Studi Pengaruh Kekasaran Permukaan Silinder Osilasi terhadap Kinerja Alat Konversi Energi Vorteks dengan Pendekatan Uji Fisik

Transkripsi

1 Studi Pengaruh Kekasaran Permukaan Silinder Osilasi terhadap Kinerja Alat Konversi Energi Vorteks dengan Pendekatan Uji Fisik Fathan Syarif Purnama (1), Mukhtasor (2), Arief Suroso (3) 1 Mahasiswa Teknik kelautan, 2,3 Staf Pengajar Teknik Kelautan Abstrak Salah satu pembangkit energi yang baru-baru ini diterapkan dan masih terus dalam proses penelitian yaitu pembangkit listrik energi vorteks. Michael Bernitsas, dkk dari University of Michigan pada tahun 2004 mengembangkan VIVACE (Vortex-Induced Vibrations for Aquatic Clean Energy), yang menjadi acuan penelitian ini. Sistem kerjanya dimulai dari fenomena VIV(Vortex-Induced Vibrations) pada Silinder Osilasi. Silinder Osilasi yang digunakan pada penelitian sebelumnya masih perlu dikembangkan terutama untuk membuat amplitudo yang tinggi dan stabil. Kamaldev Raghavan dari University of Michigan pada tahun 2008 melakukan uji laboratorium untuk menaikkan amplitudo Silinder Osilasi dengan meletakkan roughness strip pada permukaannya. Ukuran kekasaran (Roughness size) dan penyebaran (distribution) roughness strip dapat didesain untuk menaikkan atau menurunkan amplitudo VIV, sehingga kinerja Silinder Osilasi dapat terkontrol pada kondisi arus tertentu. Tugas akhir ini bertujuan untuk memperoleh luasan serta sudut perletakan roughness strips pada Silinder Osilasi dengan dimensi rasio 9,54. Hasil yang diharapkan dari tugas akhir ini adalah variabel yang menghasilkan amplitude ratio yang stabil. Penelitian ini akan dilaksanakan di laboratorium Towing Tank Teknik Kelautan ITS Kata-kata kunci : Silinder Osilasi, VIV, Kekasaran Permukaan, dan Uji Fisik 1. PENDAHULUAN Menneg PPN/Kepala Bappenas Armida Alisjahbana, menyatakan Energi Arus Laut (EAL) sebagai bagian dari pengembangan reneweble energy dalam program prioritas Kabinet Indonesia Bersatu (KIB) II (Warta Ekonomi, 2009). Energi ini akan digunakan sebagai alternatif bahan bakar listrik di daerah terutama kawasan ekonomi khusus dan daerah kepulauan. Indonesia dinilai mempunyai potensi besar dalam pengembangan EAL. Pasalnya, negara ini mempunyai laut seluas lima juta km 2. Salah satu konsep dari alat konversi energi arus laut adalah VIVACE (Vortex Induced Vibrations for Aquatic Clean Energy), prinsip kerjanya sama dengan alat konversi energi arus lainnya, yaitu memanfaatkan kecepatan arus lalu diubah menjadi energi listrik lewat generator. Pada dasarnya kinerja dari Alat Konversi Energi Vorteks berkebalikan dengan drag force yang biasa dihindari akibat adanya VIV (Vortex Induced Vibration) pada silinder. Pergerakan silinder yang bergerak naik turun karena adanya vorteks dari aliran arus laut yang mengalir tegak lurus melewati silinder, pergerakan naik-turun tersebut akan tersalur ke generator, sehingga energi mekanik yang timbul dapat berubah ke energi listrik. Kecepatan arus yang terjadi di suatu perairan, bisa naik kadang pula turun. Naikturunnya kecepatan arus di laut ini mempengaruhi gerakan alat konversi energi vorteks ini. Amplitude ratio of Oscillating Part pada alat konversi energi vorteks ini pun ikut terpengaruh pula. Supaya VIV yang terjadi pada alat konversi energi vorteks tetap stabil ketika kecepatan arus laut berubahubah, kita dapat merekayasa Silinder Osilasi 1 dengan memberikan roughness strips pada permukaannya (Bernitsas, 2007).

2 2. DASAR TEORI 2.1 Vortex Induced Vibration VIV adalah terbentuknya vorteks di belakang benda yang terkena aliran, gerakan pertikel-partikel ini yang berotasi pada sumbu pusatnya mengakibatkan vibrasi pada benda, sedangkan vorteks shedding adalah pelepasan dari aliran vorteks. Maka dari terbentuknya vortex shedding ini dapat memberi gaya pada silinder agar dapat berosilasi, berikut adalah Gambar 1 yang menggambarkan terjadinya VIV pada benda memberikan gaya pada silinder untuk dapat berosilasi. Gambar 1 Aliran arus yang kemudian menjadikan silinder dapat berosilasi (Vortexhydroenergy, 2007) Terjadinya VIV sendiri memilki bentuk yang berbeda untuk beberapa parameter, salah satu parameter yang berperan dalam membentuk perilaku dari VIV adalah Reynold Number. Semakin tinggi harga Reynolds number maka aliran vortex yang terjadi semakin sedikit dan semakin tidak teratur. Reynold Number Reynold number sendiri merupakan besaran yang tidak memilki dimensi, besaran tersebut merupakan perbandingan antara inertia force dan viscous force, kemudian untuk nilai inertia force dapat dipecah lagi menurut parameternya yaitu diameter untuk bentuk silinder dan kecepatan partikel. 2.2 Pengendalian Vorteks Shedding Di dunia teknik kelautan, penahanan vortex shedding menjadi topik yang menarik dikarenakan efek dari VIV yang bersifat merusak pada riser dan jaringan pipa bawah laut. Untuk mengontrol vortex shedding ada dua metode yang dapat digunakan, yakni pengendalian aktif dan pengendalian pasif. Cara yang relatif mudah untuk diterapkan adalah dengan menggunakan cara pasif. Tinjauan mengenai penekanan vortex shedding dianalisis oleh Zdravkovich (1981). 2.3 Transisi Laminer ke Turbulen Transisi dapat dibagi menjadi dua tahap utama, tahap pertama adalah tahap penerimaan dan tahap kedua adalah tahap amplifikasi. Dalam tahap penerimaan, gangguan eksternal pada aliran terjadi karena adanya kekasaran permukaan (Morkovin, 1969). Pada tahap amplifikasi, pertumbuhan eksponensial dari beberapa gangguan internal yang tidak stabil yang tidak terjadi perusakan dan berubah menjadi two dimensional Tollmien-Schilichting (T-S) waves. Gambar 2 menunjukkan ilustrasi diatas, yang diambil dari buku White (White, 1974) dalam Raghavan (2007)....(1) Dengan U = kecepatan partikel (m/s) D = diameter struktur (m) v= viskositas kinematis air (m 2 /s) Gambar 2 Transisi Boundary Layer alami (White, 1974) 2

3 2.4 Transisi Induksi Kekasaran Untuk benda yang bergerak, transisi awal dari laminer ke turbulen dapat terjadi diakibatkan oleh gradien tekanan, aliran alami, dan kekasaran. Dalam kondisi alami, tidak ada permukaan suatu benda yang benar-benar halus, sehingga studi mengenai pengaruh kekasaran permukaan sangatlah penting untuk dipelajari. Jumlah rentang Reynolds number yang dipertimbangkan dalam studi ini jatuh pada Transisi TrSL3 (Transition in Shear Layer) dan TrBL (Transition in Boundary Layer) regimes (Zdravkovich 1997). Tabel 1 menunjukkan sketsa karakteristik aliran pada sirkular silinder. Sedangkan Tabel 2 menunjukkan penjelasan karakteristik aliran regime pada sirkular silinder. Tabel 2. karakteristik aliran di belakang sirkular silinder (Zdravkovich, 1997) Tabel 1 Sketsa karakteristik aliran pada suatu sirkular silinder (Sumer and Fredsoe, 1997) 2.5 Verification Test Test ini dilakukan pada model model 2.5 Titik Pemisahan (Separation Point) Sebuah survei literatur tentang titik pemisahan untuk aliran fluida mampat sekitar silinder sirkuler menunjukkan hasil pemisahan sudut dan beragam luasan dalam rezim subkritis (Tabel 3). 3

4 Tabel 3 Sudut Separasi untuk aliran fluida mampat diukur oleh beberapa peneliti (Raghavan, 2007) besar, sehingga dibutuhkan permodelan skala untuk mengatasi hal tersebut. tujuan utama membuat skala model adalah untuk menghadirkan kondisi model dengan keadaan sebenarnya. Dikutip dari (Bathacarya, 1978). 2.6 Pengujian Model Fisik Tes Kualifikasi (Qualification Test) Tahapan-tahapan qualification test ini termasuk kalibrasi peralatan, post-tes calibration dan decay test dimana test-test tersebut dilakukan untuk mengetahui periode natural osilasi dari sebuah Silinder Osilasi. Kalibrasi (Calibration) Tujuan dari dilakukannya proses kalibrasi ini adalah untuk menjamin sensor-sensor yang terpasang bekerja secara baik dan mempunyai fungsi linier terhadap proses pengukuran yang dilakukan. Verification Test Test ini dilakukan pada model Silinder osilasi untuk menjamin gerakan yang terjadi pada saat diuji menggambarkan kejadian sebenarnya. Model Skala (Scale Model) Dalam proses pengujian analitis gerakan osilasi. Tidak cukup akurat dilakukan jika tidak di uji cobakan. Sehingga diperlukan kondisi sebenarnya dalam percobaan, sehingga dapat diperoleh nilai yang akurat seperti kondisi nyata. Untuk pemenuhan akurasi percobaan, dengan menghadirkan lingkungan secara nyata. Akan tetapi dibutuhkan jumlah dana yang 3. METODOLOGI 3.1 Fasilitas Eksperimen Data-data yang digunakan dan fasilitas laboratorium yang digunakan dalam percobaan ini diantaranya adalah: Dimensi Silinder Osilasi : a) Panjang =1,15 m b) Diameter = 0,12 m c) Aspek Rasio = 9,54 d) Massa Rasio = 1.45 e) Konstanta Pegas = 20 N/m f) Lebar Roughness Strip = 4 dan 6 cm g) Sudut Separasi = 50 o ; 70 o ; 80 o ;100 o Parameter Lingkungan : a) Percepatan Gravitasi = 10 m/s 2 b) Suhu air = 30 0 C c) Kecepatan Arus = 0,16 ; 0,24 ; 0,32 ; 0,40 ; 0,48 m/s d) Massa jenis fluida = 995,7 kg/m 3 Data profil towing tank Laboratorium Hidrodinamika ITS Panjang kolam (m) = 50 Lebar kolam (m) = 3 Kedalaman kolam (m) = 2 Jarak dari kereta ke permukaan air (m) = 0, Desain Model Percobaan Pada gambar 3 ditunjukkan permukaan Silinder Osilasi yang diberi sandpaper. bagian berwarna merah menunjukkan sandpaper yang digunakan sebagai roughness strip pada Silinder Osilasi. 4

5 sandpaper Sudut separasi letak roughness strip (α) Gambar 3 Penampang Melintang Silinder Osilasi dengan Roughness Strips. 3.3 Prosedur Penelitian Prosedur penelitian uji fisik ini akan diawali dengan mempelajari referensi atau literatur yang berkaitan dengan pokok bahasan yang akan dibahas. Diantaranya mengenai VIV, Alat konversi energi vorteks, separation point, analisis dimensional prosedur uji laboraturium dan tentunya penelitian tentang pengaruh kekasaran permukaan (Roughness on Oscillating Part). Sesuai dengan parameter yang sudah didapat, maka kegiatan selanjutnya adalah menyelaraskan perhitungan manual tentang dimensi dengan kondisi laboratorium serta tersedianya alat penunjang. Langkah selanjutnya adalah kalibrasi alat laboratorium yang bertujuan agar alat pengujian di laboratorium berjalan semestinya. Kemudian jika kalibrasi menunjukkan hasil yang baik, maka dapat diteruskan pada pembuatan model Silinder Osilasi. Dengan berjalannya itu semua, maka dapat dimulai untuk model tes sesuai dengan bermacam-macam variasi yang sudah ditentukan. Dimulai dari perbedaaan sudut separation point (α) dengan variasi sudut: 50 o ; 70 o ; 80 o ; 100 o, lalu lebar roughness strip (B) dengan variasi 4 dan 6 cm. Kemudian pula divariasikan pada kecepatan arus (U) yang berbeda-beda pula dengan variasi: 0,16 ; 0,24 ; 0,32 ; 0,40 ; 0,48 m/s. Setelah melakukan pengujian untuk tiap-tiap variabel, saat itu juga mencatat hasil dari pengujian tersebut. Hasil pencatatan terdapat beberapa nilai amplitudo untuk tiaptiap variabel. Kemudian mencari nilai amplitudo tertinggi yang terjadi. Akan didapat juga hasil efektif dari segala variabel dan parameter yang sudah divariasikan yang kemudian dilakukan analisis dan pembahasan serta kesimpulan. 4. ANALISA HASIL 4.1 Penentuan Viskositas Kinematis Air dan Reynolds Number Tempat dilaksanakannya penelitian ini, suhu rata-rata pada kolam pengujian berkisar pada 25 o C. Oleh karena itu, viskositas kinematik pada kolam tersebut dapat dicari dengan menggunakan pendekatan dari grafik dan tabel berikut ini : Gambar 4 Grafik Viskositas Kinematik dari Air pada Tekanan Atmosfer (Munson dkk, 2002). Penentuan Reynolds Number dengan U = kecepatan partikel (m/s) D = diameter struktur (m) v = viskositas kinematis air (m 2 /s) 5

6 = 9,00 x 10-7 pada suhu 25 o C. Berdasarkan fungsi di atas, maka didapatkan jarak angka Reynolds Number berkisar pada angka 6,67 x ,24 x deg ; 4cm 70deg ; 4cm 80deg ; 4cm 100deg ; 4cm 4.2 Kalibrasi Model Agar percobaan yang dilakukan di laboratorium berjalan sebagaimana mestinya, maka perlu dilakukan kalibrasi alat laboratorium. Contoh proses kalibrasi alat laboratorium adalah pengecekan alat sensor analog agar mendapatkan kecepatan arus yang diharapkan. Gambar 4.4 menunjukkan alat sensor analog. Amplitudo (cm) ,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 Kecepatan (m/s) Gambar 6 Grafik Perbandingan Amplitudo rata-rata (A rms ) dengan Kecepatan (V), untuk Variasi Lebar Roughness Strips= 4cm Gambar 5 Alat Sensor Analog di Laboratorium Hidrodinamika Kemudian jika kalibrasi menunjukkan hasil yang baik, maka dapat diteruskan pada pembuatan model Silinder Osilasi. 4.3 Analisis Hasil Pengujian Model Analisa pada Variasi Lebar Roughness Strips = 4cm Kondisi ini adalah kondisi dimana sudut perletakan Roughness Strips pada Silinder Osilasi adalah 50 o ; 70 o ; 80 o ; 100 o dengan lebar (B)= 4 cm. Kemudian diuji dengan 5 kecepatan, yaitu 0,16 m/s ; 0,24 m/s ; 0,32 m/s ; 0,40 m/s dan 0,48 m/s. Dari gambar 6 di atas dapat kita lihat nilai amplitudo untuk masing-masing variasi pada lebar roughness strip = 4cm, dengan beberapa kecepatan arus yang telah ditentukan. Dengan amplitudo rata-rata maksimum terjadi pada variasi 7 yaitu pada sudut separasi 100 o, di kecepatan arus 0,24 m/s yaitu sebesar 3,25cm. Sehingga amplitude ratio-nya (A rms /D) sebesar 0, Analisa pada Variasi Lebar Roughness Strips = 6cm Kondisi ini adalah kondisi dimana sudut perletakan Roughness Strips pada Silinder Osilasi adalah 50 o ; 70 o ; 80 o ; 100 o dengan lebar (B)= 6 cm. Kemudian diuji dengan 5 kecepatan, yaitu 0,16 m/s ; 0,24 m/s ; 0,32 m/s ; 0,40 m/s dan 0,48 m/s. 6

7 Amplitudo (cm) ,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 kecepatan (m/s) 50deg ; 6cm 70deg ; 6cm 80deg ; 6cm 100deg ; 6cm Gambar 7 Grafik Perbandingan Amplitudo rata-rata (A rms ) dengan Kecepatan (V), untuk Variasi Lebar Roughness Strips= 6cm Dari gambar 7 di atas dapat kita lihat nilai amplitudo untuk masing-masing variasi pada lebar roughness strip = 6cm, dengan beberapa kecepatan arus yang telah ditentukan. Dengan amplitudo rata-rata maksimum terjadi pada variasi 6 yaitu pada sudut separasi 80 o, di kecepatan arus 0,24 m/s yaitu sebesar 4,60cm. Sehingga amplitude ratio-nya (A rms /D) sebesar 0, KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Dari penelitian yang dilakukan, dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut : 1. Pengujian yang telah dilakukan pada semua variasi roughness strips dengan sudut perletakan 50 o ; 70 o ; 80 o ; 100 o, dan lebar roughness strips 4 dan 6 cm. Amax tertinggi untuk Silinder Osilasi dengan roughness strips 4 cm terjadi pada sudut perletakan 80 o dengan arus 0,32 m/s sebesar 5,64 cm. Amax tertinggi untuk Silinder Osilasi dengan roughness strips 6 cm terjadi pada sudut perletakan 50 o dengan arus 0,32 m/s sebesar 6,07 cm. Sedangkan Amin terendah untuk Silinder Osilasi dengan roughness strips 4 cm terjadi pada sudut perletakan 100 o dengan arus 0,48 m/s sebesar 0,24 cm. Sedangkan Amin terendah untuk Silinder Osilasi dengan roughness strips 6 cm terjadi pada sudut perletakan 100 o dengan arus 0,40 m/s sebesar 0,24 cm. Untuk rasio amplitudo, Arms/D, maksimum terjadi pada variasi 6 (sudut perletakan 80 o lebar roughness strips = 4cm), dengan arus 0,24 m/s sebesar 0,383 (A rms = 4,60cm). Sedangkan, Arms/D minimum terjadi pada variasi 6 (sudut perletakan 80 o lebar roughness strips = 4cm), dengan arus 0,40 m/s sebesar 0,092 (A rms = 1,11cm). Secara umum dapat disimpulkan berdasarkan dari hasil pengujian laboratorium yang telah dilakukan untuk semua variasi adalah bahwa dengan semakin tinggi nilai kecepatan arus yang mengenai Silinder Osilasi, amplitudo yang terjadi nilainya semakin kecil. 2. Berdasarkan kesimpulan poin 1diatas, bisa didapatkan hasil konfigurasi terbaik dalam pengujian Silinder Osilasi sebagai salah satu komponen untuk alat Konversi Energi Vorteks yang telah diberi roughness strips pada permukaannya adalah - L = 115 cm & D = 12 cm - B = 4 cm - α = 80 o - V = 0,24 m/s Dengan amplitudo rata-ratanya (A rms ) sebesar 4,60 cm. 5.2 Saran Dari penelitian yang sudah dilakukan, penulis memberikan saran apabila akan dilakukan penelitian lebih lanjut. 1. Lebih memperhatikan kekuatan sistem penegar yang digunakan selama pengujian. 2. Perlu melakukan pengujian untuk sudut dan lebar roughness strips dengan variasi yang lebih banyak. 7

8 6. DAFTAR PUSTAKA Achenbach, E Influence of Surface Roughness on the Cross-Flow around a Circular Cylinder, Journal of Fluid Mechanics, 46(2), Bathacarya, R Dynamic of Marine Vehichles. Maryland. Johnwile&sons.inc Bernitsas, M. M., Raghavan, K., Ben- Simon, Y., and Garcia, E. M. H "VIVACE (Vortex Induced Vibrations Aquatic Clean Energy): A New Concept in Generation of Clean and Renewable Energy from Fluid Flow," Proceedings of the International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering - OMAE. Bernitsas, M. M., and Raghavan, K., Enhancement of Vortex Induced Forces and Motion through Surface Roughness Control, U of M Ref HDP Ref /PS1. Bondalapati, J., Crimmins K., Nguyen Q., Wolf K., Zhuo Z., Design of a Power Take Off System for the VIVACE Generator. Final Report Coder, D. W., Location of Separation on a Circular Cylinder in Crossflow as a Function of Reynolds Number, Naval ship research and development center, Bethesda MD. Laksono, Bagus P., Analisis Perubahan Dimensi Pada Silinder Osilasi Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Vorteks. Tugas Akhir Jurusan Teknik Kelautan, ITS, Surabaya. Morkovin, M. V., 1969, "Critical Evaluation of Transition from Laminar to Turbulent Shear Layers with Emphasis on Hypersonically Travelling Bodies," Critical Evaluation of Transition from Laminar to Turbulent Shear Layers with Emphasis on Hypersonically Traveling Bodies, Nakamura, Y., and Tomonari, Y., Effects of Surface Roughness on the Flow Past Circular Cylinders at High Reynolds Numbers, Journal of Fluid Mechanics,123, Raghavan, K., 2007, Energy Extraction from a Steady Flow Using Vortex Induced Vibration, A dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy, The University of Michigan. Sumer, B. M., and Fredsoe, J., Hydrodynamics around Cylindrical Structures, World Scientific Pub Co Inc Vortex Hydro Energy Accessed at August 26 th Warta Ekonomi Energi Arus Laut Akan Dikembangkan Indonesia. Jakarta Williamson, C. H. K., and Roshko, A., "Vortex Formation in the Wake of an Oscillating Cylinder," Journal of Fluids and Structures, 2(4, Jul. 1988), Zdravkovich, M. M., "Review and Classification of Various Aerodynamic and Hydrodynamic Means for Suppressing Vortex Shedding," Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 7(2), Zdravkovich, M. M., Flow around Circular Cylinders Volume 1: Fundamentals, Oxford Science Publications. 8