## Analisis tekanan dan laju aliran fluida di sekitar baling-baling Savonius 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.