## SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA RUMAH TURBIN VORTEX DENGAN 5 VARIASI LUBANG BUANG MENGGUNAKAN COMPUTATINAL FLUID DYNAMICS
Budiman Yudha Simbolon 1 ,  Syahril Gultom 2 , Zulkifli Lubis 3 , A. Husein Siregar 4 1,2,3,4 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara E-mail : budimanyudhasimbolon@gmail.com

## ABSTRAK
Indonesia  sampai  saat  ini  masih  mengalami  permasalahan  tentang  energi  listrik. Permasalahan  tersebut  terdiri  dari  jaringan  listrik,  daerah  pedesaan  yang  jauh  dari  kota, dan sumber energi fosil yang hampir habis. Pembangkit listrik tenaga air merupakan salah satu pilihan dalam memanfaatkan sumber energi terbarukan. Turbin Vortex adalah salah satu  jenis  turbin  mikrohidro  yang  menggunakan  pusaran  air  sebagai  penggerak  sudu. Turbin  Vortex  mempunyai  ketinggian  air  yang  relatif  rendah  antara  0.7  m  sampai  2  m. Turbin  ini  baik  digunakan  pada  aliran  sungai.  Untuk  itu  dilakukan  analisa  dan  simulasi secara  numerik  dengan  bantuan  software  Ansys  FLUENT  14.0.  Simulasi Computation fluid  Dynamic (CFD)  dapat  menganalisa  atau  memprediksi  aliran  fluida  yang  ada  pada rumah  turbin  vortex.  Proses  tersebut  meliputi Pre-processing,  Solving ,  dan Post- processing .  Analisis  dilakukan  pada  aliran  tiga  dimensi  (3D),  transient,  turbulen  dan incompresible.  Variabel  yang  digunakan  untuk  dianalisa  adalah  diameter  lubang  buang air. Hal tersebut terdiri dari lima ukuran 3 cm, 5.5 cm, 8.5 cm, 10.5 cm dan 16 cm. Dari hasil analisa simulasi didapat daya air paling  maksimum pada diameter lubang buang 16 cm, yaitu 24.24680432 watt dengan debit 0.008253662 m 3 /s dan head 0.3 m.
Kata kunci: Energi, Vortex, CFD, Ansys, Turbin Vortex, Lubang Buang

## 1. PENDAHULUAN
Banyak  daerah  di  Indonesia  yang  mengalami  permasalahan  tentang  energi listrik.  Hal  tersebut  dikarenakan  jaringan  PLN  belum  ada  ataupun  masih  sangat terbatas.  Daerah  pedesaan  sering  menjadi  tempat-tempat  yang  terisolasi  dan bergantung kepada pemakaian energi tradisional yang tidak bisa diandalkan, seperti generator  yang  berbahan  bakar  minyak,  kayu  atau  tabung  LPG  sebagai  sumber energi  yang  digunakan  untuk  memasak,  penerangan,  serta  kebutuhan  listrik  dasar lainnya. Solusi energi terbarukan menjadi jawaban terhadap permintaan kebutuhan pembangunan  desa  di  Indonesia,  serta  mempromosikan  solusi  praktis  dan berkelanjutan yang bisa langsung diadopsi oleh masyarakat pedesaan yang menjadi prioritas bagi bangsa Indonesia. [1]
Fluid  Dynamics  (CFD).  Penelitian  ini  menggunakan  software  Fluent  Ansys  untuk melakukan simulasi-simulasi yang terjadi sebelum fabrikasi.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
Dalam  dinamika  fluida,  vortex  adalah  sebuah  daerah  di  dalam  fluida  dimana sebagian besar  aliran bergerak memutar pada terhadap sumbu yang imajiner. Pola gerakan disebut aliran vortex.Vortex terbentuk oleh fluida termasuk cairan, gas, dan plasma.  Beberapa  contoh  umum  adalah  lingkaran  asap,  pusaran  air  yang  sering timbul  pada  gerakan  perahu,  angin  pada  badai  dan  tornado,  atau  sayap  pesawat terbang. [2]
Secara umum, fenomena vortex terbagi atas dua bahagian yaitu :
1. Vortex  Paksa  /  Vortex  Berotasi  adalah  vortex  yang  terbentuk  karena  adanya gaya luar yang berpengaruh pada fluida.
2. Vortex  Bebas  /  Vortex  Tak  Berotasi  adalah  vortex  yang  terbentuk  karena fenomena  natural,  tidak  terpengaruh  oleh  gaya  dari  luar  sistem  fluida,  pada aliran inkompresibel, umumnya terjadi karena adanya lubang keluar. [3]

## Turbin Vortex
Aliran sungai dengan head yang kecil belum termanfaatkan dengan optimal. Hal ini menjadi referensi untuk memanfaatkan aliran sungai dengan mengubahnya menjadi aliran  vortex.  Seorang  Peneliti  dari  Jerman  Viktor  Schauberger  mengembangkan teknologi  aliran  vortex  (pusaran)  untuk  diterapkan  pada  pemodelan  turbin  air dengan  memanfaatkan  aliran  irigasi  yang  kemudian  diubah  menjadi  aliran  vortex (pusaran), yang kemudian dimanfaatkan untuk menggerakkan sudu turbin.  Gambar 1  menunjukan  bentuk  dari  turbin  vortex.  Aliran  vortex  yang  juga  dikenal  sebagai aliran  pulsating  atau  pusaran  dapat  terjadi  pada  suatu  fluida  yang  mengalir  dalam suatu saluran yang mengalami perubahan mendadak. [4]
Gambar 1. Turbin Vortex

## Computation Fluid Dynamic (CFD)
Computational  Fluid  Dynamics  (CFD)  adalah  salah  satu  cabang  dari  mekanika fluida yang menggunakan metode numerik dan algoritma untuk menyelesaikan dan menganalisa  masalah  yang  terjadi  pada  aliran  fluida.  Secara  umum,  CFD  dipakai untuk memprediksi :
o Transfer massa.
o Perubahan fasa seperti pada proses melting, pengembunan dan pendidihan.
o Reaksi kimia seperti pembakaran.
o Gerakan mekanis seperti piston dan fan.
o Tegangan dan tumpuan pada benda solid.
o Gelembung elektromagnetik.
Pada  umumnya  terdapat  tiga  tahapan  yang  harus  dilakukan  ketika  melakukan simulasi CFD, yaitu
o Pre-processing
Pre-processing  merupakan  langkah  pertama  dalam  membangun  dan menganalisis  sebuah  model  CFD.  Teknisnya  adalah  membuat  model  dalam paket  CAD  (Computer  Aided  Design),  membuat  mesh  yang  sesuai,  kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat-sifat fluidanya.
o Solving
Solvers  (program  inti  pencari  solusi)  CFD  menghitung  kondisi-kondisi  yang diterapkan pada saat pre-processing.
o Post-processing
Post-processing  adalah  langkah  terakhir  dalam  dalam  analisis  CFD.  Hal  yang dilakukan  pada  langkah  ini  adalah  mengorganisasi  dan  menginterpretasi  data hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva, dan animasi. [5]

## 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. [6]

## 3. METODOLOGI PENELITIAN
Proses Pre-Processing a. Pembuatan Model
Pembuatan    model  dalam  simulasi  ini  mengacu  pada  bentuk  turbin  vortex  yang sebenarnya dan dapat dilihat pada gambar 2.
Gambar 2. Model Turbin Vortex
Pembuatan model CAT tersebut menggunakan software SolidWorks dan spesifikasi dapat dilihat pada tabel 1.
Tabel 1. Spesifikasi CAD Turbin Vortex

## b. Penentuan Domain
Secara  eksperimental, pengujian turbin vortex dilakukan dengan  fluida air dimana aliran  yang  terjadi  membentuk  pusaran/vortex.  Domain  dari  model  turbin  vortex ditunjukan pada gambar 3.
Pada gambar diatas, domain/batas berada pada daerah yang telah ditentukan sesuai ukuran yang dibuat.

## c. Pembuatan mesh (meshing)
Dalam  proses  pembuatan  mesh,  ukuran  dan  jenis  mesh  harus  diperhatikan  karena hal  tersebut  sangat  mempengaruhi  tingkat  ketelitian  dari  hasil  simulasi.  Semakin kecil  ukuran  mesh,  maka  semakin  tinggi  tingkat  ketelitian  yang  didapat  namun semakin besar daya komputasi dan waktu yang diperlukan.
Gambar 4. Hasil Meshing
Pada  gambar  diatas,  proses  meshing  dilakukan  pada  kondisi  pengaturan  standart (default) dimana ukuran mesh diatur sedemikian rupa sehingga diperoleh hasil yang teliti dan daya komputasi yang dibutuhkan tidak terlalu besar.

## Proses Solving

## a. Menentukan Jenis Aliran
Fluida  yang  digunakan  dalam  simulasi  ini  adalah  air  dan  udara  dengan  sifat-sifat sebagai berikut :
1. Air
o Kerapatan (densitas) konstan, ρ = 998.2 kg/m 3
o Viskositas, μ = 0.001003 Pɑ.s
2. Udara
o Kerapatan (densitas) konstan, ρ = 1.225 kg/m 3
o Viskositas, μ = 1.7894e-05 Pɑ.s
Aliran  yang  digunakan  dalam  simulasi  ini  adalah  turbulen,  karena  mengacu  pada aliran  air  yang  berputar  dan  tidak  dapat  diprediksi.  Dari  asumsi  fluida  yang digunakan  adalah  dengan  temperatur  dan  densitas  tetap  sehingga  jenis  alirannya isotermal dan inkompresibel.
b. Menetukan Kondisi Batas
Penentuan kondisi batas pada model turbin vortex dapat dilihat dari gambar 5.
Gambar 5. Kondisi Batas pada Turbin Vortex
Pada gambar diatas, simbol-simbol tersebut merupakan batas-batas yang diberikan agar hasil simulasi menjadi akurat dan mendekati kondisi yang sebenarnya. Simbol tersebut dapat dilihat pada tabel 2.
Tabel 2. Kondisi Batas Turbin Vortex
Sim bol Kondi si Batas Jenis Nilai A Inlet Velocit y Inlet (Disesuaik an) B Atas Pressur e Outlet 0 Pa (Gauge) C Outlet Pressur e Outlet 0 Pa (Gauge) D Bawa h Wall - E Dindi
ng Wall -

## c. Pengaturan Simulasi (Simulation Setting)
Pengaturan  simulasi  yang  dimaksud    adalah  menetukan  beberapa  aspek  yang diperlukan dalam simulasi seperti bentuk solver yang dipilih, material fluida, jenis viskos, dll sesuai dengan asumsi yang dilakukan. Tabel 3 menunjukkan pengaturan simulasi  yang  dilakukan di dalam FLUENT.

## Tabel 3. Pengaturan Simulasi
Aspek Pengaturan Solver Model Pressure based, 3D, transient Multifasa ( Multiphase )
Volume of Fluid (VOF)
Viskos ( Viscous Model ) Turbulent k- ε Standard Material Water-liquid ρ = 998.2 kg/m 3 Kondisi Operasi ( Operating Condition ) Air ρ = 1.225 kg/m 3 Inisiasi ( Initialize ) Velocity Inlet Residual Monitor 10 3

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

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Proses  pengambilan  sampel  kecepatan  dilakukan  dengan  membentuk  4  garis dengan 1 pusat seperti gambar 6.
Gambar 6. Distribusi Kecepatan Dengan 4 Garis Sepusat
Garis berwarna merah menunjukan garis 1. Garis berwarna ungu menunjukan garis 2. Garis  berwarna  hitam  menunjukan  garis  3.  Garis  berwarna  kuning  menunjukan garis  4.  Dari  keempat  garis  tersebut  didapat  distribusi  kecepatan  dengan  10  titik pada tiap garis.

## Lubang Buang 1
Dari hasil simulasi didapat kecepatan inlet 0.15 m/s dan head 0.1 m seperti gambar 7.
Gambar 7. Hasil Simulasi Lubang Buang 1
Pada  gambar  diatas,  yang  berwarna  hijau  pada  model  turbin  vortex  menunjukan permukaan  air.  Pada  sebelah  kiri  model  turbin  vortex  merupakan  tingkatan  water volume fraction. Hasil distribusi kecepatan dapat dilihat pada gambar 8.
Gambar 8. Grafik Distribusi Kecepatan Pada Lubang Buang 1
Dari grafik diatas didapat kecepatan maksimum 0.38094 m/s pada garis 1.

## Lubang Buang 2
Dari hasil simulasi didapat kecepatan inlet 0.6 m/s dan head 0.17 m seperti gambar 9.
Gambar 9. Hasil Simulasi Lubang Buang 2
Pada  gambar  diatas,  yang  berwarna  hijau  pada  model  turbin  vortex  menunjukan permukaan  air.  Pada  sebelah  kiri  model  turbin  vortex  merupakan  tingkatan  water volume fraction. Hasil distribusi kecepatan dapat dilihat pada gambar 10.
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0 0,2 0,4 v (m/ s) r (m) line 1 line 2 line 3 line 4
Gambar 10. Grafik Distribusi Kecepatan Pada Lubang Buang 2
Dari grafik diatas didapat kecepatan maksimum 0.63545 m/s pada garis 3.

## Lubang Buang 3
Dari hasil simulasi didapat kecepatan inlet 1.5 m/s dan head 0.28 m seperti gambar 11.
Gambar 11. Hasil Simulasi Lubang Buang 3
Pada  gambar  diatas,  yang  berwarna  hijau  pada  model  turbin  vortex  menunjukan permukaan  air.  Pada  sebelah  kiri  model  turbin  vortex  merupakan  tingkatan  water volume fraction. Hasil distribusi kecepatan dapat dilihat pada gambar 12.
Gambar 12. Grafik Distribusi Kecepatan Pada Lubang Buang 3
Dari grafik diatas didapat kecepatan maksimum 0.81703 m/s pada garis 2.
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0 0,2 0,4 v (m/ s) r (m) line 1 line 2 line 3 line 4 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0 0,2 0,4 v (m/ s) r (m) line 1 line 2 line 3 line 4

## Lubang Buang 4
Dari hasil simulasi  didapat kecepatan inlet  2 m/s dan head 0.29 m  seperti gambar 13.
Gambar 13. Hasil Simulasi Lubang Buang 4
Pada  gambar  diatas,  yang  berwarna  hijau  pada  model  turbin  vortex  menunjukan permukaan  air.  Pada  sebelah  kiri  model  turbin  vortex  merupakan  tingkatan  water volume fraction. Hasil distribusi kecepatan dapat dilihat pada gambar 14.
Gambar 14. Grafik Distribusi Kecepatan Pada Lubang Buang 4
Dari grafik diatas didapat kecepatan maksimum 0.79887 m/s pada garis 1. Lubang Buang 5 Dari hasil simulasi  didapat kecepatan inlet  3 m/s dan head 0.30 m  seperti gambar 15.
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 -0,15 0,05 0,25 v [ m/ s] r [m] Garis 1 Garis 2 Garis 3 Garis 4
Pada  gambar  diatas,  yang  berwarna  hijau  pada  model  turbin  vortex  menunjukan permukaan  air.  Pada  sebelah  kiri  model  turbin  vortex  merupakan  tingkatan  water volume fraction. Hasil distribusi kecepatan dapat dilihat pada gambar 16.
Gambar 16. Grafik Distribusi Kecepatan Pada Lubang Buang 5
Dari grafik diatas didapat kecepatan maksimum 0.89998 m/s pada garis 1.

## Analisa Daya Pada Rumah Turbin Vortex
Dari hasil analisa, didapat  debit dan daya air pada tabel  4 dan tabel  5  sesuai  hasil simulasi turbin vortex.
Tabel 4. Debit Pada Tiap Lubang Buang Lubang Buang ke- Kecepatan rata-rata (m/s) Luas Permukaan Debit (m 2 ) (m 3/ /s) 1 0.239 0.000707 0.000168973 2 0.392203 0.002375 0.000931482 2 0.4742167 0.005672 0.002689757 4 0.38654878 0.008655 0.00334558 5 0.410711703 0.020096 0.008253662 Tabel 5. Daya Air Hasil Simulasi Lubang Buang ke- ρ air g Q H Pair (kg/m 3 ) (m/s 2 ) (m 3 /s) (m) (Watt) 1 998.2 9.81 0.000168973 0.1 0.16546414 2 0.000931482 0.17 1.550636353 3 0.002689757 0.28 7.374925723
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 -0,15 0,05 0,25 v [ m/ s] r [m] Garis 1 Garis 2 Garis 3 Garis 4
4 0.00334558 0.29 9.500708429 5 0.008253662 0.3 24.24680432
Perbandingan  Daya  Hasil  Simulasi  Terhadap  Daya  Hasil  Teoritis  Dan  Daya Hasil Eksperimen
Perbandingan daya tersebut dapat dilihat pada gambar 17.
Gambar 17. Grafik Perbandingan Daya Hasil Simulasi Terhadap Daya Hasil Teoritis Dan Daya Hasil Eksperimen
Dari  grafik  diatas  didapat  daya  maksimum  24.24680432  watt  pada  daya  hasil simulasi  dilubang  buang  5  dan  daya  minimum  0.16546414  watt  pada  daya  hasil simulasi dilubang buang 1.

## 5. Kesimpulan
Berdasarkan hasil dan pembahasan dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:
1. Metode  Computational  Fluid  Dynamic  (CFD)  dapat  memprediksi  dengan efisien dan efektif pada turbin vortex.
2. Kecepatan rata-rata yang didapat dari hasil simulasi CFD adalah a. Pada lubang buang 1 adalah
0.239 m/s.
b. Pada lubang buang 2 adalah
0.392203 m/s.
c. Pada lubang buang 3 adalah
0.4742167 m/s.
d. Pada lubang buang 4 adalah
0.38654878 m/s.
e. Pada lubang buang 5 adalah
0.410711703 m/s.
3. Daya air yang didapat dari hasil simulasi CFD adalah
0 5 10 15 20 25 0 1 2 3 4 5 6 P ai r [Watt] Lubang Buang ke- Daya Hasil Simulasi Daya Hasil Teoritis Daya Hasil Eksperimen
a. Pada lubang buang 1 adalah 0.16546414 watt. b. Pada lubang buang 2 adalah 1.550636353 watt. c. Pada lubang buang 3 adalah 7.374925723 watt. d. Pada lubang buang 4 adalah 9.500708429 watt. e. Pada lubang buang 5 adalah 24.24680432 watt.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Contaned  Energy  Indonesia.  Buku  Panduan  Energi  Yang  Terbarukan.  PNPM Mandiri.
[2] Muson,  Bruce,  R.,  Young,  Donald,  F.,  Okiishi,  Theodore,  H.,  “Fundamentals Of Fluid Mechanics Fifth Edition”. Jhon Wiley & Sons, Inc.,2006.
[3] Prof.  B.S.  Thandaveswara,  “Hydraulics:  Rotational  and  Irrotational  Flow”, Indian Institute of Thechnology Madras.
[4] Sujate  Wanchat,  Ratchaphon  Suntivarakorn,  Sujin  Wanchat,  Kitipong  Tonmit, and Pongpun Kayanyiem, “A Parametric Study of a Gravitation Vortex Power Plant”, Khonkaen University, Khonkaen, Thailand, 2013.
[5] Tuakia,  Firman.  2008.  Dasar-dasar  CFD  Menggunakan  Fluent.  Bandung: Informatika Bandung.
[6] Ansys 14.0 Help, © 2011 SAS IP, Inc