Jasron, dkk. / ROTASI, Vol. 24 No. 4  (Oktober 2022) Hal. 33-40
Penerapan Analisis Dimensional pada Perubahan Tekanan Udara Perangkat Oscillating Water Column (OWC)
Jahirwan Ut Jasron*, Arifin Sanusi, Matheus M. Dwinanto, Kristomus Boimau, Yeremias M. Pell, Ben V. Tarigan, Gusnawati
a Departemen Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknik, Universitas Nusa Cendana
Jl.Adi Sucipto Penfui Kupang,Nusa Tenggara Timur *E-mail: jahirwan.jasron@staf.undana.ac.id

## Abstract
Energy is a significant need in life in an increasingly sophisticated era. One of the renewable energy sources  that  are  quite  promising  to  be  managed  is  ocean  wave  energy.  An  oscillating  water  column (OWC) is a device that can use to convert wave energy into mechanical energy, which can then convert into electrical energy. The energy harvesting process, in reality, involves many variables that influence each  other  and  work  simultaneously.  Formulating  n  correlations  between  one  variable  and  another group of variables can be solved by dimensional or statistical analysis. Dimensional analysis, in some instances, will be easier and relatively fast to find the results. The dimensional analysis used is the pi Buckingham method, and based on the results of the research obtained a correlation between the wave characteristics  and  the  geometry  of  the  air  column  on  changes  in  air  pressure  in  the  OWC  device column were the more significant the H/L and m/a2ρ, the greater the difference in air pressure in the column. This functional relationship has a good match with the results of the experiments carried out.
Kata kunci: dimensional analysis, wave energy, OWC

## Abstrak
Energi merupakan kebutuhan utama dalam kehidupan di era yang semakin canggih. Salah satu sumber energi terbarukan yang cukup menjanjikan untuk dikelolah adalah energi gelombang laut. Oscillating water  colum (OWC)  adalah  salah  satu  perangkat  yang  dapat  digunakan  untuk  mengkonversi  energi gelombang  menjadi  energi  mekanik  yang  seterusnya  dapat  menjadi  energi  listrik.  Proses  pemanenan energi dalam kenyataannya melibatkan banyak variabel yang saling mempengaruhi dan bekerja secara simultan.  Untuk  merumuskan  n  korelasi  antara  satu  variabel  dengan  kelompok  variabel  lain  dapat diselesaikan  dengan  analisis  dimensi  atau  statistik.  Analisis  dimensi  dalam  hal  tertentu  akan  lebih mudah  dan  relatif  cepat  untuk  mengetahui  hasilnya.  Analisis  dimensional  yang  digunakan  adalah metode pi buchingham dan berdasarkan hasil analisis diperoleh korelasi antara karakteristik gelombang dan  geometri  kolom  udara  terhadap  perubahan  tekanan  udara  pada  kolom  perangkat  OWC  dimana semakin  besar  H/L  dan  m/a 2 ρ maka  perubahan  tekanan  udara  pada  kolom  akan  semakin  besar. Hubungan fungsional ini mempunyai kesesuaian yang baik terhadap hasil eksperimen yang dilakukan.
Kata kunci: analisis dimensi, energi gelombang, OWC

## 1. Pendahuluan
Kehidupan manusia di bumi dalam perkembangannya niscaya sulit dipisahkan dari kebutuhan tenaga listrik. Oleh karena itu penyediaan tenaga listrik  bagi pembangunan yang berkelanjutan adalah tantangan utama yg dihadapi  umat manusia.  Kita semakin ditantang buat menemukan sumber energi baru, terutama sumber energi baru terbarukan. Energi gelombang  laut  merupakan  adalah  energi  yang  belum  sepenuhnya  dipergunakan.  Dimasa  mendatang,  pemanfaatan tenaga ini menjadi krusial untuk digunakan sebagai tambahan bagi pemenuhan kebutuhan tenaga global terutama yang berada  pada  daerah  kepulauan.    Energi  ini  sangat  mungkin  dikelola,  karena  sanggup  membangkitkan  tenaga  pada hampir seluruh wilayah laut yang ada di dunia.[1 - 5]
Salah satu cara untuk memanen energi laut adalah dengan membuat konversi energi melalui kolom air berosilasi (OWC)  dengan  sistem:  gelombang  masuk  ke  dalam  ruang  hidro-pneumatik  (menyerupai  gua  dengan  entri  di  bawah permukaan  air)  dan  dari  gerakan  naik-turun  di  dalam  kolom  air  membuat  aliran  dari  ruang  udara  ke  atmosfer  dan, menggerakan turbin udara yang ada pada saluran buang.[6]
Perubahan tekanan udara pada kolom udara perangkat Oscillating Water Column (OWC) dapat diartikan sebagai perubahan tinggi permukaan air didalam kolom udara yang menyebabkan terjadinya proses pemampatan udara. Proses pemampatan udara tersebut sangat mempengaruhi besarnya perubahan tekanan udara yang sekaligus menentukan laju
Jasron, dkk. / ROTASI, Vol. 24 No. 4  (Oktober 2022) Hal. 33-40
perpindahan udara keluar dari kolom udara. Perubahan tekanan udara tersebut pada dasarnya dipengaruhi oleh banyak sekali variabel yang saling berhubungan dan bekerja secara simultan.[7]
Banyak  penelitian  yang  sudah  dilakukan  untuk  meneliti  efisiensi  konversi  energi  gelombang  laut  dan  kinerja sistem oscillating water column (OWC)[8 – 10] , dan beberapa peneliti telah menerapkan metode numerik seperti BEM (Boundary Element Method), CFD (Computational Fluid Dynamics), dan MatLab. [11 – 15].
Pada penelitian ini digunakan analisis dimensional yang merupakan salah satu teknik matematika yang digunakan sebagai  alat  bantu  untuk  memecahkan  berbagai  masalah  rekayasa  fenomena  fisik  dalam  hal  ini  dapat  diwakili  oleh persamaan  yang  terdiri  dari  variabel,  baik  berdimensi  dan  tanpa  dimensi.[16]  Analisis  dimensional  membantu menentukan  susunan  sistematis  dari  variabel  dalam  hubungan  fisik  dan  kombinasi  variabel  berdimensi  dengan parameter tak berdimensi. Khususnya pada pemodelan oscillating  water column akan sulit untuk menentukan banyak variabel  dependen dan variabel  independen, dan juga sulit  untuk menentukan korelasinya. Jika menggunakan analisis dimensional,  maka  mudah  untuk  mencari  dan  menentukan  korelasi  antar  variabel.    yang  diinginkan.    Menggunakan analisis dimensi yang baik dapat menentukan korelasi antara variabel dalam uji model oscillating water colum selama data  variabel  akurat.  Hubungan  fungsional  hasil  analisis  dimensional  kemudian  divalidasi  dengan  hasil  ekperimen dengan menguji beberapa karakteristik gelombang dan geometri kolom perangkat oscillating water column (OWC)

## 2. Material dan metode penelitian
Penelitian  ini  akan  menggunakan  metode  eksperimen  nyata  dengan  menguji  model  rancangan  perangkat oscillating  water  column  (OWC)  yang  merupakan  model  fisik  penerapan  analisis  dimensional.  Analisis  dimensional dilakukan dengan metode Buchingham. Metode Buckingham adalah salah satu metode dalam menentukan bilangan tak berdimensi.
Pengujian  model  untuk  penentuan  korelasi  antara  karakteristik  gelombang  dan  geometri  perangkat  oscillating water  column  terhadap  perubahan  tekanan  udara  dalam  kolom  dilaksanakan  pada  laboratorium  mesin-mesin  fluida jurusan  Teknik  Mesin  Fakultas  Teknik  Universitas  Brawijaya  menggunakan  alat  uji  wave  flume  yang  dilengkapi dengan wave maker seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. berikut :

## Gambar 1. Skema alat uji
Pengujian  dimulai  dengan  pemasangan  alat  uji  yang  dirangkai  sesuai  dengan  fungsinya  masing-masing.  Semua alat  uji  yang  terpasang  harus  sudah  dipastikan  telah  berfungsi  dengan  baik.  Untuk  menghasilkan  gelombang  dengan amplitudo  gelombang  yang  diinginkan  atur  kecepatan  dan  panjang  langkah  wave  maker.  Ukur  panjang  gelombang, tinggi gelombang, dan periode gelombang yang dihasilkan. Tekanan air masuk untuk masing-masing kolom air diukur menggunakan pressure gauge yang waktu  pengukurannya dilakukan pada periode gelombang yang sudah ditentukan. Perpindahan  muka  air  akibat  gelombang  pada  kolom  udara  diukur  menurut  skala  yang  terpasang  pada  perangkat. Perubahan  tekanan  udara  pada  kolom  udara  akibat  perpindahan  muka  air  diukur  menggunakan  pressure  gauge  yang waktu pengukurannya dilakukan bersamaan dengan pengukuran tekanan air masuk pada kolom air. Akibat perubahan tekanan udara pada kolom udara maka terjadi perpindahan udara dari kolom udara keluar melalui saluran buang yang kecepatan perpindahan udara diukur menggunakan anemometer.
Berikut prosedur pengambilan data dalam bentuk flow chart .
Gambar 2. Flow chart pengujian model fisik

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Untuk keperluan analisis perubahan tekanan udara dalam kolom maka terlebih dahulu ditentukan variable-variabel utama yang mempengaruhi perubahan tersebut.

## 3.1 Variabel utama karakteristik gelombang dan geometri kolom OWC
Variabel-variabel  utama karakteristik gelombang dan geometri kolom udara  yang diperhitungkan mempengaruhi perubahan tekanan udara dalam kolom ditampilkan pada Tabel 1 dan Tabel 2  berikut :
Tabel 1. Variabel utama karakteristik gelombang No. Variabel Utama Notasi Satuan Dimensi 1. Panjang Gelombang L meter L 2. Tinggi Gelombang H meter L 3. Kecepatan Gelombang C Meter/detik LT -1 4. Energi gelombang E Joule M L 2 T -2 5. Tekanan Udara p Newton/m 2 ML -1 T -2

## Tabel 2. Variabel utama geometri kolom OWC
No. Variabel Utama Notasi Satuan Dimensi 1. Dinding depan yang terendam a meter L 2. Massa Air dalam Kolom m kilogram M 3. Percepatan Gravitasi g Meter/detik 2 LT -2 4. Massa jenis Kg/meter kubik ML -3 5. Tekanan Udara p Newton/m 2 ML -1 T -2

## 3.2 Analisis dimensional karakteristik gelombang terhadap perubahan tekanan udara dalam kolom
Penyelidikan  perubahan tekanan udara pada perangkat  oscillating  water column dilakukan berdasarkan variable- variabel  utama  yang  mempengaruhi  perubahan  dimaksud.  Variabel-variabel  utama  sebagaimana  ditunjukkan  pada Tabel 4.1 diatas kemudian dianalisis menggunakan metode Pi Buchingham. Berdasarkan variable utama yang ada maka hubungan antar variable tersebut secara fungsional ditulis sebagai :
(1)
atau dapat ditulis dalam bentuk :
(2)
Dari  persamaan  fungsional  diatas  terlihat  bahwa  ada  5  (lima)  besaran  fisis  dengan  3  (tiga)  satuan  dasar,  sehingga diperoleh 2 (dua) suku ta k berdimensi π, yang ditulis dalam bentuk persamaan :
atau dalam bentuk dimensi ditulis sebagai :
Karena  π  adalah nondimensional  maka  persamaan  diatas  bagian  kanan  harus  juga  nondimensional.    Hal  ini  berarti pangkat  dari dimensi  M, L dan T semua harus sama dengan nol, sehingga diperoleh hasil sebagai berikut :
Untuk : = ; ;
;
Maka diperoleh faktor nondimensional :
(3)
Untuk : = ; ; ; Maka diperoleh faktor nondimensional :
Berdasarkan  faktor  nondimensinal  yang  sudah  diperoleh,  maka  dihasilkan  hubungan  fungsional  yang  ditulis sebagai :
(4)
yang secara grafis disajikan pada Gambar 3. berikut.
Gambar 3. Hubungan fungsional karakteristik gelombang terhadap perubahan tekanan udara
Jasron, dkk. / ROTASI, Vol. 24 No. 4  (Oktober 2022) Hal. 33-40

## 3.3 Analisis dimensional geometri kolom OWC terhadap perubahan tekanan udara dalam kolom
Penyelidikan perubahan tekanan udara pada perangkat oscillating water column selanjutnya dilakukan berdasarkan variable-variabel  utama yang mempengaruhi  perubahan dimaksud dari sisi  gemetri kolom perangkat  OWC. Variabel- variabel  utama  sebagaimana  ditunjukkan  pada  Tabel  4.2  diatas  kemudian  dianalisis  menggunakan  metode  Pi Buchingham.  Berdasarkan  variable  utama  yang  ada  maka  hubungan  antar  variable  tersebut  secara  fungsional  ditulis sebagai :
(5)
atau dapat ditulis dalam bentuk :
(6)
Dari  persamaan  fungsional  diatas  terlihat  bahwa  ada  5  (lima)  besaran  fisis  dengan  3  (tiga)  satuan  dasar,  sehingga diperoleh 2 (dua) suku tak berdimensi π, yang ditulis dala m bentuk persamaan :
atau dalam bentuk dimensi ditulis sebagai :
Karena  π  adalah  nondimensional  maka  persamaan  diatas  bagian  ka nan  harus  juga  nondimensional.    Hal  ini  berarti pangkat  dari dimensi  M, L dan T semua harus sama dengan nol, sehingga diperoleh hasil sebagai berikut : Untuk : = ; ; ; Sehingga diperoleh ;
Maka diperoleh faktor nondimensional :
Atau :
(7)
Untuk : = ; ; ; Sehingga diperoleh ;
Maka diperoleh faktor nondimensional :
Atau :
(8)
Berdasarkan faktor nondimensinal yang sudah diperoleh, maka dihasilkan hubungan fungsional yang ditulis sebagai :
(9)
yang secara grafis disajikan pada Gambar 4. berikut.
Jasron, dkk. / ROTASI, Vol. 24 No. 4  (Oktober 2022) Hal. 33-40
Gambar 4. Hubungan fungsional geometri kolom terhadap perubahan tekanan udara

## 3.4 Pengujian model perangkat Oscillating Water Column (OWC)
Perubahan  tekanan  udara  dalam  kolom  pada  dasarnya  disebabkan  oleh  gerakan  naik  turunnya  permukaan  air  di dalam kolom akibat gaya eksitasi gelombang. Berdasarkan data hasil pengujian yang dilakukan dengan fasilitas kanal terbuka  yang  dilengkapi  dengan  pembuat  gelombang  diperoleh  data  tinggi  dan  panjang  gelombang,  serta  data perubahan tekanan udara pada kolom udara seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Tinggi dan Panjang Gelombang
Berdasarkan hasil analisis dimensional  karakteristik  gelombang terhadap  perubahan tekanan udara dalam kolom OWC yang ditulis dalam bentuk:
selanjutnya diperiksa hubungan fungsional karakteristik gelombang terhadap perubahan tekanan udara. Hubungan baru dapat dituliskan sebagai :
Sehingga perubahan tekanan udara yang terjadi dapat ditulis menjadi :
(10)
Dengan demikian perubahan tekanan udara dalam kolom perangkat OWC dengan data awal tinggi gelombang (H), panjang  gelombang  (L),  kecepatan  gelombang  (C),  dan  energi  gelombang  (E), dalam  eksperimen  selanjutnya  cukup menyertakan tinggi dan panjang gelombang serta sebuah faktor fungsional lainnya dalam hal ini kedalaman air (h).
Berdasarkan  data  hasil  pengujian  yang  sudah  didapatkan,  maka  selanjutnya  dilakukan  validasi  terhadap  hasil analisis dimensional seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. berikut.
Gambar 6. Hubungan fungsional hasil eksperimen untuk faktor fungsional h = 20 cm
Selanjutnya  berdasarkan hasil  analisis  dimensional  geometri  perangkat  oscillating  water  column  terhadap perubahan tekanan udara dalam kolom OWC yang ditulis dalam bentuk :
Hubungan tersebut dapat ditulis Kembali dalam bentuk :
Sehingga perubahan tekanan udara dapat ditulis menjadi :
(11)
Dari  persamaan  fungsional  di  atas  dapat  dijelaskan  bahwa  perubahan  tekanan  udara  pada  kolom  perangkat OWC  sangat  dipengaruhi  oleh  panjang  dinding  depan  yang  terendam  (a).    Karena  itu  variabel  ini  akan  menjadi perhatian  utama  dalam  perancangan  eksperimen  yang  akan  dilakukan.  Namun  perlu  juga  diperhatikan  bahwa  masih terdapat satu fungsi lain yang berpengaruhi yang dalam hal ini ditetapkan sebagai fungsi dari kedalaman air (h).
Dari  hasil  eksperimen  yang  dilakukan,  telah  diperoleh  data  perubahan  tekanan  udara  yang  dihubungkan dengan  variable  panjang  dinding  depan  yang  terendam  sebagai  faktor  utama  yang  merupakan  validasi  terhadap  hasil analisis dimensional seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7. berikut.
Gambar 7. Hubungan fungsional hasil eksperimen untuk faktor fungsional h = 20 cm
Dari  Gambar  7  tersebut  terlihat  bahwa  kecenderungan  perubahan  tekanan  udara  dalam  hubungan  fungsional terhadap  panjang  dinding  depan  yang  terendam  sudah  sesuai.  Hal  ini  berarti  karakteristik  geometri  perangkat  OWC hasil analisis dimensional dengan varibel utama panjang dinding depan yang terendam telah tepat. Untuk mendapatkan hubungan yang lebih akurat tentu harus juga diperhatikan fungsi lainnya yaitu yang berhubungan dengan kedalaman air.
4. Kesimpulan
Berdasarkan  hasil  penelitian  analisis  dimensional  perubahan  tekanan  udara  pada  perangkat oscillating  water column (OWC)  diperoleh  simpulan  bahwa  variabel  utama  tinggi  dan  panjang  gelombang  sebagai  hasil  analisis dimensional  karakteristik  gelombang  telah  menunjukkan  hubungan  fungsional  yang  sesuai  dengan  hasil  eksperimen dimana  diperoleh  bahwa  semakin  besar  nilai  H/L  akan  meningkatkan  perubahan  tekanan  udara  di  dalam  kolom sedangkan untuk variabel utama panjang dinding yang terendam sebagai hasil analisis dimensional geometri perangkat OWC telah menunjukkan hubungan fungsional yang sesuai dengan hasil eksperimen dimana diperoleh bahwa semakin besar panjang dinding maka akan mengakibatkan penurunan perubahan tekanan udara dalam kolom. Namun demikian harus tetap memperhatikan fungsi kedalaman air yang dapat mempengaruhi hasil perubahan tekanan udara tersebut.

## Ucapan Terima Kasih
Terima kasih  kepada  Fakultas Sains dan Teknik  Universitas Nusa  Cendana  yang telah memberi  dukungan  dana dalam penelitian, ini melalui dana DIPA Universitas Nusa Cendana No.SP-DIPA 023.17.2.677528/2022.

## Daftar Pustaka
[1] Jasron JU, Soeparman S, Yuliati L, Darmadi DB. Experimental Study on the Effect of Ocean Wave Characteristics on Air Pressure in Oscillating Water Column Device. IOP Conf Ser Mater Sci Eng. 2019;494(1).
[2] Bautista EG, Méndez F, Bautista O. Numerical Predictions of the Generated Work in an Air-Compression Chamber Driven by an Oscillating Water Column. 2009;7 – 16.
[3]  Nader  JR, Zhu  SP,  Cooper  P.  Hydrodynamic  and  energetic  properties  of  a  finite  array  of  fixed  oscillating  water column wave energy converters. Ocean Eng [Internet]. 2014;88:131 – 48. Available from:
http://dx.doi.org/10.1016/j.oceaneng.2014.06.022
[4]  Ning  DZ,  Wang  RQ, Zou  QP, Teng  B.  An  experimental  investigation  of  hydrodynamics  of  a fixed  OWC  Wave Energy Converter. Appl Energy. 2016;168:636 – 48.
[5]  John  Ashlin  S,  Sundar  V,  Sannasiraj  SA.  Effects  of  bottom  profile  of  an  oscillating  water  column  device  on  its hydrodynamic characteristics. Renew Energy. 2016;96:341 – 53.
[6] Bouali B, Larbi S. Contribution to the geometry optimization of an oscillating water column wave energy converter. Energy Procedia [Internet]. 2013;36:565 – 73. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j.egypro.2013.07.065
[7]  Çelik  A,  Altunkaynak  A.  Experimental  and  analytical  investigation  on  chamber  water  surface  fluctuations  and motion behaviours of water column type wave energy converter. Ocean Eng. 2018;150(December 2017):209 – 20.
[8] Jasron  JU,  Soeparmani  S,  Yuliati  L,  Darmadi  DB.  Comparison  of  the  performance  of  oscillating  water  column devices based on arrangements of water columns. J Mech Eng Sci. 2020;14(3):7082 – 93.
[9] Elhanafi A, Macfarlane G, Fleming A, Leong Z. Experimental and numerical measurements of wave forces on a 3D offshore stationary OWC wave energy converter. Ocean Eng. 2017;144.
[10]  Rezanejad  K,  Guedes  Soares  C,  López  I,  Carballo  R.  Experimental  and  numerical  investigation  of  the hydrodynamic performance of an oscillating water column wave energy converter. Renew Energy. 2017;106.
[11]  Filianoti PGF, Gurnari L, Torresi M, Camporeale SM. CFD analysis of the energy conversion process in a fixed oscillating water column (OWC) device with a Wells turbine. In: Energy Procedia. 2018.
[12]  Kamath A, Bihs H, Arntsen ØA. Numerical modeling of power take-off damping in an oscillating water column device. Int J Mar Energy. 2015;10.
[13]    Elhanafi  A,  Fleming  A,  Macfarlane  G,  Leong  Z.  Numerical  hydrodynamic  analysis  of  an  offshore  stationary – floating oscillating water column – wave energy converter using CFD. Int J Nav Archit Ocean Eng. 2017;9(1).
[14]  Vyzikas T, Deshoulières S, Giroux O, Barton M, Greaves D. Numerical study of fixed Oscillating Water Column with RANS-type two-phase CFD model. Renew Energy. 2017;102.
[15]  Delauré YMC, Lewis A. 3D hydrodynamic modelling of fixed oscillating water column wave power plant by a boundary element methods. Ocean Eng. 2003;30(3):309 – 30.
[16] J.C. Gibbings, 2011, “Dimensional Analysis”, Spring er London Dordrecht Heidelberg New York