkirakan parameter pada fungsi pendekatan. Analisis RSM selanjutnya dapat digunakan untuk fit permukaan. Jika fit permukaan adalah pendekatan yang terbaik dari fungsi permukaan respon maka analisis fit akan setara dengan sistem analisis yang sebenarnya. Koefisien determinasi R2 merupakan parameter penting yang menyediakan statistik ringkasan statistik untuk mengukur seberapa baik model regresi cocok dengan data. Dengan menggunakan software Minitab, dapat ditunjukkan apakah ada pengaruh yang signifikan jika p-value lebih kecil dari

  α = 5%.

b. CFD Simulatian

  Dengan mengadaptasi hukum Navier-Stokes model bingkai rotasi, persamaan yang mengatur perilaku turbin hydrokinetics Savonious akan digunakan dalam penelitian ini. Persamaan aturan perilaku aliran fluida termasuk kekekalan massa dan momentum persamaan (eq. 6 & 7). Dua jenis percepatan dalam persamaan momentum yang mewakili rotasi turbin hydrokinetics Savonious adalah percepatan Cor iolis, (2 ῶ x ῡr) dan percepatan sentripetal (ῶ x ῶ x ȓ).

  (6) Dalam hal ini, p adalah tekanan statis, τ adalah tensor stres, F merupakan gaya badan eksternal, ȓ adalah posisi radial dari bentuk domain berputar, domain ῶ adalah kecepatan sudut rotor, dan ῡr adalah kecepatan relatif . Menerapkan formulasi digabungkan dalam koordinat Cartesian dan silinder akan mensimulasikan di dua wilayah yang terpisah dari domain, arus masuk yaitu memutar rotor-stator dan eksternal. Standard Model K-

  ε, Persamaan. (8) dan (9), digunakan untuk mensimulasikan turbulensi di medan aliran [23]. Hal ini banyak digunakan dan memberikan kebenaran yang memuaskan dan patut dipuji untuk mewakili berbagai jenis aliran. Mereka digabungkan dengan persamaan Navier-Stokes meskipun termasuk dalam zona konveksi. Model K-

  ε adalah model dua-persamaan yang melibatkan energi kinetik turbulen, k, dan tingk at disipasi, ε, sebagai berikut:

  Dalam model ini, Gk merupakan generasi turbulensi energi kinetik karena gradien kecepatan, sedangkan Gb menggambarkan generasi turbulensi energi kinetik karena daya apung, dan YM merupakan kontribusi dari dilatasi berfluktuasi dengan tingkat disipasi keseluruhan. Σk variabel dan σε adalah angka Prandtl untuk bergolak dengan nilai k = 1,0 dan ε = 1.3. Konstanta C1ε = 1,44 dan C2ε = 1.92. Persamaan ini akan digunakan untuk memprediksi aliran fluida melalui turbin yang akan ditingkatkan kinerjanya.

HASIL DAN PEMBAHASAN

  Dengan menggunakan perangkat lunak simulasi ANSYS Rilis 14,5 dengan kondisi batas antara lain: Domain stasioner memiliki kecepatan aliran bebas; Kondisi tekanan hidrodinamik diterapkan dan dilakukan inisialisasi; Inlet dan Outlet adalah kondisi batas standar dalam perangkat lunak simulasi; Inlet membutuhkan kecepatan aliran air dan outlet membutuhkan tekanan atmosphere, 1.0132 x 105 [Pa] pada kondisi awal. Untuk mengaktifkan maka permukaan sudu digunakan sebagai kondisi "wall". Kondisi ini memungkinkan perhitungan sifat seperti gaya dan torsi yang bekerja pada permukaan. Setelah domain ditetapkan, fluid-fluid interface default terdeteksi antara berputar dan domain stasioner.

  Gambar 4. Simulasi CFD model Sudu Tandem Savonius (sebagai nozzle-diffuser ) pada

  o o posisi sudut rotasi 135 (a) dan 210 (b).

  Gambar 5. Hasil optimasi ukuran celah sudu dan radius tandem dengan metode RSM Dari plot kontur gambar di atas, dapat disimpulkan bahwa gambar tidak memiliki titik stasioner. Akibatnya, perhitungan titik pada karakteristik permukaan stasioner respon tidak diperlukan. Hasil respon (

  ΔP) optimasi akan diperoleh setelah nilai (Rt) dan (e) yang diganti ke dalam persamaan model di atas dengan nilai konstan Rt = 27 [mm] dan variabel e = 2,5 [mm] ÷ 3,5 [mm ]. Dengan menggunakan Minitab Software menjadi lebih mudah untuk mendapatkan hasil titik puncak tangensial seperti ditunjukkan pada Gambar. 5 yang menunjukkan nilai optimal Rt = 27 [mm] dan e = 2,75 [mm] dengan respon ΔP maksimum = 9.415,91 [Pa]. Langkah berikutnya adalah mengembangkan savonius geometri sudu tandem dengan menambahkan atau menyambung dengan moving plate deflector (MPD) kearah sentrifugal. Disediakan dua model desain yaitu deflektor dengan arah radial (model 2) dan pelat deflektor dengan arah tangensial (model 1). Berdasarkan hasil optimasi sudu konvergen, yang memungkinkan faktor geometri yang akan dikembangkan sesuai dengan ukuran yang tersedia lebar kanal (150 mm) adalah untuk menetapkan maksimum 140 mm dan minimum 100 mm ujung diameter. Deflektor diatur pada sudut

  o

  maksimum 46 (arah tangensial) dan minimum 0 ° (arah radial). Beberapa data simulasi dengan variasi Tip diameter dan kemiringan deflektor gerak ditampilkan pada Gambar. 6, 7, 8 dan 9.

  Gambar 6. Hasil Simulasi CFD vector Gambar 7. Hasil Simulasi CFD vector kecepatan pada diffuser dengan deflektor kecepatan pada diffuser dengan deflektor tangensial. radial.

  Gambar 8. Kontur tekanan pada diffuser Gambar 9. Kontur tekanan pada diffuser dengan deflektor tangensial. dengan deflector radial. Pada sudut pandang ini, sangat penting untuk menyelidiki rasio kecepatan celah sudu tandem (R = Vc /

  CV V∞) untuk mengetahui kontribusi perubahan energi kinetik untuk

  mendorong sudu balik. Kompartemen pada celah "e" atau penyempitan sudu yang memberikan "efek jet" (warna kuning) nampak pada Gambar 8 dan 9 dapat meningkatkan dinamika tekanan pada sudu cekung, akibatnya akan meningkatkan kekuatan dorong pada sudu balik sebanding dengan kecepatan kuadratnya. Torsi karena gaya kopel antara sudu dorong dan sudu balik akan lebih seimbang daripada bentuk sudu savonius asli. Turbin air ini sangat mengandalkan

  “drag force” yang dipengaruhi oleh tiga variabel: kerapatan ( ρ), luas bidang sapuan sudu (A), dan kecepatan fluida (V). Dari desain baru ini terlihat adanya distribusi torsi pada posisi sudut rotasi seperti yang ditunjukkan pada

  Gambar 10 bahwa model deflector tangensial lebih efektif menghasilkan agregat torsi positif dibandingkan sudu tandem savenius yang menggunakan deflector radial.

  Gambar 10: Distribusi Torsi pada setiap posisi sudut rotasi.

  SIMPULAN

  Berdasarkan uraian hasil pembahasan diatas maka dapat diambil simpulan penelitian sebagai berikut:

  1. Bentuk Sudu Tandem Savonius terbaik berdasarkan hasil simulasi CFD adalah Tandem Konvergen (TC) yang dinyatakan dalam bentuk gap tekanan (Δp) antara hulu dan hilir sebesar 9,416 [kPa].

  2. Harga optimum radius sudu tandem Rt = 27 [mm] dan lebar celah sudu c = 2,75 [mm] berpengaruh secara signifikan terhadap nilai gap tekanan (Δ p).

  o

  3. Deflektor gerak (MPD) dengan sudut kemiringan 46 yang direpresentasikan sebagai model Tangensial memberikan efek peningkatan torsi lebih besar dibandingkan model Radial. Model tangensial menghasilkan agregat torsi positif sedangkan model radial menghasilkan agregat torsi negatif.

  4. Performansi hasil simulasi CFD terhadap model sudu tandem savonius sebagai pembalik arah sekaligus memperkuat dorongan balik memperlihatkan penyempitan sudu tandem memberikan "efek jet" (warna kuning pada Gambar 8) yang dapat meningkatkan dinamika tekanan pada sudu cekung akibatnya kekuatan dorong pada sudu balik juga meningkat sebanding dengan kecepatan kuadratnya