p da p da Gambar 2.1 Gaya tekan pada permukaan elemen benda yang ter benam aliran fluida (Mike Cross, 1987)

2.3 Gaya Hambat Udara

Ketika udara melewati suatu titik tangkap baik itu udara dengan kecepatan konstan ( steady ) maupun dengan kecepatan yang berubah berdasarkan waktu (unsteady ), kecenderungan alat tersebut akan mengalami dua gejala yaitu akan mengalami gaya hambat dan gaya angkat udara. Gaya hambat udara merupakan komponen gaya yang searah dengan aliran fluida pada benda yang terselimuti aliran (F

D

), sedangkan gaya angkat merupakan komponen gaya tegak lurus aliran fluida (Mike Cross, 1987). Hal ini disebabkan adanya perbedaan tekanan yang terdistribusi disekitar alat tersebut dan karena adanya luasan daerah dari suatu titik tangkap yang berusaha menghentikan pergerakan udara.

Gambar 2.1 Gaya tekan pada permukaan elemen benda yang ter benam aliran fluida (Mike Cross, 1987)

Bagian elemen dari daerah dA pada permukaan benda akan menimbulkan p dan τ ( tekanan statis dan tegangan geser ). Komponen gaya berdasarkan p dan τ sepanjang arah aliran atau gerakan yang searah dikenal dengan drag force , terlihat pada persamaan berikut:

𝐹𝐷 = ∫ 𝐴 𝑝 . 𝑑𝐴 𝑐𝑜𝑠 𝜃 + ∫ 𝐴 𝜏0 . 𝑑𝐴 𝑐𝑜𝑠 𝜃 ……….(2.7)

Untuk benda yang sedang bergerak melalui aliran fluida dengan density , pada kecepatan yang sama akan menghasilkan suatu penyelesaian matematis untuk menghitung drag force adalah terdapat pada persamaan berikut :

F

D

= C

D.

A.

2 U

2

 .

………. (2.8)

0

TdA p dA

dA

FD

FL F

p dA p dA cos 0 fdA

Tg dA sin 0

TgdA cos0 p dA sin 0 dA U

0

0

2.4 Pengukuran Kecepatan 2,4.1 Konsepsi Tekanan

Tekanan adalah gaya persatuan luas. Tekanan adalah besaran yang berarah maju oleh karena itu selalu bernilai positif ( untuk tekanan absolut).

Karena tekanan yang dihasilkan fluida adalah merupakan manifestasi makroskopis dari energi kinetik yang dihasilkan oleh molekul -molekul fluida, maka tekanan bernilai nol absolut. Dari titik pandang vektor, tekanan adalah besaran skalar meskipun akan selalu dianggap bekerja tegak lurus p ada permukaan pembatasnya. Tekanan relatif terhadap tekanan referensi (umumnya diambil tekanan atmosfer) disebut sebagai tekanan ukur ( gage pressure).

2.4.2 Persamaan Bernouli

Persamaan Bernouli representasi dari hukum konvervasi (kekekalan) momentum untuk fluida incompressible dalam kondisi steady-state dan inviscid (tidak terjadi friksi dinding). Representasi tersebut umumnya dituliskan sebagai persamaan (2.9)

2 2 2 2 1 2 1 1

. 2 . .

2

. h

g V g h P g V g

P     



 = Konstan………... (2.9)

Dalam keadaan stagnasi V

2

= 0, maka persamaan (2.9) menjadi :

g P g

V g P

. .

2 .

2 2

1 1



 ^{ } ……… ………… (2.10)

_



 



 

 g

P g P

V 2 .

²

.

¹

 dimana Δh = _



 



 

g P P

.

1 2

 ……….………... (2.11) Sehingga :

h g

V  2 . .  ……….. ….. (2.12)

Persamaan Bernouli menyatakan bahwa energi kinetik dan energi potensial dari fluida adalah tetap konstan sepanjang jalur aliran. Penting kiranya untuk menyingat adanya asumsi yang diberikan dalam penurunan persamaan tersebut yaitu :

 Aliran steady-state.

 Aliran Incompressible.

 Aliran tanpa friksi.

 Mengalir secara streamline.

2.5 Mengukur Kecepatan Udara

Untuk mengukur kecepatan aliran udara dengan menggunakan inclined manometer, perameter yang dibutuhkan adalah pertambahan panjang fluida ukur (minyak tanah) yang dapat diamati dengan mistar. Jika inclined manometer dipasang dengan sudut kemiringan sebesar 15

⁰

, dan pertambahan panjang fluida ukur diberi notasi Δr, maka Δh dapat ditentukan dengan menggunakan suatu persamaan matematis sebagaimana berikut ini.

Gambar 2.2 Inclined Manometer

Hubungan tekanan antara minyak tanah dengan air adalah tampak sebagaimana persamaan berikut ini :

ρ

mt

.g.Δh

mt

= ρ

air

.g.Δh

air

………..(2.13)

Dari persamaan 2.13 di atas diperoleh :

Δh

air

= ,

. . .

g h g

air m t m t



 

dengan SG

mt

=

air m t





∆h = Δr. Sin 15

^o

∆h

∆r P

1

P

2

Sehingga :

Δh

air

= SG

mt

. Δh

mt

………...(2.14)

Dimana: SG = spesifik grafity (m/s)

Selanjutnya, hubungan antara tekanan udara dengan tekanan air tampak dalam persamaan berikut ini:

ρ

udara

.g.Δh

udara

= ρ

air

.g.Δh

air

= ρ

air.

g.SG

mt

.Δh

mt

Δh

udara

=

g h SG g

udara m t m t air

. . . .



 

=

udara m t m t

SG h SG . 

………..………...(2.15) dengan Δh = Δr sin 15

⁰

maka :

Δh

udara

= x h

SG SG

udara

m t

 ………...(2.16)

Jika persamaan 2.16 disubstitusikan ke dalam persamaan 2.12 maka diperoleh:

V = 



 



 x h

SG g SG

udara

.

mt

2 (m/s)……….(2.17)

2.6 Konsep Kesetimbangan dynamometer

Gambar 2.3 Model Skematik Alat Ukur

Cara kerja alat pengujian :

Pada saat turbin berputar, pulley juga akan ikut berputar. Selanjutnya pulley mulai diberi beban dengan cara memutar baut timbangan secara perlahan – lahan, sampai putaran pulley sesaat mulai berhenti, sehingga didapat nilai besaran beban dengan melakukan perhitungan :

ΔW = w

2

– w

1

……….(2.18)

Dengan pengujian ini, semua peralatan yang diperlukan ditempatkan dalam satu tempat dan dilakukan pengujian berdasarkan prosedur pengujian yang akan dilakukan.

2.7 Airfoil

Airfoil merupakan suatu bentuk yang dibuat untuk menghasilkan gaya lift yang lebih besar dari gaya drag pada saat ditempatkan pada sudut tertentu pada suatu aliran udara. Airfoil mempunyai bentuk ujung yang lancip untuk menjamin aliran udara sedapat mungkin streamline. Airfoil mempunyai bagian seperti leading edge, trailing edge, chord dan chamber

Gambar 2.4 Terminologi profil standar (Raharjo, 2010)

Adapun bagian-bagian dari airfoil secara lebih terperinci sebagai berikut:

1. Leading edge adalah ujung depan dari airfoil 2. Trailing edge adalah ujung belakang dari airfoil

3. Chord (l) adalah jarak antara leading edge dengan trailing edge

4. Chord line adalah garis lurus yang menghubungkan leading edge dengan trailing edge

7(

1 2

3 5

4

5. Camber line adalah garis yang membagi sama besar antara permukaan atas dan permukaan bawah

6. Camber (Maksimum) adalah jarak maksimum antara camber line dan chord line, diukur pada garis tegak lurus chord line . Posisi maksimum camber diukur dari leading edge dalam bentuk persentase chord

7. Maksimum thickness (t

max

) adalah jarak maksimum antara permukaan atas dan permukaan bawah airfoil yang juga diukur tegak lurus terhadap chord line.

2.8 Sudu Turbin Angin Tipe Ori

Konstruksi turbin angin model tipe sudu ori memiliki poros yang posisinya dipasang horisontal searah dengan arah angin dan memiliki beberapa sudu yang berbentuk trapesium. Sisi sudu yang lebih panjang di pasang dekat dengan rotor, kemudian semakin ke ujung luasannya semakin mengecil ditambah dengan pemuntiran pada masing – masing sudu sehingga dapat mengurangi gaya hambat (drag force ). Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut :

Gambar 2.5 Gaya yang terjadi pada sudu Ori (Kadir, 1995)

Gaya-gaya yang bekerja pada sudu ori yaitu :

1. Gaya Aksial (Fa), gaya yang mempunyai arah sama dengan angin.

2. Gaya Sentrifugal (Fs), gaya yang meninggalkan titik tengah.

3. Gaya Tangensial (Ft), gaya yang menghasilkan momen.

Fs

Ft Fa

Fs Ft

Fa

Fs Ft

Fa U

2.9 Pemuntiran Sudu

Kecepatan keliling akan bertambah sebanding dengan panjangnya jari-jari sudu, jadi bentuk segitiga kecepatan pada jari-jari yang berbeda akan berbeda-beda pula bentuknya. Pada gambar 2.7 dan 2.8 adalah gambar segitiga kecepatan untuk diameter dalam ( i ) dan segitiga kecepatan untuk diameter luar ( a ), dari sini didapat sudut sudu 

_li

dan 

_la

Sudut ini selalu makin kecil bila diameter roda makin besar, jadi sudu memperlihatkan suatu pemuntiran.

Gambar 2.6 Segitiga Kecepatan Sudu (Sunyoto, 2010)

sisi keluar sudu



^a



a

sisi masuk sudu

angle of attack

x

chord line







i



i

sisi masuk sudu

sisi keluar sudu u

u^a w^1a

c¹ u^a c² w^2a

c1 w1i

ui

c² uⁱ

w2i



^i



^a

Keterangan gambar :

U = Kecepatan keliling rotor pada diameter dalam.

i

U = Kecepatan keliling rotor pada diameter luar.

a

W

₁i

= Kecepatan relatif rotor pada sisi masuk di diameter dalam.

Gambar 2.7 Profil Segitiga Kecepatan (Sunyoto, 2010)

Gambar 2.8 Profil Sudut Sudu (Sunyoto, 2010)

W

₂i

= Kecepatan relatif rotor pada sisi keluar di diameter dalam.

W

₁a

= Kecepatan relatif rotor pada sisi masuk di diameter luar.

W

₂a

= Kecepatan relatif rotor pada sisi keluar di diameter luar.

C

1

= Kecepatan absolute rotor pada sisi masuk.

C

2

= Kecepatan absolute rotor pada sisi keluar.

i



1

= Sudut sudu pada sisi masuk di diameter dalam.

i



2

= Sudut sudu pada sisi keluar diameter dalam.

a



1

= Sudut sudu pada sisi masuk di diameter luar.

a



2

= Sudut sudu pada sisi keluar di diameter luar.

γ = Stagger angle . θ = Camber angle.

2.10 Penelitian Pendahulu

Berdasarkan penelitian Supartama, ( 2009 ) yang melakukan penelitian efek pemuntiran sudu blower terhadap laju alir massa, dengan hasil penelitian menunjukkan bahwa sudu blower yang paling baik adalah variasi sudut 30º, 40º, dan 50º yang menghasilkan laju aliran massa udara yang tinggi tetapi daya yang dibutuhkan tidak terlalu besar. Ditambahkan juga bahwa penambahan kelengkungan sudu sangat mempengaruhi karakteristik aliran fluida saat melintasi barisan sudu, desain sudu menyebabkan perubahan momentum fluida kerja saat masuk dan keluar sudu. Jika sudut masuk kecil maka udara yang ditangkap oleh sudu sangat kecil tetapi jika sebaliknya sudut masuki terlalu besar maka udara yang ditangkap besar tetapi aliran udaranya menjadi terpecah.

Berdasarkan penelitian Markus Nanda Andika ( 2007 ) yang melakukan

penelitian rancang bangun kincir angin bersudu banyak dimana energi angin yang

digunakan memiliki kecepatan 7 m/s dengan ukuran kincir sebagai berikut : lebar

sudu atas dan bawah masing – masing 0.13 dan 0,23 m, tinggi sudu 0,4 m , diameter

keseluruhan 1 m, kemudian poros menggunakan baja karbon S 35C dengan panjang

0,33m dan diameter 0,19 m. dari pengujian yang dilakukan menunjukkan bahwa

perubahan sudut mempengaruhi besarnya Cp pada kincir dengan delapan sudu, nilai

Cp maksimal pada sudut 60º pada sudut diatas 60º harga Cp akan turun, sedangkan

pada kincir dengan empat sudu harga Cp yang paling tinggi pada sudut 75º , hal ini

menunjukkan adanya pergeseran titik masimum sebesar 15º , semakin besar harga

Cp menunjukkan sudu berfungsi maksimal sebagai penangkap angin.