TUGAS AKHIR ANALISIS DESAIN VERTIKAL WIND TURBIN DENGAN AIR FOIL NACA 0016 MODIFIED MENGGUNAKAN SOFTWARE ANSYS 14.5.

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR ANALISIS DESAIN VERTIKAL WIND TURBIN DENGAN AIR FOIL NACA 0016 MODIFIED MENGGUNAKAN SOFTWARE ANSYS Disusun Sebagai Syarat Untuk Mencapai Gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Disusun oleh: JEHAN ROSADI IRAWAN NIM : D JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2015

2 ii

3 iii

4 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 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 Ketua Jurusan Dr. H. Sri Sunarjono MT. Ph.D Tri Widodo BR. ST. MSc., Ph.D iv

5 v

6 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. vi

7 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. vii

8 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. viii

9 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 ix

10 ANALISIS DESAIN VERTIKAL WIND TURBIN DENGAN AIR FOIL NACA 0016 MODIFIED MENGGUNAKAN SOFTWARE ANSYS Jehan Rosadi Irawan, Nur Aklis, Wijianto Teknik MesinUniversitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos 1 Pabelan, Kartasura jehanrosadi@gmail.com 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 (C L ), koefisien drag (C D ) 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 -10 0, 0 0, 10 0, 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 sebesar 0,531, 0 0 sebesar 0,555 dan 10 0 sebesar 0,581, untuk sudu 3 dengan sudut serang sebesar 0,313, 0 0 sebesar 0,367 dan 10 0 sebesar 0,278, pada sudu 4 dengan sudut serang sebesar 0,329, 0 0 sebesar 0,406 dan 10 0 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 x

11 ANALYSIS OF VERTICAL WIND TURBINE DESIGN AIRFOIL NACA 0016 MODIFIED BY USING SOFTWARE ANSYS Jehan Rosadi Irawan, Nur Aklis, Wijianto Teknik MesinUniversitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos 1 Pabelan, Kartasura jehanrosadi@gmail.com 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 -10 0, 0 0, 10 0, 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 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, , 0 0 at and 10 0 amounted to 0.581, for the blade 3 with angle of attack for 0, , 0 0 for 0,367 and 10 0 amounted to 0.278, the blade with the angle of attack of 0.329, and 0 0 of 10 0 of And to the results of the solidity of the blade to the blade number 2 for σ = and for blade 3 for σ = 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 xi

12 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 Rumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan... 7 BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI 2.1 KajianPustaka Dasar Teori Definisi Energi Angin Asal Energi Angin Definisi Turbin Angin Jenis Turbin Angin Teori Momentum Betz Airfoil Pengertian xii

13 2.4 Bilangan Reynold Sudut Serang (angel of atteck) dan Sudut Pitch Gaya Aerodinamika Gaya Hambat (drag force) Gaya Angkat (lift force) Fenomena Stall Computation Fluid Dynamic (CFD) BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Diagram Alir Penelitian Langkah-langkah Penggunaan Metode Komputasi Fluida Data Profil Airfoil Naca Keterangan Hasil Gambar Mash Airfoil Naca 0016 dengan Serang -10 o Keterangan Hasil Gambar Mash Airfoil Naca 0016 dengan Sudut Serang 0 o Keterangan Hasil Gambar Mash Airfoil Naca 0016 dengan Sudut Serang 10 o Pre-Processing Proses Starting Fluent In Workbench BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN 4.1. Verifikasi Software dan Validasi Data Hasil Simulasi Streamline, Vektor Kecepatan dan Tekanan dengan Airfoil Naca 0016 Modified Pada Turbin Angin Vertikal Hasil simulasi Streamline Turbin Angin Vertikal Dua Sudu Hasil Simulasi Streamline Turbin Angin Vertikal Tiga Sudu Hasil Simulasi Streamline Turbin Angin Vertikal Empat Sudu Hasil Simulasi Vektor Kecepatan Turbin Angin Vertikal Dua Sudu Hasil Simulasi Vektor Kecepatan Turbin Angin Vertikal Tiga Sudu Hasil Simulasi Vektor Kecepatan Turbin Angin Vertikal Empat Sudu Hasil Simulasi Tekanan Turbin Angin Vertikal Dua Sudu xiii

14 Hasil Simulasi Tekanan Turbin Angin Vertikal Tiga Sudu Hasil Simulasi Tekanan Turbin Angin Vertikal Empat Sudu Gaya gaya yang terjadi pada Turbin Angin Vertikal Grafik hubungan antara koefisien Lift dan koefisien Drag dengan sudut serang -10 0, 0 0, dan 10 0 pada Sudu Grafik hubungan antara koefisien Lift dan koefisien Drag dengan sudut serang -10 0, 0 0, dan 10 0 pada Sudu Grafik hubungan antara koefisien Lift dan koefisien Drag dengan sudut serang -10 0, 0 0, dan 10 0 pada Sudu Pengaruh Parameter Turbin Angin pada Power Coefficient dan pada Pengaruh dari Solidity Jumlah Sudu Turbin Angin Perbandingan Koefisien Power dengan Sudut Serang pada Turbin Angin Perbandingan Koefisien Power dengan Solidity jumlah sudu pada Turbin Angin Vertikal BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xiv

15 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Foto satelit gerakan angin Gambar 2.2. Peta energi angin di Indonesia Gambar 2.3. Tabel Kondisi Angin Gambar 2.4. Sketsa Sederhaana Kincir Angin Gambar 2.5. Torsi rotor untuk jenis turbin angin vertikal Gambar 2.6. berbagai jenis turbin angin Gambar 2.7. Komponen turbin angin Gambar 2.8. Turbin angin sumbu horizontal Gambar 2.9. Variasi jumlah blade pada HAWT Gambar Turbin angin sumbu vertikal Gambar Bentuk airfoil Gambar Nomenklatur airfoil Gambar Tipe airfoil yang digunakan pada pengujian performansi turbin angin Darrieus H Gambar Sudu turbin pada kondisi sudut serang rendah, medium dan tinggi Gambar Arah sudut pitch Gambar Gaya gaya pada sudu turbin angin Darrieus H Gambar Fenomena stall pada kondisi angin dan sudut pitch tertentu menyebabkan separasi aliran udara Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian Gambar 3.2. Diagram Alir Proses Simulasi Gambar 3.3. Geometri Airfoil Naca Gambar 3.4. Dimensi Daerah Simulasi Gambar 3.5. Sudu Gambar 3.6. Sudu Gambar 3.7. Sudu xv

16 Gambar 3.8. Hasil Mash Turbin Angin Vertikal Sudu 2 dengan Sudut Gambar 3.9. Hasil Mash Turbin Angin Vertikal Sudu 3 dengan Sudut Gambar Hasil Mash Turbin Angin Vertikal Sudu 4 dengan Sudut Gambar Hasil Mash Turbin Angin Vertikal Sudu 2 dengan Sudut Gambar Hasil Mash Turbin Angin Vertikal Sudu 3 dengan Sudut Gambar Hasil Mash Turbin Angin Vertikal Sudu 4 dengan Sudut Gambar Hasil Mash Turbin Angin Vertikal Sudu 2 dengan Sudut Gambar Hasil Mash Turbin Angin Vertikal Sudu 3 dengan Sudut Gambar Hasil Mash Turbin Angin Vertikal Sudu 4 dengan Sudut Gambar Profil airfoil pada software solidwords Gambar 3.18.Pengaturan Sudut Airfoil dengan Solidwords Gambar Batasan Penampang Airfoil yang disebut Rotatin Gambar Batasan Penampang Rotating yang disebut Outer Domain Gambar Fluid Rotating Care Gambar fluid Outer Domain Gambar Tampilan awal Ansys Workbench Gambar Tampilan Ansys Design modeler Gambar boundary luar yang telah di import Gambar Model yang telah diimport ke Ansys Design Modeler Gambar Tampilan Workbench Mesh Gambar Model yang akan di meshing Gambar Pengaturan sizing untuk melakukan meshing. Untuk opsi ukuran mesh yang lain, tinggal mengganti parameter yang ada pada gambar diatas xvi

17 Gambar Tampilan model yang telah di mesh Gambar Boundary condition Gambar Interface untuk masing masing region Gambar cara menyembunyikan boundary luar Pada outline di sebelah kiri, klik kanan boundary luar lalu suppress body Gambar Interface yang telah terbentuk Gambar Tampilan Fluent Ansys Gambar Interface untuk masing masing region Tampilan Data Mesh dengan Format (*.msh) Gambar Tampilan Hasil Check Gambar Tampilan Models Gambar Tampilan Mesh Interface Gambar Tampilan Cell Zone Condetions Gambar Tampilan Boundary Conditions Gambar Tampilan Solution Methods Gambar Tampilan Solution initialization Gambar Tampilan Run Calculation Gambar Tampilan Hasil Run Calculation Gambar Tampilan graphics dan animation Gambar Tampilan Pola Aliran Udara Pressure Gambar Tampilan Pola Aliran Udara Vilocity Gambar 4.1. Titik kecepatan pada benda kerja berupa silinder Gambar 4.2. Velocity pada software Gambar 4.3. velocity pada koordinat titik X -0,94 dan Y 0,5 software ansys Gambar 4.4. Hasil dari V 2 pada software ansys Gambar 4.5. Kontur Streamline Turbin angin vertikal 2 sudu dengan sudut serang i) -10 0, ii) 0 0, iii) Gambar 4.6. Kontur Streamline Turbin angin vertikal 3 sudu dengan sudut serang i) -10 0, ii) 0 0, iii) Gambar 4.7. Kontur Streamline Turbin angin vertikal 3 sudu dengan sudut serang i) -10 0, ii) 0 0, iii) Gambar 4.8. Kontur Vektor Kecepatan Turbin Angin Vertikal 4 sudu xvii

18 dengan sudut serang i) -10 0, ii) 0 0, iii) Gambar 4.9. Kontur Vektor Kecepatan Turbin Angin Vertikal 4 sudu dengan sudut serang i) -10 0, ii) 0 0, iii) Gambar Kontur Vektor Kecepatan Turbin Angin Vertikal 4 sudu dengan sudut serang i) -10 0, ii) 0 0, iii) Gambar Kontur Tekanan Turbin Angin Vertikal 2 sudu dengan sudut serang i) -10 0, ii) 0 0, iii) Gambar Kontur Tekanan Turbin Angin Vertikal 3 sudu dengan sudut serang i) -10 0, ii) 0 0, iii) Gambar Kontur Tekanan Turbin Angin Vertikal 4 sudu dengan sudut serang i) -10 0, ii) 0 0, iii) xviii

19 DAFTAR TABEL Tabel 4.1. Hasil pembuktian V 2 dan perhitungan komputasi dan analitis P xix

20 DAFTAR GRAFIK Grafik 4.1. Hubungan koefisien lift dan koefisien drag sudu dua dengan sudut serang Grafik 4.2. Hubungan koefisien lift dan koefisien drag sudu tiga dengan sudut serang Grafik 4.3. Hubungan koefisien lift dan koefisien drag sudu empat dengan sudut serang Grafik 4.4. Hubungan koefisien power dengan sudut serang pada turbin angin vertikal xx

21 DAFTAR DIAGRAM Diagram 4.1. Hubungan koefisien Power dengan jumlah sudu turbin angin vertikal xxi

22 DAFTAR LAMPIRAN 1. Hasil nilai CP pada setiap sudu turbin angin vertikal. 2. Data airfoil naca Hasil gambar airfoil naca Gambar modifikasi airfoil naca Gambar fluid rotating care. 6. Gamabar fluid outer domain. xxii