## Pengaruh Geometri Basin Terhadap Aliran Vortex: Kajian pada Basin Conical, Conical Convex dan Silinder dengan CFD
Iwan Kurniawan 1,* , Heri Siswanto 1 , Yohanes 1 , Romy 1 , Amir Hamzah 2
1 Teknik Mesin, Universitas Riau
2 Teknik Elektro, Universitas Riau Kampus Bina Widya, Panam Universitas Riau E-mail: iwan.kurniawan@lecturer.unri.ac.id *

## Abstract
This study aims to evaluate the influence of basin geometry on the formation and characteristics of vortex flow using  Computational  Fluid  Dynamics  (CFD).  Three  types  of  basin  geometries  were  investigated:  cylindrical, conical, and conical convex. CFD simulations were conducted to observe the velocity distribution, and vortex flow patterns generated by each basin. The results indicate that the conical basin produces vortex flows with higher intensity compared to the cylindrical and conical convex basins. The conical basin demonstrated a more focused flow pattern and higher vortex concentration around the central axis, contributing to enhanced vortex formation efficiency. Although the cylindrical and conical convex basins also generated vortex flows, they exhibited a more dispersed velocity distribution and less stable vortices. These findings provide important insights for the design and optimization of vortex turbine systems, particularly in the context of renewable energy applications.

## Keywords: conical basin, conical convex basin, cylindrical basin, vortex flow, CFD

## Abstrak
Penelitian ini bertujuan untuk mengevaluasi pengaruh geometri basin terhadap pembentukan dan karakteristik aliran vortex dengan menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD). Tiga jenis geometri basin yang diteliti adalah basin silinder, conical, dan conical convex. Simulasi CFD dilakukan untuk mengamati distribusi kecepatan dan  pola  aliran  vortex  yang dihasilkan oleh  masing-masing  basin.  Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa basin conical menghasilkan aliran vortex dengan intensitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan basin silinder dan conical  convex.  Basin  conical  menunjukkan  pola  aliran  yang  lebih  terfokus  dan  konsentrasi  vortex  yang  lebih tinggi di sekitar sumbu pusat, yang berkontribusi pada peningkatan efisiensi pembentukan vortex. Basin silinder dan  conical  convex,  meskipun  juga  menghasilkan  aliran  vortex,  menunjukkan  distribusi  kecepatan  yang  lebih menyebar dan vortex yang kurang stabil. Temuan ini memberikan wawasan penting dalam desain dan optimasi sistem turbin vortex, khususnya dalam konteks aplikasi energi terbarukan.
Kata kunci: basin conical, basin conical convex, basin silinder, aliran vortex, CFD

## 1. Pendahuluan
Energi  adalah  salah  satu  komponen  terpenting dalam  pengembangan  suatu  negara.  Dalam  beberapa tahun terakhir, kebutuhan akan energi telah meningkat secara  signifikan,  sehingga  menjadi  tantangan  bagi pemerintah  dan  industri  energi  untuk  meningkatkan produksi  energi.  Salah  satu  sumber  energi  yang potensial dan ramah lingkungan adalah energi air pico hydro. Kapasitas Energi Listrik yang dihasilkan untuk pico hydro dibawah 5 kW[1].
Pico hydro adalah teknologi pengembangan energi yang  menggunakan  energi  air  sebagai  sumber  daya. Teknologi  ini  memiliki  potensi  besar  untuk menghasilkan  energi  listrik  yang  terbarukan  dan berkelanjutan.  Dalam  beberapa  tahun  terakhir, teknologi  pico  hydro  telah  berkembang  pesat  dan menjadi  salah  satu  opsi  yang  populer  untuk mengembangkan  energi  terbarukan  di  daerah-daerah pedesaan.
Energi air pico hydro memiliki beberapa kelebihan dibandingkan  dengan  sumber  energi  tradisional. Pertama,  itu  adalah  sumber  energi  yang  dapat diperbarui  dan  tidak  menghasilkan  gas  rumah  kaca atau polutan lainnya, sehingga lebih bersih dan lebih ramah  lingkungan.  Kedua,  sistem  pico  hydro  dapat dirancang  untuk  beroperasi  pada  tekanan  air  yang rendah,  sehingga  cocok  untuk  aplikasi  skala  kecil  di mana aliran air terbatas.
Gravitational Water Vortex Power Plant (GWVHP)  merupakan  salah  satu  pembangkit  listrik tenaga  air  pico  hydro.  GWVHP  terdiri  dari  saluran masuk  air,  basin  yang  berfungsi  untuk  mengkoversi energi  potensial  air  menjadi  energi  kinetik  dalam bentuk  aliran  vortex,  turbin  vortex  yang  berfungsi untuk mengkonversi energi kinetik air menjadi energi mekanik  untuk  menggerakkan  generator  dalam menghasilkan listrik dan saluran keluar yang diletak di tengah pusat basin bagian bawah.
Gambar 1 . Sistem GWVHP [2] Komponen  penting  dalam  GWVHP  ini  salah satunya  basin.  Model  basin  sangat  mempengaruhi pembentukan aliran vortex yang akan menggerakkan runner /sudu turbin. Semakin kuat aliran vortex yang dihasilkan semakin besar potensi energi Listrik yang dapat di ekstrak melalui sudu turbin. Menurut [3] ada korelasi  antara  diameter  basin  dengan  diameter saluran  keluar.  Nilai  14%  dan  18%  merupakan  nilai terbaik dalam menghasilkan aliran vortex, begitu juga dengan  ukuran  diameter  basin  dalam  menghasilkan ketinggian vortex. Peneliti lain[4],[5] melakukan riset untuk  dua  jenis  basin  yaitu  basin  berbentuk  silinder dan basin berbentuk conical hasil riset menunjukkan bahwa basin jenis conical menghasilkan daya keluaran turbin yang  lebih besar  dari  jenis  silinder.  Penelitian ini  dilakukan  secara  eksperimental  dan  CFD ( Computational  Fluid  Dynamics ).  Penelitian  untuk conical basin jenis concave dan convex dilakukan oleh [6], hasil penelitian menunjukkan bahwa basin conical concave menghasilkan daya keluaran yang lebih besar 60% dari jenis basin convex secara eksperimental. Hal yang  sama  dilakukan  oleh  [7]  untuk  basin  conical concave dan convex menggunakan CFD. Begitu juga untuk penelitian yang dilakukan oleh [8], menunjukkan bahwa jenis basin conical lebih baik dari basin silider.
Dari  hasil  studi  literatur  yang  dilakukan  ada beberapa hal penting yang perlu digaris bawahi yaitu:
a. Basin  yang  digunakan  dalam  GWVHT  ada beberapa  jenis  yaitu  jebis  silinder,  jenis conical baik concave maupun convex.
b. Beberapa  peneliti  sebelumnya  melakukan riset tentang jenis-jenis basin tersebut.
c. Basin conical menunjukkan unjuk kerja yang lebih baik dari jenis silinder.
d. Penelitian  dilakukan  secara  eksperimental dan CFD.
e. Penelitian tentang jenis basin telah diuraikan secara detail oleh[2].
Dari  keterangan  tersebut  masih  ada  celah  yang perlu di teliti lebih jauh yaitu  pengaruh aliran vortex terhadap  jenis  basin  dengan  membandingkan  jenis basin  silinder, conical dan conical  convex untuk parameter  basin  yang  sama  menggunakan  CFD dengan  metode  Volume  of  Fluid  ( multiphase ). Konfigurasi yang digunakan adalah konfigurasi basin yang  telah  di  optimasi  oleh  [9]  untuk  jenis  basin silinder, conical dan variasi jenis conical convex .

## 2. Metodologi
CFD  merupakan  cabang  mekanika  fluida  yang menggunakan  analisis  numerik  dan  algoritma  untuk
menyelesaikan  dan  menganalisis  masalah  yang melibatkan  aliran  fluida.  Simulasi  CFD  memberikan wawasan  tentang  perilaku  fluida  di  bawah  berbagai kondisi dan banyak digunakan dalam penelitian teknik dan ilmiah.
CFD  didasarkan  pada  persamaan  dasar  dinamika fluida,  yaitu  persamaan  Navier-Stokes  untuk  fluida Newtonian.  Persamaan  ini  menjelaskan  bagaimana medan  kecepatan  fluida  berkembang  seiring  waktu dan ruang.
Persamaan  utama  dalam  CFD  dalam  penelitian  ini adalah:
a. Persamaan Kontinuitas (Konservasi Massa):
. 0 U  = (1)
U adalah vektor kecepatan.
b. Persamaan  Momentum  (Persamaan  Navier- Stokes):
( ) ( ) eff U + . UU = - p+ . u U + g t  
    (2)
P  adalah  tekanan  dinamik, eff  adalah  viskositas kinematic  efektif  dan  g  adalah  vektor  percepatan gravitasi.
c. Persamaan Fraksi Volume:
( ) ( ) . . 1 0 r U U t      + + − =      (3)
 adalah fraksi volume nilainya 0-1.
2.1. Domain komputasi dan Meshing
Komputasi  numerik  ini  menggunakan  software OpenFOAM versi 2312 dan Ennova untuk pembuatan meshing, sedangkan pembuatan model basin menggunakan Autodesk fusion. Solver yang digunakan adalah interFoam. InterFoam adalah salah satu  solver  di  OpenFOAM  yang  digunakan  untuk memodelkan  aliran  dua  fase  yang  tidak  dapat bercampur,  seperti  air  dan  udara.  Solver  ini  khusus dirancang  untuk  simulasi  aliran  dua  fase  dengan menggunakan metode Volume of Fluid (VOF) untuk melacak antarmuka antara dua fluida. Pada gambar 2, terlihat  model  basin  yang  di  simulasikan  dan dibandingkan.
Gambar 2. Jenis basin A) Conical, B) Silinder, C) Conical Convex.
Pada gambar 3, model basin yang telah dilakukan meshing.  Jenis  mesh/grid  yang  digunakan  adalah polyhedral. Pada Gambar 5 merupakan kondisi batas domain yang akan di simulasi.
Gambar 3 . Mesh polyhedral
Gambar 4. Kondisi batas pada domain simulasi
Gambar 5. Dimensi basin [9]
Pada  gambar  5,  dimensi  basin  menurut  hasil optimasi dari [9] digunakan untuk penelitian ini.
2.2. Grid independent Test dan validasi Untuk  menegaskan  bahwa  hasil  simulasi  tidak dipengaruhi  oleh  jumlah  mes/grid  maka  perlu dilakukan  proses  grid  independent  tes  sebagaimana yang ditampilkan pada table 1.
Tabel.1. Grid Independent Test
No Jumlah elemen mesh Umax (m/s) error 1 157.453 2.0255 0 2 392.730 2.1093 0.0414 3 430.082 2.0258 0.00015
No Jumlah elemen mesh Umax (m/s) error 4 518.543 2.0833 0.02857
Pada tabel tersebut terlihat bahwa pemilihan mesh yang  digunakan  adalah  pada  nomor  3.  Salah  satu pertimbangannya  adalah  mesh  no.3  memiliki  nilai skewmesh dan orthogonal  mesh yang  lebih  sedikit dibanding  mesh  no.  1.  Sebagaimana  telah  diketahui kedua  nilai  tersebut  akan  mempengaruhi  hasil simulasi  dan  kestabilan  iterasi  yang  dilakukan. Sehingga  memerlukan  waktu  iterasi  yang  lebih sedikit.  Nilai  Umax  yang  dihasilkan  didapatkan  dari posisi bidang xz pada ketinggian y = 0.4 m dari saluran keluar basin.
Proses Validasi hasil Simulasi
• Validasi  adalah  proses  membandingkan  hasil simulasi  CFD  dengan  data  eksperimental  yang telah  diketahui  atau  data  teoritis  yang  diperoleh dari  literatur  ilmiah  yang  dipercaya.  Langkah  ini bertujuan  untuk  memastikan  bahwa  model  CFD yang  digunakan  mampu  mereproduksi  fenomena aliran fluida yang benar di lingkungan realistik.
• Validasi  mencakup  perbandingan  antara  hasil simulasi  CFD  dengan  data  eksperimental  seperti pola  aliran,  distribusi  tekanan,  kecepatan  aliran, dan  lainnya.  Hasil  validasi  yang  baik  akan menunjukkan kesesuaian  yang  tinggi  antara hasil simulasi dan data eksperimental.
Karena  validasi  simulasi  basin  untuk  konfigurasi dari  [9],  tidak  tersedia  dalam  bentuk  eksperimental untuk  konfigurasi  basin  tampa  turbin  maka  dalam penelitian ini, validasi dilakukan dengan membandingkan  hasil  fraksi  volume  air[9]  dari  data proses optimasi dengan fraksi air dari penelitian ini.
Gambar 6. Validasi volume fraksi hasil simulasi (c) dengan hasil optimasi dari [9] (a,b)
Dari  gambar  5  terlihat  bahwa  pola fraksi  volume air  menunjukkan  hasil  yang  identik  sama.  Meskipun jumlah  fraksi  volume  air  untuk  a  dan  b  menujukkan nilai yang lebih besar dari c, hal ini dipengaruhi oleh debit air dan ketinggian saluran masuk. Dari gambar 6 terlihat  bahwa  debit  air  yaitu  sebesar  0.00305  m 3 /s kecil (kondisi awal simulasi untuk saluran masuk/inlet)  dan  saluran  air  masuk  yang  tinggi  atau luas  permukaan  yang  masuk  sebesar  0.051  m 2 maka kecepatan  masuk  air  hanya  sebesar  0.0598  m/s,
mengakibatkan  air  mengalir  dengan  kecepatan  yang rendah.
Gambar 7. Contour kecepatan air
3. Hasil dan Pembahasan
3.1. Variasi kecepatan maksimum pada basin Variasi kecepatan maksimum yang dihasilkan oleh masing-masing  basin  dibandingkan.  Dari  gambar  7, terlihat bahwa basin jenis conical dan conical convex memperlihat  pola  aliran  yang  sama  dimana  variasi kecepatan  maksimumnya  secara  linear naik  terhadap posisi  y  dalam  bidang  xz  basin.  Nilai  kecepatan maksimunya mulai turun Ketika mencapai posisi y = 0,4  m  hingga  posisi  y  =  0,5  m.  Sementara  basin silinder  memperlihatkan  pola  kecepatan  maksimun yang  berbeda  dari  kedua  basin  sebelumnya,  dimana kecepatan  maksimum  yang  tertinggi  terjadi  pada posisi  y  =  0.1  m.  Kemudian  kecepatan  maksimum tersebut akan mulai turun hingga posisi y = 0,3 m. dari posisi  0,3  m  hingga  0,5  nilai  kecepatan  maksimum cenderung konstan.
Pola kecepatan maksimum yang terjadi pada basin silinder yang berbeda disebabkan karena debit aliran yang  disimulasikan,  sebesar  0.00305  m 3 /s  tidak  bisa mengisi  luas  area  yang  ada  pada  sisi  keluaran basin( outlet ), sehingga ketinggian air hanya mencapai 0.1  m  dari  sisi outlet basin.    Oleh  karena  itu  untuk basin silinder diperlukan nilai debit yang lebih besar untuk  mendapatkan  variasi  kecepatan  maksimum yang terjadi didalam basin terhadap psosisi koordinat y.  Semakin  tinggi  variasi  kecepatan  maksimum terhadap koordinat y basin semakin besar turbin yang bisa di pasang. Akhirnya daya yang bisa diserap atau di  ekstrak  dari  potensi  air  oleh  turbin  didalam  basin bisa semakin besar.
Gambar  8. Variasi  kecepatan  maksimum  dari  basin  untuk  posisi koordinat terhadap bidang xz

## 3.2. Contour kecepatan pada basin
Pada  gambar  7,  perbandingan contour kecepatan fluida  untuk  masing-masing  basin  ditampilkan.  Dari gambar  tersebut,  terlihat  bahwa contour kecepatan pada basin jenis conical memiliki kecepatan terbesar didalam  basin  dibandingkan  dengan  kedua  basin lainnya  (gambar  a).  Pembentukan  aliran  vortex  dan ketinggian  aliran  vortex  untuk  basin conical lebih besar  dibandingkan  basin  lainnya.  Sebagaimana penjelasan  sebelumnya  bahwa  semakin  tinggi  aliran vortex pada basin semakin besar potensi energi kinetik yang  bisa  di  ekstrak  oleh  turbin  ketika  dipasang didalam basin. Hal ini juga di terangkan oleh [3], ada korelasi  ukuran  basin  dan  ketinggian  vortex  yang terbentuk.  Hal  ini  juga  dipertegas  oleh  [4]. Pembentukan  aliran  vortex  didalam  basin conical lebih baik dari  basin silinder.
Gambar 9. Contour kecepatan fluida didalam basin
3.3. Aliran Vortex pada basin
Aliran  vortex  yang  dihasilkan  oleh  basin tergantung  pada  beberapa  variabel,  seperti  dimensi dan  bentuk  saluran  masuk  fluida,  jenis  basin,  dan diameter saluran keluar basin/ outlet [10] .
Gambar 10. Aliran vortex dalam basin a) basin conical , b)basin conical convex , c) basin silinder
Pada gambar 9, aliran vortex yang dihasilkan oleh basin conical lebih  besar  dibandingkan  dengan  dua basin  lainnya. Vortex /aliran vortex merupakan  aliran fluida dimana garis-garis alirannya berputar mengelilingi  sumbu  tertentu,  untuk  penelitian  ini sumbu  y  merupakan  sumbu  putarnya. Vortex menghasilkan  sirkulasi.  Besarnya  sirkulasi  dapat digunakan  untuk  mengukur  kekuatan  suatu  vortex. Vortex dengan  sirkulasi  yang  tinggi  berarti  aliran fluida  meiliki  putaran  yang  kuat  disekitar  sumbu vortex. Korelasi ini dapat diliat dari persamaan 4[2].
2 rv    = (4)
Dimana r adalah posisi radial dari pusat rotasi dan v  adalah kecepatan tangensial dari free surface vortex.
Dengan  semakin  besarnya  sirkulasi  yang  didapatkan pada basin conical maka  potensi  energi  kinetik  pada aliran  fluida  semakin  besar,  jika  digunakan  untuk menggerakkan  turbin  akan  menghasilkan  torsi  yang besar dibandingkan dengan basin conical convex dan
0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 0,2 0,4 0,6 U m a x (m /s ) posisi koordinat Y(m) basin conical
basin conical convex basin silinder
basin silinder. Oleh karena itu daya dan efisiensi yang didapatkan oleh beberapa peneliti sebelumnya ketika menggunakan  basin conical lebih  besar  dari  jenis lainnya.

## 4. Simpulan
Penelitian ini menyelidiki pengaruh geometri basin terhadap  aliran  vortex  menggunakan  simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD). Tiga geometri basin  yang  berbeda  -  silinder, conical ,  dan conical convex -  dianalisis  untuk  memahami  distribusi kecepatan, dan pola aliran vortex yang dihasilkan.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa basin conical menghasilkan  aliran  vortex  dengan  intensitas  yang lebih  tinggi  dibandingkan  dengan  basin  silinder  dan conical  convex .  Basin conical menunjukkan  pola aliran yang lebih terfokus dan konsentrasi vortex yang lebih tinggi di sekitar sumbu pusat, yang berkontribusi pada  peningkatan  efisiensi  pembentukan  vortex. Sebaliknya,  basin  silinder  dan  conical  convex menghasilkan  aliran  vortex  dengan  distribusi kecepatan  yang  lebih  menyebar  dan  stabilitas  vortex yang lebih rendah.
Penemuan  ini  menyoroti  pentingnya  pemilihan geometri  basin  dalam  desain  dan  optimasi  sistem turbin  vortex,  khususnya  untuk  aplikasi  energi terbarukan. Basin conical terbukti lebih efektif dalam membentuk  aliran  vortex  yang  kuat  dan  stabil, menjadikannya  pilihan  yang  lebih  baik  untuk meningkatkan  kinerja  turbin  vortex.  Penelitian  lebih lanjut  dapat  dilakukan  untuk  mengkaji  lebih  dalam efek  parameter  desain  lainnya  dan  optimasi  lebih lanjut dalam konteks aplikasi prakti

## Daftar Pustaka
[1] Nugraha,  Ihfaz  Nurdin  Eka,  Waluyo,  Sahrial “Penerapan  dan  Analisi  Pembangkit  Listrik Tenaga  PikoHidro  dengan  Turbin  Propeller OpenFlume TC 60 dan Generator Sinkron Satu Fasa  100  VA  di  UPI  Bandung,”Jurnal  Reka Elkomika, Vol 1, No.4, pp.328-338, 2013.
[2] M. Nosare, W. Lin, M.Khatamifar, A Review of Gravitational  Water  Vortex  Hydro  Turbine System for Hydropower Generation, “ Energies 2023, 16, 5394. pp. 2-39.
[3] Mulligan, S.; Hull, P. “Design and Optimisation of  a  Water  Vortex  Hydropower  Plant,” Bachelor’s  Thesis,  Institute  of  Technology, Sligo, Ireland, 2010.
[4] Dhakal,  S.; Timilsina, A.B.;  Dhakal,  R.;  Fuyal, D.; Bajracharya, T.R.; Pandit, H.P.; Amatya, N.; Nakarmi, A.M, “Comparison of cylindrical and conical basins with optimum position of runner: Gravitational water vortex power plant”. Renew. Sustain. Energy Rev. 2015, 48 , pp. 662–669.
[5] Dhakal,  S.;  Nakarmi,  S.;  Pun,  P.; Thapa, A.B.; Bajracharya, T.R,  “Development  and  testing  of runner and conical basin for gravitational water vortex  power  plant,” J.  Inst.  Eng. 2014, 10 , 140–148.
[6] Ruiz Sánchez, A.; Sierra Del Rio, J.A.; Guevara Munoz, A.J.; Posada Montoya, J.A. “Numerical and  experimental  evaluation  of  concave  and convex  designs  for  gravitational  water  vortex turbine,” J.  Adv.  Res.  Fluid  Mech.  Therm.
Sci. 2019, 64 , 160–172.
[7] Ruiz Sánchez, A.; Sierra Del Rio, J.A.; Guevara Munoz, A.J.;  Posada  Montoya,  J.A.  Numerical and  experimental  evaluation  of  concave  and convex  designs  for  gravitational  water  vortex turbine. J.  Adv.  Res.  Fluid  Mech.  Therm.
Sci. 2019, 64 , 160–172.
[8] Jiang,  Y.;  Raji,  A.O.;  Raja,  V.;  Wang,  F.;  Al- bonsrulah,
H.A.Z.; Murugesan, R.; Ranganathan, S. Multi-disciplinary optimizations of small-scale gravitational vortex hydropower (SGVHP) system through computational  hydrodynamic  and  hydro- structural analyses. Sustainability 2022.
[9] Velásquez,  L.;  Posada, A.;  Chica,  E.  Surrogate modeling method for multi-objective optimization of the inlet channel and the basin of a  gravitational  water  vortex  hydraulic turbine. Appl. Energy 2023.
[10] Velásquez,  L.;  Posada,  A.;  Chica,  E. Optimization of the basin and inlet channel of a gravitational  water  vortex  hydraulic  turbine using the response surface methodology. Renew.
Energy 2022, 187 , 508–521.