## Studi relokasi gempamikro menggunakan teknik double-difference
Wrego Seno Giamboro 1 , Wahyu Hidayat 1* , Firdaus Maskuri 1,2 ,
Ardian Novianto1, Hafiz Hamdalah 1
1 Teknik Geofisika, FTM UPN ”Veteran” Yogyakarta
2 Teknik Geologi FTM UPN ”Veteran” Yogyakarta Jalan Pajajaran Condongcatur Depok Sleman DI Yogyakarta *email: wahyu.hidayat@upnyk.ac.id
Abstrak – Penentuan lokasi merupakan kegiatan pertama dan utama dalam bidang seismologi. Penentuan lokasi hiposenter  yang  akurat  dan  presissi  dibutuhkan  untuk  meminimalisi  potensi  seismic  hazard.  Pada  tambang bawah  tanah  event  –  event  gempa  umumnya    terjadi  di  bukaan  tambang,  hal  ini  diakibatkan  oleh  kompensasi massa  yang  diambil  yang  mengakibatkan  munculnya  stress.  Akumulasi  stress  yang  tinggi  mengakibatkan terjadinya event gempa mikro. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan relokasi hiposenter yang akurat pada tambang  bawah  tanah.  Data  yang  digunakan  adalah  katalog  gempa  selama  2  bulan  dari  area  tambang  bawah tanah  di  daerah  Jawa  Timur.  Jumlah  event  gempa  sebanyak  1783  dengan  magnitudo  gempamikro  dari  -1.3 sampai dengan 1.5 Mw. Untuk mendapatkan tingkat akurasi dan presisi yang tinggi terutama dalam penentuan lokasi serta kedalaman dalam penentuan hiposenter digunakan teknik Double  - Difference (DD). Hasil relokasi gempamikro  menunjukan dari 1783 event terelokasi 1765 dengan total phase mencapai 2994. Fase gelombang P  terseleksi  pasangan  sebanyak  49910  dari  57991  (86%),  sedangkan  untuk  fase  gelombang  S  terseleksi pasangan sebanyak 24943 dari 28752 (86%). Pergeseran gempamikro sebelum dan  setelah direlokasi menyebar ke  segala  arah  dengan  arah  dominan  berarah  NE  –  SW.  Nilai  pergeseran  gempamikro  sebelum  dan  setelah direlokasi berkisar dari 0.01meter sampai dengan 13 meter.
Kata kunci: Gempamikro, Relokasi, Hiposenter, Double-Diffrence
Abstract  – Determining  the  location  is  the  first  and  foremost  activity  in  the  field  of  seismology.  Accurate  and precise  determination  of  the  hypocenter  location  is  required  to  minimize  potential  seismic  hazard.  In underground  mines  –  events generally  occur  in  mine openings,  this  is  due  to  mass  compensation  taken  which results  in  stress  generation.  The  accumulation  of  high  stress  results  in  the  occurrence  of  microseismic.  This study  aims  to  obtain  accurate  hypocenter  relocation  in  underground  mines.  The  data  used  is  an  earthquake catalog for 2 months from underground areas in East Java. The number of earthquake events was 1783 with a magnitudo  of  micro-earthquake  from  -1.3  to  1.5  Mw.  To  obtain  a  high  level  of  accuracy  and  precision, especially in the location and in determining the hypocenter, the Double-Difference (DD) technique is used. The results  of  the  relocation  of  microseismic  showed  that  1783  events  were  relocated  in  1765  with  a  total  phase reaching 2994. The P-wave phase was selected by 49910 pairs out of 57991 (86%), while for the S-wave phase, 24943 pairs were selected from 28752 (86%). The shift of the microearthquake before and after being relocated spread in all directions with the dominant direction in the NE – SW direction. The value of the microearthquake shift before and after being relocated ranged from 0.01 meters to 13 meters.
Key words: Microseismic, Relocation, Hypocenter, Double – Difference

## PENDAHULUAN
Penentuan  hiposenter  merupakan  tahapan  yang sangat penting dalam seismologi.
Relokasi hiposenter gempa bumi merupakan suatu metode menghitung ulang atau mengkoreksi posisi hiposenter gempa bumi menjadi  lebih  baik  dan  akurat. Tingkat akurasi  lokasi  hiposenter  ditentukan  oleh  tipe, jumlah event gempa,  ray  path,  stasiun pemantauan,  dan  geometri  stasiun, picking gelombang P  dan  S[1].  Faktor  geometri  stasiun
pengamat  dapat  ditingkatkan  dengan  cara menambah  stasiun  yang  ada.  Untuk  kesalahan pembuatan  model  kecepatan  serta  tingkat akurasi  pembacaan  waktu  tiba  gelombang diperlukan  analisisi  mendalam.  Initial  model kecepatan yang digunakan akan juga berpengaruh  terhadap  kualitas  data  yang didapatkan.  Pada  penelitian  ini  penggunaan kecepatan  awal  memanfaatkan  hasil coring laboratorium,  sehingga  faktor  kesalahan  akibat model awal dapat dihindari [2].
Tujuan  utama  penerapan  jaringan  seismik dalam  bidang  pertambangan  adalah  untuk memonitoring seismisitas di area pertambangan secara  terus  menerus  [3],  [4],  [6].  Pemantaun seismik  umumnya  terdiri  dari  penentuan  lokasi hiposenter,  energi  dan  estimasi  momen  seismik [7],  [8].  Untuk  meningkatkan  akurasi  dan keandalan  analisis  data  serta  kebutuhan  untuk menganalisis kejadian seismik yang sangat kecil dalam  skala  lokal  diperlukan  banyak  perbaikan dalam  prosedur  analisis  data  seismic  [2],  [5], [8].  Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk mendapatkan  lokasi hiposenter yang akurat dan presisi  pada  tambang  bawah  tanah.  Penentuan lokasi  hiposenter  pada  tambang  bawah  tanah mutlak  diperlukan  untuk  meminimalisir  potensi seismic hazard pada tambang bawah tanah [9]. Monitoring gempamikro merupakan metode  investigasi  seismik  bawah  pemukaan berdasarkan  deteksi  lokasi  gempa  dengan magnitudo  kecil  yang  terjadi  pada  batuan berkenaan  dengan  proses  alami  ataupun  buatan [5], [8]. Evolusi tunnel development dan evolusi bukaan  tambang  dapat  direkontruksi  dengan baik  melalui  analisa  sebaran event gempamikro yang tentunya membutuhkan penentuan hiposenter  yang  akurat  [10],  [11].  Kegiatan monitoring  seismik  pada  tambang  bawah  tanah dapat  menjadi early  warning  system bagi  asset tambang terutama keselamatan pekerja [12].
Penelitian  ini akan  mengkaji permasalahan pertama  dan  utama  dalam  kajian  seismologi yaitu  relokasi  hiposenter.  Untuk  daerah  dengan intensitas  seismisitas  tinggi  seperti  pada tambang bawah tanah diperlukan suatu algoritma penentuan hiposenter yang akurat, hal ini  dilakukan  karena  keselamatatan  pekerja  dan asset  tambang  bawah  tanah  [13].  Permasalahan metode  –  metode  relokasi  hiposenter  yang digunakan  saat  ini  belum  banyak  yang membahas tentang suatu gempa yang ter cluster . Event gempa  yang  terjadi  umumnya  tersebar, oleh karena itu pada penelitian ini akan dibahas suatu  algoritma  penentuan  hiposenter  yang dapat  memberikan  solusi  yang  tepat  dalam bidang clustering gempa  sehingga  dapat memitigasi  bencana  seimik  pada  tambang bawah tanah sedini mungkin.

## LANDASAN TEORI
Penjalaran gelombang seismik banyak digunakan  di  berbagai  bidang  penelitian  seperti seismologi,  geofisika  dan  mekanika  batuan. Cepat  rambat  gelombang  seismik  merupakan
indikator  komprehensif  dari  sifat  fisis  batuan [14].  Akumulasi stress pada  tambang  bawah tanah dapat mengakibatkan  potensi seismic hazard yang dapat membahayakan  keselamatan pekerja  di  area  tambang  bawah  tanah. Pembangunan  terowongan,  runtuhan  batuan akibat  bukaan  tambang  akan  menimbulkan induced  seismic baru  yang  harus  dimonitoring distribusi stress nya  dengan  cepat  dan  akurat. Untuk  mendapatkan  informasi  sumber  gempa berasal  diperlukan  metode  yang  memiliki tingkat akurasi yang tinggi, salah satunya adalah menggunakan metode Double - Difference (DD) [15].
Metode  DD  merupakan  pengembangan dari metode Geiger. Metode
DD mengasumsikan jarak antara dua event gempamikro  jauh  lebih  kecil  jika  dibandingkan dengan  jarak event tersebut  ke  stasiun pengamat. Ray  path dari  kedua event tersebut dianggap  sama  [16].  Gambar  1 merupakan ilustrasi  dua  buah event gempamikro i dan j dengan  jarak  berdekatan  dibandingkan  dengan stasiun  pengamatan k dan l .  Waktu  tiba gelombang dari event gempamikro i ke stasiun  pengamatan  dapat  dituliskna  sebagai berikut:
∫ (1) Di mana
merupakan waktu event gempamikro i , u adalah vector slowness, dan ds merupakan partisi dari lintasan ray path . Waktu tiba  dan  lokasi  sumber  sangat  tidak  linier,  oleh karena itu data pengamatan dan perkiraan waktu tiba  gelombang dilinierisasi  (liniearized) untuk mempermudah perhitungan.
∑ ∫ (2)
Persamaan  2  disubtitusikan  dengan  kejadian dari  sumber j yang  diterima  stasiun k ,  maka didapatkan:
∑ ∫ ∑
∫ .                                                    (3)
Dengan  mengasumsikan  kedua  sumber  tersebut sangat  dekat  sehingga  garis ray  path tersebut hampir  sama  dan  saling  menghilangkan, persamaan 3 dapat disederhanakan menjadi:
∑ ∑ (4) Gambar 1 . Skema Teknik DD [16] Di  mana
merupakan  DD  [16].
Perbedaan  waktu  antara  data  pengamatan dengan perhitungan diantara dua event gempamikro yang berdekatan ditulis menjadi:
(5)
Perbedaan  waktu  tiba
diperoleh
berdasarkan cross  corelation waverform atau dari  perbedaan  waktu  absolut  berdasarkan katalog  gempamikro.  “Persamaan  3”  langsung diterapkan  pada  iterasi  dan  jika  ditulis  dalam bentuk matriks menjadi:
. (6)
adalah  differential  matriks  parsial  dari hiposenter dan origin time gempa berukuran N T ×  4M T . adalah  matriks  vektor  pertubasi posisi  dan  waktu  origin  gempa  yang  berukuran 4  M T ×  1.  C  adalah  diferential  matriks  dari pertubasi  model slowness yang  berukuran  N T × L. merupakan  vektor  pertubasi slowness yang  berukuran  L  ×  1 . merupakan  vektor residual  waktu  tiba  yang  berukuran  N T ×  1.  N T merupakan  total  data  observasi  waktu  tiba,  M T merupakan  total  hiposenter,  dan  L  merupakan total grid  nodei dari  model  kecepatan. adalah  matriks  operator double-difference yang berukuran ∑ ×  N T ,  dimana merupakan  jumlah  gempa  yang  direkam  pada stasiun k .  Untuk  mengetahui  arah  rambat ray path dan  menghitung  waktu  tempuh  kalkulasi menggunakan  algoritma pseudo-bending  ray
tracing [15].  Diferensial  parsial  dari  hiposenter dihitung  menggunakan  arah  ray  dan  kecepatan lokal di sekitar sumber gempa [17]. Berdasarkan hasil  yang  diperoleh  dari  penelitian  yang dilakukan  [15],  metode  DD ini  efesien  untuk merelokasi  kejadian  gempa  secara  akurat  dan menggambarkan struktur kecepatan lokal dengan cukup baik.

## METODE PENELITIAN
Relokasi  gempamikro  pada  penelitian  ini menggunakan HypoDD .  Data  yang  digunakan adalah data katalog gempamikro selama 2 bulan (Januari  –  Februari  2021)  hasil  rekaman  30 stasiun dari area tambang bawah tanah di daerah Jawa  Timur  (gambar  2).  Katalog  gempa  terdiri dari  tanggal,  waktu  kejadian event ,  stasiun, besaran  skala,  kedalaman  dan uncertainty dari masing – masing parameter tersebut. Total event gempa  untuk  katalog  gempa  bulan  januari  dan februari  sebanyak  1783 event gempamikro dengan  magnitudo  gempa  dari  -1.3  sampai dengan  1.5  Mw.  Katalog  gempa  tersebut kemudian  di  dihitung  waktu  tempuh  dan menentukan  pasangan event nya  menggunakan bahasa  pemrograman  fortran  yang  dikemas dalam ph2dt .
Gambar  2. Sebaran  stasiun  seismometer  (bulatan warna  merah)  dan raypath event gempamikro  (garis hitam)
Berdasarkan  hasil runing ph2dt diperoleh informasi event terseleksi  sebanyak  1765 event dengan  total  phase  mencapai  2994.  Fase gelombang  P  terseleksi  pasangan  sebanyak 49910  dari  57991  atau  sebanyak  86%, sedangkan  untuk  fase  gelombang  S  terseleksi pasangan  sebanyak  24943  dari  28752  (86%). Terdapat  1  klaster  gempa, event gempamikro berada  disekitar  bukaan  tambang.  Model kecepatan  awal  yang  digunakan  merupakan model  kecepatan  3-Dimensi.  Model  kecepatan 3-Dimensi diperoleh dari informasi geologi dari
coring batuan secara vertikal maupun horisontal. data tersebut kemudian diparametirasi  sesuai  luasan  dan  grid  inputan program HypoDD .  Pengolahan  data  secara detail pada penelitian ini disajikan pada gambar 3.
Gambar 3 . Diagram alir pengolahan data .

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Metode  DD  menggunakan  waktu  tiba  relatif ( cross-correlation data  atau differential  catalog data)  serta absolute data  yang  secara  simultan merelokasi  gempa  sekaligus  menghitung  model kecepatan  3-Dimensi.  Gambar  4  merupakan histogram  residual  waktu  tempuh  sebelum direlokasi,  sedangkan  gambar  5  merupakan histogram yang telah direlokasi. Distribusi RMS residual sebelum direlokasi berada pada rentang -3  ms  sampai  dengan  2  ms.  Histogram  setelah direlokasi menunjukan nilai distribusi frekuensi tinggi  dan  mendekati  0  dengan  rentang  nilai  -2 ms  sampai  dengan  2  ms,  yang  menunjukan relokasi  gempamikro  secara  statistik  lebih  baik dibandingkan  sebelum  dilakukan  relokasi. Untuk mengetahui jarak pergeseran
gempamikro  sebelum  dan  sesudah  direlokasi, dilakukan  pembuatan  histogram  pergeseran  vs jumlah data dan diagram roset untuk mengetahui arah dominan persebarannya (Gambar 6 dan 7).
Gambar  4 . Histogram  RMS  Residual  gempamikro sebelum direlokasi
Gambar  5. Histogram  RMS  Residual  gempamikro setelah di relokasi
Gambar 6 . Histogram pergeseran ( shifting ) sebelum dan setelah direlokasi.
Area tambang bawah tanah yang memeliki level aktivitas  seperti  level  produksi,  terowongan, level undercut , level ekstraksi, hauling memiliki area  relatif  sempit  (≤  20  meter  antar  levelnya). Berdasarkan hasil relokasi gempamikro diperoleh  pergeseran  hiposenter  bergeser  dari dari  0,01  meter  sampai  dengan  13  meter (Gambar  6)  dari  posisi  sebelumnya.  Hasil histogram  pergeseran  gempamikro  kemudian dibuat diagram rosetnya untuk melihat kecenderungan penyebarannya. Sebaran gempamikro yang ditunjukan oleh diagram roset menyebar  kesegala  arah,  namun  dominan berarah  NE-  SW  (Gambar  7).  Arah  dominan pergeseran event gempamikro  ini  hanya menunjukan  kearah  mana event bergeser  dari posisi semulanya.
Gambar 7 . Diagram roset sebaran gempamikro
Distribusi event sebelum  dan  sesudah  relokasi dapat  dilihat  pada  gambar  8.  Titik  warna  hijau adalah  sebaran event gempa  sebelum  direlokasi sedangkan  warna  biru  adalah event yang  telah direlokasi.  Segitiga  warna  merah  merupakan sebaran  stasiun  pengamatan.  Sebaran event gempamikro  pada  gambar  8  menujukan  adanya pola  kelurusan  ( linement )  berarah  NW  –  SE yang  merupakan  jalur  bukaan  tambang  berupa tunnel (garis  berwarna  hitam)  yang  diakibatkan oleh  adanya  kegiatan Development  Blasting (DB) . Kegiatan  DB  mempengaruhi  area  sekitar tambang  bawah  tanah  yang  mereaktivasi keberadaan sesar sejajar dengan tunnel development  (g aris  warna  merah).  Untuk memastikan  potensi seismic  hazard terutama reaktivasi sesar maka perlu dilakukan monitoring  gempamikro  dan  pemetaan stress serta pengaturan property blasting .
Gambar  8 .  Sebaran event gempa  sebelum  (titik warna hijau) dan setelah direlokasi (titik warna biru), Segitiga  warna  merah  merupakan  stasiun  pengamat gempamikro.  Garis  warna  hitam  merupakan tunnel development sedangkan garis warna merah merupakan  sesar  yang  teraktivasi  akibat  adanya kegiatan development blasting (DB)

## KESIMPULAN
Metode  Double  –  Difference  (DD)  mampu merelokasi gempamikro dengan akurat terutama daerah  disekitar  sumber  gempa.  Hasil  relokasi DD  memeliki  tingkat  akurasi  yang  tinggi  yang ditunjukan  oleh  histogram  RMS  residual. Diperlukan  monitoring  gempamikro  untuk mencegah  potensi seismic  hazard berupa reaktivasi sesar disekitar area penelitian.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Peneliti  mengucapkan  terimakasih  kepada LPPM UPN Veteran Yogyakarta atas pendanaan  penelitian  internal  skim  penelitian dasar.

## DAFTAR PUSTAKA
Artikel Jurnal:
[1] Gomberg,  Beeler  N.M.,  Blanpied,  M.L., and  Bodin,  “P.  Earthquake  triggering  by transient and static deformations”, Journal of geophysical research 103(B10) (1998)  411-424.
[2] Wang  Z,  Xibing  Lia,  Dapeng  Zhao, Xueyi  Shang,  Longjun  Dong,  “Time- lapse seismic tomography of an
underground  mining  zone”, International Journal  of  Rock  Mechanics  and  Mining Sciences 107 (2018) 136-149,
https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2018.04.0 38
[3] Gibowicz and Lasocki, “Seismicity
Induced  By  Mining  Ten  Years  Later’, Advances in geophysics 44 (2001). [4] Mendecki and Sciocatti, Seismic
Monitoring on Mines, Chapman and Hall. London,  1997.
[5] Nugraha,  DA.,  Mikroseismik,  Penerbit ITB Press 2018, ISBN 978-602-5417-59- 7, 1997.
[6] Luxbacher  K,  Westman  E,  Swanson  P, Karfakis  M,  “Three-dimensional  time- lapse velocity tomography of an underground  longwall  panel’,  Int  J  Rock Mech Min 45 (2008) 478–485.
[7] Zhao  DP,  Mishra  OP,  Sanda  R, “Influence  of  fluids  and  magma  on earthquakes:  seismological  evidence”, Phys  Earth  Planet  Inter.  132(2002)  249– 267.
[8] Zhao  DP,  Wang  Z,  Umino  N,  Hasegawa A.  Tomographic  imaging  outside  a seismic  network:  application  to  the northeast  Japan  arc.  Bull  Seismol  Soc Am. 2007;97:1121–1132
[9] Ma,  Xu  &  Westman,  Erik  &  Counter, Dave  &  Malek,  Farid  &  Slaker,  Brent. “Passive  Seismic  Imaging  of  Stress Evolution with Mining-Induced
Seismicity  at  Hard-Rock  Deep  Mines”,
Rock  Mechanics  and  Rock  Engineering
(2020)   10.1007/s00603-020-02076-5
[10] Hosseini  N,  Oraee  K,  Shahriar  K, Goshtasbi  K.,  “Studying  the  stress redistribution around the longwall mining panel  using  passive  seismic  velocity tomography and
geostatistical estimation”,  Arab  J  Geosci.  6  (2013)
1407–1416.
[11] Cai  W,  Dou  LM,  Cao  AY,  Gong  SY,  Li ZL.,  “Application  of  seismic  velocity
tomography in underground coal mines: a case  study  of  Yima  mining  area,  Henan, China”,  J  Appl  Geophysics.  109(2014) 140–149.
[12] Cai W, Dou LM, Gong SY, Li ZL, Yuan SS.,  “Quantitative  analysis  of  seismic velocity tomography in rock burst hazard assessment”,    Nat  Hazards.  75  (2015) 2453–2465.
[13] Lurka  A.,  “Location  of  high  seismic activity  zones  and  seismic  hazard assessment  in  Zabrze  Bielszowice  coal mine  using  passive  tomography”,    J China Univ Min Technol. 18 (2008) 177– 181.
[14] Wang  Z,  Xibing  Lia,  Dapeng  Zhao, Xueyi  Shang,  Longjun  Dong,  “Time- lapse seismic tomography of an underground  mining  zone”,  International Journal  of  Rock  Mechanics  and  Mining Sciences 107(2018) 136-149. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2018.04. 038
[15] Zhang,  H.J.,  and  Thurber,  C.,  “Adaptive mesh  seismic  tomography  based  on tetrahedral and Voronoi diagrams:
Application  to  Parkfield,  California”,  J. Geophys. Res. 110 (B4) (2005) 225–243.
[16] Waldhauser,  F.,  and  Ellsworth, W.L.,  “A
Double-Difference Earthquake LocationAlgorithm: Method and
Application  to  the  Northern  Hayward Fault,  California”,  Bulletin  of  the Seismological  Society  of  America  90 (2000) 1353–1368.
https://doi.org/10.1785/0120000006
[17] Lee WH, and Stewart SW, Principles and Applications of Micro-Earthquake
Network: Advances in Geophysics, Supplement 2, Academic Press, Cambridge,  1981.

## Analisis tekanan dan laju aliran fluida di sekitar baling-baling Sovonius dengan Computational Fluid Dynamics

## Farzand Abdullatif*, Hartono, dan Sugito
Program Studi Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Jenderal Soedirman Jln. Dr. Soeparno 61, Grendeng, Purwokerto, Indonesia, 53122 *email: farzand@unsoed.ac.id
Abstrak – Bagian terdepan dari sistem konversi energi angin terletak pada baling-baling atau kincir angin. Pada dasarnya terdapat dua jenis baling-baling yaitu Horiontal Axis Wind Turbin (HAWT) dan Vertikal Axis Wind Turbin  (VAWT).  Setiap  jenis  mempunyai  kelebihan  dan  kekurangannya.  Jenis  baling-baling  vertikal  yang cukup  banyak  digunakan  adalah  jenis  VAWT  Savonius.  Salah  satu  kekurangan  jenis  Savonius  adalah efisiensinya yang rendah. Rendahnya efisiensi dimungkinkan karena desain yang kurang sesuai dengan potensi angin yang ada. Oleh karena itu, pada penelitian ini akan dilakukan analisis aerodinamika aliran udara melalui baling-baling  Savonius.  Analisis  akan  menggunakan  metode  CFD  (computational  fluid  dynamics)  untuk memperoleh kinerja berupa kofisien daya yang dihasilkan baling-baling Savonius. Hasil simulaSsi menunjukkan bahwa  ada  resultan  tekanan  pada  satu  sisi  bilah  sehingga  menimbulkan  momen  yang  memutar  baling-baling. Garis  alir  menunjukkan  bahwa  kecepatan  udara  sebelum  mengenai  baling-baling  lebih  besar  daripada  setelah melewati baling-baling. Hasil simulasi menunjukkan bahwa angin masuk dengan kecepatan 1,2 m/s dan keluar dari baling-baling dengan kecepatan 0,6 m/s. Berdasarkan hal itu diperoleh koefisien daya baling-baling sebesar 25%.
Kata kunci: Kincir Savonius, dimensi optimum, computational fluid dynamics
Abstract – The foremost part of a wind energy conversionsissystem is a turbine.There are typically two kinds of turbine, the horizontal axis wind turbines (HAWT) and the vertical axis wind turbines (VAWT. Each type of the turbines has its own advantages and  disadvatages. A widely used  type of VAWT is the  Savonius turbine.  The weakness of this type of turbine is its low efficiency, which may be attributed to inappropriateness of its design to its ambient wind average velocity. For that reason, this work was conducted to to anylyze the aerodynamics of airflow passing a  Savonius blade.  The analysis was carried out using computational fluid dynamics  (CFD) method to find the power coefficient generated by a Savonius turbine. The result shows a difference of pressure between  two  sides  of  the  blade,  resulting  a  moment  of  force  that  cause  the  turbine  to  rotate.Streamlines indicates inflow velocity is higher than the outflow velocity from the turbine. Simulation shows that the inflow velocity is 1.2 m/s while the outflow velocity is 0,6 m/s, which accordingly yield a power coefficient of 25%.
Key words: Savonius turbine, optimal dimension, computational fluid dynamics

## PENDAHULUAN
Pengembangan  berbagai  sistem  konversi  energi telah  banyak  dilakukan  guna  memenuhi kebutuhan  energi  alternative[1].  Energi  angin merupakan  salah  satu  energi  terbarukan  yang dapat  dikembangkan  sebagai  salah  satu  energi alternatif.  Pengembangan  energi  angin  dapat diawali dengan membuat simulasi dan pemodelan[2].  Salah  satu  bagian  yang  perlu dikembangkan  adalah  bagian  kincir  angin. Kincir  merupakan  bagian  yang  berfungsi mengkonversi  energi  kinetik  angin  menjadi energi  mekanik.  Berdasarkan  jenisnya  kincir dapat  dikelompokkan  menjadi  dua  yaitu  sumbu horisontal dan sumbu vertical[3].
Energi  angin  merupakan  energi  terbarukan yang  dapat  dikonversi  menjadi  berbagai  bentuk
energi  yang  lain.  Kunci  utama  konversi  energi angin  terletak  pada  sistem  baling-baling. Optimasi  terhadap  desain  baling-baling  sangat berpengaruh  terhadap  efisiensinya.  Diharapkan dengan  optimasi  yang  akan  dilakukan  akan diperoleh sebuah formulasi yang dapat digunakan  untuk  merancang  bangun  baling- baling  jenis  Savonius  yang  optimal.  Dimensi baling-baling  juga  dapat  disesuaikan  dengan potensi  angin  setiap  wilayah.  Permasalahan yang  berhubungan  dengan  hal  tersebut  adalah bagaimana upaya peningkatan efisiensi konversi energi  angin  dengan  baling-baling  Savonius dapat dilakukan
Baling-baling  savonius  dikenal  sebagai baling-baling dengan rancangan yang sederhana[4]. Konversi energi angin menggunakan  sistem  baling-baling  mempunyai
efisiensi yang masih rendah, yaitu berkisar 30  - 40  %.  Optimasi  baling-baling  sumbu  horisontal dengan  Maximum  Power  Point  Tracker  dapat meningkatkan  hingga  49,51%[5].  Baling-baling sumbu  vertikal  jenis  Darrieus  merupakan  jenis lain dari media konversi energi angin. Optimasi Vertical  Axis  Wind  Turbin  (VAWT)  jenis Darrieus  dapat  menghasilkan  daya  mencapai 1908  Wh  yang  dapat  digunakan  untuk penerangan jalan tol[6]. Pengembangan konversi  energi  angin  telah  dilakukan  untuk sarana  pompa  air  yang  menggunakan  kincir angin  tipe  savonius  dua  buah  baling-baling [7,8].
Beberapa  riset  yang  sudah  dilakukan menyatakan bahwa masih diperlukan pengembangan  terkait  dengan  konversi  energi angin.  Salah  satu  upaya  yang  dapat  dilakukan adalah melakukan optimasi baling-baling. Savonius  merupakan  jenis  VAWT  yang mempunyai  kelebihan  dapat  menangkap  angin dari  segala  arah.  Dalam  perancangan  baling- baling  Savonius,  pembuatan  baling-baling dengan  dimensi  yang  tepat  akan  menghasilkan efisiensi  yang  lebih  optimal.  Upaya  berikutnya yang dapat dilakukan adalah dengan menganalisis lebih lanjut dengan memperhitungkan  bagaimana  aliran  udara (aerodinamika) melalui baling-baling. Kajian ini dapat  dilakukan  dengan  computational  fluid dynamics  (CFD)[10].    Dalam  pengembangan terakhir  dilakukan  pengkajian  baling-baling savonius  dengan  bilah  yang  bisa  mengalami deformasi[4].  Mereka  menemukan  bahwa  bilah terdeformasi  dapat  menaikkan  kinerja  hingga 90%,  yakni  menghasilkan  koefisien  daya sebesar  39%.  Pada  penelitian  ini  kajian  akan dilakukan  terhadap  baling-baling  Savonius dengan  bilah  tetap  yang  dialiri  angin  dengan kecepatan rendah, 1,5 m/s[8].

## METODE PENELITIAN

## Rancangan geometri baling-baling
Formulasi dan simulasi komputasi
merupakan tahapan inti dalam kegiatan penelitian ini. Hal pertama yang akan dilakukan pada  tahapan  ini  adalah  membuat  rancangan baling-baling Savonius dengan berbagai jumlah bilah,  berbagai  ukuran  dan  berbagai  macam bahan.  Rancangan  ini  digunakan  sebagai  dasar dalam membuat formulasi. Pembuatan rancangan baling-baling dilakukan menggunakan  bantuan  drawing  pad,  sehingga
hasil rancangan dapat langsung diakses di dalam personal  komputer  atau  laptop.  Salah  satu desain  baling-baling  yang  akan  dikaji  seperti terlihat pada Gambar 1.
(a) (b)
Gambar  1 Rancangan  bilah  kincir  savonius,  yang terdiri  atas  dua  setengah  silinder  berongga.  (a) Tampak samping, (b) tampak atas.`
Geometri  dilakukan  dengan  merancang  baling- baling  dengan  ukuran  diameter  dan  tinggi  yang perbandinganya  1:1.  Komputasi  dilakukan dengan  software  CFD  Ansys.  Komputasi dimulai dengan membuat jala-jala komputasi di sekitar geometri baling-baling. Hal itu dilakukan  secara  otomatis  oleh  software. Berdasarkan jala-jala komputasi tersebut komputasi dilakukan untuk memperoleh parameter-parameter  penting  aliran  angina yaitu,  kecepatan  dan  tekanan.  Dari  hasil tersebut,  dilakukan  penghitungan  koefisien daya.Koefisien daya dihitung bedasarkan rumusan sebagai berikut:
masuk keluar p P P C  (1)
P keluar dan P masuk masing-masing  adalah  daya angin  saat  mengenai  baling-baling  dan  daya angin  setelah  melalui  baling-baling.  Karena daya berbanding lurus dengan kuadrat kecepatan  angin,  maka  persamaan  koefisien daya dapat dihitung dengan persamaan berikut
2 2 km asuk keluar p v v C  (2)

## .

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Akuisisi  data  resistivitas  dilakukan  pada bulan Rancangan Geometri
Untuk  melakukan  simulasi  aliran  udara  melalui kincir,  tahap  pertama  adalah  menggambar geometri  kincir  di  dalam  program  simulasi.
l D Poros s R
Hasil  perancangan  geometri  pada  program simulasi ANSYS diperlihatkan pada gambar 2.
Gambar  2 Rancangan  geometri  kincir  savonius dalam program simulasi ANSYS
Geometri  kincir  tersebut  menjadi  input  dalam tahapan berikutnya pra komputasi yaitu pembuatan jala komputasi.

## Pembuatan Jala Komputasi
Tahapan  penting  dalam  komputasi  dalam persamaan  diferensial  adalah  pembuatan  jala komputasi.  Jala  komputasi  ( computational mesh ) merupakan landasan pendiskretan persamaan  sehingga  dapat  dihitung  dengan komputer.  Dalam  penjalaan,  domain  kontinu fluida  di  sekitar  benda  yang  diamati  diubah menjadi bagian-bagian diskret berupa jala.
Sebelum  penjalaan  dilakukan  model domain udara di sekitar kincir perlu didefinisikan terlebih dahulu. Pembatasan dilakukan  sedemikian  rupa  sehingga  tidak terlalu  kecil  sehingga  tidak  menggambarkan secara baik aliran udara di sekitar kincir namun tidak terlalu besar agar tidak membebani proses perhitungan.  Pada  gambar  4.3  diperlihatkan model udara di sekitar kincir Savonius.
Gambar 3 Model domain udara di sekitar kincir
Pada  model  tersebut  udara  di  sekitar  kincir dibatasi  dalam  geometri  balok.  Bagian  kanan domain  udara  dibuat  lebih  panjang  daripada bagian  kiri  untuk  melihat  kemungkinan  adanya wake setelah angin melewati kincir.
Jala  komputasi  kemudian  dihasilkan dengan  mengeset  agar  tepat  di  sekitar  bilah lebih  rapat.  Hal  ini  dimaksudkan  agar  jumlah elemen  perhitungan  di  daerah  itu  lebih  banyak sehingga  detail  di  sekitar  itu  lebih  terungkap. Jala  komputasi  hasil  pendefinisian  yang dibangkitkan  oleh  program  diperlihatkan  pada gambar 4.
(a) (b) Gambar  4 Jala  komputasi  sebagai  landasan pendiskretan persamaan untuk melakukan komputasi. (a) dalam 3 dimensi, (b) tampak atas.
Meskipun  pada  gambar  terlihat  jarang,  ukuran elemen-elemen  jala  sebenarnya  sangat  kecil, sampai  orde  0,001  mm  sehingga  hasil perhitungan  di  setiap  elemen  jala  praktis  akan kontinu.

## Hasil Komputasi
Berdasarkan  pendiskretan  dengan  jala  yang telah  dibangkitkan,  Persamaan  Navier-Stokes dipecahkan  di  setiap  elemen  jala.  Berikut  ini akan  dibahas  hasil  pemodelan  aliran  angin  dan tekanan  angin  di  sekitar  kincir.  Sebelum penghitungan variabel-variabel fisis yang dikehendaki  terkait  kincir  yang  berputar  ketika dihembus angin, model komputasi diuji terlebih dahulu.  Pengujian  dilakukan  dengan  melihat hasil  saat  angin  melewati  kincir  tanpa perputaran kincir dan saat kincir berputar tanpa dihembus angin.

## Garis alir angin
Model  diuji  coba  dengan  mengalirkan  angin dengan  laju  1,2  m/s  (sekitar  4  km/jam).  Garis alir angin itu diperlihatkan pada gambar 5.
(a)
(b)
Gambar 5 Garis alir angin melewati kincir saat bilah tidak berputar (a) tiga dimensi, (b) tampak atas
Terlihat  bahwa  di  sebelah  kiri  kincir  garis  alir lurus  dan  berbelok  saat  melewati  kincir.  Garis- garis  alir  sebelum  melewati  kincir  lebih  rapat daripada  setelah  melewati  kincir.  Hal  ini menunjukkan bahwa laju aliran angin melambat setelah  melewati  kincir.  Hal  ini  wajar  karena sebagian  energi  angin  diberikan  kepada  kincir. Hal  ini  ekuivalen  dengan  tekanan  yang mengakibatkan  kincir  berputar.  Kontur  tekanan akan dibahas pada sub-subbab berikutnya.
Untuk  menguji  apakah  model  secara benar  menunjukkan  kondisi  udara  saat  kincir berputar, dalam model komputasi domain udara dibuat berotasi dengan kecepatan sudut sembarang.  Dalam  model  ini  diset  perputaran dengan kecepatan sudut  = 4 rad/s.
Gambar  6 Deksripsi  aliran  udara  di  sekitar  bilah yang  berputar  dengan  kecepatan  sudut  4  rad/s.  (a) dalam  bentuk  kontur  kecepatan,  (b)  dalam  bentuk vector kecepatan
Pada  gambar  6  diperlihatkan  bagaimana  aliran udara di sekitar kincir. Gambar (a) menunjukkan  kontur  kecepatan  udara  dengan gradasi  warna  dari  biru  hingga  merah.  Hasil menunjukkan  kewajaran  dengan  terlihatnya pusaran  angin  dengan  kecepatan  semakin  besar semakin  menjauh  dari  kincir.  Arah  perputaran angin  diperlihatkan  lebih  jelas  dengan  medan vektor kecepatan pada gambar (b).
Kincir  akan  berputar  apabila  dikenai angin.  Perputaran  kincir  tersebut  juga  akan berpengaruh  balik  terhadap  aliran  angin  di sekitar kincir. Aliran angin melewati kincir yang berputar diperlihatkan pada gambar 6.
(a) (b)
Gambar 7 (a) Tampak katas kontur kecepatan angin di  sekitar  bilah  yang  berputar.  (b)  Vektor  kecepatan angin di sekitar bilah berputar
Saat  angin  melewati  bilah yang  berputar, aliran angin  terpengaruh  sehingga  relatif  terhadap kincir, lajunya membesar. Bila lajunya melebihi bilangan Reynolds tertentu, aliran akan mengalami
turbulensi.
Gambar 7(a)
memperlihatkan  adanya  pusaran  aliran  di belakang  kincir  yang  menandakan  adanya turbulensi. Adanya turbulensi ini dapat mengakibatkan drag yang mengambat perputaran kincir.

## Tekanan terhadap bilah
Telah  disinggung  pada  sub-subbab  berikutnya bahwa  turunnya  laju  aliran  di  belakang  kincir menandakan  adanya  penurunan  tekanan  udara. Kontur tekanan udara di sekitar bilah kincir saat udara  mengalir  melewatinya  diperlihatkan  pada gambar  8.  Gradasi  warna  dari  biru  ke  merah menandakan  tekanan  kecil  hingga  tekanan besar.
Gambar  8 Kontur  tekanan  angin  di  sekitar  bilah tanpa putaran kincir
Pada  kedua  kedua  sisi  bilah  tampak  ada perbedaan  tekanan,  sebelah  kiri  bertekanan lebih  besar  daripada  sebelah  kanan.  Hal  ini ditandai  dengan  warna  merah  di  sebelah  kiri. Wilayah merah di bilah belahan atas yang lebih luas  daripada  di  bagian  bawah  menandakan bahwa  gaya  pada  bilah  bagian  atas  lebih  besar daripada bagian  bawah.  Oleh  karena itu, secara netto akan ada torsi yang memutar, dengan arah searah  jarum  jam.  Akibat  torsi  ini,  kincir  pun akan berputar.

## Gambar  9 Kontur  tekanan  bilah  saat  bilah  berputar ketika dialiri angin
Setelah bilah berputar, sebaran tekanan terhadap bagian-bagian  bilah termodifikasi.  Bagian  bilah bagian  bawah  yang  dikenai  tekanan  tinggi meluas.  Sebagai  akibatnya  gaya  terhadap  bilah belahan  bawah  membesar.  Sementara  itu, seperti  yang  diperlihatkan  pada  gambar  9, belahan  atas  mengalami  peluasan  wilayah tekanan tinggi pula. Dengan demikan, torsi neto terhadap  bilah  tetap  bernilai  positif  meskipun nilai torsinya mengecil.

## Koefisien daya
Untuk  menghitung  koefisien  daya,  diperlukan kecepatan  aliran  sebelum  dan  setelah  melewati baling-baling.  Gambar  10  memperlihatkan  laju aliran  angin  sebelum  dan  sesudah  melewati
baling-baling.  Dalam  gambar  tersebut  angin digambarkan  masuk  dari  kiri  ke  kanan.  Laju angin  sebelum  masuk  diperlihatkan  sebesar  1,2 m/s  dan  keluar  dengan  laju  sebesar,  0,6  m/s. Penguranan  tersebut  menunjukkan  bahwa  ada energi  yang  diserap  oleh  baling-baling  untuk berputar.  Dengan  menggunakan  persamaan  (2) diperoleh bahwa koefisien daya C p adalah 25%. Nilai  ini  tidak  berbeda  jauh  dengan  simulasi yang dilakukan oleh Sobczak yang memperoleh koefisien  daya  sebesar  30%.  Akan  tetapi,  nilai hasil  simulasi  pada  penelitian  ini  maupun  oleh Sobczak berbeda dengan hasil eksperimen yang
memperoleh  nilai  16,5  %  [11].  Perbedaan tersebut  menunjukkan  bahwa  simulasi  masih belum  cukup  memperhitungkan  faktor-faktor real  dalam  eksperimen.  Faktor  tersebut  adalah dalam  hal  mekanika  perputaran  baling-baling yang juga akan dipengaruhi oleh gesekan poros dengan  tiang  penyangga.  Simulasi  dalam  CFD tidak memodelkan hal tersebut. Oleh karena itu, hasil simulasi CFD ini harus dipadukan dengan model  mekanika.  Hal  ini  akan  dilakukan  pada penelitian lanjutan.
Gambar  10 Laju  aliran  angin  sebelum  dan  sesudah  melewati  kincir.  Kincir  berada  dalam  posisi  yang  dinyatakan  dalam kotak. Angin bergerak dari arah kanan.

## KESIMPULAN
Telah  dilakukan  simulasi  aliran  angin  yang mengenai baling-baling Savonius. Angin melalui  baling-bailing  dengan  laju  1,2  m/s  dan keluar  dengan  laju  0,6  m/s.  Berdasarkan  hal tersebut  diperoleh  koefisien  daya  sebesar  25%. Nilai  tersebut  hampir  dua  kali  lipat  lebih  besar daripada  nilai  hasil  eksperimen.  Hal  tersebut menunjukkan  bahwa  simulasi  CFD  saja  belum cukup  untuk  memodelkan  mekanisme  baling- baling CFD secara lengkap. Untuk hal itu masih perlu  dilakukan  komputasi  yang  berkaitan dengan mekanika putaran baling-baling.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Terimakasih  kepada  pihak-pihak  yang  sudah membantu  terlaksananya  penelitian  ini.  Kepada Unsoed  yang  telah  mendanai  penelitian  melalui dana Riset Dasar Unsoed dengan nomor kontrak T/715/UN23.18/PT.01..03/2021.  Penulis  juga
mengucapkan  terimakasih kepada  Laboratorium Komputasi  dan  Medik  Jurusan  Fisika  FMIPA Unsoed yang sudah menyediakan fasilitas untuk penelitian.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] M. Najib Habibie, Achmad Sasmito, Roni Kurniawan, 2011, “Kajian Potensi Energi Angin di Wilayah Sulawesi dan Maluku”, Jurnal Meteorologi dan Geofisika . 12(2) 181-187.
[2] Mohanty,  B.  B.,  “Doubly-Fed  Induction Generator  for  Variable  Speed  Wind Energy  Conversion  System  -Modeling Simulation”, International  Joural  of Computer  and  Electrical  Engineering 2(1) (2010) 1793-8163.
[3] Mittal,  R.  S.,  “An  Overview  of  Some
Important Issues Related to Wind Energy Conversion System (WECS)”,
International  Journal  of  Environmental

## Angin
Science  and  Development 1(4)  (2010) 344-355.
[4] Sobczak, K., Obidowsi, D., Reorowics P.,
Marchewka, E., “Numerical Investigations  of  the  Savonius  Turbine with Deformable Blades”, Energies 13(2020) 3717.
[5] Nur  Asyik  Hidayatullah,  Hanifah  Nur Kumala  Ningrum,  “Optimalisasi  Daya Pembangkit  Listrik  Tenaga  Angin  Turbin Sumbu  Horizontal  dengan  Menggunakan Metode Maximum Power Point Tracker”, Journal  of  Electrical  Electronic  Control and  Automotive  Engineering  (JEECAE) 1(1) (2016) 7 - 12.
[6] Ismail,  Irlanda  Pane,  Triyanti,  “Optimasi Perancangan  Turbin  Angin  Vertikel  Tipe Darries  untuk  Penerangan  di  Jalan  Tol”, Prosiding  Seminar  Nasional  Sains  dan
Teknologi 2017 (2017)
jurnal.umj.ac.id/index.php/semnastek [7] Kevin,  P.  “Analisis  Potensi  Kincir  Angin Savonius  sebagai  Penggerak  Pompa Submersibe”. Padang: Universitas Andalas, 2011.
[8] Gediana,  A.,  Yusup,  A.,  &  Septria,  W., “Optimasi  Pembangkit  Listrik  Tenaga Arus  Laut  Menggunakan  Sistem  Turbin Savonius  Termodifikasi”, Berkala  Fisika 18(2) (2015) 75-82.
[9] Permana  I.T.,  R.  B.,  “Pengembangan Model  Kincir  Angin  Jenis  Savonius  Dua Tingkat  sebagai  Alternatif  Penggerak Pompa” (2011).
[10] Mohamed, H.M., Janiga, G., Thevenin, D. “Optimal Design of A Savonius Turbine”, Conference  on  Modelling  Fluid  Flow: The  15th  International  Conference  on Fluid Flow Technology, 2012
[11] M.A. Kamoji , S.B. Kedare , S.V. Prabhu, in:  Performance tests on  helical  Savonius rotors,  34, Renewable  Energy ,  2009,  pp.
521–529.