simulasi performansi airofoil turbin angin naca …digilib.unila.ac.id/59059/18/skripsi tanpa bab...

63
SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA 4412 TERHADAP VARIASI PANJANG CHORD DAN SUDUT SERANG MENGGUNAKAN SOFTWARE CFD (Skripsi) Oleh RIZKY AGUS MAULANA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG BANDAR LAMPUNG 2019

Upload: others

Post on 29-Oct-2020

20 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN

ANGIN NACA 4412 TERHADAP VARIASI PANJANG

CHORD DAN SUDUT SERANG MENGGUNAKAN

SOFTWARE CFD

(Skripsi)

Oleh

RIZKY AGUS MAULANA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDAR LAMPUNG

2019

Page 2: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

ABSTRAK

SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN

NACA 4412 TERHADAP VARIASI PANJANG CHORD DAN

SUDUT SERANG MENGGUNAKAN SOFTWARE CFD

Oleh

RIZKY AGUS MAULANA

Penelitian tentang turbin angin berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir.

Efisiensi dan kinerja turbin angin tergantung pada desain dan bentuk sudu turbin

angin itu sendiri. Pembuatan model dengan semua variasi turbin angin akan

menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat ditentukan

secara pasti. Penggunaan software CFD sebagai alat untuk meneliti turbin angin

memungkinkan untuk mendapatkan tujuan perancangan tanpa harus membuat

model sebenarnya.

Tujuan dari penelitian ini adalah mengetahui pengaruh variasi panjang chord sudu

dan sudut serang terhadap performansi turbin angin dengan mensimulasikannya

dengan menggunakan software CFD. Simulasi aerodinamika pada airfoil yang

digunakan pada sudu turbin angin dilakukan untuk mengetahui karakteristik

aerodinamika dari airfoil yang digunakan. Airfoil NACA 4412 digunakan sebagai

bentuk dasar dari sudu turbin angin. Data hasil simulasi CFD 2D pada airfoil NACA

4412 cukup memenuhi dan sesuai dengan kondisi aktualnya dimana nilai eror yang

diperoleh kurang dari 10 % untuk simulasi 2D. Titik kritis dari koefisien lift terjadi

pada airfoil dengan sudut 16o dimana indikasi terjadinya kondisi stall akan terjadi

jika sudut serang terus dinaikan, dan nilai koefisien drag terkecil didapatkan pada

sudut serang -4o. Nilai glide ratio terbesar terjadi pada sudut serang 0o yaitu sebesar

36,585. Pada chord 1 m terlihat mengalami stall pada sudut serang 18o sedangkan

pada chord 0.65 m dan chord 0,3 m belum mengalami stall hingga sudut 20o.

Kata kunci : Airfoil, NACA 4412, CFD.

Page 3: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

ABSTRACT

SIMULATION AIRFOIL PERFORMANCE NACA 4412 WIND

TURBINE OF VARIATION CHORD LENGTH AND ANGLE

OFATTACK USING CFD SOFTWARE

BY

RIZKY AGUS MAULANA

Research on wind turbines is growing rapidly in recent years. The efficiency and

performance of wind turbines depend on the design and shape of the wind turbine

blade itself. Model creation with all variations of wind turbines will cost a

considerable amount of time while the results cannot be determined for sure. The

use of CFD Software as a tool for researching wind turbines makes it possible to

obtain design objectives without having to create the actual model.

The purpose of this study is to determine the influence of long variations of the

chord and angle of attack against the performance of the wind turbine by simulting

it with the use of CFD software. An aerodynamic simulation of the airfoil used in

the wind turbine substation is performed to determine the aerodynamic

characteristics of the airfoil used. NACA airfoil 4412 is used as the base form of

the wind turbine blade. The 2D CFD simulation Data on the NACA 4412 airfoil is

quite fulfilling and in accordance with the actual conditions where the error value

is obtained less than 10% for the 2D simulation. The critical point of the lift

coefficient occurs in an airfoil with angle of attack 16o where a stall condition

indication occurs if the angle of attack is continuously adjusted, and the smallest

coefficient of drag is obtained at an angle of attack -4o. The biggest glide ratio

occurred at 0o attack angle of 36.585. On the 1 m chord is seen experiencing stall

at an angle of attack 18o while the chord is 0.65 m and a chord of 0.3 m has not

experienced stall until 20o angle.

Keywords: Airfoil, NACA 4412, CFD.

Page 4: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN

ANGIN NACA 4412 TERHADAP VARIASI PANJANG

CHORD DAN SUDUT SERANG MENGGUNAKAN

SOFTWARE CFD

Oleh

Rizky Agus Maulana

Skripsi

Sebagai Salah Satu Syarat Mencapai Gelar

SARJANA TEKNIK

Pada

Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Lampung

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDAR LAMPUNG

2019

Page 5: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat
Page 6: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat
Page 7: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat
Page 8: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Kotabumi, Kabupaten Lampung

Utara pada tanggal 14 Agustus 1996. Yang merupkan

anak dari pasangan Bapak Ali Udin dan Ibu Sumarti yang

merupakan anak tiga dari tiga bersaudara. Penulis

menyelesaikan pendidikan Sekolah Dasar di SDN 1

Bandar Sakti pada tahun 2008, menyelesaikan pendidikan

Sekolah Menengah Pertama di SMPN 2 Tumijajar pada

tahun 2011, menyelesaikan pendidikan Sekolah

Menengah Atas di SMAN 1 Tumijajar pada tahun 2014, kemudian menjutkan

pendidikan sebagai Mahasiswa Teknik Mesin Universitas Lampung pada tahun

2014 melalui jalur SNMPTN.

Selama menjadi mahasiswa penulis aktif dalam Himpunan Mahasiswa Teknik

Mesin Universitas Lampung (HIMATEM UNILA). Pada bidang akademik, penulis

melakuan Kerja Praktik (KP) di PT PLN (Persero) Sektor Pengendalian

Pembangkitan Bandar Lampung PL-Tanjung-Karang/PLTD/G Tarahan.

Selanjutnya pada tahun 2019 penulis menulis skripsi dengan judul “Simulasi

Performansi Airofoil Turbin Angin NACA 4412 Terhadap Variasi Panjang Chord

Dan Sudut Serang Menggunakan Software CFD” dengan bimbingan Bapak Agus

Sugiri S.T., M.T. dan Bapak M.Dyan Susila ES,S.T.,M.Eng.

Bandar Lampung, 10 September 2019

Rizky Agus Maulana

Page 9: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

MOTTO

“ Sesungguhnya Allah tidak akan merubah keadaan suatu kaum sehingga mereka

merubah keadaan yang ada pada diri mereka sendiri “ (QS. Ar Ra’d :11 ).

“ Dan bahwanya seorang manusia tiada memperoleh selain apa yang telah

diusahakannya” (An Najm :39 ).

“ Barangsiapa yang mempelajari ilmu pengetahuan yang seharusnya yang

ditunjukkan untuk mencari ridho Allah bahkan hanya untuk mendapatkan

kedudukan?kekayaan duniawi ia tidak akan mendapatkan baunya surga nanti

pada hari kiamat.

( riwayat Abu Hurairah radhiallahu anhu).

Page 10: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

i

SANWACANA

Assalamualaikum Wr. Wb,

Allhamdulillahirobbil alamin, Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah

S.W.T, Atas segala nikmat dan karuniaNya sehingga penulis dapat melaksanakan

serta menyelesaikan skripsi dengan judul “Simulasi Performansi Airofoil Turbin

Angin NACA 4412 Terhadap Variasi Panjang Chord Dan Sudut Serang

Menggunakan Software CFD” Shalawat serta salam senantiasa tercurahkan

kepada junjungan kita nabi besar Muhammad S.A.W. Dalam kesempatan ini,

mengucapkan terimakasih sebesar-besarnya kepada seluruh pihak yang telah

banyak membantu dalam menyelesaikan penelitian tugas akhir ini:

1. Allah S.W.T yang telah memberikan kelancaran, kesehatan dan nikmat yang

tiada duanya.

2. Orang tua tercinta bapak Aliudin dan ibu Sumarti dan kedua kakak Alvi dan

Rina yang senantiasa memberikan motivasi dan doa kepada penulis.

3. Bapak Prof. Drs. Suharno, Msc., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik

Universitas Lampung.

4. Bapak Ahmad Su’udi, S.T., M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin

Universitas Lampung.

5. Bapak Agus Sugiri S.T., M.Eng. sebagai Dosen Pembimbing I yang telah

meluangkan waktu dan pemikiran untuk membimbing penulis dalam

penyelesaian skripsi ini.

Page 11: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

ii

6. Bapak M.Dyan Susila ES,S.T.,M.Eng. sebagai Dosen Pembimbing II yang telah

meluangkan waktu dan pemikiran untuk membimbing penulis dalam

penyelesaian skripsi ini.

7. Bapak Ir. Herry Wardono, M.Sc.,IPM sebagai Dosen Penguji yang telah memberikan

pengarahan dan masukan bagi penulis dalan menyelesaikan skripsi ini.

8. Bapak dan Ibu Dosen Jurusan Teknik Mesin yang telah memberikan banyak

pengetahuan dalam proses perkuliahan maupun diluar proses perkuliahan.

9. Seluruh Teknisi Lab Terpadu Teknik Mesin Universitas Lampung, terutama

Pak Sugiman selaku Teknisi Lab Fluida.

10. Teman-teman Kurang Piknik Anuk, Abbid, Rofik, Daud, Izqho, Budi, Bima

dan Teman seperjuangan penelitian Gian yang telah berbagi ilmu dan

pengalaman dalam menyelesaikan skripsi ini.

11. Yang terkasih Rini Agustina yang selalu ada dan memberikan semangat dalam

menyelesaikan skripsi ini.

12. Keluarga besar Teknik Mesin Universitas Lampung khususnya angkatan 2014,

yang telah memberikan dukungan dan semangatnya.

Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penulisan skripsi ini, Tetapi

besar harapan semoga skripsi ini bermanfaat bagi kita semua.

Bandar Lampunng, 10 September 2019

Penulis

Rizky Agus Maulana

NPM. 14150021077

Page 12: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

DAFTAR ISI

Halaman

SANWACANA.............................................................................................. i

DAFTAR ISI ................................................................................................. iii

DAFTAR GAMBAR .................................................................................... vii

DAFTAR TABEL ......................................................................................... ix

DAFTAR NOTASI . ....................................................................................... x

I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang .....................................................................................

B. Tujuan Penelitian ................................................................................... 2

C. Batasan Masalah ................................................................................... 3

D. Sistematika Penulisan ........................................................................... 3

II. TINJAUAN PUSTAKA

A. Sejarah Perkembangan Turbin Angin….............................................. 5

A. Turbin Angin....................................................................................... 7

1. Turbin Angin Sumbu Horisontal......................................................... 9

2. Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)........................................ 12

a. Turbin angin Darrieus............................................................... 13

b. Turbin angin Savonius............................................................ 16

c. Turbin angin musgrove................................................................ 1

1

4

5

5

7

12

14

16

17

18

18

19

Page 13: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

iv

B. Hukum Betz’s........................................................................................ 19

C. Tip Speed Ratio....................................................................................... 20

D. Solidity................................................................................................... 21

E. Airofoil.................................................................................................... 22

F. Computational Fluid Dynamics (CFD)................................................. 24

1. Tahapan-tahapan Simulasi CFD................................................... 25

a. Pre-processing............................................................................ 27

b. Solving....................................................................................... 27

c. Post-processing........................................................................... 28

2. Fluent............................................................................................ 31

III. METODOLOGI PENELITIAN……………………...………............. 36

A. Waktu dan Tempat Pelaksanaan................................................... 29

B. Variabel Penelitian........................................................................... 30

1. Variabel terikat ................................................................................

2. Variabel bebas ..........................................................................

C. Urutan Proses Analisa……...........................................................

1. Pengumpulan Data Awal..........................................................

2. Studi Literatur..........................................................................

3. Simulasi dengan Secara CFD...................................................

4. Pembahasan Hasil....................................................................

5. Penarikan Kesimpulan...........................................................

36

37

37

37

37

39

39

39

42

40

25

26

27

27

27

27

28

28

28

28

29

29

29

29

30

30

30

Page 14: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

v

D. Alat dan Bahan..............................................................................

1. Komputer..................................................................................

2. Software....................................................................................

E. Langkah-langkah Pengujian ............................................................

1. Pemodelan geometri airofoil secara 2D.......................................

a. Input koordinat geometri airfoil............................................

b. Pembentukan geometri airfoil.............................................

2. Simulasi Airfoil 2D...................................................................

a. Pembentukan Mesh..............................................................

b. Penentuan Boundary Condition..........................................

c. Melakukan Iterasi..................................................................

d. Melakukan Post Processing...............................................

F. Diagram Alir .......................................................................................

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN.....................................................................

A. Hasil Simulasi Airfoil 2D.........................................................................

1. Pengaruh Variasi Sudut Serang Airfoil NACA 4412.................

a. Koefisien lift pada variasi sudut serang..........................................

b. Koefisien drag pada variasi sudut serang............................................

c. Koefisien rasio glide pada variasi sudut serang..................................

2. Pengaruh Variasi Panjang Chord Airfoil NACA 4412...............

a. Koefisien lift pada variasi panjang chord....................................

b. Koefisien drag pada variasi panjang chord...............................

30

30

31

31

31

32

33

34

35

36

37

37

38

40

40

41

42

43

44

47

48

49

Page 15: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

vi

B. Perbandingan Hasil Simulasi Dengan Hasil Eksperimen................

1. Perbandingan Koefisien Lift Simulasi Dengan Eksperimen.............

2. Perbandingan Koefisien Drag Simulasi Dengan Eksperimen.............

3. Perbandingan Rasio Glide Simulasi Dengan Eksperimen.................

V. PENUTUP..................................................................................................

A. Simpulan...................................................................................................

B. Saran..........................................................................................................

DAFTAR PUSTAKA.......................................................................................

LAMPIRAN..........................................................................................................

49

50

51

52

53

53

54

55

58

Page 16: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

vii

DAFTAR GAMBAR

Gambar Halaman

1. Negara yang telah memanfaatkan turbin angin sebagai pembangkit........... 10

2. Total kapasitas turbin angin yang sudah terpasang di dunia ....................... 11

3. Energi yang dihasilkan PLN ........................................................................ 11

4. Aliran angin yang terjadi di Indonesia ......................................................... 12

5. Bagian-bagian dari Turbin Angin sumbu horizontal................................... 13

6. Turbin angin sumbu horisontal .................................................................... 14

7. Sudu tunggal, dua sudu, tiga sudu dan sudu banyak ................................... 15

8. Turbin angin upwind dan downwind ............................................................ 16

9. Turbin angin sumbu vertikal.........................................................................16

10. Prinsip kerja turbin angin savonius .............................................................. 18

11. Prinsip kerja turbin angin savonius…...........................................................19

12. Variasi cp sesudah dan sebelum melewati turbin angin…...........................20

13. Parameter penting airofoil ........................................................................... 22

14. Airofoil lift dan drag .................................................................................... 23

15. Efek angle of attack terhadap koefisien lift…..............................................24

16. Geometri airfoil NACA 4412 ...................................................................... 32

17. Koordinat aerofoil yang sudah diubah ........................................................ 33

Page 17: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

viii

18. Menginput koordinat aerofoil ke design modeler....................................... 34

19. Geometri aerofoil dan lingkungannya ......................................................... 34

20. Tampilan mesh dan lingkunganya yang telah dibuat di Ansys Fluent ........ 35

21. Tampilan mesh pada airofoil yang dibuat di Ansys Fluent ........................ 36

22. Boundary condition ..................................................................................... 36

23. Proses iterasi ................................................................................................ 37

24. Kontur kecepatan ......................................................................................... 37

25. Diagram alir penelitian ................................................................................ 38

26. Diagram alir simulasi .................................................................................. 39

27. Grafik α vs CL ............................................................................................. 42

28. Grafik α vs CD ............................................................................................. 43

29. Grafik α vs CL/CD ........................................................................................ 44

30. Vektor Kecepatan untuk α = 0o ................................................................... 45

31. Kontur Kecepatan untuk α = 0o ................................................................... 45

32. Kontur tekanan untuk α = 0o ....................................................................... 46

33. Grafik Nilai CL pada Variasi Chord dan Sudut Serang ............................. 48

34. Grafik Nilai CD pada Variasi Chord dan Sudut serang............................... 49

35. Grafik Perbandingan Nilai CL Eksperimen dan Simulasi .......................... 51

36. Grafik Perbandingan Nilai CD Eksperimen dan Simulasi ........................... 51

37. Grafik Perbandingan Rasio Glide Eksperimen dan Simulasi ..................... 52

Page 18: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

9

DAFTAR TABEL

Tabel Halaman

1. Parameter Airfoil Simulasi ....................................................................... 40

2. Hasil Simulasi Variasi Sudut Serang ........................................................ 42

3. Hasil Simulasi Panjang Chord……….......................................................

4. Perbandingan Hasil Simulasi Dengan Hasil Eksperimen..................................

40

41

47

50

Page 19: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

10

DAFTAR NOTASI

1. D = Diameter turbin

2. v = Kecepatan angin

3. n = Putaran turbin

4. σ = Solidity turbin angin

5. N = Jumlah sudu

6. c = Panjang chord

7. R = Jari jari turbin angin

8. FL = Gaya Lift

9. CL = Koefisien lift

10. ρ = Massa jenis

11. A = Luas sudu

12. FD = Gaya Drag

13. CD = Koefisien drag

14. Re = Bilangan reynold

15. 𝛾 = viskositas

16. α = Sudut serang

17. TSR = Tip Speed Ratio

18. Cp = Koefisien Daya

(m)

(m/s)

(rpm)

-

-

(m)

(m)

(N)

-

(kg/m3)

(m2)

(N)

-

-

(kg/m.s)

( 0 )

-

-

Page 20: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

11

I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Meningkatnya keprihatinan atas pemanasan global, polusi lingkungan, dan

keamanan energi telah meningkatkan minat mengembangkan sumber-sumber

energi terbarukan dan ramah seperti angin, tenaga surya, pembangkit listrik

tenaga air, panas bumi, hidrogen, dan biomassa sebagai pengganti bahan bakar

fosil. Sebagai masalah yang terus meningkat selama ketersediaan sumber daya,

harga energi, dampak lingkungan, dan pertumbuhan populasi di seluruh dunia,

produksi energi terbarukan saat ini menjadi penting dalam mempertahankan

kebutuhan energi dan memenuhi kebutuhan masa depan. Energi angin menjadi

salah satu sumber energi yang paling efektif dalam biaya produksi energi

terbarukan. Energi angin dapat memberikan solusi yang sesuai untuk krisis

energi dan perubahan iklim global (Dhawale, 2017).

Dengan lebih lanjut melakukan diversifikasi pasokan energi, energi angin secara

dramatis mengurangi ketergantungan bahan bakar fosil sehingga memperkuat

keamanan energi global. Selama tiga dekade terakhir, pertumbuhan yang luar

biasa dalam tenaga angin telah terlihat oleh seluruh dunia (Wagner, 2017).

Page 21: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

2

Energi angin memiliki sejumlah manfaat dan keuntungan, tenaga angin

merupakan sumber energi bersih dan ramah lingkungan. Sebagai sumber energi

yang tak habis-habisnya dan gratis, energi ini tersedia dan berlimpah di sebagian

besar wilayah bumi. Selain itu, dalam penggunaan tenaga angin akan membantu

mengurangi ketergantungan terhadap bahan bakar fosil dan juga biaya per kWh

tenaga angin juga jauh lebih rendah daripada tenaga surya. (Schubel, 2012)

Desain turbin terus berevolusi dan produsen berusaha mengurangi biaya dan

meningkatkan hasil melalui inovasi ilmiah. Rentang sudu meningkat seiring

dengan permintaan energi yang meningkat, dan desain yang mampu

menghasilkan daya yang sangat besar dimungkinkan pada tahun 2020. Sudah

banyak pengembangan jenis baru turbin angin untuk menghasilkan listrik dari

energi angin. Kecepatan rotasi sudu turbin angin dapat ditingkatkan karena

kemudi airfoil. Efek dari turbulensi memainkan peran penting pada kinerja

turbin angin. Perkembangan terakhir telah terlihat sudu turbin dengan ujung

trailing yang lebih tipis dan ujung sudu aerodinamis untuk mengurangi dampak

kebisingan dan mendapatkan efisiensi yang lebih tinggi (Jamieson, 2011).

Tris Sugiarto (2008) melakukan penelitian menggunakan Wind Tunnel dengan

judul “Analisa Karakteristik Airfoil NACA 4412 Dengan Metode Wind

Tunnel”. Dari hasil penelitian tersebut didapatkan nilai lift dan drag akan

semakin besar seiring dengan kenaikan sudut serang. Tetapi, pada sudut serang

tertentu lift yang dihasilkan akan hilang. Kejadian itu disebut dengan stall.

Page 22: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

3

Gema Pandji Erlangga (2017) melakukan penelitian menggunakan Wind Tunnel

dengan judul “Studi Eksperimental Karakteristik Aerodinamik Airfoil NACA

4412 Dengan Variasi Kecepatan Aliran Udara”. Dari hasil penelitian tersebut

didapatkan kecepatan aliran udara dan sudut serang mempunyai pengaruh pada

gaya lift dan gaya drag dari airfoil. semakin besar kecepatan udara maka gaya

lift dan gaya drag yang dialami oleh airfoil semakin besar. Begitu juga untuk

sudut serang, semakin besar sudut serang maka gaya lift dan gaya drag semakin

besar. Tetapi untuk sudut serang jika terlalu besar maka airfoil akan kehilangan

gaya angkat atau mengalami stall.

Wisnu Ramadika dan Rosyida Permatasari (2018) melakukan penelitian yang

berjudul ”Pengaruh Panjang Chord Terhadap Nilai Koefisien Gaya Angkat (CL)

Dan Koefisien Gaya Hambat (CD) Pada Variasi Sudut Serang Hydrofoil Naca

0018 Menggunakan Computational Fluid Dynamics”. Dari hasil penelitian

tersebut didapatkan nilai CD dari masing-masing chord mengalami pergerakan

naik terhadap kenaikan sudut serang pada airfoil yang simetris.

Hasil dari berbagai eksperimen telah banyak digunakan untuk merancang

berbagai tipe turbin angin. Namun pengujian dengan menggunakan Wind Tunnel

membutuhkan seperangkat peralatan dan membutuhkan biaya yang cukup

mahal. Dengan bantuan software Computational Fluid Dynamics (CFD), para

peneliti dapat menganalisis dan merancang turbin angin yang lebih baik dan

lebih murah dari segi biaya perancangan. Perancangan dengan menggunakan

Page 23: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

4

software CFD merupakan tolak ukur sebagai perkiraan dalam merancang dan

membuat turbin angin yang sebenarnya (Castillo, 2011).

Oleh karena itu, hal yang menjadi pembahasan pada penelitian ini adalah untuk

menganalisis desain airfoil turbin angin dengan menggunkan model dua dimensi

dari National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) 4412, dengan

variasi panjang chord sudu dan sudut serang turbin angin dengan menggunakan

bantuan perangkat lunak CFD.

B. Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penelitian ini antara lain adalah :

1. Mendapatkan nilai koefisien lift, koefisien drag, serta perbandingan

koefisien lift dengan koefisien drag (glide ratio) yang paling maksimal pada

variasi sudut serang untuk airfoil NACA 4412.

2. Mengetahui pengaruh variasi panjang chord pada sudut serang tertentu

terhadap karakteristik aerodinamik airfoil NACA 4412.

3. Validasi dengan cara membandingkan data karakteristik aerodinamika hasil

analisa simulasi dengan nilai data hasil eksperimen Robert M. Pinkertons

yang berjudul “The Variation with Reynolds Number of Pressure

Distribution Over an Airfoil Section report No.613” yang menyajikan hasil

penelitian secara eksperimen dengan menggunakan terowongan angin untuk

airfoil tipe NACA 4412.

Page 24: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

5

C. Batasan Masalah

Adapun batasan masalah dari penulisan laporan kerja praktik ini adalah :

1. Airofoil yang akan dianalisis adalah tipe NACA 4412 untuk mendapatkan

koefisien lift, koefisien drag dimana analisis dilakukan secara 2D.

2. Simulasi dilakukan secara numerik dengan bantuan software Computational

Fluid Dynamic dimana pembentukan geometri dilakukan dengan bantuan

preprocessor Design Modeler dan analisis fluidanya dengan menggunakan

Fluent dan Ansys Workbench.

3. Dalam tugas akhir ini tidak dibahas proses perancangan dari turbin angin.

D. Sistematika Penulisan

Adapun sistematika penulisan dalam penyusunan laporan kerja praktik ini

adalah sebagai berikut :

BAB I. PENDAHULUAN

Bab ini membahas tentang latar belakang, tujuan, batasan masalah dan

sistemtika penulisan.

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini menjelaskan tentang teori-teori yang mendukung pada penelitian.

BAB III. METODOLOGI PENELITIAN

Bab ini berisikan tentang hal-hal yang berkaitan dengan pelaksanaan penelitian,

yaitu tempat penelitian, alat dan bahan penelitian dan prosedur penelitian.

Page 25: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

6

BAB VI. HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini berisikan data-data dan hasil simulasi serta pembahasan dari hasil

simulasi tersebut.

BAB V. PENUTUP

Berisikan simpulan yang didapat dari pembahasan hasil simulasi, serta saran

tentang studi kasus yang diambil.

DAFTAR PUSTAKA

Memuat literatur yang menunjang penyusunan penelitian ini.

LAMPIRAN

Memuat segala sesuatu yang berhubungan dengan materi yang dibahas sebagai

pelengkap laporan.

Page 26: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

7

II. TINJAUAN PUSTAKA

G. Sejarah Perkembangan Turbin Angin

Kincir angin telah digunakan selama setidaknya 3000 tahun, terutama untuk

menggiling biji-bijian atau memompa air, sementara di kapal layar angin telah

menjadi sumber tenaga penting bahkan lebih lama. Dari sejak abad ketiga belas,

kincir angin sumbu horisontal merupakan bagian integral dari ekonomi

pedesaan dan mulai tidak digunakan dengan munculnya mesin berbahan bakar

fosil murah dan kemudian penyebaran listrik dipedesaan.

Penggunaan kincir angin (atau turbin angin) untuk menghasilkan listrik dapat

ditelusuri kembali ke akhir abad kesembilan belas dengan generator kincir

angin DC 12 kW yang dibangun oleh Brush di Amerika Serikat dan penelitian

yang dilakukan oleh LaCour di Denmark. Namun, untuk sebagian besar abad

kedua puluh sedikit minat dalam menggunakan energi angin selain dari

pengisian baterai untuk tempat tinggal yang jauh dan sistem berdaya rendah ini

dengan cepat diganti setelah akses ke jaringan listrik menjadi tersedia. Namun

pada awal tahun 1950 Andrea Field menemukan sebuah desain turbin angin

yang menghasilkan 100 kW berdiameter 24m pneumatik di Inggris.

Page 27: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

8

Dalam sudu berongga turbin ini, yang terbuka di ujungnya, digunakan untuk

menarik udara melalui menara tempat turbin lain menggerakkan generator. Di

Denmark, mesin Gedser berdiameter 200 kW 24 m dibangun pada tahun 1956,

sedangkan Electriciteʻ de France menguji turbin berdiameter 1,1 MW 35 m

pada tahun 1963. Di Jerman, Profesor Hutter membangun sejumlah turbin

ringan dan inovatif di tahun 1950-an dan 1960-an. Terlepas dari kemajuan

teknis dan antusiasme ini, antara lain, dari Golding di Asosiasi Riset Listrik di

Inggris, hanya ada sedikit minat berkelanjutan pada pembangkit listrik tenaga

angin hingga harga minyak naik secara dramatis pada tahun 1973. Dorongan

untuk pengembangan energi angin pada tahun 1973 adalah karna kekhawatiran

harga minyak dan akan sumber daya bahan bakar fosil yang terbatas. Sekarang,

tentu saja, pendorong utama untuk menggunakan turbin angin adalah untuk

menghasilkan tenaga listrik dengan emisi CO2 yang sangat rendah (selama

siklus hidup pembuatan, instalasi, operasi, dan penonaktifan).

Energi angin diidentifikasi memiliki peran kunci untuk digunakan untuk

pasokan energi terbarukan dengan peningkatan kapasitas turbin angin terpasang

dari 2,5 GW pada tahun 1995 menjadi 40 GW pada tahun 2010. Target ini

kemungkinan akan tercapai karena pada saat penulisan, Januari 2001, ada

sekitar 12 GW angin terpasang kapasitas turbin di Eropa, 2,5 GW yang

dibangun pada tahun 2000 dibandingkan dengan hanya 300 MW pada tahun

1993. Tingkat pertumbuhan tahunan rata-rata pemasangan turbin angin di Eropa

dari tahun 1993–1999 adalah sekitar 40 persen.

Page 28: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

9

Alasan pengembangan energi angin di beberapa negara berkembang pesat

sementara di negara lain tidak memenuhi potensi untuk dilakukan

pengembangan. Faktor-faktor penting termasuk mekanisme dukungan finansial

untuk listrik yang dihasilkan oleh angin, proses di mana otoritas perencanaan

lokal tidak memberikan izin untuk pembangunan area turbin angin, dan persepsi

masyarakat lokal khususnya sehubungan dengan dampak visual dari daerahnya.

Untuk mengatasi kekhawatiran penduduk pedesaan akan dampak lingkungan

dari ladang angin, sekarang ada minat untuk pengembangan turbin angin

dilokasi lepas pantai. Penggunaan energi angin di Indonesia sendiri belum

maksimal. Hal ini disebabkan oleh beberapa faktor. Salah satu faktornya adalah

kecepatan angin rata rata yang ada di Indonesia tergolong rendah yaitu lebih

kecil dari 10 m/s.

Penggunaan energi di masa yang akan datang akan terus bertambah sesuai

dengan meningkatnya jumlah penduduk dan meningkatnya kegiatan ekonomi

di Indonesia. Untuk itulah dibutuhkan penelitian lebih lanjut agar energi angin

ini dapat dimanfaatkan dengan maksimal. Sebagai perbandingan, berikut ini

ditunjukkan negara negara yang telah memanfaatkan energi angin untuk

membangkitkan listrik.

Page 29: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

10

Gambar 1. Negara yang telah memanfaatkan turbin angin sebagai pembangkit

(Global wind statistic, 2017)

Pada gambar 1 dapat terlihat beberapa negara yang sudah memanfaatkan turbin

angin sebagai pembagkit, dimana indonesia sendiri belum bisa masuk didalam

jajaran sepuluh besar, sementara pemanfaatan energi angin sebagai pembangkit

listrik di dunia terus meningkat dari tahun ke tahun. Hal ini karena angin

merupakan sumber energi yang masih sangat besar dan belum dimanfaatkan

secara maksimal. Gambar 2 menunjukkan peningkatan jumlah kapasitas listrik

yang dibangkitkan oleh turbin angin.

Page 30: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

11

Gambar 2. Total kapasitas turbin angin yang sudah terpasang di dunia

(Global wind statistic, 2017)

Menurut data yang diambil dari laporan tahunan PLN pada tahun 2017, PLN

masih sangat tergantung kepada pemakaian BBM sebagai sumber bahan bakar

untuk penghasil listriknya. Dari semua pembangkit terpasang yang dimiliki

PLN, energi yang dihasilkan oleh energi angin cukup kecil (Energi Bayu).

Berikut ini ditampilkan pembangkit listrik yang dimiliki oleh PLN.

Gambar 3. Energi yang dihasilkan PLN

(Statistik PLN, 2017)

Dari gambar 3 terlihat bahwa angin (bayu) menghasilkan energi yang tidak

besar. Padahal Indonesia memiliki potensi pembangkit energi angin yang belum

dimaksimalkan. Gambar 4 menunjukkan aliran angin yang ada di Indonesia.

Page 31: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

12

Untuk beberapa daerah di Indonesia, angin yang berhembus cukup untuk

dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik.

Gambar 4. Aliran angin yang terjadi di Indonesia

(BMKG, 2019)

H. Turbin Angin

Angin memiliki energi berdasarkan gerakannya. Perangkat apa pun yang

mampu memperlambat massa udara yang bergerak, seperti layar atau baling-

baling, dapat mengekstraksi sebagian energi dan mengubahnya menjadi

pekerjaan yang bermanfaat. Faktor-faktor yang menentukan output dari

konverter energi angin adalah kecepatan angin, penampang angin yang dilalui

oleh rotor, efisiensi konversi keseluruhan rotor, sistem transmisi dan generator

Page 32: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

13

atau pompa. Turbin angin bekerja berdasarkan prinsip konversi energi kinetik

angin menjadi energi mekanik. Kincir angin dapat digunakan untuk menggiling

biji-bijian, mengangkat air, dan menghasilkan listrik. Fokus penelitian ini

adalah pada kincir angin untuk menghasilkan listrik, ini disebut generator turbin

angin. Bagian-bagian dari Turbin Angin sumbu horisontal ditunjukkan pada

Gambar 5.

Gambar 5. Bagian-bagian dari Turbin Angin sumbu horisontal

(Turbinesinfo, 2011)

Sejak awal teknologi energi angin, mesin dari beberapa jenis dan bentuk

dirancang dan dikembangkan di berbagai belahan dunia. Beberapa di antaranya

adalah desain inovatif yang tidak diterima secara komersial. Meskipun ada

beberapa cara untuk mengategorikan turbin angin, mereka secara luas

diklasifikasikan berdasarkan sumbu rotasi mereka yang antaralain:

Page 33: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

14

3. Turbin Angin Sumbu Horisontal

Turbin angin sumbu horisontal memiliki sumbu rotasi horizontal ke tanah

dan hampir sejajar dengan aliran angin seperti gambar 6. Sebagian besar

turbin angin komersial termasuk dalam kategori ini. Mesin sumbu

horisontal memiliki beberapa keunggulan seperti kecepatan angin cut-in

yang rendah. Secara umum, mereka menunjukkan koefisien daya yang

relatif tinggi. Namun, generator dan gearbox turbin ini harus ditempatkan

di atas menara yang membuat desainnya lebih kompleks dan mahal.

Gambar 6. Turbin angin sumbu horisontal

(Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics, 2010)

Kerugian lain adalah perlunya penggerak ekor atau yaw untuk mengarahkan

turbin ke arah angin. Bergantung pada jumlah sudu, turbin angin sumbu

Page 34: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

15

horizontal diklasifikasikan lebih lanjut sebagai sudu tunggal, dua sudu, tiga

sudu dan sudu banyak, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.

Gambar 7. Sudu tunggal, dua sudu, tiga sudu dan sudu banyak

(Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics, 2010)

Turbin bersudu tunggal lebih murah karena penghematan pada material

sudu. Drag losses juga minimum untuk turbin ini. Namun, untuk

menyeimbangkan bilah, penghitung berat harus ditempatkan berlawanan

dengan hub. Desain bersudu tunggal tidak terlalu populer karena masalah

keseimbangan. Rotor dua sudu juga memiliki kekurangan ini, tetapi pada

tingkat yang lebih rendah. Sebagian besar turbin komersial yang digunakan

untuk pembangkit listrik memiliki tiga sudu.

Turbin angin sumbu horizontal dibedakan juga terhadap datangnya arah

angin terhadap rotor turbin, yaitu:

a. Upwind, apabila turbin angin diletakkan menghadap arah angin.

b. Downwind, apabila turbin angin dihadapkan membelakangi arah angin.

Page 35: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

16

Gambar 8. Turbin angin upwind dan downwind

(Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics, 2010)

4. Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)

Sumbu rotasi turbin angin sumbu vertikal (TASV) adalah vertikal ke tanah

dan hampir tegak lurus dengan arah angin seperti yang terlihat pada Gambar

9. Turbin ini dapat menerima angin dari segala arah. Karenanya perangkat

yaw yang rumit dapat dihilangkan. Generator dan gearbox dari sistem ini

dapat ditempatkan di permukaan tanah, yang membuat desain menara

sederhana dan lebih ekonomis. Apalagi pemeliharaan turbin ini bisa

dilakukan di permukaan tanah.

Gambar 9. Turbin angin sumbu vertikal

(Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics, 2010)

Page 36: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

17

Kerugian utama dari beberapa TASV adalah bahwa mereka biasanya tidak

dapat mulai sendiri. Mekanisme tambahan mungkin diperlukan untuk

mendorong dan memulai turbin setelah dihentikan. Saat rotor

menyelesaikan putarannya, sudu harus melewati zona mati aerodinamis

yang akan menghasilkan penurunan efisiensi sistem. Ada kemungkinan

bahwa sudu dapat beroperasi pada kecepatan tinggi yang akan berbahaya

dan menyebabkan sistem gagal jika tidak dikontrol dengan baik. Beberapa

tipe turbin angin sumbu vertikal dijelaskan sebagai berikut:

d. Turbin angin Darrieus

Rotor Darrieus dinamai penemunya Georges Jeans Darrieus, bekerja

karena gaya angkat yang dihasilkan dari satu set aerofoil . Dalam desain

aslinya sudu berbentuk seperti pengocok telur dan berada di bawah

tekanan murni saat beroperasi. Konfigurasi sudu yang khas ini

membantu meminimalkan tegangan lengkung yang dialami oleh sudu.

Ada beberapa variasi dalam desain Darrieus yang beberapa di antaranya

dengan sudu vertikal lurus, biasa disebut Giromills. Rotor Darrieus

biasanya bekerja pada rasio kecepatan tip tinggi yang membuatnya

menarik sebagai generator listrik tenaga angin. Namun, mereka tidak

memulai sendiri dan memerlukan 'eksitasi' eksternal untuk cut-in. Selain

itu, rotor menghasilkan torsi puncak hanya dua kali per putaran.

Page 37: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

18

e. Turbin angin Savonius

Turbin angin Savonius, ditemukan oleh S.J. Savonius, adalah mesin

sumbu vertikal yang terdiri dari dua sudu setengah silinder (atau elips)

yang tersusun dalam bentuk shape S. Kekuatan pendorong dasar rotor

Savonius adalah drag. Koefisien drag permukaan cekung lebih besar

dari permukaan cembung. Oleh karena itu, setengah silinder dengan sisi

cekung yang menghadap angin akan mengalami gaya drag lebih besar

dari silinder lainnya, sehingga memaksa rotor berputar.

Gambar 10. Prinsip kerja turbin angin savonius

(Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics, 2010)

f. Turbin angin musgrove

Musgrove rotor dikembangkan oleh tim peneliti di bawah Prof.

Musgrove di Universitas Reading, Inggris. Pada dasarnya adalah mesin

lift sumbu vertikal yang memiliki sudu berbentuk 'H' dan poros tengah.

Pada angin kencang, kecepatan rotor berubah menjadi titik horizontal

karena gaya sentrifugal. Ini menghilangkan risiko gaya aerodinamis

Page 38: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

19

yang lebih tinggi pada sudu. Berdasarkan penggerak gaya aerodinamis,

turbin angin diklasifikasikan sebagai mesin drag dan lift.

Gambar 11. Prinsip kerja turbin angin savonius

(Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics, 2010)

I. Hukum Betz’s

Hukum Betz menyatakan bahwa kita hanya dapat mengubah maksimal 59%

energi kinetik dalam angin menjadi energi mekanik menggunakan turbin angin.

Ini karena angin di sisi belakang rotor harus memiliki kecepatan yang cukup

tinggi untuk menjauh dan memungkinkan lebih banyak angin untuk melalui

bidang rotor. Hubungan antara kekuatan PR dan PRmax daya maksimum

diberikan oleh koefisien daya cp.

PR = P1 − P2 = cp ·PRmax (1)

Koefisien daya maksimum ditentukan melalui rasio v2/v1 dan pengaturan

derivasi ke nol.

Page 39: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

20

cpmax = 1627

= 0 .593 (2)

v2 = 1

3 ·v1 atau a =

13 (3)

Oleh karena itu, turbin yang ideal akan memperlambat angin hingga 2/3 dari

kecepatan aslinya (hukum Betz).

Gambar 12. Variasi cp sesudah dan sebelum melewati turbin angin

(Wind Energy Handbook, 2001)

J. Tip Speed Ratio

Tip speed ratio adalah faktor yang sangat penting dalam desain turbin angin,

yang didefinisikan sebagai rasio kecepatan tangensial pada ujung sudu dengan

kecepatan angin aktual.

𝑇𝑆𝑅 = 𝜋∙𝐷∙𝑛

𝜐 (4)

Page 40: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

21

dimana,

D = diameter turbin (m)

v = kecepatan angin (m/s)

n = putaran turbin (rpm)

Jika kecepatan sudut sudu ω terlalu kecil, sebagian besar angin mungkin lewat

tanpa gangguan melewati sudu, area yang tersapu sudu membuat sedikit kerja

yang berguna pada sudu. Sebaliknya, jika ω terlalu besar, sudu berputar cepat

dapat menghalangi aliran angin sehingga mengurangi ekstraksi daya. Setiap

desain rotor memiliki Tip speed ratio yang optimal di mana ekstraksi daya

maksimum dapat dicapai (Castillo, 2011).

K. Solidity

Solidity σ didefinisikan sebagai rasio antara area sudu total dan area turbin yang

diproyeksikan (Tullis, 2008). Ini adalah parameter non-dimensi penting yang

memengaruhi kemampuan self-starting. Besarnya nilai solidity dapat dihitung

dari persamaan berikut ini:

𝜎 =𝑁∙𝑐

2∙𝜋∙ 𝑟 (5)

dimana :

σ = solidity turbin angin

N = jumlah sudu

c = panjang sudu (m)

R = jari jari turbin angin (m)

Page 41: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

22

Solidity menentukan kapan asumsi model momentum dapat diterapkan, dan

hanya ketika menggunakan σ ≥ 0,4 self-starting turbin dapat dicapai (Tong,

2010).

L. Airofoil

Airofoil merupakan penampang sayap pesawat terbang. Airofoil digunakan

untuk mendapatkan gaya lift yang besar sehingga pesawat mampu untuk

terbang. Untuk ekstraksi energi yang efisien, sudu turbin angin modern dibuat

dengan bagian airfoil. Fitur utama dari airfoil tersebut ditunjukkan pada

Gambar 12. Airofoil yang digunakan untuk turbin angin adalah foil udara

penerbangan di bawah seri NACA (National Advisory Committee for

Aeronautics). NACA menentukan fitur airfoil dengan angka. Sebagai contoh,

dalam spesifikasi empat digit, angka pertama menunjukkan camber maksimum

Airofoil pada garis chord (dalam persen chord), angka kedua memberikan

lokasi titik camber maksimum dari tepi depan dan angka ketiga dan keempat

menunjukkan ketebalan maksimum.

Gambar 13. Parameter penting airofoil

(Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics, 2010)

Page 42: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

23

Dengan demikian foil udara NACA 2415 memiliki camber maksimum 2 persen,

terletak pada 0,4 kali panjang chord dari tepi depan dan ketebalan maksimum

adalah 15 persen dari chord. Ketika airofoil ditempatkan dalam aliran angin,

udara melewati permukaan atas dan bawah sudu. Karena kelengkungan sudu

yang khas, udara yang melewati sisi atas harus menempuh jarak yang lebih jauh

per satuan waktu daripada yang melewati sisi yang lebih rendah. Dengan

demikian partikel udara di lapisan atas bergerak lebih cepat. Menurut teorema

Bernoulli, ini harusnya membuat daerah bertekanan rendah pada bagian atas

airofoil. Perbedaan tekanan antara permukaan atas dan bawah dari airofoil akan

menghasilkan gaya (F). Komponen gaya ini tegak lurus dengan arah aliran tidak

terganggu yang disebut gaya lift (L) ditunjukkan gambar 13. Gaya ke arah aliran

yang tidak terganggu disebut gaya drag (D).

Gambar 14. Aerofoil lift dan drag

(Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics, 2010)

Persamaan gaya lift dapat dirumuskan sebagai berikut:

𝐿 = 𝐶𝐿 ∙1

2∙ 𝜌𝑎 ∙ 𝐴 ∙ 𝑉2 (6)

Page 43: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

24

Persamaan gaya drag dapat dirumuskan sebagai berikut:

𝐷 = 𝐶𝐷 ∙1

2∙ 𝜌𝑎 ∙ 𝐴 ∙ 𝑉2 (7)

dimana CL adalah koefisien lift, CD adalah koefisien gaya drag, ρ adalah massa

jenis udara, V adalah kecepatan angin relative, A adalah luas sudu.

Gambar 15. Efek angle of attack terhadap koefisien lift

(Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics, 2010)

Sudut antara arah angin yang tidak terganggu dan chord dari Airofoil dikenal

sebagai angle of attack (α). Gaya lift dan drag yang dialami oleh Airofoil

dipengaruhi oleh α. Gambar 14 mengilustrasikan efek sudut serang pada

koefisien lift Airofoil. Pada angle of attack yang lebih rendah, gaya lift

meningkat dengan α. Faktor lain yang mempengaruhi gaya angkat dan seret

yang dikembangkan oleh airfoil adalah angka Reynolds. Angka Reynolds

adalah rasio antara gaya gravitasi dan gaya viskos.

𝑅𝑒=𝑉∙𝐶

𝛾 (8)

Page 44: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

25

di mana V adalah kecepatan aliran, C adalah panjang chord dan 𝛾 adalah

viskositas kinematik fluida. Untuk udara, viskositas kinematik pada 20o C

adalah 15x10-6 m2/s. Sebagai contoh, ketika airfoil chord 0,33 m ditempatkan

dalam aliran 7 m/s, Re dari aliran adalah 1,54x105. Namun, dalam banyak

perhitungan awal, efek Re dapat diabaikan karena hanya memiliki efek kecil

pada karakteristik lift-drag.

M. Computational Fluid Dynamics (CFD)

Computational fluid dynamics atau yang sekarang lebih dikenal sebagai CFD

adalah sekumpulan metodologi yang menggunakan komputer untuk melakukan

simulasi numerik aliran fluida. Kata ’simulasi’ di sini mengindikasikan bahwa

kita menggunakan komputer untuk menyelesaikan sekumpulan hukum (atau

persamaan-persamaan fisis) yang mengatur peristiwa pergerakan fluida di mana

geometrinya telah dimodelkan pula oleh komputer. Dengan CFD, dapat

dibangun prototipe, dianalisa, dievaluasi, serta dioptimasi suatu sistem semisal

blok mesin, pesawat terbang, terowongan angin, sistem perpipaan, dan lain

sebagainya.

Penggunaan CFD di dunia industri relatif baru, pertama kali digunakan sekitar

tahun 1960an pada industri penerbangan. Karena kesuksesan CFD di industri

penerbangan semenjak pertama kali digunakan, CFD secara cepat menjadi

komponen vital di dalam dunia industri khususnya desain produk, manufaktur,

proses, evaluasi, serta optimasi; sejak itu pula CFD digunakan tidak hanya

Page 45: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

26

diindustri penerbangan. Karena tersedianya komputer dan tampilan yang ramah

pengguna (user-friendy interfaces), CFD secara luas memasuki komunitas

industri pada tahun 1990an dan tetap dikembangkan serta digunakan sampai

saat ini.

Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran

fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena aliran lainnya dengan

menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika). Pada

dasarnya, persamaan-persamaan fisis yang mengatur peristiwa aliran fluida

(fluid flow governing equations) adalah persamaan-persamaan diferensial yang

merepresentasikan hukum-hukum kekekalan massa, momentum, dan energi.

Penggunaan CFD sangatlah luas, tidak terbatas pada industri penerbangan saja

CFD juga dapat memberikan pemahaman yang lebih lengkap tentang sifat

aliran fluida.

3. Tahapan-tahapan Simulasi CFD

Pada umumnya, ketika melakukan simulasi dengan CFD, ada tiga tahapan

yang harus dilalui:

a. Pre-processing. Pre-processing adalah tahapan pertama dalam memba

ngun dan menganalisis model CFD. Pada tahapan ini, dilakukan

pembuatan model geometri dengan paket CAD (Computer Aided

Design), membuat mesh atau grid yang sesuai, dan menerapkan kondisi

batas dan sifat-sifat fluidanya.

Page 46: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

27

b. Solving. Inti dari perhitungan solusi simulasi ada pada tahap solving.

Pada tahap ini, solusi dihitung berdasarkan kondisi-kondisi yang

diterapkan pada tahap pre-processing.

c. Post-processing. Post-processing adalah tahap terakhir dalam CFD.

Pada tahap ini, dilakukan interpretasi dari data hasil simulasi yang dapat

berupa visualisasi kontur, animasi, vektor, kurva, histogram, dan lain

sebagainya.

4. Fluent

Fluent CFD adalah software CFD komersial yang diproduksi oleh Fluent

Inc. Fluent adalah provider software dan penyedia layanan CFD terbesar di

dunia. Fluent menawarkan software CFD yang bersifat general-purpose

untuk dunia industri secara luas. Software Fluent CFD yang disediakan oleh

Fluent Inc. adalah software komputer berbasis teknologi canggih untuk

melakukan modeling dan simulasi aliran fluida dan transfer panas pada

suatu geometri dari yang sederhana hingga yang kompleks. Dengan

menggunakan software Fluent, dapat juga dilakukan komputasi paralel

untuk menghitung solusi dari model dengan mesh yang sangat banyak

dengan menggunakan beberapa prosesor komputer.

Page 47: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

22

III. METODOLOGI PENELITIAN

A. Waktu dan Tempat Pelaksanaan

Pelaksanaan penelitian ini dilakukan digedung H Jurusan Teknik Mesin

Universitas Lampung dan Laboratorium Teknik Mesin Universitas Lampung,

dimulai dari bulan Januari 2019 sampai dengan Agustus 2019.

B. Variabel Penelitian

Pada penelitian ini ditentukan dua buah variable penelitian, yakni variabel

terikat dan variabel bebas, variabel ini digunakan untuk mempermudah dalam

pengambilan kesimpulan.

1. Variabel Terikat

Untuk menyederhanakan permasalahan dalam aliran fluida , maka dalam

penelitian ini di tetapkan variabel terikat yaitu:

a. Sudut serang aerofoil

b. Panjang chord

Page 48: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

29

2. Variabel Bebas

Variable bebas yaitu variable yang mempengaruhi variable terikat. Adapun

yang menjadi variabel bebas dalam penelitian ini yaitu:

a. Koefisien gaya lift

b. Koefisien gaya drag

C. Urutan Proses Analisis

Untuk melakukan perhitungan performansi turbin angin ini maka dibuat urutan

proses agar dalam pengerjaan tugas akhir ini dapat berjalan dengan baik yang

meliputi:

1. Pengumpulan Data Awal

Data data yang dikumpulkan merupakan gambaran umum berupa latar

belakang dan ide yang berhubungan dengan turbin angin. Permasalahan dan

pemecahan masalah yang telah dilakukan para peneliti yang berhasil

dikumpulkan dipelajari untuk menentukan langkah langkah yang dapat

dilakukan. Berdasarkan hal tersebut, penulis menetapkan latar belakang dan

tujuan yang ingin dicapai dari penelitian ini.

2. Studi Literatur

Penulis melakukan studi literatur berupa pengumpulan bahan dari buku

buku , jurnal ilmiah, dan hasil penelitian sebelumnya. Selain itu, penulis

juga mengumpulkan bahan dari sumber di internet untuk mempelajari teknis

pengerjaan simulasi.

Page 49: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

30

3. Simulasi dengan secara CFD

Simulasi secara CFD dilakukan dengan beberapa tahapan yaitu menginput

data ke komputer, melakukan pemodelan geometri, melakukan meshing,

dan akhirnya mensimulasikan. Software yang digunakan pada masing

masing tahapan yaitu notepad, Ms. Excel, Ansys Design Modeler dan Ansys

Fluent.

4. Pembahasan Hasil

Pembahasan hasil dilakukan dengan melihat hasil yang didapat setelah

dilakukan simulasi berupa kontur kecepatan, tekanan, koefisien gaya lift dan

koefisien gaya drag. Hasil yang didapat lalu ditampilkan berupa grafik

dengan membandingkan dengan data eksperimen.

5. Penarikan Kesimpulan

Penarikan kesimpulan ini berdasarkan korelasi terhadap tujuan penelitian

yang telah ditetapkan sebelumnya. Dengan demikian diharapkan tidak

terjadi penyimpangan dari tujuan penelitian.

D. Alat dan Bahan

Adapun alat dan bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai

berikut:

1. Komputer

Peralatan pengujian merupakan seperangkat komputer yang telah terinstal

software yang berkaitan dengan spesifikasi komputer sebagai berikut:

Page 50: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

31

- Processor : AMD A4

- RAM : 4 Gb

- VGA : AMD Radeon HD 8330

- Operating system : Win10 64 bit

2. Software

Software yang digunakan dalam penelitian ini adalah notepad, Ms. Excel

untuk input koordinat geometri, software Ansys Design Modeler untuk

mendesain dimensi dari airofoil dan software Ansys Fluent untuk

mensimulasikan hasil dari desain yang telah dibuat.

E. Langkah-langkah Pengujian

Adapun langkah-langkah pengujian yang dilakukan pada penelitian ini adalah

sebagai berikut:

1. Pemodelan geometri airofoil secara 2D

airofoil yang dipilih merupakan airofoil NACA tipe 4412 yang diunduh dari

situs milik Universitas Illinois. Penampang dari airfoil ini ditunjukkan oleh

gambar 16. Alasan pemilihan aerofoil NACA 4412 untuk disimulasi adalah

sebagai berikut:

a. seri 44xx merupakan tipe airofoil yang sering digunakan untuk turbin

angin dan disebut juga laminar airofoil.

b. memiliki gaya drag yang kecil pada besar sudut serang tertentu.

c. Tidak terlalu terpengaruh oleh kekasaran pada permukaannya (surface

roughness).

Page 51: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

32

Gambar 16. Geometri airfoil NACA 4412

(University of Illinois at Urbana-Champaign, 2018)

Langkah langkah dalam melakukan pemodelan geometri dibagi kedalam

dua tahap yaitu input koordinat geometri dan pembentukan geometri

aerofoil di software Ansys Design Modeler.

a. 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 Ansys Design Modeler, 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 17.

Page 52: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

33

Gambar 17. Koordinat aerofoil yang sudah diubah

b. Pembentukan geometri airfoil

Langkah kedua adalah membentuk geometri dengan software Ansys

Design Modeler. Tahapan yang dilakukan adalah menginput koordinat

airofoil ditunjukkan pada gambar 18. Proses simulasi airofoil ini

dilakukan seperti di terowongan angin . hanya saja terowongan angin

digantikan oleh bentuk simulasi dalam bentuk CFD. Langkah

berikutnya adalah menggambar lingkungan tempat dimana airofoil ini

diletakkan seperti gambar 19.

Page 53: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

34

Gambar 18. Menginput koordinat airofoil ke design modeler

Gambar 19. Geometri airofoil dan lingkungannya

2. Simulasi Airofoil 2D

File model geometri yang telah dihasilkan di design modeler lalu dibuka di

Fluent. Setelah terbuka, dilakukan proses mesh dan pengecekan kondisi

mesh apakah sudah benar atau terdapat error. Jika muncul pesan error maka

hal yang harus dilakukan adalah melakukan meshing ulang.

airofoil

Page 54: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

35

a. Pembentukan mesh

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 20 dan gambar 21 menunjukkan tampilan mesh zoom in.

Gambar 20. Tampilan mesh dan lingkunganya yang telah dibuat di

Ansys Fluent

Page 55: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

36

Gambar 21. Tampilan mesh pada airofoil yang dibuat di Ansys Fluent

b. 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

Velocity Inlet. 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 22.

Gambar 22. Boundary condition

Velocity

inlet

wall

outlet

Page 56: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

37

c. Melakukan iterasi

Langkah berikutnya setelah penentuan nilai boundary condition adalah

melakukan inisialisasi dan iterasi. Simulasi akan mencapai konvergen

setelah melalui beberapa iterasi. Proses iterasi ditunjukkan gambar 23.

Gambar 23. Proses iterasi

d. Melakukan post processing

Hasil konvergen akan didapat setelah dilakukan beberapa kali iterasi.

Langkah selanjutnya adalah melakukan post-processing berupa nilai CL,

CD, vektor kecepatan, kontur tekanan serta data data lain yang

dibutuhkan pada penelitian ini seperti ditunjukkan oleh gambar 24.

Gambar 24. Kontur kecepatan

Page 57: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

38

F. Diagram Alir

Gambar 25. Diagram alir penelitian

Ya

Tidak

MULAI

Identifikasi masalah dan menetapkan

tujuan penelitian

STUDI AWAL:

:::AWAL AWAL Studi literatur

PENGUMPULAN DATA:

- Data aerofoil

- Data eksperimen

PENGOLAHAN DATA : Input data

Komputasi data

ANALISIS DATA

KESIMPULAN

SELESAI

Page 58: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

39

Gambar 26. 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 . Plot grafik 2

. Plot kecepatan angin 3

Selesai

Mulai

Page 59: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

47

V. PENUTUP

A. Simpulan

Adapun dari hasil pengambilan data dan pengamatan yang dilakukan dapat

ditarik kesimpulan sebagai berikut :

1. Airfoil NACA 4412 memiliki nilai rasio glide paling optimal pada sudut

serang 0o yaitu sebesar 36,585. Dimana terlihat pada kontur tekanan bahwa

tekanan maksimum yang terjadi pada airfoil sudut serang 0o terjadi pada

leading edge airfoil, selain itu juga tekanan yang paling rendah terjadi pada

permukaan atas airfoil sehingga pada kondisi ini gaya lift akan lebih besar

dibandingkan dengan gaya drag yang terjadi. Aliran udara yang mengalir

terlihat rapat dan tidak terjadi kondisi flow separation yang dapat

menyebabkan kondisi stall pada airfoil. Sedangkan untuk nilai koefisien lift

maksimum terdapat pada sudut serang 16o yaitu sebesar 1,540 dan nilai

koefisien drag minimum pada sudut serang -4o yaitu sebesar 0.001.

2. Pada chord 1 m terlihat mengalami stall pada sudut serang 18o ditandai

dengan menurunya nilai koefisen lift dan meningkatnya nilai koefisen drag,

sedangkan pada chord 0.65 m dan chord 0,3 m belum terlihat mengalami

Page 60: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

54

stall hingga sudut serang 20o. Stall terjadi karena adanya separasi aliran

pada sudut serang 18o, dimana kecepatan aliran di atas chord lebih lambat

dibandingkan kecepatan di bawah chord dikarenakan tekanan di atas chord

lebih besar dibandingkan tekanan di bawah chord.

3. Rata-rata persentase error yang terjadi menunjukan hasil yang sesuai yaitu

kurang dari 10%, sehingga simulasi CFD 2D pada airfoil ini cukup sesuai

dengan kondisi aktualnya. Eror tersebut dikarenakan pengaruh model grid

mesh yang digunakan dan dikarenakan pada simulasi CFD, aliran turbulen

digunakan sepenuhnya dikeseluruhan bagian airfoil sedangkan pada

aktualnya ada aliran laminar disetengah bagian airfoil.

B. Saran

Ada beberapa saran yang penulis tuliskan untuk perbaikan penelitian ini

dikemudian hari yaitu sebagai berikut:

1. Simulasi CFD sebaiknya dilakukan dengan menggunakan komputer dengan

spesifikasi komputer yang lebih baik sehingga pada proses iterasi bisa

dilakukan dengan cepat dalam pengambilan data dan didapatkan model

mesh yang lebih baik dengan jumlah mesh yang lebih banyak agar data yang

didapatkan lebih akurat.

2. Variasi airfoil yang lain perlu untuk disimulasi untuk mengetahui airfoil

yang paling optimal dalam mengekstrak energi angin.

3. Agar simulasi yang dilakukan lebih akurat dan presisi, model mesh diatur

menjadi lebih baik (finer mesh).

Page 61: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

55

DAFTAR PUSTAKA

Aryanto, F., Mara, I.M. dan Nuarsa, M. 2013. Pengaruh kecepatan angin dan variasi

jumlah sudu terhadap unjuk kerja turbin angin poros horizontal. Dinamika

teknik mesin, Vol.3 No. 1.

Burton, Tony. 2001. Wind Energy handbook. John Wiley & Sons, Ltd. England.

Castillo. 2011. Small-scale vertical axis wind turbine design. Tamper university of

applied scince.

Dhawale, Shubham. 2017. Computational Fluid Dynamic Analysis Of Airfoil

NACA 0015. International Journal of Mechanical Engineering and

Technology (IJMET).

Dsouza, Alister, Gleason. 2015. Study of Aerofoil Design Parameters for Low

Speed Wind Tunnel. Dept. of Mechanical Engineering, Sahyadri College of

Engineering & Management, India.

El.Ali, M. 2007. Comparison between solar and wind energy in lebanon. 9th

international conference on electrical power quality and utilisation.

Barcelona.

Erlangga, Gema Pandji. 2017. Studi Eksperimental Karakteristik Aerodinamik

Airfoil Naca 4412 Dengan Variasi Kecepatan Aliran Udara. Departemen

Page 62: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

56

Teknik Fisika, Fakultas Teknologi, Industri Institut Teknologi Sepuluh

Nopember, Surabaya.

Imran, Al Ichlas. 2017. Simulasi Desain Horizontal Wind Turbin Dengan Air Foil

Naca 2410 Untuk Potensi Listrik Di Sulawesi Tenggara Menggunakan

Software Ansys 16.0. Staf Pengajar Teknik Mesin. Universitas Halu Oleo.

Juliyana, S Jebarose. 2017. Design And Analysis Of NACA 4420 Wind Turbine

Aerofoil Using Cfd. International Journal of Mechanical Engineering and

Technology (IJMET).

Matthew, S. 2006. Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics.

Springer . Berlin, Jerman.

P. Jamieson. 2011. Innovation in wind turbine design. John Wiley & Sons.

Pinkerton, Robert m. 1997. Calculated and measured pressure distributions over

the mid span section of the NACA 4412 airfoil, Report No.563, United States

of America.

Ramadika, Wisnu. 2018. Pengaruh Panjang Chord Terhadap Nilai Koefisien Gaya

Angkat (Cl) Dan Koefisien Gaya Hambat (Cd) Pada Variasi Sudut Serang

Hydrofoil Naca 0018 Menggunakan Computational Fluid Dynamics.

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri, Universitas Trisakti.

S. Oerlemans, J. Schepers, G. Guidati, and S. Wagner. 2001. Experimental

demonstration of wind turbine noise reduction through optimized airfoil

shape and trailing-edge serrations. Nationaal Lucht-en Ruimtevaart.

Schubel , Peter J. 2012. Wind turbine blade design. Jurnal Enesis. Nottingham.

Inggris Raya.

Statistik PLN 2018 yang diterbitkan oleh sekretariat perusahaan PT.PLN.

Page 63: SIMULASI PERFORMANSI AIROFOIL TURBIN ANGIN NACA …digilib.unila.ac.id/59059/18/SKRIPSI TANPA BAB PEMBAHASAN.pdf · menghabiskan biaya yang cukup besar sementara hasilnya tidak dapat

57

Sugiarto, Tris. 2007. Analisa Karakteristik Airfoil Naca 4412 Dengan Metode

Wind Tunnel. Intuisi Teknologi dan Seni.

Tong, Wei. 2010. Wind Power generation and wind turbine design. WIT Press:

Southampton.

Tullis. 2008. medium-solidity vertical axis wind turbines.

Versteeg, H.K. 1995. An introduction to computational fluid dynamics. Longman.

England.

Wagner, H J. 2017. Introduction to wind energy systems. Ruhr-University Bochum.

Bochum, Germany.

Website:

http://aerospace.illinois.edu/m-selig/ads/coord_database.html. diakses tanggal 26

Maret 2019.

http://www.bmkg.go.id/BMKG_Pusat/Meteorologi/Prakiraan_Angin.bmkg.

diakses tanggal 26 Maret 2019.

http://www.gwec.net/global-figures/graphs/. diakses tanggal 23 Maret 2019.