eISSN: 2721-5717; pISSN: 2747-2124
https://journal.unhas.ac.id/index.php/zonalaut

## ZONA LAUT

## JURNAL INOVASI SAINS DAN TEKNOLOGI KELAUTAN
-spasi -Times New Roman 11 Italic- -spasi -TIMES NEW ROMAN 11 ITALIC-

## ANALISIS PERUBAHAN KARAKTERISTIK ALIRAN FLUIDA SEKITAR SPAR-3VP TERHADAP VARIASI KECEPATAN ALIRAN DI KONDISI EKSTRIM
Galy Rakaziwi  dan Fuad Mahfud Assidiq Departemen Teknik Kelautan, Fakultas Teknik, Universitas Hasanuddin, Indonesia e-mail: rakaziwigaly@gmail.com

## Abstrak
Penelitian  ini  membahas  mengenai  SPAR offshore  wind  turbine ,  sebuah  turbin  pondasi  terapung  yang  digunakan untuk  pembangkitan  listrik  tenaga  angin  di  laut  dalam.  SPAR  di  desain  dengan  silinder  apung  vertikal  berdiameter besar  yang  diberi  pemberat  di  ujung  bawahnya,  menciptakan  struktur  yang  kurang  responsif  terhadap  angin, gelombang,  dan  arus.  Pondasi  SPAR  memiliki  keunggulan  di  perairan  dalam  karena  pusat  massanya  yang  rendah, stabilisasi pemberat yang sederhana, dan stabilitas yang tinggi. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan pemahaman yang lebih mendalam mengenai aliran fluida yang terjadi di sekitar SPAR, yang berdampak pada kinerja dan stabilitas turbin angin lepas pantai. Penelitian ini akan berfokus pada analisis pemodelan numerik berbasis CFD ( Computational Fluid Dynamics ) dengan bantuan software analisis 3D yaitu  ANSYS dengan pertimbangan beberapa variasi kecepatan aliran fluida untuk mengidentifikasi tekanan, kecepatan, dan perubahan aliran fluida sekitar SPAR. Hasil  dari  penelitian  ini  diharapkan  dapat  membantu  dalam  mengurangi  risiko  kerusakan  pondasi  SPAR, meningkatkan  stabilitas  turbin,  dan  secara  keseluruhan  meningkatkan  efisiensi  pembangkitan  energi  listrik  tenaga angin  lepas  pantai.  Penelitian  ini  memiliki  implikasi  positif  dalam  pengurangan  dampak  lingkungan  dari pembangkitan energi dibandingkan dengan sumber bahan bakar fosil tradisional.
Kata Kunci : CFD, Fluida, Offshore wind turbine , SPAR, Vertikal plate

## Abstract
This research discusses the SPAR offshore wind turbine, a floating foundation turbine used for wind power generation in the deep sea. SPARs are designed with a large-diameter vertical floating cylinder weighted at its lower end, creating a structure that is less responsive to wind, waves, and currents. SPAR foundations have advantages in deep water due to  their low  center  of  mass,  simple ballast  stabilization,  and  high  stability.  The  purpose  of  this  research is  to  gain  a deeper understanding of the fluid flow occurring around the SPAR, which impacts the performance and stability of the offshore  wind  turbine.  This  research  will  focus  on  CFD  (computational  fluid  dynamics)-based  numerical  modeling analysis with the help of 3D analysis software ANSYS by considering several variations of fluid flow velocity to identify the  pressure,  velocity,  and  changes  in  fluid  flow  around  the  SPAR.  The  results  of  this  study  are  expected  to  help  in reducing  the  risk  of  SPAR  foundation  damage,  improving  turbine  stability,  and  overall  increasing  the  efficiency  of offshore  wind  energy  generation.  This  research  has  positive  implications  for  reducing  the  environmental  impact  of energy generation compared to traditional fossil fuel sources.
Keyword : CFD, Fluid, Offshore wind turbine , SPAR, Vertikal plate

## 1. PENDAHULUAN
SPAR Offshore Wind Turbine adalah jenis turbin pondasi terapung yang digunakan untuk membangkitkan listrik  tenaga  angin.  Desain  SPAR  ini  terdiri  dari  silinder  apung  vertikal  berdiameter  besar  yang  diberi
pemberat  di  ujung  bawah  dengan draft yang  dalam,  membuat  struktur  kurang  responsif  terhadap  angin, gelombang, dan arus. Catenary atau tali tambat yang tersebar dengan jangkar tarik atau hisap memastikan SPAR  tetap  di  tempatnya.  Silinder  SPAR  mengapung  secara  vertikal  di  dalam  air  dan  biasanya  memiliki tangki  pemberat  di  beberapa  bagian  volumenya.  Mereka  dapat  dibuat  dari  baja,  beton,  atau  kombinasi keduanya.  Pondasi  SPAR  memiliki  luas  bidang  yang  kecil  dan  massa  silinder  yang  besar  di  bawah permukaan air, yang membuatnya cocok untuk aplikasi di laut dalam. Pondasi SPAR memiliki keunggulan di  perairan  dalam  karena  pusat  massanya  diturunkan,  stabilisasi  pemberatnya  sederhana,  dan  memiliki stabilitas  yang  tinggi  dengan  draft  yang  besar.  Turbin  angin  lepas  pantai  adalah  jenis  turbin  angin  yang dirancang dengan stabilitas yang tinggi dikarenakan alat ini akan akan ditempatkan di laut dalam yang tidak memungkinkan  untuk  pondasi fixed-bottom .  Hal  inilah  yang  menjadi  salah  satu  keunggulan  dari  desain SPAR  karena  turbin  angin  lepas  pantai  memiliki  potensi  untuk  mengurangi  dampak  lingkungan  dari pembangkitan  energi  dibandingkan  dengan  sumber  bahan  bakar  fosil  tradisional.  Namun,  desain  SPAR untuk  turbin  angin  lepas  pantai  juga  memiliki  beberapa  kelamahan  salah  satunya  biaya  konstruksi  dan pemeliharaan  yang  mahal  dikarenakan  desainnya  yang  cukup  kompleks  sehingga  membutuhkan  peralatan dan keahlian khusus dalam pengerjaannya.
Pelampung  SPAR  pada  dasarnya  merupakan  salah  satu  alternatif  mendasar  untuk  substruktur  pelampung turbin  angin.  Ketika  lokasinya  relatif  berada  di  antara  pusat  gravitasi  dan  pusat  daya  apung,  stabilitas pelampung  SPAR  menunjukkan  sifat  yang  unik.  Gaya  apung  yang  dihasilkan  oleh  anjungan  SPAR menopang  seluruh  turbin  angin  lepas  pantai,  dan  tegangan  tali  tambat  mempertahankan  posisi  stasiun substruktur terbang tipe SPAR [1]. Beberapa modifikasi pada substruktur yang ada seperti stepped -SPAR, counterweight  disc ,  dan heave  plate ditawarkan  sebagai  alternatif.  Pada  awalnya,  model stepped -SPAR menunjukkan  banyak  kelebihan  dibandingkan  dengan  SPAR  dasar,  termasuk  kinerja  hidrodinamika  yang dapat diterima berdasarkan angin turbulen, penggunaan pola tambat 4 x 1 sebagai peredam pitch aktif, dan kemungkinan untuk diimplementasikan di perairan moderat untuk potensi penghematan [2]. Struktur SPAR pada  turbin  angin  lepas  pantai  dapat  menciptakan  medan  angin  dan  aliran  turbulen  yang  kompleks  di sekitarnya.  Ini  dapat  mempengaruhi  efisiensi  turbin  dan  menghasilkan  tegangan  dinamis  tambahan  pada struktur. SPAR biasanya dirancang untuk mengatasi beban gelombang yang tinggi. Gelombang besar dapat menyebabkan getaran dan beban dinamis yang mempengaruhi kinerja dan daya tahan struktur. Oleh karena itu,  penelitian  ini  akan  mengedintifikasi  aliran  fluida  sekitar  SPAR  untuk  mengurangi  resiko  kerusakan pondasi  SPAR  dan  untuk  meningkatkan  stabilitas  turbin.  Dalam  penelitian  ini  akan  dilakukan  analisis pemodelan  3D  menggunakan  software  ANSYS  dengan  beberapa  variasi  kecepatan  (v)  untuk  mengetahui tekanan, kecepatan, dan perubahan aliran fluida sekitar SPAR.

## 2. METODE
Analisis  pemodelan  akan  menggunakan  software  analisis  3D  (ANSYS)  dengan  4  variasi  kecepatan  aliran fluida yaitu 0.661 m/s, 6.114 m/s, 61.144, dan  611.438 m/s. Metode penelitian berupa pemodelan numerik berbasis CFD ( Computational Fluid Dynamics ). Penelitian ini akan berfokus pada investigasi aliran fluida sekitar  SPAR  untuk  mengetahui  kecepatan  dan  tekanan  fluida  disekitarnya.  Jenis  SPAR  yang  akan dimodelkan adalah SPAR-3VP yaitu SPAR yang memiliki 3 pelat peredam. Untuk mensimulasikan kondisi aliran sekitar SPAR-3VP, penentuan domain dan kondisi batas yang tepat harus ditentukan terlebih dahulu. Hal ini mencakup penentuan kecepatan masuk, tekanan, dan parameter lain yang relevan di sekitar SPAR. Berikut domain yang digunakan dalam pemodelan:
Tabel 1. Nilai domain model dalam satuan meter
X Y Z + 100 30 1 - 50 30 90

## Gambar 1. Domain model
Dalam  penelitian  ini,  jenis  turbulensi  yang  digunakan  adalah  IDDES-SST  ( Improved  Delayed  Detached Eddy  Simulation  with  Shear-Stress  Transport )  k  omega.  Pilihan  jenis  turbulensi  ini  akan  memungkinkan pemodelan  yang  lebih  akurat  dari  aliran  turbulen  di  sekitar  SPAR-3VP.  Adapun  data  model  konstan  nya yaitu;  Cdes  ( inner )  =  0.78,  Cdes  ( outer )  =  0.61,  Cd1 =  20,  Alpha*_inf  =  1,  Alpha_inf  =  0.52,  Beta*_inf  = 0.09, a1 = 0.31, Beta_i ( inner ) = 0.075. Material atau jenis fluida yang digunakan adalah water-liquid . Untuk bagian velocity  inlet , velocity  magnitude diatur  berdasarkan  variasi  kecepatan  yang  telah  ditentukan sebelumnya. Turbulent  intensity sebesar  5%  dan  turbulen  viscosity  ratio  =  10. Solution  initialization menggunakan metode Hybrid Initialization . Pada bagian “ run calculation ” akan diatur sebagai berikut:
Tabel 2. Data setting run calculation Time Stepping Method Fixed Time Step Size 1 Number of Time Step 0 Option Data Sampling for Time Statistics Sampling Interval 1 Max Iteration/Time Step 100 Reporting Interval 1 Profile Update 1
Setelah  program  diatur  berdasarkan  data  diatas,  maka  dapat  dilakukan run  calculation dengan  menekan bagian  “ calculate ”.  Selanjutnya,  hasil  penelitian  dapat  diatur  bagian  “ result ”  yang  akan  disajikan  dalam bentuk  gambar  yang  untuk  menampilkan  perubahan  kecepatan,  tekanan,  dan  bentuk  aliran  fluida  sekitar SPAR berdasarkan variasi kecepatan yang telah dimodelkan. Setelah hasil pemodelan diperoleh, selanjutnya akan dilakukan analisis hasil pemodelan untuk mengetahui perubahan yang terjadi pada aliran fluida sekitar SPAR  berdsarkan  variasi  kecepatan  yang  telah  diujikan  dan  untuk  memberikan  kesimpulan  akhir  dari penelitian.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1 Pemodelan SPAR
Software  CFD  bertujuan  untuk  menyimulasikan  proses  fisik,  dengan  menangkap  permasalahan  fenomena fisik ke dalam persamaan numerik. Karena itu, tidak ada jaminan bahwa akan  ada solusi ‘konvergen’ pada kondisi  mapan  ( steady  state  convergence )  untuk  suatu  masalah.  Masalah  simulasi  CFD  pada  umumnya bersifat  non-linier  dan  teknik  penyelesaiannya  menggunakan  proses  secara  iteratif  untuk  mendapatkan solusi hingga ‘konvergensi’ tercapai [3].
Untuk  melakukan  analisis  pemodelan  numerik  aliran  fluida  di  sekitar  SPAR  turbin  angin  lepas  pantai berbasis CFD, digunakan software ANSYS Fluent. Berikut langkah-langkah pemodelannya:

## 1. Persiapan Data Geometri
 Impor  file  model  3D  turbin  angin  lepas  pantai  SPAR--3VP  yang  telah  disiapkan  sebelumnya menggunakan software CAD.
2. Pengaturan Grid ( Meshing )
 Menentukan jenis grid yang akan digunakan, seperti grid struktural atau unstruktural.
 Generate  grid  yang  sesuai  dengan  geometri  dan  jenis  analisis  yang  diinginkan.  Pastikan  grid  memiliki kualitas yang baik untuk menghindari kesalahan numerik.
3. Pengaturan Kondisi Batas ( Boundary Conditions )
 Kondisi batas dapat ditentukan pada bagian “ setup ”. Pada bagian ini akan ditentukan kondisi batas pada model, seperti kecepatan aliran masuk, model turbulensi, dan fluid density .
4. Pengaturan Model Fisika
 Model  fisika  disesuaikan  dengan  model  yang  akan  disimulasi.  Pada  pemodelan  ini  akan  digunakan model turbulensi IDDES SST k omega sesuai data pada bagian metode penelitian.
5. Pengaturan Solver ( Solver Setup )
 Solver  yang  digunakan  adalah  tipe Pressure-Based dan  pada  bagian Velocity  Formulation disetel “Absolute”.
 Konfigurasi pengaturan solver , seperti jumlah iterasi, toleransi, dan lainnya.
6. Solution Initialization
 Inisialisasi  solusi  dengan  tebakan  awal  yang  sesuai  untuk  variabel-variabel  seperti  kecepatan  dan tekanan. Inisialisasi ini memungkinkan solver untuk memulai iterasi dari kondisi yang memadai. Untuk initialization methods dipilih “ Hybrid Initialitation ”. 7. Simulasi ( Run Simulation )
 Menjalankan simulasi  menggunakan pengaturan yang telah  ditentukan sebelumnya. Mamastikan  tidak ada kesalahan atau konvergensi yang buruk selama simulasi berjalan dengan memeriksa outputnya.
8. Analisis Hasil (Post -processing )
 Setelah simulasi selesai, selanjutnya dilakukan analisis hasil simulasi. ANSYS Fluent memiliki berbagai alat untuk memvisualisasikan data hasil simulasi, seperti profil aliran, distribusi tekanan, distribusi suhu, dan sebagainya.
 Hasil analisis akan digunakan untuk membuat kesimpulan dari penelitian.
9. Dokumentasi Hasil
 Dokumentasi  diperlukan  untuk  digunakan  sebagai  dokumentasi  hasil  dalam  penyusunan  laporan  dan untuk memberikan kesimpulan dari simulasi yang dilakukan.
Analisis  kecepatan dan tekanan fluida dalam  pengembangan turbin angin  lepas pantai sangat penting untuk memastikan keandalan operasi turbin, efisiensi energi yang dihasilkan, dan keselamatan struktur. Analisis ini juga membantu dalam  memenuhi persyaratan perizinan dan peraturan lingkungan sebelum  membangun dan mengoperasikan  turbin  tersebut  serta  membantu  dalam  mengidentifikasi  beban  angin  dan  gelombang  yang akan  dihadapi  oleh  turbin  angin  lepas  pantai  dan  struktur  SPAR.  Dalam  pengembangan  turbin  angin, simulasi  numerik  memainkan  peran  kunci  dalam  perancangan  baling-baling  dan  penempatan  turbin  untuk maksimalkan  produksi  energi  [4].  Interaksi  antara  aliran  fluida  (arus)  dengan  SPAR  akan  menyebabkan terbentuknya  pola  aliran  yang  berbeda-beda  di  belakang  SPAR.  Pola  aliran  tersebut  mengikuti  bentuk/ geometri struktur yang dilewatinya [5].

## 3.2 Kecepatan aliran sekitar SPAR
 V1 = 0.661 m/s
Gambar 2. Kecepatan aliran fluida sekitar SPAR pada kondisi V1 0.661 m/s.
 V2 = 6.114 m/s
Gambar 3. Kecepatan aliran fluida sekitar SPAR pada kondisi V2 6.114 m/s.
 V3 = 61.144 m/s
Gambar 4. Kecepatan aliran fluida sekitar SPAR pada kondisi V3 61.144 m/s.
 V4 = 611.438 m/s
Gambar 5. Kecepatan aliran fluida sekitar SPAR pada kondisi V4 611.438 m/s.
Dari  data  hasil  simulasi  diatas,  diperoleh  nilai  kecepatan  maksimum  ( max  velocity )  aliran  fluida  di sekitar SPAR sebagai berikut:
Tabel 3. Nilai kecepatan maksimum aliran fluida sekitar SPAR
Kecepatan arus (m/s) Kecepatan maksimum (m/s) V1 0.661 1.366 V2 6.114 11.084 V3 61.14 107.289 V4 611.438 1091.02

## 3.3 Tekanan aliran sekitar SPAR
 V1 = 0.661 m/s
Gambar 6. Tekanan aliran fluida sekitar SPAR pada kondisi V1 0.661 m/s.
 V2 = 6.114 m/s
 V3 = 61.144 m/s
Gambar 8. Tekanan aliran fluida sekitar SPAR pada kondisi V3 61.144 m/s.
 V4 = 611.438 m/s
Gambar 9. Tekanan aliran fluida sekitar SPAR pada kondisi V4 611.438 m/s.
Dari data hasil simulasi diatas, diperoleh nilai tekanan maksimum ( max pressure ) aliran fluida di sekitar SPAR sebagai berikut:
Tabel 4. Nilai tekanan maksimum aliran fluida sekitar SPAR
Kecepatan arus (m/s) Tekanan maksimum (N/m 2 ) V1 0.661 232.549 V2 6.114 20109.8 V3 61.14 1.88677 × 10 6 V4 611.438 1.92571 × 10 8

## 4. KESIMPULAN
Berdasarkan data hasil simulasi tekanan dan kecepatan aliran fluida sekitar SPAR dengan variasi kecepatan arus  yang  berbeda,  diperoleh  kesimpulan  sebagai  berikut:  1)  Hasil  simulasi  menunjukkan  bahwa  aliran fluida  di  sekitar  SPAR  sangat  sensitif  terhadap  perubahan  kecepatan  aliran.  Peningkatan  kecepatan  aliran dapat  mengakibatkan  perubahan  yang  signifikan  dalam  parameter  seperti  tekanan  dan  kecepatan maksimum. 2) Data dari simulasi menunjukkan bahwa efek perubahan kecepatan dalam aliran fluida sekitar SPAR cenderung bersifat eksponensial. Ini mengindikasikan bahwa perubahan kecil dalam kecepatan dapat menghasilkan  perubahan  besar  dalam  parameter  aliran  fluida.  3)  Simulasi  menunjukkan  bahwa  tekanan maksimum  dalam  aliran  fluida  sekitar  SPAR  dapat  mencapai  level  yang  sangat  tinggi  ketika  kecepatan aliran  mencapai  tingkat  yang  signifikan.  Hal  ini  dapat  diamati  pada  simulasi  V4  611.438  m/s,  yang menunjukkan  perubahan  tekanan  dan  kecepatan  aliran  fluida  sekitar  SPAR  yang  meningkat  secara
signifikan bila dibandingkan pada 3 simulasi sebelumnya.
Penelitian  ini  memiliki  potensi  aplikasi  praktis  dalam  desain  dan  pengoperasian  SPAR,  khususnya  dalam mengoptimalkan  kecepatan  aliran  fluida  untuk  mengelola  tekanan  yang  ada  dan  memastikan  kinerja  yang aman  dan  efisien.  Penelitian  ini  masih  terbatas  pada  parameter  yang  digunakan  serta  kurangnya pemahaman  dalam  pengoperasian  software  ANSYS  Fluent.  Oleh  karena  itu,  diperlukan  penelitian  yang lebih  mendalam  untuk  memperoleh  hasil  yang  lebih  maksimal.  Uji  model  dapat  menjadi  salah  satu  cara memperoleh hasil data yang lebih valid dengan membandingkannya dengan hasil pengujian dengan metode numerik (CFD).

## 5. DAFTAR PUSTAKA
[1] A.  Randa,  “Permodelan  Unjuk  Kerja  Turbin  Pusaran  (Vortex)  Untuk  Model  Alat  Uji  Pembangkit Listrik Menggunakan Software Ansys Fluent”, Fakultas Teknik, Universitas Lampung, 2023.
[2] F. M. Assidiq, et. al ., “Influence of Vertical Plate on the Pitching Motion of a SPAR Wind Floater in Waves”, CCORE 2022, SPESS , pp. 30-42, 2023.
[3] F. M. Assidiq, et. all ., “Experimental Investigation on the Characteristics of Pitch Motion for a Novel SPAR  type  FOWT  in  Regular  Waves”, Kapal:  Juarnal  Ilmu  Pengetahuan  dan  Teknologi  Kelautan , 20(2), 163-174, 2023.
[4] Sorensen, J. Norker, and J. K. Madsen. "Unsteady aerodynamics experiment II." Wind Energy 6.3 : 219- 240, 2003.
[5] S.  Achmad,  “Analisis  Pengaruh  Variasi  Konfigurasi  Helical  Strakes  pada  Aliran  Fluida  dan  Gerakan Struktur SPAR”, Teknik Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, 2018.