Diagram Alir Penelitian Peralatan Pengujian Diagram alir prosedur simulasi

3.5 Diagram Alir Penelitian

Secara garis besar, pelaksanaan penelitian ini akan dilaksanakan berurutan dan sistematis seperti ditunjukkan pada gambar 3.1. Gambar 3.1 Diagram alir penelitian. Ya A Tidak MULAI Identifikasi masalah dan menetapkan tujuan penelitian STUDI AWAL: Studi literatur PENGUMPULAN DATA - Data airfoil - Data eksperimen PENGOLAHAN DATA : Input data Komputasi data ANALISA DATA KESIMPULAN SELESAI Universitas Sumatera Utara

3.6 Peralatan Pengujian

Peralatan pengujian merupakan seperangkat komputer yang telah terinstal software yang berkaitan dengan spesifikasi komputer sebagai berikut: - Processor : Intel Celeron - RAM : 2 Gb - Software : Gambit 2.4.6, Solidwork 2010 dan Fluent 6.3.26 - VGA : Intel HD 1 Gb plus shared - Operating system : Win7 32 bit 3.7 Langkah langkah Pengujian 3.7.1 Pengujian airfoil secara 2D Airfoil yang dipilih merupakan airfoil NACA tipe 4415 yang diunduh dari situs milik Universitas Illinois. Penampang dari airfoil ini ditunjukkan oleh gambar berikut: Gambar 3.2. Geometri airfoil NACA 4415 Alasan pemilihan airfoil NACA 4415 untuk disimulasi adalah sebagai berikut: - seri 44xx merupakan tipe airfoil yang sering digunakan untuk turbin angin dan disebut juga laminar airfoil. - memiliki gaya drag yang kecil pada besar sudut serang tertentu. - Tidak terlalu terpengaruh oleh kekasaran pada permukaannyasurface roughness. Universitas Sumatera Utara Langkah langkah dalam melakukan simulasi dibagi kedalam dua tahap yaitu pemodelan geometri di software Gambit dan Solidwork 2010 dan yang kedua melakukan simulasi CFD di Fluent.

3.7.1.1 Pemodelan geometri 1. Input koordinat geometri

airfoil Koordinat geometri yang telah diunduh dari situs resmi milik Universitas Illinois berupa file notepad yang tersusun atas 2 kolom. Kolom ini mewakili sumbu x dan sumbu y. Untuk dapat diinput ke software Gambit, diperlukan koordinat untuk sumbu z. Langkah yang dilakukan adalah meng copy file yang ada di notepad ke Ms. Excell. Proses pengubahan file ini ditunjukkan oleh gambar berikut: Gambar 3.3 Koordinat asli NACA 4415 sebelum diubah Gambar 3.4 Koordinat airfoil yang sudah diubah di Ms. Excell Universitas Sumatera Utara Pada gambar diatas terlihat file asli yang belum memiliki koordinat dalam arah sumbu z. Pada gambar yang bawah setelah dilakukan pengubahan dengan tambahan koordinat dalam arah sumbu z. Setelah penambahan sumbu z, langkah selanjutnya adalah menambahkan angka yang ditunjukkan oleh garis biru dan garis merah. Garis biru menunjukkan titik koordinat keseluruhan setelah dibagi dua. Angka 2 yang ditunjukkan oleh garis merah merupakan jumlah garis pada airfoil yang terdiri atas garis atas dan garis bawah. Kedua garis ini diperlukan untuk membentuk dinding atas dan dinding bawah pada bagian atas dan bagian bawah airfoil. Setelah selesai di Ms. Excel, langkah selanjutnya adalah meng copy nya kembali kedalam file notepad untuk selanjutnya disimpan dengan format .dat . File ini lah yang akan dibuka di Gambit .

2. Pembentukan Geometri airfoil

Langkah kedua adalah membentuk geometri dengan software Gambit . Tahapan yang dilakukan adalah menginput koordinat airfoil . Proses simulasi airfoil ini dilakukan seperti di terowongan angin . hanya saja terowongan angin digantikan oleh bentuk simulasi dalam bentuk CFD . Langkah berikutnya adalah menggambar lingkungan tempat dimana airfoil itni diletakkan . Tahapan langkah-langkah ini ditampilkan sebagai berikut . Universitas Sumatera Utara Gambar 3.5 Langkah menginput koordinat airfoil ke Gambit Gambar 3.6 Geometri airfoil dan lingkungannya c merupakan panjang chord airfoil yaitu jarak antara leading edgedepan dan trailing edgebelakang . Airfoil 12.5 c 20 c R 12 5 Universitas Sumatera Utara

3. Pembentukan meshmesh

Langkah selanjutnya yang akan dilakukan setelah membuat geometri adalah melakukan pembagian objek menjadi bagian bagian kecil disebut dengan meshing. Ukuran mesh yang terdapat pada suatu objek akan mempengaruhi ketelitian hasil perhitungan CFD. Semakin kecil ukuran mesh pada suatu objek, maka hasil yang didapatkan akan semakin teliti, tetapi membutuhkan daya komputasi dan waktu yang lebih lama dibandingkan dengan objek yang memiliki ukuran mesh yang lebih besar. Konsep pembuatan mesh yang dilakukan dimulai dari mesh garis lalu mesh bidang. Hasil meshing yang dilakukan ditunjukkan oleh gambar berikut: Gambar 3.7 Tampilan mesh yang telah dibuat di GAMBIT Selain dari ukuran mesh yang menentukan ketelitian dari hasil perhitungan, factor lain yang mempengaruhi hasil simulasi adalah bentuk mesh itu sendiri. Di Gambit, disediakan beberapa alternatif bentuk mesh ,yaitu quad map, quad pave, quad submap, tri pave, quad tri. Pemilihan bentuk mesh harus diperhatikan karena untuk kasus dan geometri yang berbeda diperlukan pemilihan mesh yang berbeda agar hasil simulasi teliti. Hal ini berhubungan dengan kualitas mesh itu sendiri. Airfoil Universitas Sumatera Utara Ukuran dari kualitas mesh yang dibuat adalah berdasarkan sudut kemiringan dari tiap tiap mesh yang dinamakan Equiangle skew. Equiangle sudut kesamaan merupakan sudut pada elemen mesh bidang atau volume yang paling ideal. Untuk elemen segitiga , berarti segitiga sama sisi sehingga tiap sudutnya =60 o . Jadi bila sudutnya semakin lancip sehingga disatu sudutnya semakin tumpul,maka bentuk elemennya burukkualitas mesh buruk. Hal ini akan menyebabkan hasil simulasi pada program Fluent menjadi tidak akurat dan akan sulit mencapai konvergen.

4. Penentuan Boundary condition

Setelah selesai melakukan meshing pada bentuk geometri,hal selanjutnya adalah menetapkan Boundary condition. Boundary condition diperlukan sebagai parameter yang akan dikenali Fluent untuk menyelesaikan suatu kasus CFD . Parameter yang digunakan dalam menyelesaikan kasus ini adalah dengan menggunakan boundary pressure far field. Pressure far field digunakan untuk kasus yang berhubungan dengan kecepatan angin yang cukup tinggi bilangan Mach 0,3. Pressure far field berlaku untuk aliran fluida yang compressible dan material yang dipakaidalam hal ini fluida adalah gas ideal. Penelitian ini berupa simulasi seperti di terowongan angin maka parameter yang digunakan harus mirip seperti simulasi di terowongan angin agar hasilnya nanti dapat dibandingkan. Penetapan boundary condition ditunjukkan oleh gambar berikut : Universitas Sumatera Utara Gambar 3.8 Boundary condition Setelah boundary condition ditetapkan di Gambit, langkah akhir yang dilakukan di Gambit adalah meng export mesh menjadi file dengan format .msh . File ini yang selanjutnya akan dibuka di Fluent.

3.7.1.2 Simulasi airfoil 2D

File mesh yang telah dihasilkan di gambit lalu dibuka di Fluent. Setelah terbuka, hal pertama yang dilakukan adalah proses pengecekan kondisi mesh apakah sudah benar atau terdapat error. Jika muncul pesan error, maka hal yang harus dilakukan adalah melakukan meshing ulang di software Gambit. Langkah berikutnya adalah menentukan jenis model dan persamaan dasar yang dapat dipilih sesuai dengan kasus yang akan dianalisis pada simulasi. Penentuan jenis metode aliran yang akan dipakai adalah berdasarkan bilangan Reynold . Pengelompokan aliran ini ditunjukkan sebagai berikut.Untuk aliran eksternal, suatu aliran dikatakan turbulen bila : �� � ≥ 5 � 10 5 ��������� ��������� �� � ≥ 2 � 10 5 ������� ����� ����� Dalam kasus ini simulasi airfoil, aliran yang terjadi adalah aliran eksternal di sekitar airfoil . Data yang dihasilkan dari simulasi akan dibandingkan dengan Wall Pressure far field Universitas Sumatera Utara data yang telah dihasilkan melalui eksperimen. Eksperimen yang telah dilakukan menggunakan bilangan Reynold sebesar 1,81 x 10 6 . Penelitian ini menggunakan bilangan Mach M sebesar 0,4 sehingga dapat dikatakan aliran ini adalah turbulen. Model yang digunakan adalah model Spallart Allmaras. Gambar 3.9 Penentuan jenis model aliran Setelah model persamaan dasar sudah dipilih, langkah berikutnya adalah pemilihan jenis material . Material yang dipilih adalah gas ideal dan langkah penentuannya ditentukan oleh gambar berikut ini . Gambar 3.10 Penentuan jenis material yang digunakan pada simulasi Universitas Sumatera Utara Langkah berikutnya adalah menentukan jenis boundary condition. Boundary condition yang akan ditentukan berdasarkan yang telah ditetakan di Gambit. Apabila ada kesalahan menentukan boundary condition, hal ini masih dapat diganti di Fluent. Namun apabila boundary condition belum tersedia, maka hal selanjutnya adalah kembali membuat geometri di Gambit. Tampilan dari langkah menetukan boundary condition ditunjukkan oleh gambar berikut: Gambar 3.11 Penentuan jenis boundary condition Nilai boundary condition yang akan diatur adalah nilai pressure far field. Tampilan dari penentuan jenis boundary condition untuk pressure far field ditunjukkan oleh gambar berikut: Gambar 3.12 Penentuan besaran pada pressure far field Universitas Sumatera Utara Langkah berikutnya setelah penentuan nilai boundary condition adalah menentukan solution method . Langkah ini ditunjukkan oleh gambar berikut: Gambar 3.13 Penentuan jenis solution method Langkah selanjutnya dalah melakukan inisialisasi dan iterasi. Simulasi akan mencapai konvergen setelah melalui beberapa iterasi . Proses iterasi ditunjukkan oleh gambar berikut ini: Gambar 3.14 Proses iterasi Universitas Sumatera Utara Hasil konvergen akan didapat setelah dilakukan beberapa kali iterasi. Langkah selanjutnya adalah melakukan post processing berupa nilai C L , C D , kontur kecepatan, kontur tekanan serta data data lain yang dibutuhkan pada penelitian ini. Berikut ini ditampilkan contoh berupa kontur kecepatan: Gambar 3.15 Kontur kecepatan

3.7.2 Pengujian turbin angin dengan simulasi

Simulasi yang dilakukan merupakan simulasi 2 dimensi berupa susunan airfoil dengan memvariasikan panjang chord sudu dan tip speed ratio. Jumlah sudu untuk tiap tiap variabel adalah sebanyak 3 buah dan sudut pitch yang digunakan adalah 8 o . Sudu yang dipakai merupakan penampang airfoil NACA 4415 yang telah disimulasi. Untuk langkah ini, penulis menggunakan software Solidwork sebagai pembentuk geometri dan Fluent yang terintegrasi didalam Ansys Workbench untuk melakukan simulasi. Langkah langkah yang dilakukan untuk melakukan simulasi adalah sebagai berikut:

1. Pembuatan geometri turbin angin

Geometri yang dibuat berupa susunan sudu sebanyak 3 buah dan sudut pitch sebesar 8 o . Airfoil didapatkan dari situs pendidikan milik Universitas Illinois dan diimport ke dalam Solidwork. Koordinat yang diimport merupakan geometri airfoil yang tidak memiliki satuan namun memiliki panjang chord sebesar satu. Panjang chord dapat diatur sesuai dengan panjang chord yang akan dianalisa yaitu 30 cm, 45 cm, 60 cm dan 75 cm dengan memakai skala. Langkah selanjutnya Universitas Sumatera Utara adalah mengatur sudut pitch airfoil dengan cara melakukan rotasi dengan sudut rotasi sebesar 8 o . Setelah melakukan rotasi, hal selanjutnya adalah meng-array airfoil sehingga terbentuk 3 airfoil dimana airfoil ini memiliki sudut 120 o . Setelah dilakukan penyekalaan, pengaturan sudut pitch dan array , hal berikutnya adalah membuat lingkaran di luar geometri airfoil. Geometri lingkaran yang dibuat ini akan dikenal sebagai rotating region . Geometri yang telah dibuat ditunjukkan sebagai berikut . Gambar 3.16 Susunan airfoil c = 30 cm pada rotating boundary Setelah menggambar daerah rotating regionnya, langkah selanjutnya adalah menggambar geometri untuk bagian luar. Geometri ini dibuat untuk mengamati kontur aliran udara sebelum memasuki turbin angin maupun setelah melewati turbin angin. Geometri ini dibuat dengan bagian tengah yang dilubangi berupa lingkaran yang berukuran sama dengan daerah rotating region . Untuk melihat pola aliran yang terjadi dibagian atas dan bawah daerah rotating region ini maka boundary luar dibuat dengan panjang 300 cm. Boundary di bagian depan dan bagian belakang daerah rotating region dibuat sepanjang 300 cm dimana jarak titik pusat ke sisi belakang geometri luar berjarak 300 cm. Hal ini dimaksudkan agar perhitungan kecepatan angin setelah melewati turbin angin dapat dihitung secara akurat dan kontur kecepatan sebelum ataupun sesudah Rotatin g Universitas Sumatera Utara melewati turbin angin dapat terlihat. Kecepatan angin sebelum dan sesudah melewati daerah rotating region ini lah yang digunakan untuk menghitung koefisien daya dari turbin angin sesuai dengan rumus teoritis. Geometri boundary bagian luar dari turbin angin ini ditunjukkan oleh gambar berikut ini: Gambar 3.17 Lingkungan di luar rotating region Setelah geometri selesai dibuat , hal selanjutnya adalah melakukan meshing.

2. Proses meshing turbin angin

Proses meshing ini dilakukan dengan bantuan Ansys Workbench . Untuk melakukan simulasi turbin angin ada tahapan yang harus dilakukan yaitu berupa pendefenisian bagian yang berputar dengan bagian yang diam pada susunan turbin angin. Turbin angin memiliki bagian yang bergerak yaitu bagian rotor yang dikenal dengan istilah rotating region pada Fluent . Istilah ini menandakan parameter yang harus dibuat adalah bagian yang berputar sehingga Fluent dapat mengenali daerah ini. Hasil akhir yang didapatkan berupa pergerakan rotor turbin angin ketika disimulasi. Universitas Sumatera Utara Gambar 3.18 Geometri turbin angin 2D yang telah dibuat Geometri yang terdapat pada gambar diatas dibedakan atas 2 daerah , yaitu rotating region dan bagian di luar rotating region yang sebenarnya kedua daerah ini tidak menyatu. Agar Fluent tidak mengenali lingkaran pada rotating region ini sebagai wall, maka harus didefenisikan sebagai interface antara lingkaran rotating region dengan lingkungan di luar rotating region. Langkah pembuatannya ditunjukkan oleh gambar berikut . Gambar 3.19 Penentuan interface pada geometri dilakukan sebelum melakukan meshing Proses pemberian nama dan meshing ini dilakukan pada Ansys Icem CFD yang memunginkan pada satu meshing terdapat dua daerah yang berbeda. Setelah selesai melakukan penamaan pada geometri, selanjutnya adalah Lingkaran luar ini sebagai Interface 1 Rotating region Daerah di luar rotating region Lingkaran luar ini sebagai Interface 1 1 Rotating region Boundary luar Universitas Sumatera Utara melakukan meshing. Meshing yang dibuat berdasarkan ukuran sel. Ukuran terkecil adalah 5 mm dan terbesar adalah 5 cm. Total sel yang terbentuk sekitar 7000 sel – 10000 sel. Banyaknya sel yang terbentuk ini bertujuan agar hasil simulasi yang didapatkan lebih akurat. Meshing yang telah dibuat ditunjukkan oleh gambar berikut ini. Gambar 3.20 Boundary yang ditetapkan pada simulasi

3. Proses simulasi

Simulasi yang dilakukan terhadap susunan sudu ini dilakukan di Fluent. Simulasi tidak bisa langsung dijalankan mengingat meshing yang dibaca oleh Fluent terdiri atas dua bagian yaitu bagian luar dan bagian rotating region. Pada kondisi ini, fluent membaca daerah rotating region ini sebagai wall yang terletak ditengah dan ketika dilakukan pengecekan mesh akan muncul pesan error. Velocity Pressure outlet Wall Universitas Sumatera Utara Gambar 3.21 Error yang muncul ketika dilakukan pengecekkan pada mesh Error ini muncul bukan pada kesalahan geometri yang telah dibuat melainkan harus terlebih dahulu didefenisikan daerah antara rotating region dan kotak luar. Oleh karena itu langkah selanjutnya adalah mendefenisikan interface di fluent . Langkah penyatuan kedua interface ini ditunjukkan oleh gambar berikut ini. Gambar 3.22 Pembuatan mesh interface pada Fluent Keterangan : = Langkah pembuatan mesh interface Universitas Sumatera Utara Langkah selanjutnya adalah menentukan daerah rotating region pada turbin angin. Penentuan ini beserta penetapan nilai kecepatan putar dari turbin angin ini sendiri. Proses ini ditunjukkan oleh gambar berikut: Gambar 3.23 Input besaran rotating region Keterangan : = Langkah input kecepatan rotasi Pada tahap ini ditentukan nilai kecepatan putar dari sudu turbin angin sesuai dengan nilai tip speed ratio yang akan diteliti. Fluent menetapkan untuk arah putar searah dengan jarum jam, maka besarnya kecepatan rotasi ini akan bernilai negative dan berlaku sebaliknya. Penentuan arah putaran dari turbin angin yang akan dianalisa tergantung kepada letak leading edge dan trailing edge.

4. Running simulasi

Setelah selesai menentukan besar kecepatan angin dan daerah rotating region, hal selanjutnya adalah menjalankan simulasi. Simulasi dijalankan secara transien yaitu dengan menetapkan waktu iterasi selama 20 detik. Proses iterasi ditunjukkan oleh gambar berikut ini: Universitas Sumatera Utara Gambar 3.24 Proses iterasi

5. Post processing

Post processing merupakan langkah akhir yang dilakukan pada proses simulasi. Hasil yang ditampilkan berupa kontur kecepatan, tekanan serta vector kecepatan dan tekanan. Selain kontur kecepatan dan tekanan, Fluent juga memungkinkan penggunanya menampilkan grafik hasil perhitungan simulasi. Hasil yang ingin didapatkan pada penelitian ini adalah nilai kecepatan angin yang keluar pada bagian outlet dimana hasil ini akan dihitung lagi untuk mendapatka daya secara teoritis. Universitas Sumatera Utara

3.1 Diagram alir prosedur simulasi

Diagram alir dalam melakukan simulasi baik untuk melakukan simulasi airfoil dan turbin angin ditunjukkan gambar berikut . Gambar 3.25 Diagram alir prosedur simulasi Tidak Ya Tidak Ya Pendefinisian bidang batas pada geometri Pengecekan mesh Mesh baik? Penentuan kondisi batas Proses numerik Iterasi berhasil? 1. Plot kontur tekanan dan kecepatan 2. Plot grafik 3. Plot kecepatan angin Selesai Mulai Universitas Sumatera Utara

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini berisikan hasil penelitian berupa simulasi CFD yang dilakukan terhadap airfoil NACA 4415 yang akan digunakan sebagai penampang airfoil di turbin angin sumbu vertikal tipe Darrieus-H. Hasil yang ditampilkan berupa nilai sudut serang α yang paling optimal dalam menghasilkan nilai koefisien liftC L yang paling besar dan nilai koefisien dragC D yang paling rendah serta ditampilkan nilai C L C D yang paling maksimal. Setelah itu ditampilkan hasil simulasi turbin angin dengan variasi panjang chord dan variasi tip speed ratio yang optimal dalam mengekstrak energi angin.

4.1 Hasil simulasi airfoil

1. Airfoil NACA 4415

Berikut ini ditampilkan hasil simulasi airfoil NACA 4415 dengan variasi sudut serang α. Hasil simulasi ditunjukka n oleh gambar berikut ini: Gambar 4.1 Kontur tekanan untuk α = 7 o Universitas Sumatera Utara