1

Abstrak— Telah dilakukan simulasi mekanisme passive pitch berbasis CFD pada turbin vertikal aksis arus sungai tipe Darrieus straight-bladed menggunakan mekanisme flapping wing. Simulasi mekanisme flapping wing dilakukan dengan cara memutar turbin satu putaran (azimuth 0 sampai 360) dengan variasi sudut pitch 10° dan 20°. Berdasarkan hasil simulasi menggunakan CFD, diperoleh pola perubahan nilai Fx , Fy dan resultan gaya antara Fx dan Fy beserta arah resultan gaya yang dihasilkan oleh turbin. Selain itu, diperoleh juga pola perubahan nilai torsi pada sumbu x dan y serta resultan torsi beserta arah resultan torsi yang dihasilkan oleh turbin. Pada simulasi mekanisme passive pitch dengan menggunakan flapping wing diperolah nilai gaya dan torsi yang terbesar diperolah ketika turbin berada di azimuth 100, nilai gaya yang terbesar adalah 37.36 N dengan sudut tangensial sebesar -6.33 (kuadran IV), sedangkan nilai torsi yang terbesar adalah 14.46 Nm dengan sudut tangensial sebesar 83.67 (kuadran I). Berdasarkan hasil simulasi CFD, nilai gaya dan torsi yang dihasilkan oleh turbin dipengaruhi oleh distribusi tekanan yang mengenai turbin pada satu putaran turbin, ketika nilai gaya dan torsi yang dihasilkan oleh turbin tinggi maka distribusi tekanan yang diterima oleh turbin hampir merata pada ketiga foil turbin, pada azimuth 100 nilai tekanan yang diterima oleh turbin sebesar 228.4 Pa. Fenomena berupa pola perubahan nilai gaya, torsi serta pengaruh distribusi tekanan yang tidak diperoleh ketika eksperimen dapat diperoleh dengan menggunakan software CFD.

Kata Kunci— Flapping Wing, , Simulasi CFD, Distribusi

Tekanan, Gaya, Torsi. .

I. PENDAHULUAN URBIN merupakan mesin konversi energi yang digunakan untuk mengkonversi energi gerak atau mekanik menjadi energi listrik[1]. Salah satu jenis

turbin yang biasa digunakan untuk menghasilkan energi listrik adalah hydrokinetic turbine, terutama jenis Darrieus straight-bladed. Turbin arus sungai jenis Darrieus straight-bladed memiliki kelemahan dalam hal self-start yang lama serta torsi yang dihasilkannya rendah. Perkembangan teknologi turbin arus sungai jenis Darrieus straight-bladed berawal dari jenis blade yang dibuat fixed atau tetap, akan tetapi jenis blade yang seperti ini dapat membuat turbin stall pada saat mulai berputar, selanjutnya mulai berkembang suatu mekanisme yang digunakan untuk mengendalikan sudut serang pada blade turbin tersebut, pengendalian sudut serang ini dapat diartikan

sebagai mekanisme passive-pitch. Mekanisme passive-pitch pada turbin arus sungai jenis Darrieus straight-bladed bertujuan agar turbin dapat bergerak bebas dengan sudut serang yang dibatasi supaya turbin tersebut dapat melakukan start up yang cepat dengan kecepatan aliran sungai yang relatif rendah. Selain itu, mekanisme passive-pitch pada turbin arus sungai jenis Darrieus straight-bladed dapat digunakan untuk menaikkan gaya angkat dan torsi yang dihasilkan.

Penelitian yang telah berkembang tentang turbin arus sungai telah sampai pada perbedaan antara fixed dan variable pitch vertical axis tidal turbine using CFD analysis in CFX [2]. Model- model aerodinamik yang paling bagus telah digunakan untuk menganalisis desain dan performansi straight-bladed Darrieus-type pada VAWT, seperti yang telah dijelaskan oleh Islam[3]. Blade yang digunakan untuk turbin tipe Darrieus biasanya menggunakan airfoil NACA 0012, NACA 0015, dan NACA 0018 sebagai bahan studi[4]. Selanjutnya, Calcagno telah mempresentasikan hasil dari penelitiannya tentang eksperimen dan pendekatan secara matematis untuk mengembangkan sebuah prototype turbin vertikal aksis arus laut yang bernama kobold, kobold sendiri telah diaplikasikan pertama kali menggunakan 3-straight NACA 0015[5]. Selain itu, telah dilakukan investigasi tentang eksperimen pada passive variable-pitch turbin vertikal aksis arus laut menggunakan 3-straight bladed NACA 0018[6]. Selanjutnya pada tugas akhir ini, peneliti akan berusaha mempelajari dan menganalisis turbin vertikal aksis arus sungai yang memanfaatkan mekanisme flapping wing sebagai mekanisme passive-pitch yang akan dijadikan terobosan model terbaru dari perkembangan turbin vertikal aksis arus sungai tipe Darrieus Straight-Bladed menggunakan CFD.

II. METODE PENELITIAN

A. Desain Hydrofoil dan Turbin Langkah pertama yang dilakukan dalam pembuatan

geometri turbin adalah pembuatan hydrofoil, pada dasarnya hydrofoil dan airfoil adalah sama, yang membedakan adalah lingkungan atau fluida yang digunakan. Airfoil adalah sebutan untuk foil yang digunakan dalam lingkungan udara sebagai fluida kerjanya sedangkan hydrofoil adalah sebutan untuk foil yang digunakan dalam lingkungan air sebagai fluida kerjanya.

Hydrofoil yang digunakan dalam desain turbin vertikal aksis arus sungai adalah NACA 0018 yang telah dimodifikasi

SIMULASI MEKANISME PASSIVE-PITCH DENGAN FLAPPING WING PADA TURBIN VERTIKAL AKSIS

ARUS SUNGAI JENIS DARRIEUS STRAIGHT-BLADED BERBASIS CFD

Susilo, Ridho Hantoro, dan Nur Laila Hamidah Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail: susilo10@mhs.ep.its.ac.id

T

2

bentuk geometrinya. Gambar 1 dibawah ini merupakan bentuk geometri hydrofoil yang digunakan dalam penelitian ini.

Gambar 1. Hydrofoil NACA 0018 setelah dimodifikasi. Setelah melakukan pembuatan geometri foil menggunakan

NACA 0018 maka selanjutnya dilakukan pembuatan turbin 3D menggunakan software CAD (Computer Aided Design), cara yang dilakukan untuk membuat turbin 3D adalah dengan cara membuat 3 hydrofoil dengan sudut antara setiap foil sebesar 120 derajat dengan 1 poros yang digunakan sebagai shaft yang awalnya 2 dimensi kemudian kita extrude menjadi geometri 3 dimensi. Gambar 2 dibawah ini memperlihatkan bentuk penampang 3 dimensi turbin vertikal aksis yang akan digunakakan untuk simulasi menggunakan software CFD.

Gambar 2. Bentuk penampang turbin 3 dimensi “isometric view” (tampak samping).

B. Desain Sub Domain Tabung Dan Sungai setelah dilakukan pembuatan geometri turbin adalah

pembuatan tabung sebagai tempat yang akan diisi oleh turbin, tabung dibuat sebagai sub domain untuk tempat turbin, hal ini dilakukan karena turbin berada dalam kondisi tenggelam di fluida air. Gambar 3 di bawah ini menunjukkan domain tabung yang digunakan sebagai tempat untuk dimasukin turbin supaya nanti bisa dilakukan domain interface (proses penyamaan jenis fluida menjadi satu jenis fluida, yaitu air) antara selubung tabung dengan domain sungai yang akan kita buat.

Gambar 3. Domain tabung yang telah disubstract dengan turbin.

Setelah semua geometri selesai dibuat, mulai dari geometri tabung yang telah disubstract dengan turbin serta geometri sungai yang telah disubstract dengan tabung, maka selanjutnya dilakukan penggabungan antara dua geometri tersebut. Hal ini dilakukan supaya kita dapat mendefinisikan semua geometri yang telah dibuat menjadi satu domain yaitu domain air yang akan disimulasikan menggunakan software CFD. Gambar 4 di bawah ini menunjukkan geometri total yang akan diinisialisasi dalam satu domain.

Gambar 4. Domain total dalam simulasi CFD

C. Meshing Meshing merupakan proses pemecahan bagian domain

menjadi bagian yang kecil-kecil untuk mempermudah proses selanjutnya, yaitu proses preprocessing. Meshing yang biasanya dianggap sesuai untuk geometri 3D adalah bentuk meshing tetrahedral, sedangkan meshing yang biasanya digunakan untuk geometri 2D adalah jenis segi empat dan segitiga. Langkah-langkah yang harus dilakukan dalam proses meshing adalah pendefinisian region yang akan dijadikan sebagai kondisi batas pada proses pre processing.

Proses meshing yang dilakukan pada domain simulasi kali ini dimulai dengan meshing foil dan shaft pada turbin. Foil dan shaft turbin dimeshing dengan angular resolution, dengan ketentuan spasi mulai dari 0,2-1 mm. Hasil meshing pada foil dan shaft turbin dapat dilihat pada gambar 5 dibawah ini.

Gambar 5. Hasil meshing pada foil dan shaft turbin.

Proses selanjutnya setelah melakukan meshing pada foil dan shaft turbin adalah meshing pada domain tabung dan sungai yang digunakan pada simulasi, meshing pada kedua domain tersebut berupa angular resolution dengan spasi 5-10 cm.

3

Gambar 6. di bawah ini menunjukkan hasil meshing domain total pada simulasi CFD dengan jumlah total tetrahedral mesh pada domain total simulasi ini adalah 7786724 tetrahedral mesh.

Gambar 6. Hasil meshing domain total pada simulasi CFD. D. Pre processing Pre processing merupakan proses awal dalam simulasi berbasis CFD, dalam proses ini dilakukan pendefinisian geometri yang telah dibuat sebelumnya dalam bentuk domain, selain itu dilakukan proses pendefinisian boundary dan keadaan awal serta pemberian nilai yang sesuai dengan hukum fisika dan data yang dimasukkan sesuai dengan eksperimen yang dilakukan. Kondisi batas yang diberikan pada saat pre processing dapat dilihat pada tabel 1 dibawah ini. Tabel 1. Penentuan Boundary Condition pada CFD

No. Kondisi Batas

Letak pada CFD Inisialisasi

1 Opening Kanan, kiri dan aliran keluar

Entrainment, zero gradient dan pressure 0 Pa.

2 Wall Atas dan bawah turbin

Free slip wall

3 Inlet Aliran masuk ( bagian kiri )

Inlet, pemberian kecepatan sesuai dengan kecepatan sebenarnya

4 Wall Turbin dan shaft No slip wall, pemeberian kecepatan putar sesuai dengan RPM pada saat eksperimen

5 Domain interface

Selubung silinder dan sungai

Pendifinisian fluida sesuai dengan eksperimen ( water )

E. Proses Iterasi pada solver

Solving merupakan suatu proses yang dilakukan dengan cara menghitung data input model geometri hingga mencapai batas nilai error yang telah ditentukan sebelumnya menggunakan metode iteratif. Pada saat proses solving ini,

semua perhitungan dilakukan dengan didasarkan pada kondisi yang disesuaikan saat pre processing. Pada proses solving menggunakan CFD ini, kriteria simulasi dianggap selesai atau konvergen ketika nilai RMS(root mean square) error yang dihasilkan sudah mencapai 0.0001.

F. Post processing Post processing merupakan proses terakhir dalam simulasi berbasis CFD. Dalam post processing biasanya dilakukan pengambilan data berupa kontur tekanan, temperatur serta vektor kecepatan yang dihasilkan pada simulasi CFD. Selain, menperolah fenomena berupa kontur tekanan, velocity vector dan aliran streamline, kita juga bisa memperolah nilai gaya dan torsi yang dihasilkan oleh turbin melalui proses CFD post ini.

III. HASIL DAN DISKUSI

A. Verifikasi hasil simulasi CFD Proses verifikasi yang dilakukan dengan cara memberikan

input kecepatan sesuai dengan kecepatan aliran saat eksperimen, bentuk dan spasi meshing serta kondisi boundary yang hasilnya diangap mendekati dengan hasil eksperimen, dalam hal ini variabel yang digunakan sebagai acuan berupa nilai torsi yang dihasilkan saat eksperimen, nilai tori dapat digunakan sebagai acuan dalam proses verifikasi hasil simulasi dikarenakan geometri turbin yang telah disesuaikan dengan geometri sebenarnya. Selain itu, turbin yang disimulaskan diputar dengan RPM sesuai dengan hasil eksperimen. Perbandingan hasil verifikasi simulasi yang dilakukan dapat dilihat pada tabel 2 dibawah ini.

Tabel 2. Hasil Verifikasi Simulasi CFD dengan Eksperimen.

Proses verifikasi yang dilakukan pada simulasi ini dengan

cara melakukan perubahan ukuran mesh pada foil turbin, hal ini dikarenakan proses meshing yang paling susah adalah pada foil dan shaft turbin. Proses verifikasi hasil simulasi dilakukan pada satu kecepatan aliran yaitu pada kecepatan 0.6 m/s dengan memutar turbin sesuai dengan RPM yang dihasilkan oleh turbin saat pengujian turbin. Berdasarkan tabel 2 diatas dapat diketahui bahwa mesh spasi foil yang dapat digunakan untuk pengambilan data pada kecepatan yang lain adalah 0.3 mm dengan nilai error sebesar 7.21%. Selanjutnya, poses simulasi untuk keempat variasi kecepatan yang lain (0.7, 0.8, 0.98 dan 1.15 m/s ) dengan 2 variasi pitch angle ( 10° dan

No. Mesh spasi foil

Jumlah elemen mesh

Nilai Torsi ( Nm )

Simulasi Eksperimen Error

(%)

1 10 mm 1.679.864 15.23 11.23 35.61

2 8 mm 1.987.654 14.34 11.23 27.69

3 5 mm 3.654.765 13.25 11.23 17.98

4 3 mm 4.879.654 13.12 11.23 16.82

5 0.3 mm 7.786.724 12.05 11.23 7.21

4

20° ) dilakukan dengan mesh spasi foil sebesar 0.3 mm.

B. Data perbandingan simulasi dengan eksperimen Pada proses simulasi mekanisme passive pitch dengan

flapping wing menggunakan hydrofoil NACA 0018, yang pertama kali dilakukan adalah membandingkan nilai torsi yang didapatkan dari eksperimen dengan nilai torsi yang didapatkan dengan simulasi CFD. Data perbandingan simulasi dengan eksperimen dapat dilihat pada tabel 3 dibawah ini.

Tabel 3. Perbandingan Hasil Simulasi dengan Eksperimen pada

pitch angle 10° dan 20°.

Torsi yang dibandingkan pada simulasi dan eksperimen

merupakan nilai rata-rata torsi yang dihasilkan oleh turbin dalam satu putaran penuh serta torsi rata-rata yang dihasilkan oleh turbin pada saat eksperimen, nilai torsi yang dihasilkan dari simulasi memiliki rata-rata error sebesar 11.21% untuk pitch angle 10 ° dan 11.30% untuk pitch angle 20°. Perbandingan antara simulasi dengan eksperimen dalam bentuk grafik dapat dilihat pada gambar 7 dibawah ini.

Gambar 7. (a) Perbandingan hasil simulasi dan eksperimen

mekanisme flapping wing pada pitch angle 10°. (b) Perbandingan hasil simulasi dan eksperimen

mekanisme flapping wing pada pitch angle 20°.

C. Pola perubahan nilai gaya yang dihasilkan oleh turbin pada sumbu x, y dan resultan keduanya. Pengambilan data berupa pola perubahan nilai gaya yang dihasilkan oleh turbin dapat diperoleh dengan cara menjumlahkan nilai gaya yang dihasilkan oleh masing-masing foil dan shaft yang setiap 5° azimuth pada satu putaran penuh turbin ( 0 sampai 360° azimuth ). Pola perubahan nilai gaya diperoleh dengan cara pengambilan data gaya yang dihasilkan pada sumbu x, y dan resultan gaya yang dihasilkan serta arah dan sudut tangensial gaya yang dihasilkan pada resultan gaya yang diperoleh dari simulasi. Gambar 8 dibawah ini menunjukkan pola perubahan nilai gaya yang dihasilkan oleh turbin pada sumbu x dan y.

(a)

(b)

Gambar 8. (a) Pola perubahan nilai gaya pada sumbu x (b) Pola perubahan nilai gaya pada sumbu y Pola perubahan nilai gaya yang ditunjukkan pada gambar 8 (a) diatas merupakan pola perubahan nilai gaya yang dihasilkan pada kecepatan aliran 0.67 m/s pada sumbu x. Nilai gaya yang paling tinggi yaitu pada azimuth 100, 220 dan 345 dengan nilai gaya sebesar 37.11 N. Sedangkan nilai gaya yang paling rendah terdapat pada azimuth 80, 200 dan 325 dengan besarnya gaya 18.40 N. Sedangkan Nilai gaya yang tertinggi dan terendah pada sumbu y juga terdapat pada tiga sudut azimuth. Nilai gaya yang tertinggi pada sumbu y terdapat pada sudut azimuth 115, 235 dan 360 dengan nilai gaya sebesar 5.47 N, sedangkan nilai gaya pada sumbu y yang terendah terdapat pada sudut azimuth 75, 195 dan 320 dengan nilai gaya sebesar -14.57 N. Setelah kita mendapatkan nilai serta pola perubahan nilai yang dihasilkan leh turbin pada sumbu x

Kecepatan (m/s)

Torsi (Eksperimen) Torsi( Simulasi) 10° 20° 10° 20°

0.67 11.13 11.26 12.04 12.27 0.7 11.26 12.59 13.72 14.32 0.8 12.65 14.45 14.51 15.98

0.98 13.60 15.48 14.64 16.78 1.15 14.03 17.41 14.79 19.89

5

dan y, selanjutnya dicari nilai serta pola perubahan nilai gaya hasil resulltan sumbu x dan y.

Gambar 9. Pola perubahan nilai gaya resultan sumbu x dan y Berdasarkan nilai resultan gaya yang dihasilkan oleh turbin pada gambar 9 terdapat tiga titik azimuth yang menghasilkan nilai gaya paling tinggi dan paling rendah. Nilai gaya yang terbesar terdapat pada sudut azimuth 100, 220 dan 345 dengan nilai gaya sebesar 37.36 N, sedangkan niilai gaya yang terendah terdapat pada sudut azimuth 70, 190 dan 315 dengan nilai gaya sebesar 22.71 N. Pola perubahan nilai gaya yang dihasilkan pada resultan gaya pada turbin akan mengakibatkan gaya yang terukur pada turbin memiliki sudut tangensial yang berbeda pada setiap sudut azimuth yang disimulasikan. Hubungan antara sudut azimuth turbin dengan sudut tangensial resultan gaya pada sumbu x dan y dapat dilihat pada gambar 10 dibawah ini.

Gambar 10. Sudut tangensial gaya hasil resultan Fx dan Fy Pada gambar 10 tersebut, terlihat bahwa nilai sudut tangensial atau ∅ hasil resultan Fx dan Fy yang tertinggi adalah 8.81° dengan nilai gaya sebesar 35.74 N, sedangkan nilai ∅ yang terendah -36.98° dengan nilai gaya sebesar 23.03 N. Berdasarkan hal tersebut, nilai ∅ hasil resultan gaya pada sumbu x dan y berkisar antara -36.98° sampai 8.81°. Arah dan besarnya resultan gaya yang dihasilkan oleh turbin dapat

dilihat pada gambar 11 dibawah ini.

Gambar 11. Besar dan arah resultan gaya pada turbin

D. Pola perubahan nilai torsi yang dihasilkan oleh turbin pada sumbu x, y dan resultan keduanya. Pengambilan data berupa pola perubahan nilai torsi yang dihasilkan oleh turbin dapat diperoleh dengan cara menjumlahkan nilai torsi yang dihasilkan oleh masing-masing foil dan shaft yang setiap 5° azimuth pada satu putaran penuh turbin ( 0 sampai 360° azimuth ). Pola perubahan nilai torsi diperoleh dengan cara pengambilan data torsi yang dihasilkan pada sumbu x, y dan resultan torsi yang dihasilkan serta arah dan sudut tangensial torsi yang dihasilkan pada resultan torsi yang diperoleh dari simulasi. Gambar 12 dibawah ini menunjukkan pola perubahan nilai torsi yang dihasilkan oleh turbin pada sumbu x dan y.

(a)

(b)

Gambar 12. (a) Pola perubahan nilai torsi pada sumbu x (b) Pola perubahan nilai torsi pada sumbu y

-40.00

-32.00

-24.00

-16.00

-8.00

0.00

8.00

0 25 50 75 100

125

150

175

200

225

250

280

305

330

355

Sudu

t Tan

gens

ial R

esul

tan

Gay

a (d

eraj

at)

Azimuth

6

Nilai torsi yang tertinggi pada sumbu x terdapat pada azimuth 80, 200 dan 325 dengan besarnya torsi sebesar 5.57 Nm, sedangkan nilai torsi yang terendah terdapat ketika turbin berada di azimuth 115, 235 dan 360 dengan besarnya torsi sebesar -2.22 Nm. Pada dasarnya, pola perubahan nilai torsi yang dihasilkan oleh turbin pada sumbu y juga berulang secara periodik mulai dari azimuth 0 sampai 360, setiap satu periodik terdapat sudut azimuth yang menghasilkan nilai torsi yang tertinggi dan terendah. Nilai torsi yang tertinggi terjadi ketika turbin diputar atau berada pada posisi azimuth 100, 225 dan 350 dengan besarnya torsi yang dihasilkan oleh turbin 14.37 Nm, sedangkan nilai torsi yang terendah terjadi ketika turbin berada pada posisi azimuth 80, 200 dan 325 dengan nilai torsi yang dihasilkan turbin sebesar 7.92 Nm. Selanjutnya dicari nili serta pola perubahan nilai torsi hasil resultan serta arah torsi yang dihasilkan seperti yang ditunjukkan pada gambar 13 dibawah ini.

Gambar 13. Pola perubahan nilai torsi hasil resultan sumbu x dan y

Gambar 14. Sudut tangensial antara torsi x dan y Pada gambar 14 tersebut, terlihat bahwa nilai sudut tangensial atau ∅ hasil resultan 𝜏x dan 𝜏y yang tertinggi adalah 87.33° dengan nilai torsi sebesar 11.43 Nm, sedangkan nilai ∅ yang terendah -89.56° dengan nilai torsi sebesar 12.46 Nm. Berdasarkan hal tersebut, nilai ∅ hasil resultan torsi pada sumbu x dan y berkisar antara -89.56° sampai 87.33°. Arah dan besarnya resultan gaya yang dihasilkan oleh turbin dapat dilihat pada gambar 15.

Gambar 15. Besar dan arah resultan torsi pada turbin

E. Pola perubahan nilai torsi masing-masing foil dan shaft

Gambar 16. Pola perubahan nilai torsi masing masing foil dan shaft Berdasarkan pola perubahan nilai torsi yang dihasilkan oleh setiap foil pada gambar 16 diatas terlihat bahwa nilai torsi dengan pola yang bagus diperoleh ketika foil berada pada azimuth 0 sampai 115, hal ini dikarenakan pada azimuth tersebut foil terkena aliran fluida secara langsung dan tidak terkena gangguan dari foil yang lain, nilai torsi yang dihasilkan oleh foil 1 mulai dari azimuth 0 sampai 100 mengalami kenaikan mulai dari 1.69 Nm sampai 9.41 Nm, setelah itu nilai torsi yang dihasilkan oleh foil 1 mengalami penurunan sampai 4.38 Nm (azimuth 135), setelah itu nilai torsi mengalami kenaikan lagi sampai azimuth 150 dengan nilai torsi sebresar 6.89 Nm.

F. Kontur tekanan yang terjadi pada turbin Tekanan yang diterima oleh turbin pada azimuth 80 merupakan nilai tekanan dengan distribusi yang paling kecil, pada azimuth 80 tersebut ketika turbin dialiri oleh aliran fluida hanya foil 1 yang mendapat tekanan terbesar, sedangkan foil 2, 3 dan shaft turbin memperolah tekanan yang cukup merata, nilai tekanan yang mengenai foil 1 sebesar 184.2 Pa. Sedangkan, kontur distribusi tekanan pada azimuth 100 merupakan distribusi tekanan yang mengakibatkan nilai gaya dan torsi yang dihasilkan oleh turbin merupakan nilai yang

0.001.002.003.004.005.006.007.008.009.00

10.00

0 25 50 75 100

125

150

175

200

225

250

280

305

330

355

NIL

AI T

OR

SI (

NM

)

AZIMUTH

foil 1 foil 2 foil 3 shaft

7

paling tinggi pada satu putaran penuh, pada azimuth 100 tersebut hampir ketiga foil pada turbin mendapatkan tekanan yang cukup besar yaitu sebesar 228.4 Pa. Fenomena ini lah yang mengakibatkan nilai gaya dan torsi yang dihasilkan oleh turbin pada azimuth 80 ini merupakan nilai yang paling kecil sedangkan nilai gaya dan torsi pada azimuth 100 merupakan nilai yang tertinggi diantara azimuth yang lain. Untuk kontur tekanan azimuth 80 dan 100 dapat dilihat pada gambar 17 dibawah ini.

(a)

(b)

Gambar 12. (a) Kontur distribusi tekanan pada turbin di azimuth 80 (b) Kontur distribusi tekanan pada azimuth 100

G. Diskusi Pola aliran berupa streamline, kontur tekanan serta velocity vector merupakan fenomena yang tidak dapat dilihat ketika kita melakukan eksperimen atau pengujian turbin, fenomena tersebut dapat dilihat atau diperolah melalui simulasi CFD. Pola aliran berupa streamline, kontur tekanan dan velocity vector dapat digunakan sebagai data penunjang untuk mengetahui pengaruh aliran yang terjadi pada mekanisme flapping wing. Pada mekanisme flapping wing turbin vertikal aksis jenis Darrieus straight-bladed diperoleh nilai torsi hasil resultan yang terendah adalah pada azimuth 80 dengan nilai

torsi sebesar 9.68 Nm. Pada azimuth 80, terlihat bahwa distribusi tekanan yang diterima oleh turbin sangat tidak merata, hanya foil 1 yang menerima tekanan tertinggi yaitu 184.2 Pa sedangkan foil 2 dan 3 hanya menerima tekanan yang cukup kecil. Selanjutnya, nilai torsi pada azimuth 100 merupakan nilai torsi yang tertingi yang dihasilkan oleh turbin pada satu putaran penuh, nilai torsi hasil resultan sumbu x dan y pada azimuth 100 sebesar 14.46 Nm. Pada azimuth 100, distribusi tekanan yang diterima oleh turbin lebih merata jika dibandingkan azimuth 80, pada azimuth 100 ketiga foil pada turbin menerima tekanan sebesar 228.4 Pa. Dengan adanya fenomena distribusi tekanan yang hanya dapat dilihat melalui CFD, dapat dikatakan bahwa nilai torsi yang dihasilkan oleh turbin sangat dipengaruhi distribusi tekanan yang diterima oleh turbin. Berdasarkan pola perubahan nilai gaya dan torsi yang dihasilkan turbin pada sumbu x dan y diperoleh nilai resultan antara keduanya, kemudian setelah diperoleh nilai gaya dan torsi hasil resultan sumbu x dan y maka kita dapat mengetahui sudut tangensial yang dihasilkan oleh resultan tersebut, sehingga dengan adanya sudut tangensial tersebut kita dapat mengetahui nilai dan arah gaya serta torsi yang dihasilkan oleh turbin tersebut ketika dilakukan simulasi menggunakan CFD. Pada simulasi mekanisme passive pitch dengan mekanisme flapping wing menggunakan CFD ini diperoleh data berupa arah yang dihasilkan oleh resultan gaya dan torsi turbin berada pada kuadran I dan IV. Gaya dan torsi yang terbesar yang dihasilkan oleh turbin ketika turbin berada di azimuth 100, nilai gaya yang terbesar adalah 37.36 N dengan sudut tangensial Antara gaya pada sumbu x dan y sebesar -6.33 (berlawanan arah jarum jam dan berada di kuadran IV), sedangkan nilai torsi yang dihasilkan oleh turbin yang terbesar adalah 14.46 Nm dengan sudut tangensial Antara torsi x dan y sebesar 83.67 (searah jarum jam dan berada di kuadran I), berdasarkan hasil trsebut dapat direkomendasikan atau disarankan untuk menempatkan alat ukur torsi (torque wrench) pada kuadran I ketika melakukan pengambilan data torsi yang dihasilkan oleh turbin ketika eksperimen dilakukan supaya nilai error yang diperoleh antara simulasi dan eksperimen dapat berkurang atau menjadi lebih kecil. Selain itu, sebuah turbin yang terdiri dari 3 foil dan 1 shaft akan menghasilkan pola perubahan nilai gaya dan torsi yang terbaik pada kisaran azimuth 0 sampai 115 untuk foil 1,120 sampai 235 untuk foil 2 dan 240 sampai 360 untuk foil 3. Hal ini dikarenakan ketika foil 1 berada pada azimuth tersebut, foil 1 mendapatkan aliran dan tekanan langsung dari aliran air yang mengalir sedangkan setelah azimuth 115 foil 1 sudah terganggu oleh foil 2 dan 3 yang mengakibatkan pola prubahan nilai gaya dan torsi yang dihasilkan oleh foil 1 semakin teredam atau rendah.

Berdasarkan hasil yang telah diperoleh pada simulasi mekanisme passive pitch menggunakan flapping wing pada turbin vertikal aksis arus sungai tipe Darrieus straight-bladed berbasis CFD, nilai torsi yang semakin besar yang dihasilkan oleh turbin Darrieus straight-bladed menggunakan mekanisme flapping wing yang paling optimal adalah dengan sudut pitch sebesar 20°. Berdasarkan hasil ini, dapat ditarik sebuah kesimpulan bahwa performasi turbin Darrieus jenis straight-

8

bladed dapat ditingkatkan dengan menggunakan mekanisme flapping wing sebagai mekanisme passive pitch. Selain itu, distribusi tekanan yang diterima oleh turbin juga mempengaruhi performansi turbin tersebut.

IV. KESIMPULAN/RINGKASAN Berdasarkan hasil pengujian, analisa, dan pembahasan yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan bahwa profil aliran berupa streamline, velocity vector serta kontur tekanan pada turbin vertikal aksis jenis Darrieus straight-bladed yang memanfaatkan mekanisme flapping wing sebagai mekanisme passive pitch merupakan fenomena yang tidak diperoleh ketika eksperimen dilakukan, pengaruh fenomena tersebut terhadap performansi turbin hanya dapat diketahui dan dianalisis menggunakan software CFD. Nilai gaya serta torsi yang dihasilkan oleh turbin pada sumbu x yang tertinggi adalah 37.11 N dan 5.57 Nm, sedangkan nilai gaya dan torsi tertinggi yang dihasilkan oleh turbin pada sumbu y adalah 5.47 N dan 14.37 Nm. Nilai gaya dan torsi yang tertinggi hasil resultan sumbu x dan y adalah 37.37 N dengan sudut tangensial sebesar -6.33° (kuadran IV) dan 14.46 Nm dengan sudut tangensial sebesar 83.67° (kuadran I). Performansi turbin jenis Darrieus straight-bladed dapat ditingkatkan dengan memanfaatkan mekanisme flapping wing sebagai mekanisme passive pitch, sudut pitch yang terbaik pada mekanisme flapping wing ini adalah 20°.

DAFTAR PUSTAKA [1] Saqib,H. M., and Karman, A. S. 2012. "Design and analysis of a straight

bladed vertical axis wind turbine blade using analytical and numerical techniques: Elsevier.

[2] Syed, S.K., Liang. Z., Qi-hu, S., and Xue-Wei, Z, 2013. “Difference between Fixed and Variable Pitch Vertical Axis Tidal Turbine-Using CFD Analysis in CFX”. China : Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology 5(1): 319-325, 2013 ISSN: 2040-7459; e-ISSN: 2040-7467 © Maxwell Scientific Organization.

[3] Islam, M., Ting, David S.-K. & Fartaj, A., 2008. “Aerodynamic Models for Darrieus-Type Straight-Bladed Vertical Axis Wind Turbines”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 12(4), 2008. (Doi:10.1016/j.rser.2006.10.023).

[4] Coiro, D.P., De Marco, A., Nicolosi, F., Melone, S. & Montella, F., 2005. “Dynamic Behaviour of the Patented Kobold Tidal Current Turbine: Numerical and Experimental Aspects”, Acta Polytechnica, 45(3).

[5] Calcagno, G., 2006. “An Experimental Investigation and a Theoretical and Computational Methodology to Study an Innovative Technology for Marine Current Exploitation: the Kobold Turbine”, Bollettino della Comunità Scientifica in Australasia.

[6] Hantoro, R., Utama, I.K.A.P. & Erwandi, 2011. “An Experimental Investigation of Passive Variable-Pitch Vertical Axis Ocean Current Turbin”, Indonesia.

[7] Khan, M. J., Bhuyan, G., Iqbal, M. T., and Quaicoe, J. E. 2010. "Hydrokinetic energy conversion systems and assessment of horizontal and vertical axis turbines for river and tidal applications: A technology status review," Applied Energy Vol. 86, No. 10, pp. 1823-1835.

[8] El-Sayed, A.F and Abdel Azim. 1995. “Dynamics of Vertical Axis Wind Turbines (Darrieus Type)”. Zagazig University.

[9] Decoste , Josh, 2004. “Self-Starting Darrieus Wind Turbine”. Department of Mechanical Engineering, Dalhousie University.

[10] Joseba Goyena Iriso, Alfredo Ursua. 2011. ”Analysis and Design of Vertical Axis Wind Turbine” publica Universitas Navarrensis.

[11] M. Farrashkhalvat dan J.P. Miles, 2003. “Basic Structured Grid Generation with an introduction to unstructured grid generation”, United Kingdom: Butterworth-Heinemann.

[12] Widyatno, 2012. “Analisa Aliran pada Ducted Propeller dengan Pendekatan CFD (Computational Fluid Dynamics),” Tugas Akhir Jurusan Teknik Perkapalan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.