tugas akhir analisis desain vertikal wind turbin …eprints.ums.ac.id/43771/24/04. halaman depan...

TUGAS AKHIR

ANALISIS DESAIN VERTIKAL WIND TURBIN DENGAN AIR

FOIL NACA 0016 MODIFIED MENGGUNAKAN SOFTWARE

ANSYS 14.5.

Disusun Sebagai Syarat Untuk Mencapai Gelar Sarjana Teknik

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta

Disusun oleh:

JEHAN ROSADI IRAWAN

NIM : D200090062

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

2015

iv

HALAMAN PENGESAHAN

Tugas akhir berjudul “ANALISIS DESAIN WIND TURBIN BENTUK AIR

FOIL NACA 0016 MODIFIED PADA VERTIKAL AXIS WIND TURBINE

DENGAN SOFTWARE ANSYS 14.5”, telah dipertahankhan dihadapan

dewan penguji dan disahkan sebagai syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah

Surakarta.

Dipersiapkan oleh:

Nama : Jehan Rosadi Irawan

Nim : D 200 090 062

Disetujuai pada :

Hari :

Tanggal :

Tim Penguji

Ketua : Nur Aklis, ST., M.Eng. (_________________)

Anggota 1 : Wijianto, ST, M.Eng, Sc. (_________________)

Anggota 2 : Supriyono, Ph. D (_________________)

Mengetahui,

Dekan

Dr. H. Sri Sunarjono MT. Ph.D

Ketua Jurusan

Tri Widodo BR. ST. MSc., Ph.D

vi

MOTTO

Yang paling jauh dari kita adalah masa lalu,

Yang paling dekat dari kita adalah kematian,

Bekali diri kita dengan ilmu yang bermanfaat,

Wajib berusaha dan berdo’a di setiap langkah kita.

Yakinlah, bahwa di setiap kerja keras kita hari ini,

akan membuat kita tersenyum manis di suatu hari nanti,

karna ALLAH SWT MAHA ADIL

bermimpi& berangan-anganlah setinggi yang kita mau,

karna mimpi & angan-angan kita adalah awal dari rencana hidup kita,

rencana hidup kita adalah salah satu usaha kita,

berusaha dan berdo’a adalah kewajiban setiap manusia,

maka

bermimpi& berangan-anganlah setinggi yang kita mau.

vii

HALAMAN PERSEMBAHAN

Dengan penuh harap ridho Allah SWT, dengan perasaan syukur

dan sabar yang mendalam serta penghargaan yang tinggi, setelah

melewati berbagai ujian dalam perjuangan yang tak kenal lelah, Saya

mempersembahkan Tugas Akhir ini kepada :

Bapak dan Ibu yang dengan segala kasih sayang, kesabaran,

keikhlasan dan pengorbanannya yang senantiasa membimbing dan

mendo’akanku.

Sahabatku (teman-teman semua angkatan dan KMTM teknik mesin

yang selalu kompak, dan saling menyemangati )

Almamater ( Universitas Muhammadiyah Surakarta )

Dosen Universitas Muhammadiyah Surakarta Teknik Mesin yang telah

membimbing saya didalam perkuliahan.

Bapak Dosen pembimbing akedemik M AlFatih Hendrawan, ST, MT.

Bapak Dosen pembimbing satu tugas akhir Nur Aklis, ST. .MEng.,.dan

Bapak Dosen pembimbing dua tugas akhir Wijianto, ST, M.Eng,

Sc.saya berterima kasih atas pengarahan dan bimbingannya yang

telah banyak saya terima selama berada di Universitas

Muhammadiyah Surakarta.

viii

KATA PENGANTAR

Assalamu’alaikum. Wr. Wb

Segala puji syukur ke hadirat Allah SWT atas segala rahmat dan

karunia- Nya yang telah terlimpahkan kepada penulis, sehingga Tugas

Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. Adapun Tugas Akhir ini disusun

untuk memenuhi persyaratan Sidang Sarjana S-1 pada Jurusan Teknik

Mesin, Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.

Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapat

bantuan dari berbagai pihak, pada kesempatan ini, penulis dengan penuh

keikhlasan hati ingin menyampaikan terima kasih kepada :

1. Bapak Dr. H. Sri Sunarjono MT. Ph.D selaku Dekan Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta.

2. Bapak Tri Widodo BR. ST. MSc., Ph.D selaku Ketua Jurusan Teknik

Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.

3. Bapak Nur Aklis, S.T., M.Eng. selaku Dosen Pembimbing I yang telah

membimbing, mengarahkan, memberi petunjuk dalam penyusunan

Tugas Akhir ini

4. Bapak Wijianto, ST, M.Eng, Sc.selaku Dosen Pembimbing II yang

telah meluangkan waktunya untuk memberikan bimbingan dan

arahannya.

5. Bapak M. AlFatih Hendrawan, ST, MT. selaku Pembimbing Akademik.

6. Dosen jurusan Teknik Mesin beserta Staf Tata Usaha Fakultas Teknik

7. Bapak dan Ibu tercinta dan teristimewa yang senantiasa mencintai,

menyayangi, memberikan dukungan dan mendo’akan penulis dalam

menyelesaikan Tugas Akhir.

8. Teman angkatan 2009 dan adik kelas yang sudah banyak membantu

saya dan mendukung saya dalam perkuliahan selama di Universitas

Muhammadiyah Surakarta.

ix

Akhir kata, penulis mohon maaf sebelum dan sesudahnya, jika

sekiranya terdapat kesalahan dan kekurangan dalam penulisan Tugas

Akhir ini, yang disebabkan adanya keterbatasan-keterbatasan antara lain

waktu, dana, literatur yang ada, dan pengetahuan yang penulis miliki.

Harapan penulis semoga laporan ini bermanfaat untuk pembaca.

Tugas Akhir ini semoga dapat bermanfaat khususnya bagi penulis

dan pihak lain yang membutuhkan, Amin ya Robbaallamin.

Surakarta, April 2016

Penulis

x

ANALISIS DESAIN VERTIKAL WIND TURBIN DENGAN AIR FOIL NACA

0016 MODIFIED MENGGUNAKAN SOFTWARE ANSYS 14.5.

Jehan Rosadi Irawan, Nur Aklis, Wijianto

Teknik MesinUniversitas Muhammadiyah Surakarta

Jl. A. Yani Tromol Pos 1 Pabelan, Kartasura

Email : [email protected]

ABSTRAKSI

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui performa blade vertikal wind turbin tipe Darrieus-H dengan airfoil naca 0016 modified dengan variasi jumlah sudu dan sudut serang dengan menggunakan software Ansys Moving Reference Frames (MRF), dan mengetahui pengaruh distribusi tekanan, kecepatan, perbandingan koefisien lift (CL), koefisien drag (CD) dan untuk mengetahui hasil dari koefisien power (Cp), solidity jumlah sudu pada vertikal turbin angin.

Penelitian dilakukan dengan menggunakan dimensi geometri dengan airfoil naca 0016 modified, verifikasi jumlah sudu yang disimulasi meliputi sudu 2, 3 dan 4 untuk parameter variasi sudut serang -100, 00, 100, percobaan diawali dengan pembuatan model jumlah sudu dan membuat daerah simulasi dengan panjang 4000 mm, lebar 8000 mm dan lingkaran interface 1920 mm menggunakan SolidWorks, setelah itu meshing menggunakan ukuran dengan minimum spacing 0,005 dan maximum spacing 0,05 m dan proses hasil perhitungan yang dilakukan software Ansys. Ada pun penelitian yang akan dilakukan dengan menggunakan simulasi 2D steady–state solver dengan menggunakan Moving Reference Frames (MRF) pada ansys fluent.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa disetiap sudu dan sudut serang turbin angin vertikal mengalami kecepatan dan tekanan yang berbeda dan menghasilkan gaya yang berbeda, pada desain turbin angin sumbu vertikal tipe Darrieus-H dengan airfoil naca 0016 modified dapat diketahui bawah, dengan bentuk airfoil yang besar membuat kecepatan yang besar pada sisi airfoil, dan menghasilkan tekanan yang besar pada ujung depan airfoil, dapat dipengaruhi pada sudut serang yang akan menimbulkan aliran turbulensi yang sangat besar. Hasil dari desain turbin angin mampu menghasilkan nilai koefisien power pada sudu 2 dengan sudut serang -100 sebesar 0,531, 00 sebesar 0,555 dan 100 sebesar 0,581, untuk sudu 3 dengan sudut serang -100 sebesar 0,313, 00 sebesar 0,367 dan 100 sebesar 0,278, pada sudu 4 dengan sudut serang -100 sebesar 0,329, 00 sebesar 0,406 dan 100 sebesar 0,461. Dan untuk hasil pada solidity jumlah sudu untuk sudu 2 sebesar σ = 1,9625 dan untuk sudu 3 sebesar σ = 2,8875 untuk sudu 4 sebesar σ = 3,85 dengan kecepatan angin sebesar 3 m/s.

Kata Kunci : Jumlah sudu, sudut serang, Cl,Cd,Cp dan solidity

mailto:[email protected]

xi

ANALYSIS OF VERTICAL WIND TURBINE DESIGN AIRFOIL NACA 0016 MODIFIED BY USING SOFTWARE ANSYS 14.5.

Jehan Rosadi Irawan, Nur Aklis, Wijianto

Teknik MesinUniversitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos 1 Pabelan, Kartasura

Email : [email protected]

ABSTRACT

The purpose of this study was to determine the performance of blade vertical wind turbine-type Darrieus-H with airfoil naca 0016 modified by varying the amount of the blade and the angle of attack by using the software Ansys Moving Reference Frames (MRF), and determine the influence of pressure distribution, velocity, comparison of the coefficient of lift (CL), the coefficient of drag (CD) and to know the results of the power coefficient (Cp), solidity number of blades on a vertical wind turbine.

The study was conducted by using dimensional geometry with modified airfoil naca 0016, verify the number of simulated blade includes blade 2, 3 and 4 to parameter variations of angle of attack -100, 00, 100, the experiment begins with making the model number of the blade and make the simulation area with a length of 4000 mm, width 8000 mm and 1920 mm circle using SolidWorks interface, after the meshing using size with a minimum spacing of 0.005 and a maximum spacing of 0.05 m and the results of calculations performed Ansys software. There is also research that will be conducted using 2D steady-state simulation solver using Moving Reference Frames (MRF) on ANSYS fluent.

The results showed that each of the blade and the angle of attack of wind turbine vertical experience speeds and pressures are different and produce different style, the design of vertical axis wind turbine-type Darrieus-H with airfoil naca 0016 modified can be seen below, the airfoil shape is great to make great velocity on the side of the airfoil, and generate tremendous pressure on the front end of the airfoil, can be influenced at an angle of attack that will cause huge turbulence flow. The results of the design of wind turbines capable of generating power coefficient value at the blade 2 with the angle of attack equal to 0,531 -100, 00 at 0.555 and 100 amounted to 0.581, for the blade 3 with angle of attack for 0,313 -100, 00 for 0,367 and 100 amounted to 0.278, the blade -100 4 with the angle of attack of 0.329, 0.406 and 00 of 100 of 0.461. And to the results of the solidity of the blade to the blade number 2 for σ = 1.9625 and for blade 3 for σ = 2.8875 for the blade 4 of σ = 3.85 with a wind speed of 3 m / s.

Keywords: The amount of the angle, angle of attack, Cl, Cd, Cp and solidity

mailto:[email protected]

xii

DAFTAR ISI

Halaman Judul ............................................................................................. i

Pernyataan Keaslian Skripsi ........................................................................ ii

Halaman Persetujuan .................................................................................. iii

Halaman Pengesahan ................................................................................. iv

Lembar Soal Tugas Akhir ............................................................................ v

Halaman Motto ............................................................................................. vi

Halaman Persembahan ............................................................................... vii

Kata Pengantar ............................................................................................ viii

Abstraksi ...................................................................................................... x

Abstraksi Inggris .......................................................................................... xi

Daftar Isi ...................................................................................................... xii

Daftar Gambar ............................................................................................. xiv

Daftar Tabel.............................................................................................. xvii

Daftar Grafik................................................................................................. xviii

Daftar Diagram ............................................................................................. xix

Daftar Lampiran .......................................................................................... xxi

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang .............................................................................. 1

1.2 Rumusan Masalah ......................................................................... 4

1.3 Batasan Masalah ........................................................................... 5

1.4 Tujuan Penelitian ........................................................................... 5

1.5 Manfaat Penelitian ......................................................................... 6

1.6 Sistematika Penulisan ................................................................... 7

BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI

2.1 KajianPustaka ................................................................................ 9

2.2 Dasar Teori .................................................................................... 12

2.2.1 Definisi Energi Angin ............................................................ 18

2.2.2 Asal Energi Angin ................................................................... 10

2.2.3 Definisi Turbin Angin ............................................................... 17

2.2.4 Jenis Turbin Angin ............................................................... 21

2.2.5 Teori Momentum Betz .......................................................... 26

2.3 Airfoil ............................................................................................. 29

2.3.1 Pengertian ............................................................................ 29

xiii

2.4 Bilangan Reynold .......................................................................... 31

2.5 Sudut Serang (angel of atteck) dan Sudut Pitch ............................ 32

2.6 Gaya Aerodinamika ....................................................................... 33

2.6.1 Gaya Hambat (drag force) .................................................... 33

2.6.2 Gaya Angkat (lift force)......................................................... 34

2.7 Fenomena Stall ............................................................................. 36

2.8 Computation Fluid Dynamic (CFD) ................................................ 37

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Diagram Alir Penelitian .................................................................. 42

3.2 Langkah-langkah Penggunaan Metode Komputasi Fluida ............ 43

3.3 Data Profil Airfoil Naca 0016 ......................................................... 44

3.3.1 Keterangan Hasil Gambar Mash Airfoil Naca 0016 dengan

Serang -10o ........................................................................... 46


Sudut Serang 0o ................................................................... 48


Sudut Serang 10o ................................................................. 50

3.4 Pre-Processing .............................................................................. 52

3.6 Proses Starting Fluent In Workbench ............................................ 62

BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

4.1. Verifikasi Software dan Validasi Data ........................................... 69

4.2.Hasil Simulasi Streamline, Vektor Kecepatan dan

Tekanan dengan Airfoil Naca 0016 Modified Pada

Turbin Angin Vertikal. .................................................................... 72

4.2.1. Hasil simulasi Streamline Turbin Angin Vertikal Dua

Sudu ..................................................................................... 73

4.2.2. Hasil Simulasi Streamline Turbin Angin Vertikal Tiga

Sudu ..................................................................................... 76

4.2.3. Hasil Simulasi Streamline Turbin Angin Vertikal Empat

Sudu ..................................................................................... 79

4.2.4. Hasil Simulasi Vektor Kecepatan Turbin Angin Vertikal

Dua Sudu .............................................................................. 83


Tiga Sudu ............................................................................. 85


Empat Sudu .......................................................................... 87

4.2.7. Hasil Simulasi Tekanan Turbin Angin Vertikal Dua

Sudu ..................................................................................... 89

xiv

4.2.8. Hasil Simulasi Tekanan Turbin Angin Vertikal Tiga

Sudu ..................................................................................... 92

4.2.9. Hasil Simulasi Tekanan Turbin Angin Vertikal Empat

Sudu .................................................................................... 96

4.3 Gaya – gaya yang terjadi pada Turbin Angin

Vertikal .......................................................................................... 100

4.3.1. Grafik hubungan antara koefisien Lift dan koefisien Drag

dengan sudut serang -100, 00, dan 100 pada Sudu 2 .......... 101





4.4 Pengaruh Parameter Turbin Angin pada Power

Coefficient dan pada Pengaruh dari Solidity Jumlah

Sudu Turbin Angin ........................................................................ 104

4.4.1 Perbandingan Koefisien Power dengan Sudut Serang

pada Turbin Angin .............................................................. 104

4.4.2 Perbandingan Koefisien Power dengan Solidity jumlah

sudu pada Turbin Angin Vertikal ......................................... 106

BAB V PENUTUP

5.1. Kesimpulan .............................................................................. 107

5.2. Saran ........................................................................................ 109

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

xv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Foto satelit gerakan angin ................................................................ 13

Gambar 2.2. Peta energi angin di Indonesia ..... ................................................... 14

Gambar 2.3. Tabel Kondisi Angin .......................................................................... 16

Gambar 2.4. Sketsa Sederhaana Kincir Angin ...................................................... 18

Gambar 2.5. Torsi rotor untuk jenis turbin angin vertikal ........................................ 19

Gambar 2.6. berbagai jenis turbin angin. ............................................................... 20

Gambar 2.7. Komponen turbin angin ..................................................................... 21

Gambar 2.8. Turbin angin sumbu horizontal .......................................................... 23

Gambar 2.9. Variasi jumlah blade pada HAWT ..................................................... 24

Gambar 2.10. Turbin angin sumbu vertikal ............................................................ 25

Gambar 2.11. Bentuk airfoil ................................................................................... 30

Gambar 2.12. Nomenklatur airfoil .......................................................................... 30

Gambar 2.13. Tipe airfoil yang digunakan pada pengujian performansi

turbin angin Darrieus H ................................................................... 30

Gambar 2.14. Sudu turbin pada kondisi sudut serang rendah, medium

dan tinggi ........................................................................................ 32

Gambar 2.15. Arah sudut pitch .............................................................................. 33

Gambar 2.16. Gaya – gaya pada sudu turbin angin Darrieus H ............................ 35

Gambar 2.17. Fenomena stall pada kondisi angin dan sudut pitch

tertentu menyebabkan separasi aliran udara .................................. 37

Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian ..................................................................... 42

Gambar 3.2. Diagram Alir Proses Simulasi ........................................................... 43

Gambar 3.3. Geometri Airfoil Naca 0016 ............................................................... 44

Gambar 3.4. Dimensi Daerah Simulasi ................................................................. 45

Gambar 3.5. Sudu 2 .............................................................................................. 45

Gambar 3.6. Sudu 3 .............................................................................................. 45

Gambar 3.7. Sudu 4 .............................................................................................. 45

xvi

Gambar 3.8. Hasil Mash Turbin Angin Vertikal Sudu 2 dengan

Sudut -100 ......................................................................................... 46


Sudut -100 ........................................................................................ 47


Sudut -100 ...................................................................................... 47


Sudut 00 ......................................................................................... 48


Sudut 00 ......................................................................................... 49


Sudut 00 .......................................................................................... 49


Sudut 100 ........................................................................................ 50


Sudut 100 ........................................................................................ 51


Sudut 100 ....................................................................................... 51

Gambar 3.17. Profil airfoil pada software solidwords 2012. ................................... 52

Gambar 3.18.Pengaturan Sudut Airfoil dengan Solidwords 2012 .......................... 53

Gambar 3.19. Batasan Penampang Airfoil yang disebut Rotatin. .......................... 53

Gambar 3.20. Batasan Penampang Rotating yang disebut Outer

Domain ........................................................................................... 54

Gambar 3.21. Fluid Rotating Care ......................................................................... 54

Gambar 3.22. fluid Outer Domain .......................................................................... 55

Gambar 3.23. Tampilan awal Ansys Workbench ................................................... 55

Gambar 3.24. Tampilan Ansys Design modeler .................................................... 56

Gambar 3.25. boundary luar yang telah di import .................................................. 56

Gambar 3.26. Model yang telah diimport ke Ansys Design Modeler. ..................... 57

Gambar 3.27. Tampilan Workbench Mesh ............................................................ 57

Gambar 3.28. Model yang akan di meshing .......................................................... 58

Gambar 3.29. Pengaturan sizing untuk melakukan meshing. Untuk opsi

ukuran mesh yang lain, tinggal mengganti parameter yang

ada pada gambar diatas ................................................................. 58

xvii

Gambar 3.30. Tampilan model yang telah di mesh ............................................... 59

Gambar 3.31. Boundary condition ......................................................................... 59

Gambar 3.32. Interface untuk masing masing region ............................................ 60

Gambar 3.33. cara menyembunyikan boundary luar Pada outline di

sebelah kiri, klik kanan boundary luar lalu

suppress body................................................................................. 60

Gambar 3.34. Interface yang telah terbentuk ........................................................ 61

Gambar 3.35. Tampilan Fluent Ansys 14.5 ........................................................... 62

Gambar 3.36. Interface untuk masing masing region Tampilan Data

Mesh dengan Format (*.msh) .......................................................... 62

Gambar 3.37. Tampilan Hasil Check ..................................................................... 63

Gambar 3.38. Tampilan Models ............................................................................ 63

Gambar 3.39. Tampilan Mesh Interface ................................................................ 64

Gambar 3.40. Tampilan Cell Zone Condetions ...................................................... 64

Gambar 3.41. Tampilan Boundary Conditions ....................................................... 65

Gambar 3.42. Tampilan Solution Methods ............................................................ 65

Gambar 3.43. Tampilan Solution initialization ........................................................ 66

Gambar 3.44. Tampilan Run Calculation ............................................................... 67

Gambar 3.45. Tampilan Hasil Run Calculation ...................................................... 67

Gambar 3.46. Tampilan graphics dan animation ................................................... 68

Gambar 3.47. Tampilan Pola Aliran Udara Pressure ............................................. 68

Gambar 3.48. Tampilan Pola Aliran Udara Vilocity ................................................ 68

Gambar 4.1. Titik kecepatan pada benda kerja berupa silinder ............................. 69

Gambar 4.2. Velocity pada software...................................................................... 70

Gambar 4.3. velocity pada koordinat titik X -0,94 dan Y 0,5 software

ansys................................................................................................. 71

Gambar 4.4. Hasil dari V2 pada software ansys .................................................... 71

Gambar 4.5. Kontur Streamline Turbin angin vertikal 2 sudu dengan

sudut serang i) -100, ii) 00, iii) 100 ................................................... 73





Gambar 4.8. Kontur Vektor Kecepatan Turbin Angin Vertikal 4 sudu

xviii

dengan sudut serang i) -100, ii) 00, iii) 100 ......................................... 83


dengan sudut serang i) -100, ii) 00, iii) 100 ......................................... 85


dengan sudut serang i) -100, ii) 00, iii) 100 ....................................... 87

Gambar 4.11. Kontur Tekanan Turbin Angin Vertikal 2 sudu dengan






xix

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1. Hasil pembuktian V2 dan perhitungan komputasi dan

analitis P2. ........................................................................................... 72

xx

DAFTAR GRAFIK

Grafik 4.1. Hubungan koefisien lift dan koefisien drag sudu dua

dengan sudut serang ........................................................................... 101

Grafik 4.2. Hubungan koefisien lift dan koefisien drag sudu tiga


Grafik 4.3. Hubungan koefisien lift dan koefisien drag sudu empat


Grafik 4.4. Hubungan koefisien power dengan sudut serang pada

turbin angin vertikal ............................................................................. 104

xxi

DAFTAR DIAGRAM

Diagram 4.1. Hubungan koefisien Power dengan jumlah sudu

turbin angin vertikal ......................................................................... 106

xxii

DAFTAR LAMPIRAN

1. Hasil nilai CP pada setiap sudu turbin angin vertikal.

2. Data airfoil naca 0016.

3. Hasil gambar airfoil naca 0016.

4. Gambar modifikasi airfoil naca 0016.

5. Gambar fluid rotating care.

6. Gamabar fluid outer domain.

tugas akhir analisis desain vertikal wind turbin …eprints.ums.ac.id/43771/24/04. halaman depan...

Documents