Diagram Alir Penelitian Peralatan Pengujian Diagram Alir Prosedur Simulasi

Dengan demikian, diharapkan tidak terjadi penyimpangan dari tujuan penelitian.

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 Tidak MULAI Identifikasi masalah dan menetapkan tujuan penelitian STUDI AWAL : Studi literatur PENGUMPULAN DATA - Data airfoil PENGOLAHAN DATA : Komputasi data ANALISA DATA KESIMPULAN SELESAI Universitas Sumatera Utara

3.6 Peralatan Pengujian

Peralatan pengujian yang dipakai adalah seperangkat komputer yang telah terinstal software yang berkaitan dengan spesifikasi komputer sebagai berikut : - Processor : Intel Core i3 - Ram : 2 GB - Software : Gambit 2.4.6, Solidwork 2010, dan Fluent 6.3.26 - VGA : Intel HD Graphics - Operating system : Win7 32 bit 3.7 Setup Pengujian 3.7.1 Pengujian airfoil secara 2D Airfoil yang dipakai untuk simulasi ini adalah airfoil NACA tipe 0018 yang diunduh dari situs milik Lembaga Pendidikan Aerospace Illinois. Penampang dari airfoil ini ditunjukkan oleh gambar berikut : Gambar 3.2 Geometri airfoil NACA 0018 Universitas Sumatera Utara Langkah-langkah dalam melakukan simulasi dibagi kedalam dua tahap yaitu pemodelan geometri di software Gambit dan yang kedua melakukan simulasi CFD di Fluent .

3.7.1.1 Pemodelan geometri dengan Gambit 1. Input koordinat geometri airfoil

Koordinat geometri yang telah diunduh dari situs resmi milik Lembaga Pendidikan Aerospace 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 0018 sebelum diubah Universitas Sumatera Utara Gambar 3.4 Koordinat airfoil yang sudah diubah di Ms. Excell 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 hijau. Garis hijau menunjukkan titik koordinat keseluruhan setelah dibagi dua. Angka 2 yang ditunjukkan oleh garis hijau merupakan jumlah garis pada airfoil yang terdiri atas garis atas dan garis bawah. Kedua garis ini diperlukan untuk mendapatkan nilai koefisien lift dan koefisien drag yang terdapat 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 software 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. Universitas Sumatera Utara Langkah berikutnya adalah menggambar lingkungan tempat dimana airfoil itni diletakkan. Tahapan langkah-langkah ini ditampilkan sebagai berikut. 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 edge depan dan trailing edge belakang. Simulasi yang dilakukan menggunakan Universitas Sumatera Utara variable kecepatan angin yang rendah, sehingga lingkungan yang dibuat tidak terlalu besar. Hal ini memiliki tujuan agar daya komputasi yang diperlukan lebih kecil. Daya komputasi ini berhubungan terhadap lamanya waktu iterasi. Semakin besar lingkungannya maka diperlukan daya komputasi yang besar dan waktu iterasi yang lebih lama.

3. Pembuatan mesh

Langkah selanjutnya yang akan dilakukan setelah membuat geometri adalah melakukan pembagian objek menjadi bagian bagian kecil atau 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 Selain dari ukuran mesh yang menentukan ketelitian dari hasil perhitungan, faktor 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 Universitas Sumatera Utara berbeda diperlukan pemilihan mesh yang berbeda agar hasil simulasi teliti. Hal ini berhubungan dengan kualitas mesh itu sendiri. Ukuran dari kualitas mesh yang dibuat adalah berdasarkan sudut kemiringan dari tiap tiap mesh yang dinamakan Equiangle Skew. Equiangle Skew sudut kesamaan merupakan sudut pada elemen mesh bidang atau volume yang paling ideal. Untuk menjaga kualitas mesh hal yang harus diperhatikan adalah memperkecil EquiAngle Skew tidak melebihi 0,9, dan nilai kualitas mesh pada airfoil yang telah dibuat adalah sebesar 0.8879 sehingga sudah cukup baik kualitasnya.

4. Penentuan kondisi batas

Setelah selesai melakukan meshing pada bentuk geometri, hal selanjutnya adalah menetapkan kondisi batas boundary condition. Boundary condition diperlukan sebagai parameter yang akan dikenali Fluent untuk menyelesaikan suatu kasus CFD. Parameter yang digunakan pada penelitian ini adalah velocity inlet, pressure outlet, wall, dan Symmetry . Sebenarnya, ada parameter lain dalam menyelesaikan kasus ini, yaitu dengan menggunakan 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 dipakai dalam hal ini fluida adalah gas ideal. Penelitian ini menggunakan kecepatan angin yang cukup rendah, yaitu 5 ms Bilangan Mach 0,3 dan dapat dianggap alirannya adalah incompressible. Parameter pressure far field hanya bisa digunakan untuk fluida yang compressible sedangkan parameter velocity inlet dapat digunakan untuk fluida yang incompressible. Agar hasil yang didapatkan lebih baik, maka pemilihan velocity inlet dilakukan. Penetapan kondisi batas ditunjukkan oleh gambar berikut : Universitas Sumatera Utara Gambar 3.8 Kondisi batas Penjelasan tentang kondisi batas : - Velocity inlet : digunakan untuk mendefinisikan kecepatan aliran dan besaran skalar lainnya pada sisi masuk aliran. - Wall : kondisi batas ini digunakan sebagai dinding untuk aliran fluida dalam saluran. Kondisi batas ini digunakan juga sebagai pembatas antara daerah fluida. - Pressure outlet : kondisi batas ini dipakai pada sisi keluar fluida dan data tekanan pada sisi keluar diketahui atau minimal dapat diperkirakan mendekati sebenarnya. - Symmetri : kondisi batas ini digunakan untuk mengurangi daya komputasi yang dibutuhkan pada suatu kasus. Setelah kondisi batas ditetapkan di Gambit, langkah akhir yang dilakukan di Gambit adalah meng eksport mesh menjadi file dengan format .msh. File ini yang selanjutnya akan dibuka di Fluent.

3.7.1.1 Simulasi airfoil di Fluent

File mesh yang telah dihasilkan di Gambit lalu dibuka di Fluent. Setelah terbuka, hal pertama yang dilakukan adalah proses pengecekan kondisi mesh Wall Velocity inlet Pressure outlet Symmetry Universitas Sumatera Utara 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 viskos dan persamaan dasar yang dapat dipilih sesuai dengan kasus yang akan dianalisis pada simulasi. Untuk kasus ini, dipilih metode Spalart-Allmaras karena model ini didesain secara khusus untuk aplikasi dunia penerbangan aerospace dan telah menunjukkan hasil yang baik. Gambar 3.9 Menentukan model viskos Setelah model persamaan dasar sudah dipilih, langkah berikutnya adalah pemilihan jenis material. Material yang dipilih adalah udara dan dipilih nilai sesuai nilai default yang ada di Fluent. Gambar 3.10 Menentukan jenis material Universitas Sumatera Utara Langkah berikutnya adalah menentukan nilai-nilai kondisi batas. Untuk jenis kondisi batas keluar, simmetri, dan wall, dipakai nilai default yang ada di Fluent. Jenis kondisi batas yang divariasikan adalah jenis velocity inlet yaitu kecepatan pada sisi masuk. Variasi ini berdasarkan nilai sudut serang yang akan dianalisa. Meskipun besarnya nilai sudut serang berubah-ubah, namun geometri meshing yang digunakan sama. Hal yang dilakukan adalah mengubah ubah nilai kecepatan pada sumbu x dan pada sumbu y berdasarkan sudut serangnya. Tampilan dari penentuan jenis kondisi batas untuk velocity inlet ditunjukkan oleh gambar berikut: Gambar 3.11 Menentukan nilai pada Velocity Inlet Langkah berikutnya setelah penentuan nilai kondisi batas adalah menentukan solution controls. opsi yang dipilih adalah SIMPLEC. Opsi ini dipilih karena dapat mempercepat konvergensi untuk kasus aliran yang sederhana, misalnya aliran turbulen dengan bentuk geometri yang tidak terlalu kompleks. Gambar 3.12 Penentuan jenis solution controls Universitas Sumatera Utara Langkah selanjutnya adalah melakukan inisialisasi dan iterasi. Simulasi akan mencapai konvergen setelah melalui beberapa perhitungan. Proses iterasi ditunjukkan oleh gambar berikut ini. Gambar 3.13 Proses iterasi Proses iterasi akan berhenti dengan sendirinya ketika perhitungan telah mencapai konvergen dan proses simulasipun selesai. Pada simulasi ini akan diperoleh nilai koefisien lift, koefisien drag dan kontur kecepatan pada airfoil.

3.7.2 Pengujian turbin angin

Simulasi yang akan dilakukan adalah dengan memvariasikan jumlah sudu dan nilai tip speed ratio. Sudu yang dipakai merupakan penampang airfoil yang telah disimulasi sebelumnya. Langkah-langkah dalam melakukan simulasi dibagi kedalam dua tahap yaitu pemodelan geometri di Software Solidwork dan yang kedua melakukan simulasi CFD di Fluent.

3.7.2.1 Pemodelan geometri dengan solidwork 1. Pembentukan geometri turbin angin

Langkah pertama adalah membentuk geometri dengan software solidwork. Proses simulasi airfoil ini dilakukan seperti di terowongan angin. Universitas Sumatera Utara hanya saja terowongan angin digantikan oleh bentuk simulasi dalam bentuk CFD. Tahapan yang dilakukan adalah menginput koordinat airfoil. Kemudian membuat geometrinya seperti pada gambar berikut. Gambar 3.14 Geometri daerah putar turbin Langkah berikutnya adalah menggambar lingkungan tempat dimana daerah putar airfoil ini diletakkan. Sama seperti langkah pertama, langkah berikutnya ini juga menggunakan software solidwork. Gambar 3.15 Geometri lingkungan

2. Pembuatan mesh

Langkah selanjutnya adalah pembuatan mesh yang akan dilakukan di software ANSYS Workbench 14.0. Sebelum melakukan pembuatan mesh terlebih dahulu menggabungkan geometri putar turbin dengan geometri lingkungannya. Setelah dilakukan penggabungan, dilanjutkan dengan pembuatan mesh pada geometri gabungan tersebut. Universitas Sumatera Utara Gambar 3.16 Pembuatan mesh pada geometri turbin angin

3. Penentuan kondisi batas

Setelah selesai melakukan meshing pada bentuk geometri, hal selanjutnya adalah menetapkan kondisi batas boundary condition. Boundary condition diperlukan sebagai parameter yang akan dikenali Fluent untuk menyelesaikan suatu kasus CFD. Penetapan kondisi batas ditunjukkan oleh gambar berikut : Gambar 3.17 Penentuan kondisi batas Setelah kondisi batas ditetapkan di ANSYS Workbench, langkah akhir yang dilakukan adalah meng eksport mesh menjadi file dengan format .msh. File ini yang selanjutnya akan dibuka di Fluent. Velocity inlet Pressure outlet Wall Universitas Sumatera Utara

3.7.2.2 Simulasi turbin angin di Fluent

File mesh yang telah dihasilkan di ANSYS Workbench 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 ANSYS Workbench. Langkah berikutnya adalah menentukan solver, dalam simulasi ini dipakai keadaan unsteady karena simulasi ini berdasarkan waktu yang telah ditentukan dan model viskos yang dapat dipilih sesuai dengan kasus yang akan dianalisis pada simulasi ini dipilih model k-epsilon 2eqn karena model ini memiliki kestabilan, ekonomis dari sisi komputasi, dan akurasi yang memadai untuk berbagai jenis aliran turbulen. Gambar 3.18 Menentukan model viskos yang digunakan Setelah model persamaan dasar sudah dipilih, langkah berikutnya adalah pemilihan jenis material. Material yang dipilih adalah udara dan dipilih nilai sesuai nilai default yang ada di Fluent. Langkah berikutnya adalah menentukan nilai-nilai kondisi batas. Untuk jenis kondisi batas keluar dan wall, dipakai nilai default yang ada di Fluent. Universitas Sumatera Utara Sedangkan untuk kondisi batas velocity inlet dipakai nilai sebesar 4 mdetik. Kondisi batas yang divariasikan adalah kecepatan rotasi turbin angin yang didasarkan pada nilai tip speed ratio yang telah ditentukan sebelumnya. Meskipun besarnya nilai kecepatan rotasi berubah-ubah, namun geometri meshing yang digunakan sama untuk setiap variasi sudu yang sama pula. Hal yang dilakukan adalah mengubah ubah nilai kecepatan rotasi pada daerah rotasinya. Tampilan dari penentuan kondisi batas untuk kecepatan rotasi ditunjukkan oleh gambar berikut: Gambar 3.19 Menentukan nilai kecepatan rotasi turbin Gambar di atas merupakan kotak pilihan untuk penentuan kondisi batas yang ingin dimasukkan nilainya berdasarkan keinginan. Pada Motion type dipilih moving mesh agar daerah putar turbin angin dapat bergerak pada saat proses iterasi, kemudian memasukkan nilai kecepatan rotasi berdasarkan nilai yang telah dihitung sebelumnya dari tip speed ratio. Langkah selanjutnya adalah melakukan inisialisasi dan iterasi. Pada simulasi ini lamanya proses perhitungan telah ditentukan, seperti pada gambar 3.20 di bawah ini Universitas Sumatera Utara Gambar 3.20 Menentukan waktu proses itersi Setelah selesai mengatur nilai untuk iterasi, maka proses itersi akan berjalan seperti pada gambar 3.21 di bawah ini. Gambar 3.21 Proses iterasi Proses iterasi akan berhenti dengan sendirinya ketika perhitungan telah dilakukan sebanyak 2000 kali perhitungan dan proses simulasipun selesai. Pada simulasi ini akan diperoleh nilai kecepatan angin pada sisi keluar dan kontur kecepatan pada turbin angin. Universitas Sumatera Utara

3.8 Diagram Alir Prosedur Simulasi

Diagram alir dalam melakukan simulasi baik untuk melakukan simulasi airfoil dan turbin angin ditunjukkan gambar berikut. Gambar 3.22 Diagram alir prosedur simulasi Tidak Ya Mulai Pendefinisian bidang batas pada geometri Pengecekan mesh Mesh baik? Penentuan kondisi batas Proses numerik Iterasi berhasil ? Plot distribusi tekanan dan kecepatan Selesai Ya Tidak Universitas Sumatera Utara

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada bab ini berisi hasil kegiatan penelitian yang telah dikerjakan yang didahului dengan simulasi airfoil tipe NACA 0018 untuk menentukan sudut serang airfoil yang optimum yang dimulai dari sudut serang 0 hingga 12 . Parameter yang menjadi bahan pertimbangan adalah perbandingan antara lift coefficient dan drag coefficient yang melewati geometri airfoil. Dengan input data yang mengacu kepada spesifikasi data dan spesifikasi fluida. Selain hasil simulasi airfoil, bab ini juga berisi hasil simulasi turbin angin secara 2D untuk mendapatkan desain turbin angin yang optimum. Dengan memasukkan variabel jumlah sudu dan tip speed ratio, maka parameter yang didapat dari simulasi akan diinput kedalam persamaan-persamaan untuk mendapatkan nilai efisiensi dari turbin. 4.1 Simulasi Airfoil 2D 4.1.1 Data hasil simulasi airfoil Airfoil yang disimulasi untuk semua sudut serang sama yaitu sepanjang 1 meter dan boundary yang dipakai pada simulasi juga sama untuk semua kondisi sudut serang. Simulasi terhadap airfoil NACA 0018 dilakukan dengan memvariasikan besar sudut serang dimulai dari sudut 0 o sampai sudut 12 o . Hasil yang diperoleh adalah perbandingan koefisien lift dengan koefisien drag terbesar yang didapatkan pada besar sudut serang 7 o dengan nilai sebesar 44,1063. Koefisien lift terbesar didapatkan pada sudut serang sebesar 12 o dengan nilai sebesar 1,21476. Koefisien drag terbesar didapatkan pada sudut serang sebesar 12 o juga dengan nilai sebesar 0.02969. Semakin besar nilai koefisien lift tidak menentukan bahwa sudut serang tersebut optimum, karena selain ada koefisien lift yang berguna untuk menghitung gaya angkat, terdapat juga koefisien drag yang berguna untuk menghitung gaya hambat. Berikut ini ditampilkan tabel hasil simulasi airfoil NACA 0018 untuk sudut serang 0 o sampai 12 o . Universitas Sumatera Utara