PENELITIAN KARAKTERISTIK AERODINAMIKA
AEROFOIL SUDU SKEA NELAYAN NILA 80
Sulistyo Atmadi
Pcnelili Pusat Teknologi Dirgantara Terapan, LAPAN
ABSTRACT
An economical electric-small-scale wind turbine is intended for an alternative source of energy for fishermans. For the power requirement of wind turbine with the wind condition in Indonesia, an aerofoil research is needed, in particular for the case of SKEA Nelayan Nila 8 0 , with u n k n o w n aerofoil d a t a . The focus of the research concentrated on finding aerodynamic characteristics CI, Cd a n d Cm for angle of attack regime from -4 to 16 degrees. The result would be u s e d in the modification of existing wind turbine. With limited engineering d a t a , several integrated softwares had been u s e d s u c h as AutoCad 2004, Gambit and Fluent 5.2.1. AutoCad was used to digitise aerofoil geometry, gambit w a s u s e d for grid generation wich t h e n fed into Fluent 5 . 2 . 1 . for load analysis. The result w a s quite similar to N60 which gives stall angle at a r o u n d 13° -15° and Cl/Cd m a x i m u m = 16
ABSTRAK
Turbin angin listrik s k a l a kecil yang ekonomis d i h a r a p k a n a k a n menjadi pilihan nelayan sebagai s a l a h s a t u s u m b e r penghasil d a y a listrik. U n t u k turbin angin yang menghasilkan daya optimum y a n g sesuai dengan kondisi angin di Indonesia, m a k a perlu d i l a k u k a n penelitian airfoil dari turbin angin tersebut, dalam k a s u s ini dilakukan p a d a SKEA nelayan Nila 80, yang belum diketahui d a t a j e n i s airfoilnya. Fokus penelitian a d a l a h mempelajari karakteristik aerodinamika airfoil seperti CI, Cd, d a n Cm dalam s u a t u r e n t a n g s u d u t serang, mulai dari -4 derajat hingga 16 derajat. Hasil penelitian airfoil ini d i h a r a p k a n dapat dijadikan d a t a awal u n t u k modifikasi turbin angin dengan prestasi y a n g lebih baik. Terbatasnya d a t a bilah turbin angin y a n g h e n d a k dianalisis, m a k a diperlukan b a n t u a n beberapa perangkat lunak y a n g saling terintegrasi seperti: Autocad 2004, Gambit, dan Fluent 5 . 2 . 1 . Autocad berfungsi u n t u k digitasi d a t a geometri airfoil, gambit u n t u k p e m b u a t a n grid-grid u n t u k analisis d a t a , s e d a n g k a n fluent sebagai perangkat lunak u n t u k analisis s e l u r u h gaya yang bekerja p a d a airfoil SKEA nelayan NILA 8 0 . Karakteristik aerodinamik yang diperoleh tidak j a u h b e r b e d a d e n g a n airfoil y a n g mirip yaitu N-60, s u d u t stall terjadi sekitar 13 hingga
15 derajad d a n Cl/Cd m a k s i m u m 16.
1 PENDAHULUAN
Harga t u r b i n angin yang m u r a h , b e b a s b a h a n bakar, d a n b e b a s polusi dalam menghasilkan d a y a listrik skala kecil menjadikan turbin angin ini d a p a t d i p a s a r k a n u n t u k p e m a k a i dengan k e m a m p u a n t e r b a t a s , seperti nelayan kecil. S a s a r a n u t a m a p e m a k a i a n turbin angin di Indonesia saat ini adalah di daer ah pantai a t a u laut di m a n a sumber angin h a m p i r selalu tersedia setiap saat. Penggunaan u m u m SKEA nelayan adalah bagi kapal pencari ikan y a n g setiap saat
berada di laut. SKEA nelayan y a n g dikembangkan LAPAN m e r u p a k a n SKEA hasil modifikasi dari turbin yang s u d a h ada, n a m u n dengan modifikasi tersebut, secara k e s e l u r u h a n SKEA nelayan NII-A 80 m e r u p a k a n hasil r a n c a n g a n LAPAN sendiri. Bagian s u d u m e r u p a k a n salah s a t u bagian yang belum dimodifikasi, disesuaikan dengan karakteristik angin di Indonesia. Dengan penelitian dan analisa karakteristik airfoil SKEA Nelayan yang telah a d a d a p a t digunakan u n t u k p e n g e m b a n g a n s u d u turbin angin yang efisien dan optimal sesuai dengan
karakteristik kecepatan angin di Indonesia (2 m / d - 6 m / d ) .
2 METODOLOGI
Metodologi Computational Fluid Dynamics (CFD), d i g u n a k a n u n t u k menganalisa aliran u d a r a . Sedangkan Fluent merupakan perangkat lunak u n t u k menganalisis aliran u d a r a di sekitar benda dengan metode Computational Fluid Dynamics (CFD). CFD sendiri a d a l a h s u a t u metode k o m p u t a s i n u m e r i k u n t u k menyelesaikan p e r s a m a a n aliran s u a t u b e n d a dalam aliran fluida dengan berbasis komputer. Metoda analisis dengan CFD menjadi pilihan favorit u n t u k era tahun 2000-an karena kemudahannya dalam proses analisis d a n biaya yang tidak terlalu mahal. Tetapi pada akhirnya, metoda ini h a n y a l a h s u a t u metoda p e n d e k a t a n d i m a n a hasil eksperimen tetap diperlukan u n t u k m e n g g a m b a r k a n aliran yang s e s u n g g u h n y a terjadi.
P e r s a m a a n d a s a r y a n g d i g u n a k a n dalam analisis aliran fluida oleh CFD adalah p e r s a m a a n Navier stokes yang d i r u m u s k a n sebagai berikut:
Metoda penyelesaian p e r s a m a a n di a t a s didekati oleh fluent dengan metode Upwind, simple, dsb. U n t u k analisis aliran di sekitar airfoil turbin angin d i a s u m s i k a n m e m e n u h i kondisi
inkompressibel d u a dimensi d a n meng-g u n a k a n m e t o d a diskritisasi STANDARD u n t u k mencari distribusi tekanan, metoda diskritisasi First Order Upwind' u n t u k solusi p e r s a m a a n m o m e n t u m , d a n m e t o d a SIMPLE u n t u k mencari h u b u n g a n kopling tekanan dan kecepatan.
3 DATA ANALISIS
Data y a n g tersedia sangat minim sehingga analisis airfoil SKEA NILA 80 dilakukan dengan mengambil salah satu section dari s u d u turbin angin SKEA nelayan. Dengan a s u m s i j e n i s airfoil yang digunakan di sepanjang span s u d u sama, m a k a diambil contoh profil airfoil dari daerah u j u n g s u d u .
Karena koordinat airfoil tidak diketahui secara pasti, m a k a profil airfoil di scan d a n k e m u d i a n direkonstruksi u l a n g s e c a r a trial and error dengan b a n t u a n perangkat l u n a k AUTOCAD. Hasil gambar profil k e m u d i a n terlihat seperti Gambar 3 - 1 .
Gambar 3 - 1 : Digitisasi Geometri airfoil dengan Autocad 2004
Tabel 3 - 1 : KOORDINAT AIRFOIL
Chord
0.0000 0.9000 1.8000 2.7000 3.6000 4.5000 5.4000 6.3000 7.2000 8.1000 9.0000 9.9000 Upper Surface 0.0000 1.3065 1.9900 2.4659 2.7827 3.0136 3.2143 3.3790 3.5143 3.6214 3.7011 3.7565 Lower Surface 0.0000 -1.0556 -1.2181 -1.3806 -1.5196 -1.5999 -1.6075 -1.5635 -1.4892 -1.4053 -1.3268 -1.255210.8000 11.7000 12.6000 13.5000 14.4000 15.3000 16.2000 17.1000 18.0000 18.9000 19.8000 20.7000 21.6000 22.5000 23.4000 24.3000 25.2000 3.7910 3.8082 3.8115 3.8049 3.7921 3.7266 3.7586 3.7363 3.7079 3.6715 3.6253 3.5678 3.4973 3.4122 3.3112 3.1928 3.0561 -1.1901 -1.1312 -1.0780 -1.0301 -0.9871 -0.9487 -0.9144 -0.8837 -0.8564 -0.8319 -0.8098 -0.7899 -0.7715 -0.7544 -0.7380 -0.7221 -0.7061 26.1000 27.0000 27.9000 28.8000 29.7000 30.6000 31.5000 32.4000 33.3000 34.2000 35.1000 36.0000 2.9023 2.7334 2.5514 2.3577 2.1536 1.9401 1.7138 1.4619 1.1795 0.8706 0.5401 0.0000 -0.6897 -0.6727 -0.6538 -0.6335 -0.6111 -0.5862 -0.5584 -0.5272 -0.4670 -0.3694 -0.2619 0.0000
Setelah bentuk geometri diperoleh, dilakukan proses diskritasi domain analisis d a n generasi grid dengan m e n g g u n a k a n p e r a n g k a t l u n a k GAMBIT. Hasilnya seperti G a m b a r 3-2.
G a m b a r 3-2: Grid Generation dengan b a n t u a n perangkat l u n a k GAMBIT p a d a s u d u t 0° Proses diskritisasi d a n mesh
generation yang diperoleh dari GAMBIT kemudian dianalisis dengan menggunakan FLUENT. Hasil dari analisis fluent ini b e r u p a koefisien aerodynamics CI, Cd, d a n C m u n t u k s u a t u s u d u t serang tertentu. Ren tang s u d u t serang yang
dipilih adalah -4 sampai 16 derajat.
Sudut 16 derajat dipilih k a r e n a p a d a
s u d u t ini hasil yang diperoleh fluent s u d a h tidak konvergen lagi. Karena p a d a s u d u t serang ini s u d a h terjadi separasi aliran d a n s u d u airfoil telah mencapai kondisi stall.
4 HASIL ANALISIS
Hasil p e r h i t u n g a n FLUENT dapat dilihat dari Tabel 4-1
Tabel 4 - 1 : TABEL DATA CI DAN Cd HASIL PERHITUNGAN FLUENT 5.2.1 Sudut -4 -2
0
2
4
6
8
10 12 14 16L
0.02 0.08 0.16 0.25 0.33 0.42 0.50 0.57 0.54 0.55 0.54D
0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.03 0.03 0.04 0.06 0.07 0.08M
0.0008 0.0003 0.0001 0.0006 0.0007 0.0009 0.0012 0.0016 0.0015 0.0019 0.0022 cl 0.03341 0.14818 0.28886 0.44657 0.60092 0.75700 0.91603 1.03221 0.98829 1.00226 0.97135 cd 0.04063 0.03269 0.03001 0.03141 0.03753 0.04763 0.05935 0.07483 0.10233 0.12674 0.15152 cm 0.04 0.017 -0.01 -0.03 -0.03 -0.05 -0.06 -0.08 -0.08 -0.1 -0.11 cl/cd 0.8223 4.5332 9.6262 14.2155 16.0122 15.8921 15.4354 13.7948 9.6582 7.9078 6.4105Dalam simulasi menggunakan fluent d i g u n a k a n kecepatan operasional sekitar 5 m / s . Kecepatan ini dipilih karena cukup menggambarkan kecepatan u d a r a yang melewati sudu turbin angin. Kondisi y a n g lain a d a l a h s t a n d a r sea level u n t u k kerapatan udara, temperarur, d a n viskositas u d a r a .
Data hasil p e r h i t u n g a n fluent u n t u k r e n t a n g s u d u t s e r a n g -4 derajat hingga 16 derajat k e m u d i a n dapat digambarkan k u r v a Cl-alpha, Cd-alpha
d a n Cm-alpha (Gambar 4 - 1 d a n 4-2). G a m b a r 4-2: Kurva Cd-alpha airfoil SKEA NILA 80
Gambar 4 - 1 : Kurva Cl-alpha & Cm-alpha airfoil SKEA NILA 80
5 KESIMPULAN
Dari hasil penelitian d a n analisis airfoil SKEA Nelayan NILA 80, dapat disimpulkan hal-hal sebagai berikut:
• Karakteristik aerodinamika yang diperoleh tidak j a u h berbeda dengan karakteristik aerodinamika airfoil yang mirip, yaitu N-60.
• S u d u t stall y a n g terjadi p a d a airfoil di a t a s adalah sekitar 13 hingga 15 derajat.
• Cl/Cd maksimum yang diperoleh cukup baik, sekitar 16
• Hasil analisis y a n g diperoleh oleh fluent menggambarkan kecenderungan, mendekati kenyataan yang sebenamya, tetapi tidak dapat dikuantifikasi secara tepat.
Dari hasil y a n g a d a , masih diperlukan modifikasi bentuk airfoil agar diperoleh karakteristik aerodinamik y a n g lebih baik, y a n g s e s u a i dengan kondisi kecepatan angin di Indonesia
DAFTAR RUJUKAN
Anderson, J o h n D.,Jr, 1985. Fundamen-tals of Aerodynamics, Mc Grawhill company, Singapore.
Abbot, Ira H; Von Doenhoff, Albert E, 1959. Theory of wing section, Dover Publications, inc. New York.
Kuethe, Arnold M; Chow, C h u e n Yen, Foundations of Aerodynamics : Bases of Aerodynamic Design, J o h n Wiley & Sons.Inc. New York.
LAMPIRAN :
Hasil analisa airfoil menggunakan
perangkat lunak fluent :
Contours of Salic Pressure (pascal) A*H 2 1 . 2 0 0 4 | FLUENT S.2124 sejrejatad. lam) i
Gambar 5-l:Distribusi tekanan statik
pada sudut 0 derajat
Ccrtourso* Velocity Magnitude (mis) Apr 2 1 , 2 0 0 * FLUENT 6.2 (2d. segregated, lam)
Gambar 5-2: Distribusi Kecepatan pada
sudut 0 derajat
Contours ofStefic Pressure (pascal) Apr21.2004 FLUENT 5.2 12d. segregated lam)
Gambar 5-3:Distribusi tekanan statik
pada saat stall
Coraoura of Velocay Maanftuda (mis) *pr 2 1 . 7004 FLUENT 52 (2d. seyeoeled. lam) I
