ANALISA PERFORMANSI TURBIN VORTEX MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CFD PADA DUA VARIASI DIMENSI SUDU SERTA DEBIT AIR MASUK
Faisal Hajj 1 , Syahril Gultom 2 , Andianto Pintoro 3 , Farida Ariani 4 , Tugiman 5 Mahadi 6
Email : secret_faisal@yahoo.com
1,2,3,4,5,6 Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara, Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 Medan Indonesia

## ABSTRAK
Turbin  Vortex  adalah  salah  satu  jenis  turbin  mikrohidro  yang  menggunakan  pusaran  air sebagai penggerak sudunya. Turbin Vortex mempunyai head yang relatif rendah 0,7m-1,4m dan debit air 0,02 m 2 /s yang mengalir terus menerus, turbin ini sangat cocok digunakan di aliran sungai. Tugas Akhir ini sendiri adalah menganalisa dan mensimulasi secara numerik Turbin Vortex dengan bantuan software  Ansy  14  menggunakan  CFD.  CFD  dapat  menganalisa  atau  memprediksi aliran fluida  yang ada  pada  turbin  vortex.  Analisis  dilakukan  pada  aliran  tiga  dimensi  (3D),  steady,  turbulen  dan incompresible. Variabel yang digunakan untuk dianalisa anatara lain, sudu dan. Bentuk sudu lengkung berjumlah 4.  Didapat efisiensi maksimum pada sudu II sebesar 40,88% pada debit 0,0055 m 3 /s. Pada sudu III didapat efisiensi maksimum sebesar 43,29% pada debi 0,0055 m 3 /s.
Kata kunci: Efisiensi, CFD, Ansys, Turbin Vortex,  Sudu, Debit

## 1. PENDAHULUAN
Seorang  Peneliti  dari  Jerman  Viktor  Schauberger  mengembangkan    teknologi  aliran vortex (pusaran) untuk diterapkan pada pemodelan turbin air.  Aliran vortex yang juga dikenal sebagai aliran pulsating atau pusaran dapat terjadi pada suatu fluida yang mengalir dalam suatu saluran  yang  mengalami  perubahan  mendadak.  Fenomena  aliran vortex sering  kali  dijumpai pada pemodelan sayap pesawat, aliran vortex cendrung dianggap sebagai suatu kerugian dalam suatu aliran fluida. Dalam penelitiannya Viktor Schauberger, memanfaatkan aliran irigasi yang kemudian  diubah  menjadi  aliran vortex (pusaran),  yang  kemudian  dimanfaatkan  untuk menggerakkan sudu turbin. Dari penelitian ini didapatkan efisiensi sebesar 75 % dengan tinggi air  jatuh  0,6  m.  Namun  pada  penelitiannya  Viktor  Schauberger  tidak  menjelaskan  pengaruh jarak sudu turbin terhadap outlet (tempat keluarnya fluida dari rumah sudu)
Salah  satu  software  yang  menunjang  untuk  penelitian  tentang  turbin votex ini  adalah CFD ( Computational Fluid Dynamics ), dimana penyelesaian nya dilakukan dengan pendekatan secara numerik.
Dengan bantuan software ini dapat dianalisa bagaimana hal-hal yang mendukung proses analisa pada turbin vortex diantaranya anilisa tekanan, kecepatan dan tempratur.[2]

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
Menurut  Raswari  (1986),  fluida  merupakan  suatu  zat/bahan  yang  dalam  keadaan setimbang tak dapat menahan gaya atau tegangan geser ( shear force ). Dapat pula didefinisikan sebagai  zat  yang  dapat  mengalir  bila ada  perbedaan tekanan  dan  atau  tinggi.  Suatu  sifat  dasar fluida nyata, yaitu tahanan terhadap aliran yang diukur sebagai tegangan geser yang terjadi pada bidang  geser  yang  dikenai  tegangan  tersebut  adalah  viskositas  atau  kekentalan/kerapatan  zat fluida  tersebut.  Sehingga  fluida  terdiri  dari  cairan  dan  gas  (atau  fase  uap).  Perbedaan  antara keadaan  fluida  dan  solid  jelas  jika  anda  membandingkan  perilaku  fluida  dan  solid.  Solid berdeformasi  ketika  tegangan  geser  diterapkan,  tetapi  deformasi  yang  tidak  terus  meningkat dengan waktu [2].

## ALIRAN VORTEX
Vortex adalah   massa   fluida   yang   partikel-partikelnya   bergerak   berputar dengan garis      arus    (streamline)      membentuk      lingkaran      konsentris.      Gerakan vortex berputar disebabkan   oleh   adanya   perbedaan   kecepatan   antar   lapisan fluida   yang   berdekatan. Dapat      diartikan      juga      sebagai      gerak      alamiah      fluida  yang          diakibatkan            oleh parameter     kecepatan      dan    tekanan. Vortex sebagai pusaran      yang    merupakan efek    dari   putaran     rotasional    dimana      viskositas berpengaruh   di dalamnya Pergerakan aliran fluida dapat dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu:
1. Translasi murni atau translasi irrotasional
2. Rotasi murni atau translasi rotasional
3. Distorsi atau deformasi murni, baik angular ataupun linier
Aliran      irrotasional     terjadi    apabila    elemen      fluida    di   setiap   titik   tidak mempunyai   kecepatan   sudut   netto   terhadap   titik   tersebut.   Sebaliknya   aliran rotasional terjadi  apabila  elemen  fluida  mempunyai  kecepatan  sudut  netto.  Gerak vortex dapat dikategorikan       sebagai    dalam    aliran   rotasional. Vortex digambarkan         sebagai aliran    yang    bergerak     dan   berputar     terhadap     sumbu vertikal     sehingga      terjadi perbedaan      tekanan      antara    bagian     sumbu      dan sekelilingnya[3]

## Gambar 2.1 Pola garis arus untuk sebuah vortex[3]

## Aliran Vortex Bebas
Aliran vortex terjadi walaupun tidak adanya gaya yang dilakukan pada fluida tersebut. Karateristik  dari vortex bebas  adalah  kecepatan  tangensial  dari  partikel  fluida  yang  berputar pada  jarak  tertentu  dari  pusat vortex .  Hubungan  kecepatan  partikel  fluida  v  terhadap  jaraknya dari pusat putaran r dapat dilihat pada persamaan ini:
Dimana:
V = kecepatan linier (m/s) r = jari-jari putaran partikel fluida dari titik pusat (m) T = Periode

## Gambar 2.2 Gerakan elemen fluida dari A ke B : vortex bebas[3]
Pada aliran vortex bebas, dengan menganggap sebuah elemen air mempunyai: l = panjang elemen air
dr = ketebalan elemen air
v = kecepatan tangensial

## Dan diketahui energi keseluruhan elemen air
Didefeniskan maka : 2.5
Dimana  ;

## 
Dalam  vortex  bebas,  tidak  ada  perubahan  energi  melintas  pada  aliran  lurus,  jadi persamaan di atas sama dengan nol.

## Aliran Vortex Paksa
Apabila suatu  gaya  diberikan  pada suatu fluida  dengan  maksud  membuat  aliran fluida berputar.  Hubungan  kecepatan  partikel  fluida  v  terhadap  jaraknya  dari  pusat  putaran  r  dapat dilihat pada persamaan  berikut:
Dimana: = kecepatan sudut r = jari-jari putaran (m)

## Gambar 2.3 Gerakan elemen fluida dari A ke B : Vortex paksa
Air dalam tabung diputar dengan gaya torsi, partikel P pada permukaan air, berjarak x pada sumbu putaran, bekerja gaya-gaya: 1. Berat partikel, arah ke bawah (W)
2.Gaya sentrifugal dengan arah menjauhi pusat putaran (FC)
3.Gaya reaksi zat cair yang mendesak partikel (R)
Bekerjanya gaya selain gaya gravitasi pada air dalam tabung menghasilkan gaya vortex yang  dikenal  sebagai  aliran vortex paksa.  Pada  putaran  silinder,  N  dan  kecepatan  sudut  ψ  , partikel P mempunyai sudut tangen ψ ,berat partikel W dan gaya sentrifugal Fc.
Gaya sentrifugal didefenisikan sebagai berikut :
Dimana: ω  = kecepatan sudut (rad/s) W  = berat partikel (kg) g   = gaya gravitasi (m/s2) X  = jarak dari sumbu (m)

## Aliran Vortex kombinasi
Aliran Vortex Kombinasi  adalah vortex dengan vortex paksa  pada  inti  pusatnya  dan distribusi kecepatan yang sesuai dengan vortex bebas pada luar intinya. Jadi untuk sebuah votex kombinasi dapat dilihat pada persamaan berikut
Dan,
dimana K dan    adalah konstanta dan   adalah jari-jari inti pusat.
Sebuah  konsep  matematika  yang  biasanya  berhubungan  dengan  gerakan  vortex  adalah sirkulasi.  Sirkulasi  didefenisikan  sebagai  sebuah  integral  garis  dari  komponen  tangensial kecepatan yang diambil dari sekeliling kurva tertutup di medan aliran. Konsep sirkulasi sering digunakan  untuk  mengevaluasi  gaya-gaya  pada  terbentuk  pada  benda-benda  yang  terendam dalam fluida yang bergerak.

## TURBIN VORTEX
Turbin vortex adalah turbin yang menggunakan aliran vortex ( gravitation water vortex ) sebagai  penggerak  utama  dari  sudu.  Aliran  vortex  ini  sendiri  adalah  aliran  melingkar mengerucut, dengan menggunakan sifat fisika dari air yang mengalir dari tempat yang tinggi ke tempat yang rendah maka akan didapat vortex [4].

## Gambar 2.4 skema aliran vortex[4]

## Gambar 2.5 gravik perbandingan antara head vs flow rate[4]
Penyederhaan  konsep  ini  adalah  masuknya  energi  potensial  air  menuju  tank-vortex berupa  energi  kinetik.  Energi  kinetik  ini  sendiri  memfokuskan  sebagai  energi  putaran  yang mengerucut  di  pusat  aliran  vortex.  Kemudian  Turbin  vortex  mengubah  energi  putaran  yang disambungkan melalui sudu ke Generator.
Perhitungan Dinamika Fluida (Computational Fluid Dynamics)
Dinamika  fluida  adalah  cabang  dari  ilmu  mekanika  fluida  yang  mempelajari  tentang pergerakan fluida. Dinamika fluida dipelajari melalui tiga cara yaitu:
- Dinamika fluida eksperimental
- Dinamika fluida secara teori, dan
- Dinamika fluida secara numerik (CFD)
Computational  Fluid  Dynamics  (CFD)  merupakan  suatu  ilmu  untuk  memprediksi  aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, reaksi kimia, dan fenomena yang berhubungan, dengan menyelesaikannya menggunakan persamaan-persamaan matematika secara numerik.[1]

## 2.7.1 FLUENT
FLUENT  adalah  program  komputer  yang  memodelkan  aliran  fluida  dan  perpindahan panas dalam geometri yang kompleks.
Fluent merupakan salah satu jenis program CFD ( Computational Fluid Dynamics ) yang menggunakan  metode  diskritisasi  volume  hingga.  FLUENT  memiliki  fleksibilitas mesh , sehingga kasus-kasus aliran fluida yang memiliki mesh tidak terstruktur akibat geometri benda yang  rumit  dapat  diselesikan  dengan  mudah.  Selain  itu,  FLUENT  memungkinkan  untuk penggenerasian mesh lebih  halus  atau  lebih  besar  dari  mesh  yang  sudah  ada  berdasarkan pemilihan solusi aliran.[1]
Secara  lengkap  langkah-langkah  FLUENT  dalam  menyelesaikan  suatu  simulasi  adalah sebagai berikut :
1. Membuat geometri dan mesh pada model.
2.  Memilih solver yang tepat untuk model tersebut (2D atau 3D). 3. Mengimpor mesh model ( grid ). 4.  Melakukan pemeriksaan pada mesh model.
5.  Memilih formulasi solver .
6. Memilih persamaan dasar yang akan dipakai dalam analisa.
7. Menentukan sifat material yang akan dipakai.
8. Menentukan kondisi batas.
9.  Mengatur parameter kontrol solusi.
10. Initialize the flow field.
11.Melakukan perhitungan/iterasi.
12. Menyimpan hasil iterasi.
13.Jika diperlukan, memperhalus grid kemudian melakukan iterasi ulang.

## 3.   METODE PENELITIAN

## Proses Pre-Processing
Proses pre-processing merupakan proses yang dilakukan sebelum pengujian (simulasi). Proses ini mencakup pembuatan model, penentuan domain dan pembuatan mesh ( meshing) .

## Pembuatan Model
Pembuatan  model  Turbin  Vortex  ini  mengacu  pada  bentuk  yang  sebenarnya  dengan skala  1  :  1,  baik  itu  sudu  dan  rumah  sudu  atau  tempat  beroperasinya  fluida  terhadap  sudu. Pembuatan model CAD dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Solid Works. Berikut gambar model uji turbin vortex
• Sudu
p=783mm L 1 =180mm L 2 =135mm
• poros
P=1300mm
D=20mm
• casing
P=970m R=500mm

## Menentukan Domain
Secara  eksperimental,  pengujian  turbin  vortex  menggunakan  air  yang  menggerakkan sudu. Pada pengujian CFD, rumah sudu disesuaikan pada tinggi air pada masing – masing debit.
Pada pengujian,domain pada simulasi CFD turbin vortex dinyatakan dengan tinggi air, dalam hal ini dinyatakan dengan tinggi air di rumah sudu (T). Sudu adalah penggerak domain berupa air yang masuk dari inlet dengan debit yang bervariasi sehingga tinggi T juga bervariasi. Air yang masuk kemudian keluar dari outlet. Outlet sendiri mempunyai beberapa variasi. Begitu seterusnya sehingga membentuk satu kesatuan.

## Diskritisasi
Diskritisasi  pada  simulasi  ANSYS  diinterpretasikan  dengan  pembentukan  mesh  atau grid.  Ukuran mesh yang  diterapkan  pada  model  akan  mempengaruhi  ketelitian  analisis  CFD. Semakin kecil ukuran mesh pada model, maka hasil yang didapatkan akan semakin teliti, tetapi membutuhkan daya komputasi dan waktu yang lebih lama dibandingkan dengan mesh yang memiliki ukuran lebih besar.

## Menentukan Solution Solver Menentukan Jenis Aliran
Fluida yang digunakan dalam simulasi adalah air dengan  sifat-sifat sebagai berikut: 1. Kerapatan (densitas) konstan,
2. Viskositas,
Aliran yang digunakan dalam penelitian ini adalah aliran turbulen,karena mengacu pada aliran  Vortex  yang  berputar  dan  kecepatan  air  tidak  sama  di  satu  titik  dengan  titik  yang  lain. Dari asumsi fluida yang digunakan adalah dengan temperature dan densitas tetap sehingga jenis alirannya adalah isothermal dan inkompresible.

## Menentukan Kondisi Batas
Kondisi  batas  diatur  pada  setiap  sisi  rumah  sudu.  Untuk  memperjelas  letak  kondisi  batas pada penelitian ini selengkapnya ditampilkan pada gambar 3 dan dijelaskan pada Tabel

## Pengaturan Simulasi (Simulation Setting)
Pengaturan  simulasi  yang  dimaksud  adalah  menetukan  beberapa  aspek  yang  diperlukan dalam  simulasi  seperti  bentuk solver yang  dipilih,  material,  jenis  viskos,  dll  sesuai  dengan asumsi yang dilakukan. Tabel dibawah ini menunjukkan pengaturan simulasi yang dilakukan.

## Menjalankan Simulasi (Run)
Setelah  proses pre-processor dan solution telah  selesai  diatur,  maka  simulasi  dimulai ( run ) hingga solusi yang konvergen tercapai.

## 4.HASIL DAN ANALISIS
• Analisis Mesh
Pada Gambar 4.1 ditunjukkan bentuk mesh .
Kondisi Batas Jenis Nilai a. Atas
b. Sudu
c. Inlet
d. Outlet
e. Dinding
f. Bawah
Pressure Outlet Moving Wall Velocity Inlet Pressure Outlet Wall Wall 0 Pa (gauge) Divariasikan (lampiran) Divariasikan (2,64 m/s ; 10,58 m/s ;13,23 m/s) 0 Pa (gauge)
-
-

## Gamabar 4.1 meshing
Dalam  penelitian  ini  mesh  yang  digunakan  adalah  mesh    yang  dibangun  dengan grid berbentuk tetrahedral dengan lapisan prisma pada permukaan domain dan sudu.
• Analisis Kontur Kecepatan Fluida
Gambar 4.2 kontur kecepatan
Gambar 4.2 menunjukkan kontur kecepatan fluida pada kecepatan air 1,06 m/s
• Analisis Kontur tekanan pada sudu
Gambar 4.3 kontur tekanan pada sudu
Pada gambar 4.3 Didapat tekanan maksimum pada sudu adalah 2443,56 (Pa)
Gambar 4.4 grafik distribusi tekanan pada bidang simetris di sudu • Analisa Vektor kecepatan Fluida

## PERHITUNGAN EFISIENSI TURBIN VORTEX
Berikut tabel nilai Torsi pada sudu II debit 1(bukaan katup 30 0 )
Bukaan katup ( 0 ) nrpm) F (N) Torsi (Nm) 30 0 60.4 0.18541892 12.2 0.47506413 0.03442 1.7 0.4998957 0.03624 0 0.49785078 0.03609 Daya turbin Bukaan katup ( 0 ) Ω (rad/sec) Torsi (Nm) P turbin (watt) 30 0 6.32 0.08317 1.28 0.03442 0.04405 0.18 0.03624 0.00652 Kecepatan air masuk Bukaan katup Q (m 3 /s) V (m/s) 30° 0,0035 0.93 60° 0,0044 1.006 90° 0,0053 1.06
Grafik Hasil Perhitungan Putaran vs Torsi pada sudu II
Putaran vs torsi pada sudu III
Dari grafik putaran vs torsi didapat hubungan antara putaran (rpm) terhadap torsi (Nm) pada masing-masing debit air masuk. Didapat torsi maksimum pada sudu II dengan debit 0,005 m 3 /s dan putaran 2,2 rpm sebesar 0,268 Nm. Torsi maksimum pada sudu III dengan debit 0,005 m 3 /s dan putaran 2,4 rpm sebesar 0,137 Nm. Putaran vs efisiensi Pada Sudu II
Putaran vs Efisiensi pada Sudu III
Dari grafik putaran vs efisiensi didapat hubungan antara ptaran n (rpm) dengan efisiensi (%)  pada  masing-masing  debit  air  masuk,  didapat  sfisiensi  maksimum  pada  sudu  II  dengan debit  0,005  m 3 /s  dan  putaran  60,5  rpm  sebesar  40,88  %.  Efisiensi  maksimum  pada  sudu  III dengan debit 0,005 m 3 /s dan putaran 120 rpm sebesar 43,29 %.

## VALIDASI
Beriku hasil perbandingan antara eksperimental dengan hasil simulasi CFD Sudu Chart perbandingan hasil eksperimental dengan hasil simulasi CFD pada sudu II dan sudu III
sudu II

## Sudu III

## 5.   KESIMPULAN DAN SARAN
Dari  hasil  analisa  dan  simulasi  CFD  disimpulkan  bahwa  efisiensi  yang  paling  tinggi berada pada sudu III dengan putaran 120 rpm dan debit air masuk 0,005 m 3 /s sebesar 43,29%. Didapat  persen  galat  sebesar  22,16  %,  nilai  ini  cukup  besar  dibandingkan  dengan standard persen galat yang baik yaitu
.
Ada  beberapa  faktor  yang  mempengaruhi  besarnya  persen  galat  anatar  hasil eksperimintal dengan hasil simulasi CFD, antara lain :
Uji eksperimental Simulasi CFD - Bentuk dan
material casing
- Debit air masuk
- Letak  sudu  yang tidak axis terhadap  saluran buang
- Pengukuran beban torsi
- Berat dari sudu - Jumlah mesh - Iterasi  (tidak mencapai
konvergen)
Pada  penelitian  selanjutnya  terkait  rancang  bangun  turbin  vortex  ini  sebaiknya dilakukan  pengkajian  yang  lebih  mendalam  tentang  teori-teori  fluida  serta  bentuk  atau  desain dari  rumah  turbin,sudu  dan  saluran  inlet  serta  outlet  fluida,  mengingat  turbin  vortex  ini merupakan  jenis  turbin  air  yang  masih  baru  dan  referensi  tentang  turbin  vortex  ini  masih terbatas.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]. Ambarita, Himsar. (2010). Persamaan Pembentuk Aliran . TeknikMesin USU.
[2]. Bachtiar,  Asep  Neris.  (1988).  Perencanaan  Turbin  Air  Penggerak  Generator  Listrik Pedesaan. Tugas Akhir
[3]. L,V.Steeterdan Wylie B. 1993. Mekanika Fluida. Edisi Kedelapan. Jakarta: Erlangga.
[4].  “Zotloeterer”, http://www.zotloeterer.com/welcome/gravitation-water-vortex-power- p5e95290545187f36f41dc60104091489/zotloeterer-turbine.php