ANALISIS PERFORMANSI TURBIN ARUS LAUT VERTIKAL AKSIS JENIS V-STRAIGHT DAN V-HELICAL TERHADAP PERUBAHAN DIMENSI BERBASIS COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

ANALISIS PERFORMANSI TURBIN ARUS LAUT

  

VERTIKAL AKSIS JENIS V-STRAIGHT DAN V-HELICAL

TERHADAP PERUBAHAN DIMENSI BERBASIS

COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

  Dosen pembiming:

Dr. Ridho Hantoro, ST., MT.

  Ir. Roekmono , MT.

  

Oleh:

  

I Kadek Yamuna Gangga Putra (2411100094)

Jurusan Teknik Fisika

  

Fakultas Teknologi Industri Latar Belakang

Kebutuhan listrik tinggi, perlu pembangkit dari energi terbarukan yang ramah

lingkungan, seperti turbin arus laut

Sebelum membuat turbin skala besar, perlu membuat model turbin, menggunakan

konsep keserupaan, model turbin harus

  “serupa” dengan turbin aslinya Perlu juga peningkatan performansi turbin berdasarkan geometri turbin!!

  Biaya dan waktu yg Estimasi Target diperlukan dalam daya yang Bagaimana mengetahui pengaruh perubahan dimensi terhadap

1. Untuk mengetahui

  performansi pada turbin arus laut

  pengaruh perubahan

  vertikal aksis jenis V-Straight dan

V-Helical?

  dimensi terhadap performansi turbin arus laut vertikal aksis jenis V- Straight dan V-Helical.

  2. Untuk mengetahui pengaruh performansi turbin arus laut vertikal aksis jenis V-Straight

  

Bagaimana mengetahui pengaruh dibandingkan dengan

performansi turbin arus laut

  turbin vertikal aksis jenis

  vertikal aksis jenis V-Straight V-Helical. dibandingkan dengan turbin vertikal aksis jenis V-Helical?

V-STRAIGHT DAN V-HELICAL

  Mulai Turbin tampak samping

  A ≈ 4

  Perhitungan Desain Turbin Sesuai Daya yang Diinginkan Total time dan time step simulasi

  Analisis Non-Dimensional: Analisis Non-Dimensional :

  Penentuan Parameter Validasi: transient 1. Menggunakan teori “phi-buckingham” . Bilangan non-dimensional yang mempengaruhi eserupaan model turbin arus laut (reynold number Simulasi CFD dan tip speed ratio)

  a. Dengan menggunakan teori

  a. Ukuran spasi meshing minimum sesuai “Pi-Buckingham”

  pada berbagai

3. Ekstrapolasi data kecepatan angular pada

  Perhitungan Desain Turbin: variasi variabel penelitian sebelumnya

  didapatkan hubungan antar variable kemampuan PC

  4. Prediksi RPM Pengambilan data berupa

  b. Disimulasikan ukuran spasi meshing minimum

  2

  = , , , ,

  Penentuan parameter validasi : Fx, Fy, Torsi

  Dari rumus , didapatkan detail desain =

1. Kemampuan maksimum komputasi PC dan Profil

  3

  ini pada turbin penelitian sebelumnya

  2. Ukuran spasi meshing minimum pada Aliran

  = ,

  2

  3 penelitian sebelumnya

  dimensi turbin :

3. Nilai torsi sebagai acuan validasi

  c. Didapatkan nilai torsi yang akan dibandingkan

  t ≈ 8 ( 0

  b. Dari penelitian sebelumnya diekstrapolasi data

  Analisis Data ≤ e ≤ 0.1)

  • Diameter atas

  ≈ 4 meter dengan torsi eksperimen pada penelitian

  Simulasi CFD :

  RPM( ) pada kecepatan 0.5 - 2 m/s ( = 1 )

  • Diameter bawah

  1

  1 Pembuatan Geometri Kesimpulan

  ≈ 3 meter sebelumnya untuk mencari nilai error sebagai

  Meshing

  1

  1

  2

  2

  10

  c. Dengan menggunakan

  Pre processing

  • Chord = 1 meter

  = , dimana acuan validasi (

  Solver

  0 ≤ ≤ 10%)

  1

  2 Penyusunan Post Processing

  • Tinggi turbin = 8 meter

  Laporan

  dimensi turbin saat ini ( = 4 ) maka

  2 Pengambilan

  • Sudut V bagian bawah turbin diasumsikan 10

  data berupa

  d. Didapatkan prediksi RPM( ) turbin yang akan

  2 Torsi untuk Selesai validasi

  dibuat pada kecepatan 0.5 Tid ak – 2 m/s.

  Verifikasi Hasil error Torsi ( 0 ≤ e ≤ 0.1) Ya

  ≈ 3

  Inlet

  v-straight skema v-helical tiap segmen v-helical v-helical cylinder sub domain box domain meshing

  Pre processing

  wall wall Opening Mulai A

  Perhitungan Desain Turbin Sesuai Daya yang Diinginkan Total time dan time step simulasi

  Analisis Non-Dimensional : Simulasi Selanjutnya (Transient): transient 1.

  Menggunakan teori “phi-buckingham” . Bilangan non-dimensional yang mempengaruhi eserupaan model turbin arus laut (reynold number

  Verifikasi Hasil: Simulasi CFD dan tip speed ratio)

  a. Penentuan nilai total time (waktu untuk 1

  pada berbagai

  3. Ekstrapolasi data kecepatan angular pada variasi variabel penelitian sebelumnya

  putaran penuh) dan time step (waktu untuk

  4. Prediksi RPM Pengambilan

  a. Setelah pengambilan data torsi dari hasil

  data berupa

  berputar sebesar sudut azimuth yang

  Penentuan parameter validasi : Fx, Fy, Torsi

  simulasi, digunakan untuk mencari nilai error

1. Kemampuan maksimum komputasi PC dan Profil

  diinginkan)

  2. Ukuran spasi meshing minimum pada Aliran

  b. Jika nilai error (

  penelitian sebelumnya

  ≥ 10%) , maka kembali ke

3. Nilai torsi sebagai acuan validasi

  b. Disimulasikan pada berbagai variasi variable

  ( 0 Analisis Data ≤ e ≤ 0.1)

  tahap simulasi CFD dengan mengubah ukuran yang sudah ditentukan

  Simulasi CFD :

  spasi meshing

  Pembuatan Geometri Kesimpulan

  c. Pengambilan data hasil simulasi CFD berupa

  Meshing

  c. Jika nilai error ( ≤ 10%), maka ukuran spasi

  Pre processing

  gaya Fx, Fy, Torsi, kontur tekanan, kontur

  Solver Penyusunan

  meshing dan metode yang digunakan akan

  Post Processing Laporan

  kecepatan dijadikan acuan untuk simulasi selanjutnya

  Pengambilan data berupa Torsi untuk Selesai validasi Tid ak Verifikasi Hasil error Torsi ( 0 ≤ e ≤ 0.1) Ya Variasi Perbesaran Dimensi

  Hasil dan Pembahasan Dimensi 4 kecepatan Hasil Proyeksi

  Hasil ekstrapolasi kecepatan (m/s) eror (%) sudut (RPM) Prediksi Kecepatan (RPM) Kecepatan (m/s) Sudut (RPM)

  0.67

  38.18 40.98 7.3448773 0.5 3.809643281

  80.00

  0.72

  43.79

  1 42.28 5.158892355 3.448736716 1.5 6.50814143

  70.00 0.806

  47.09 44.51 5.482906056 2 7.857390504

  0.98

  47.89 49.02 2.352314038 Dimensi 3

  60.00 )

  Prediksi Kecepatan

  1.15

  53.26 53.42 0.302863169 RPM

  50.00 Kecepatan (m/s) Sudut (RPM) (

  2

  75.45 0.5 5.079524375

  40.00 Rata-rata Eror 3.786339456 Rotasi

  1 6.87852314 1.5 8.677521906

  30.00 2 10.47652067

  Dimensi 2 Kecepatan

  20.00 Prediksi Kecepatan Kecepatan (m/s) Sudut (RPM)

  10.00 0.5 7.619286562

  0.00 1 10.31778471

  0.5

  1

  1.5

  2

  2.5 1.5 13.01628286

  Kecepatan Arus Laut (m/s) 2 15.71478101

  Dimensi 1 Hasil proyeksi Hasil Eksperimen

  Prediksi Kecepatan Kecepatan (m/s) Sudut (RPM) 0.5 15.23857312 1 20.63556942 1.5 26.03256572 2 31.42956202 Validasi

  Ukuran spasi meshing minimum

V-STRAIGHT

  Gaya pada masing

  • – masing blade dan shaft turbin V-Straight
variasi dimensi turbin Gaya tiap sudut azimuth variasi dimensi turbin V-Straight

variasi kecepatan aliran Gaya tiap sudut azimuth variasi kecepatan aliran

variasi dimensi turbin Gaya tiap kecepatan aliran dengan variasi dimensi turbin

  =

  1

  2

  2

  =

  1

  2

  2 , , ~ variasi kecepatan aliran Gaya tiap dimensi turbin dengan variasi kecepatan

  =

  1

  2

  2

  =

  1

  2

  2 , ~ ~ . ( . ) =

  ,

V-HELICAL

  Gaya pada masing

  • – masing blade dan shaft turbin V-Helical
variasi dimensi turbin Gaya tiap sudut azimuth variasi dimensi turbin V-Helical

variasi kecepatan aliran Gaya tiap sudut azimuth variasi kecepatan aliran blade 1 blade 2 blade 3

variasi dimensi turbin Gaya tiap kecepatan aliran dengan variasi dimensi turbin

  =

  1

  2

  2

  =

  1

  2

  2 , , ~ variasi kecepatan aliran Gaya tiap dimensi turbin dengan variasi kecepatan

  =

  1

  2

  2

  =

  1

  2

  2 , ~ ~ . ( . ) =

  , Pembahasan

Pengaruh Kecepatan Aliran Fluida Terhadap Performansi Turbin

Dengan Variasi Perbesaran Dimensi

  2

  1

  ; = . ~

  2

  1

  1

  2 Daya tiap kecepatan dengan variasi dimensi turbin (a) Daya pada V-Straight (b) Daya pada V-Helical

  = ; ~ Pembahasan Pengaruh Perbesaran Dimensi Terhadap Performansi Turbin Dengan Variasi Kecepatan Aliran Fluida

  1

  2

  1

  ; = . ~

  2

  1

  1

  2 Daya tiap dimensi turbin dengan variasi kecepatan aliran fluida (a) Daya pada V-Straight (b) Daya pada V-Helical

  = ; ~ ~ Diagram Performansi Turbin V-Straight

  Diagram Performansi Turbin V-Helical

V-STRAIGHT vs V-HELICAL

  Torsi V-Helical lebih stabil dibandingkan Torsi V-Straight Namun nilai rata

  • – rata Torsi V-Straight 111028 Nm, lebih besar dibandingkan Torsi V-Helical 88585 Nm
KESIMPULAN

  

1. Pada berbagai variasi dimensi turbin, kecepatan aliran fluida berbanding lurus

dengan kecepatan sudut turbin (RPM), lalu gaya Fx, Fy dan torsi sebanding

dengan kuadrat kecepatan, lalu daya turbin sebanding dengan pangkat tiga

kecepatan aliran fluida.

  

2. Pada berbagai variasi kecepatan aliran fluida, dimensi turbin berbanding

terbalik dengan kecepatan sudut turbin (RPM), lalu gaya Fx, Fy dan daya turbin

sebanding dengan kuadrat perbesaran dimensi, lalu torsi sebanding dengan

pangkat tiga perbesaran dimensi.

  

3. Turbin tipe V-Helical menghasilkan torsi yang lebih stabil dibandingkan

dengan turbin tipe V-Straight, namun nilai rata-rata torsi pada turbin V-Straight

yang besarnya 111028 Nm lebih tinggi dibandingkan dengan torsi rata

  • – rata turbin V-Helical yang besarnya hanya 88585 Nm

V-STRAIGHT

  Pressure Velocity

V-HELICAL

  Pressure Velocity

DAFTAR PUSTAKA

THANK YOU

  o F merupakan gaya tangensial yang bekerja tegak

  T

  lurus dengan lintasan rotasi. Gaya F ini menyebabkan

  T

  torsi yang akan memutar turbin sehingga dapat menghasilkan energi mekanik. o

  F merupakan gaya normal yang dapat menyebabkan

  N fibrasi pada turbin.

  Koefisien gaya normal Koefisien gaya tangensial

  = sin + − cos( + ) = sin + − cos( + )

  2

  2

  0,5. . = − 0,5. . =

  Beberapa parameter yang dapat digunakan untuk menentukan performansi turbin:

  Torsi yang dihasilkan turbin : = ×

  Daya yang diekstrak turbin : = ×

AERODINAMIKA BLADE

  Nilai Cl dan Cd akan berubah sesuai dengan sudut serang. Sampai pada kondisi tertentu dimana nilai Cl turun dan Cd naik secara drastis. Kondisi ini disebut sebagai STALL

  Separasi aliran

  10 ≈ 8 ≈ 6 t

  ≈ 16

  10 ≈ 4 ≈ 3 t

  ≈ 8