P-ISSN: 2714-621X

## ANALYSIS OF FLUID FLOW CHARACTERISTICS ACROSS THE DARRIEUS TURBINE IN IRRIGATION CHANNELS
(ANALISA KARAKTERISTIK ALIRAN FLUIDA MELINTASI TURBIN

## DARRIEUS PADA SALURAN IRIGASI)
Joke Pratilastiarso 1 , Lohdy Diana 1* , Nu Rhahida Arini 1 , Faris Hilmi Kurniawan 1 , Firdaus Fhudoli Putra 1
1 Politeknik Elektronika Negeri Surabaya *Corresponding author: lohdydiana@pens.ac.id

## ABSTRACT
This  study simulated the characteristics of  the fluid  flow that passes through the Darrieus turbine before installation and testing were carried out. The purpose of knowing  the  flow  characteristics  can  determine  the  profile  and  position  of  the maximum velocity so that the design and placement of the turbine can be improved. The  research  method  was  carried  out  using  dynamic  fluid  computational simulations in three-dimensional form with steady state conditions, discretization using  second-order,  with  convergent  conditions  when  it  reached  10-6.  The simulation results show that the position of the flow above the turbine had the lowest value  because  the  fluid  flowed  relatively  without  disturbance  which  caused  the velocity to  had a value almost the same as the incoming fluid  velocity. The fluid velocity increased when it was in line 2 and line 3 or across the turbine. This was due to the turbulence generated by the rotation of the turbine. While the velocity on line 4 or below the turbine had a lower value than line 2 and line 3. This was due to the position below the turbine so that the turbine rotation did not have an impact on velocity.
Keyword: Darrieus turbine;  flow characteristic; irrigation; simulation.

## ABSTRAK
Penelitian ini melakukan simulasi karakterisktik aliran fluida yang melintasi turbin Darrieus  sebelum  pemasangan  dan  pengujian  dilakukan.  Tujuan  dengan mengetahui  kearakterisktik  aliran  dapat  mengetahui  profil  dan  posisi  kecepatan maksimum  sehingga  desain  dan  peletakkan  turbin  dapat  diperbaiki.  Metode penelitian  dilakukan  menggunakan  simulasi  komputasi  fluida  dinamis  dengan bentuk tiga dimensi dengan kondisi steady state, diskritisasi menggunakan second- order, dengan kondisi konvergen ketika mencapai 10 -6 . Hasil simulasi menunjukkan posisi  aliran  di  atas  turbin  memiliki  nilai  paling  rendah  dikarenakan  fluida mengalir relatif tidak ada gangguan yang menyebabkan kecepatan memiliki nilai hampir  sama  dengan  kecepatan  fluida  masuk.  Kecepatan  fluida  mengalami peningkatan ketika berada pada posisi garis 2 dan garis 3 atau melintasi turbin. Hal tersebut disebabkan olakan yang dihasilkan oleh putaran turbin. Sedangkan kecepatan pada garis 4 atau di bawah turbin memiliki nilai lebih rendah daripada garis  2  dan  garis  3.  Hal  tersebut  diakibatkan  posisi  dibawah  turbin  sehingga putaran turbin tidak terlalu berdampak pada kecepatan. Pada keempat posisi garis
kecepatan mengalami kenaikan pada Y=0.7 m atau ketika fluida mengenai turbin. Kenaikan  kecepatan  fluida  inilah  yang  diharapkan  dapat  memutar  turbin.  Hasil penelitian  juga  menyertakan  distribusi  aliran  berupa  streamline  pada  beberapa posisi  dimana  aliran  yang  besinggungan  dengan  dinding  saluran  memiliki  nilai kecepatan yang rendah akibat adanya gesekan dengan dinding.
Kata Kunci: Irigasi; karakteristik aliran; simulasi turbin; darrieus.

## PENDAHULUAN
Indonesia  merupakan  negara  yang mayoritas  penduduknya  bekerja  di sektor  pertanian  atau  dikenal  dengan istilah  negara  agraris.  Indonesia memiliki  lahan  pertanian  yang  luas, Menurut  badan  pusat  statistik  pada tahun  2022  mencapai  10,43  juta hektare (Badan Pusat Statistik, 2021). Berbeda  dengan  negara-negara  maju yang  sudah  memanfaatkan  gedung sebagai  lahan  pertanian  (Palliwal, 2021).  Luasnya  lahan  pertanian  di Indonesia  sebanding  dengan  jumlah sistem  irigasi  yang  digunakan  untuk keberlangsungan hasil pertanian. Sistem irigasi saat ini masih menggunakan metode manual berupa saluran yang airnya di ambil dari hulu sungai.  Aliran  hulu  pada  pertanian hanya  digunakan  untuk  mengaliri lahan. Sedangkan aliran hulu memiliki  potensi  untuk  digunakan sebagai  sumber  energi  baru  dan terbarukan untuk memutar turbin dan menghasilkan listrik (D.Groh, 2022). Tipe  turbin  untuk  aliran  air  pada saluran  irigasi  salah  satunya  adalah tipe Darrieus (Ramdhani, 2019).
Beberapa penelitian turbin dilakukan menggunakan metode
simulasi yang dilakukan untuk mengetahui karakteristik aliran
(Ouro, 2019). Simulasi juga dilakukan untuk mengetahui pengaruh arah turbin terhadap kinerja turbin  (Bai,  2013).  Simulasi  juga dilakukan untuk ketika aliran turbulen
melewati  turbin  (Zhu,  2021).  Selain itu,  metode  simulasi  juga  dilakukan untuk mengetahui noise atau kebisingan dari aliran yang melintasi turbin  (Lloyd,  2014)  dan  juga digunakan untuk
mengetahui kekuatan  struktur  turbin  (Finnegan,
2022). Hasil simulasi pada turbin arus laut  digunakan  untuk  mengetahui distribusi  kecepatan  fluida  (William, 2015) dan distribusi pressure coefficient (Alipour, 2020). Penelitian ini dilakukan menggunakan metode simulasi dengan  perangkat  lunak  komputasi fluida dimana pemodelan dan parameter  berdasarkan  studi  literatur yang  terdapat  pada  referensi  yang telah disebutkan
sebelumnya.
Penelitian ini bertujuan untuk menganalisa karakteristik aliran fluida yang melintasi turbin Darriues pada saluran irigasi. Parameter simulasi disesuikan mendekati
kondisi  aktual  saluran  irigasi  seperti bentuk  geometri  dan  ukuran  serta kecepatan  air  yang  mengalir  atau kecepatan aliran fluida. Karakteristik disajikan  dalam  bentuk  distribusi kecepatan aliran fluida pada berbagai posisi  dan pressure  coefficient . Setelah  karakteristik  aliran  diketahui diharapkan  dapat  mengoptimalkan desain  turbin  untuk  menghasilkan energi  yang  optimal.  Diharapkan metode dan hasil penelitian ini dapat menunjang  metode  eksperimen  yaitu ketika  pemasangan  turbin  di  saluran
irigasi  pada  kondisi  sesungguhnya dilakukan.  Hasil  penelitian  ini  dapat memberikan
kontribusi untuk
memanfaatkan  enegi  yang  terbuang pada  sistem  irigasi  lahan  pertanian sehingga  menghasilkan  energi  yang nantinya  dapat  dimanfaatkan  untuk berbagai  keperluan  termasuk  sistem irigasi itu sendiri.

## METODE PENELITIAN
Metode  penelitian  ini  dilakukan secara
simulasi
menggunakan software komputasi komersial. Tahapan  simulasi  disajikan  dalam diagram alir seperti ditunjukkan pada Gambar  1.    Pemodelan  objek  yang dilakukan  telah  dirancang  dan  telah dibuat  sebelumnya  berupa  turbin Darrieus  seperti  ditunjukkan  pada Gambar  2.  Metode  simulasi  dipilih karena dapat membantu untuk
mengetahui performa atau karakteristik  aliran  yang  nantinya dapat mengoptimalkan proses pemasangan turbin. Simulasi terdiri dari tiga
tahapan  antara  lain: pre-processing, pro-processing, dan post  processing . Tahapan  pre-processing  terdiri  dari penggambaran  objek  yang  akan disimulasikan  pada  penelitian  ini adalah  turbin  Darrieus  yang  terbuat dari fiberglass komposit.  Turbin diletakkan  di  sebuah  saluran  irigasi dengan pemodelan mendekati bentuk sebenarnya  yaitu  berupa  balok  yang juga  berperan  sebagai surrounding. Saluran  irigasi  tersebut  dimodelkan terisi  penuh  oleh  fluida  berupa  air dalam kondisi liquid atau cair. Gambar  1.  Diagram  alir  tahap penelitian.
Persamaan - persamaan yang digunakan  dalam  perhitungan  antara lain: Persamaan  konservasi  momentum dan massa (1),
𝛿𝑢 𝑖 ̅ 𝛿 𝑡 + 𝛿 𝛿𝑥 𝑗 (𝑢 𝑖 ̅ 𝑢 𝑗 ̅ ) = − 1 𝜌 ( 𝛿𝑝̅ 𝛿𝑥 𝑖 + 𝛿𝑖1 𝛿<𝑃> 𝛿𝑥1 ) + 2𝜗 𝛿 𝛿𝑥 𝑗 𝑆 𝑖𝑗 ̅̅̅̅ − 𝛿𝜏 𝑖𝑗 𝛿𝑥 𝑗 + 𝜌𝑔𝑖 + 𝐹 𝑠 ̅ + 𝐹 𝑏 ̅̅̅ (1)
Persamaan kontinuitas (2),
𝛿𝑢 𝑖 ̅̅̅ 𝛿𝑥 𝑖 = 0 (2)
Dimana  adalah 𝑢̅ kecepatan, 𝑝̅ adalah tekanan, adalah υ viskositas kinematik.
Gambar 2. Turbin Darrieus yang akan digunakan pada saluran irigasi.
Langkah selanjutnya yaitu menentukan kondisi batas atau dikenal  dengan  istilah boundary condition .  Kondisi  batas  penelitian simulasi  penelitian  ini  yaitu  turbin pada  sluran  irigasi  ditunjukkan  pada Gambar  3.  Kemudian,  pada  tahapan pre-processing
yaitu membuat meshing atau membagi objek menjadi bagian-bagian kecil. Jenis mesh yang digunakan  pada  simulasi  penelitian ini  yaitu  tetrahedral  dengan  elemen
size 0.002 m seperti ditunjukkan pada Gambar  4.  Meshing  pada  penelitian ini memiliki nilai skewness 0.24 dan nilai  orthogonal  0.72.  Berdasarkan kedua  hasil  tersebut  menandakan mesh  memilki  kualitas  bagus  dan dapat  diterima.  Tahap  selanjutnya dikenal dengan istilah pro-processing yaitu tahapan parameter yang digunakan  pada  simulasi.  Simulasi dilakukan pada kondisi steady dengan mengaktifkan  percepatan  gravitasi pada  sumbu  vertikal  negatif  atau sumbu  z.  Adapun  propertis  material yaitu fiberglass dan fluida air (water) yang digunakan disajikan pada Tabel 1.  Kemudian,  parameter-parameter yang diaplikasikan pada tahapan pro- processing disajikan pada Tabel 2. Tabel 1. Properties Material dan Fluida Material Propertis Nilai Fiberglass Density 2.60 g/cc Specific heat 0.810 J/g-°C pada Temperatur 23.0 °C Thermal conductivity 1.30 W/m-K Air (Water) Density 998.2 kg/m 3 Viscosity 0.001003 kg/m.s Tahapan selanjutnya yaitu menggunakan  parameter  simulasi pada  penelitian  yang  serupa  yang serupa  yaitu  simulasi  aliran  fluida pada  turbin  Darrieus.  Hal  tersebut dilakukan  agar  hasil  mendekati relevan.  Adapun  beberapa  parameter yang digunakan disajikan pada Tabel 2 (Fertahiabd, 2018).
Tabel 2. Parameter pada Pro-
processing Parameter Keterangan Solver type Pressured-Based SIMPLE Viscous Realizable  k-epsilon SST Discretization Second order upwind Continuity 10 -6 Velocity inlet 1.5 m/s
Gambar 3. Kondisi batas pemodelan.

## Gambar 4. Meshing.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar  5  menunjukan  kecepatan fluida  dari  saluran  masuk  hingga sepanjang  saluran.  Terdapat  empat garis  atau  garis  pengambilan  data. Garis 1 yaitu berada paling mendekati pemukaan fluida atau z= 0.2m. Garis 2  yaitu  berada  di  bawah  garis  1  dan menyentuh  turbin  atau  z=  0.35  m.
Garis  3  yaitu  berada  pada  posisi tengah turbin atau z= 0.5m, dan garis 4  berada  di  posisi  paling  bawah mendekati  permukaan  dasar  atau  z= 0.7m. Berdasarkan Gambar 5, kecepatan pada garis 1 memiliki nilai paling  rendah  di  antara  variasi  yang lain yaitu sekitar 1 -2 m/s. Kecepatan fluida disepanjang saluran mengalami peningkatan  Ketika  berada  pada posisi garis 2 dan garis 3. Hal tersebut disebabkan  olakan  yang  dihasilkan oleh  putaran  turbin.  Sedangkan kecepatan pada garis 4 memiliki nilai lebih  rendah  daripada  garis  2  dan garis  3.  Hal  tersebut  diakibatkan posisi  dibawah  turbin  sehingga putaran turbin tidak terlalu berdampak  pada  kecepatan  di  posisi garis  4.  Pada  keempat  posisi  garis kecepatan  mengalami  kenaikan  pada y= 0.7m atau ketika fluida mengenai turbin.  Kenaikan  kecepatan  fluida inilah yang diharapkan dapat memutar turbin. Gambar 6 menunjukan pressure coefficient  (Cp)  fluida  disepanjang saluran,  sama  dengan  pembahasan sebelumnya yaitu berada pada empat posisi. Berdasarkan gambar 6 pressure  coefficient memiliki  nilai relative sama yaitu perlahan meningkat sehingga mendekati posisi turbin  yaitu  Y=  0,7m  kemudian pressure  coefficient bernilai  relatif konstan  disepanjang  saluran  dimana profil  Cp  cenderung  parabolik  atau mirip  dengan  hasil  simulasi  pada turbin  air  tipe  Darrieus  (Fertahiabd, 2018)  dan  pada  tipe  Savonius (Fakhrul, 2021).
Gambar 5. Grafik kecepatan fluida di sepanjang saluran pada sumbu horizontal
Gambar 6. Grafik pressure coefficient di sepanjang saluran pada sumbu horizontal.
Gambar 7 menunjukan kecepatan fluida disepanjang sumbu z yaitu  dari  permukaan  fluida  hingga permukaan  dasar  saluran,  terdapat empat posisi pengambilan data. Garis 5  yaitu  berada  paling  dekat  dengan saluran  masuk  sebelum  mengenai turbin. Garis 6 yaitu berada mendekati turbin atau y = 0.9m. garis
7 yaitu berada dibelakang turbin atau
y=  1.5m  dan  garis  8  yaitu  berada  di belakang  garis  6  atau  y=  2.5m. Berdasarkan  Gambar  9,  keempat grafik mengalami kenaikan kecepatan fluida  pada  saat  berada  di  posisi sepanjang  turbin  atau  posisi  y= 2,45m.  Hal  tersebut  dikarenakan terjadi aliran balik pada posisi turbin yang diperjelas pada Gambar 8.
Gambar 7. Grafik kecepatan fluida di sepanjang saluran pada sumbu vertikal.
Gambar 8. Vektor kecepatan fluida di sepanjang saluran
Gambar  8  menunjukan  vektor kecepataan fluida disepanjang saluran dengan  kecepatan  maksimum  sekitar 2.8  m/s.  Sedangkan,  aliran  balik fluida  setelah  melewati  turbin  dapat dilihat pada Gambar 9 yang disajikan pada dua posisi. Gambar 10
menunjukkan  pola  aliran  fluida  pada bidang XY.
Pada  Gambar  10  disajikan streamline  aliran  pada  dibeberapa posisi bidang sumbu y antara lain: y= 0.2m,  y=  0.7m,  y=  1.4m,  dan  2.1m. Gambar  10  menunjukan  terjadi olakan  fluida  ketika  dan  setelah melewati  turbin.  Kecepatan  fluida memiliki nilai tinggi dibagian tengah saluran  ditandai  dengan  warna  hijau dan  memiliki  nilai  rendah  pada  sisi tepi  saluran  ditandai  warna  biru. Olakan  aliran  atau  aliran  balik  atau dikenal  dengan vortex terjadi setelah
aliran  fluida  melewati  benda  yaitu turbin.  Hal  serupa  terjadi  pada simulasi turbin arus laut ketika aliran melintasi disk (Badoe, 2022). Rendahnya nilai kecepatan diakibatkan  adanya  gesekan  dengan dinding. (a) (b) (c)
Gambar 9. Streamline aliran fluida di sepanjang  saluran  bidang  horizontal pada pandangan (a) isometris, (b) z= 0.2m, (c) z= 0.35m.
Berdasarkan hasil simulasi yang telah dilakukan peletakan turbin yang  tidak  terlalu  dekat  dengan saluran  masuk  aliran  fluida  sudah dapat  dikatakan  cukup  baik.  Hal tersebut terlihat dari tidak terbentuknya  aliran  balik  di  depan turbin.  Diharapkan  setelah  penelitian ini  pengujian  eksperimen  dapat dilakukan.
(a) (b)
(c)
(d) (e)
Gambar 10. Streamline aliran fluida di sepanjang saluran bidang vertikal pada pandangan (a) isometris, (b) y= 0.2m, (c) y= 0.7m, (d) y= 1.4m, (e) 2.1m.

## KESIMPULAN
Pada  keempat  posisi  garis  kecepatan mengalami  kenaikan  pada  y=0.7  m atau  ketika  fluida  mengenai  turbin. Kenaikan  kecepatan  fluida  inilah yang  diharapkan  dapat  memutar turbin. Hasil penelitian juga menyertakan  distribusi  aliran  berupa
streamline  pada  beberapa  posisi dimana  aliran  yang  besinggungan dengan dinding saluran memiliki nilai kecepatan yang rendah akibat adanya gesekan dengan dinding.

## DAFTAR PUSTAKA
Badoe, C.E., Edmunds, M., Williams A.J.,  Nambiar,  A.,  Sellar  B., Kiprakis,  A.  &  Masters  I. (2022),  Robust  validation  of  a generalised  actuator  disk  CFD model for tidal turbine analysis using  the  FloWave  ocean energy research facility. Renewable Energy, Vol 190 pp
232-250.
https://doi.org/10.1016/j.renene .2022.03.109
Bai, G., Fan, J., Pengfei, Li & Guojun,
(2013), Numerical investigations  of  the  effects  of different  arrays  on  power extractions  of  horizontal  axis tidal current
turbines. Renewable  Energy,  Vol.  53. https://doi.org/10.1016/j.renene .2012.10.048 Elke, D.G. (2022). Exposure to wind turbines,  regional  identity  and the  willingness  to  pay  for regionally  produced electricity. Resource and Energy Economics, Vol. 70. https://doi.org/10.1016/j.resene eco.2022.101332
Data Badan Pusat Statistik, 2021. Widyantama,  F.,  Suanggana,  D.  & Gunawan,  G.  (2021).  Simulasi CFD  Pengaruh  Penggunaan Deflektor Pelat Lengkung terhadap  Performa  Turbin  Air Savonius  Sumbu  Vertikal  Dua
Sudu.  Jurnal  Rekayasa  Mesin,
Vol.  16,  No.  2,  pp  234-240. http://dx.doi.org/10.32497/jrm. v16i2.2577 Fertahiabd, S., Bouhalabd, T., Omar, R.,  Kousksou,  T.,  Arida,  A.,
Rhafiki,  T.,  Jamil,  A.  & Benbassou,  A.  (2018).  CFD performance  enhancement  of  a low cut-in speed current Vertical  Tidal  Turbine  through the  nested  hybridization  of Savonius and Darrieus.  Energy Conversion  and  Management, Vol. 169, pp 266-278. https://doi.org/10.1016/j.encon man.2018.05.027 Finnegan,W.  Jiang,  Y.,  Meiera,  P.,
Hung, L.C., Fagan, E., Wallace F.,  Glennon,  C.,  Flanagan,  M., Flanagan,  T.  &  Goggins,  J.
(2022).  Numerical  modelling,
manufacture and structural testing  of  a  full-scale  1  MW tidal  turbine  blade.  Ocean Engineering. https://doi.org/10.1016/j.ocean eng.2022.112717
Lloyd,  T.P.,  Turnock,  S.R.  & Humphrey, V.F. (2014).
Assessing  the  influence  of inflow turbulence on noise and performance  of  a  tidal  turbine using  large  eddy  simulations.
Renewable  Energy,  Vol.  pp 742- 754. https://doi.org/10.1016/j.renene .2014.06.011
Ouro, P., Ramírez, L. & Harrold, M. (2019),  Analysis  of  array spacing  on tidal  stream  turbine farm performance using Large- Eddy  Simulation.  Journal  of Fluids  and  Structures,  Vol.  91. https://doi.org/10.1016/j.jfluids tructs.2019.102732
Palliwal, A., Song, S., WahTan, T. & Biljecki,  F.  (2021).  3D  city models  for  urban  farming  site identification in buildings.
Computers,  Environment  and Urban Systems, Vol. 86. https://doi.org/10.1016/j.compe nvurbsys.2020.101584 Ramdhani,  M.A.,  Nugroho,  S.,  & Diana,  L.  (2019).  Performance
Analysis  of  Helical  Savonius River  Current  Turbine  Using Computational  Fluid  Dynamic. International Electronics Symposium:  The  Role  of Techno-Intelligence in Creating an Open Energy System Towards  Energy  Democracy, Proceedings, pp. 595–600.
DOI:10.1109/ELECSYM.2019 .8901584 Ramin, A., Roozbeh, A., Fardian, F.,
Koloor,  S.,  Saeid,  R.  &  Petrů, M. (2020). Performance improvement of a new proposed Savonius  hydrokinetic  turbine:
a numerical investigation.
Energy  Reports,  Vol.  6,  pp 3051–3066. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2 020.10.072 William, H., Takafumi, N. & Richard, H.J.  (2015).  Investigation  of tidal turbine array tuning using 3D Reynolds-Averaged
Navier–StokesSimulations,
International Journal of Marine
Energy.  Vol.  10,  pp  39-51. https://doi.org/10.1016/j.ijome. 2015.01.002 Zhu, Q. & Yan, J. (2021). A moving- domain CFD solver in  FEniCS with applications to tidal turbine simulations in turbulent flows. Computers &
Mathematics with Applications. Vol. 81.
https://doi.org/10.1016/j.camw a.2019.07.034