Abstrak—Pada operasinya, gerakan berputar dari VAWT
mengakibatkan variasi angle of attack (α) yang besar pada
blades selama rotor berevolusi. Hal ini mengakibatkan beban
aerodinamis yang signifikan dan unsteady yang dikenal sebagai peristiwa dynamic stall. Simulasi numerik menggunakan model turbulensi SST k-ω digunakan untuk menginvestigasi fenomena fisik yang terjadi pada airfoil VAWT skala atap rumah yang beroperasi pada low tip speed ratio. Dalam penelitian ini digunakan airfoil dengan profil NACA 0012 yang beroperasi pada blade Reynolds number sebesar 1.35 x 105. Hasil kalkulasi CFD menunjukkan perbedaan yang mencolok pada gaya-gaya yang bekerja pada airfoil dibandingkan dengan kondisi statis dikarenakan adanya fenomena travelling vortices. Pembentukan
leading edge dan trailing edge vortex yang menjadi karakteristik
dari dynamic stall dapat diperlihatkan dengan jelas sehingga memberikan informasi yang jelas tentang perkembangan aliran fluida di sekitar blade dari VAWT. Adapun efek dynamic stall dalam peningkatan lift terlihat secara signifikan, posisi critical
stall angle tertunda sekitar 10˚ dan lift yang diproduksi
meningkat hingga dua kali lipat dari kasus statis. Hasil analisis medan aliran memperlihatkan bahwa stall terjadi akibat adanya insertion flow yang terjadi di dekat leading edge dari
airfoil. Evolusi serta interaksi vortex pada fase upwind maupun downwind juga disajikan dalam makalah ini untuk memberikan
pengetahuan lebih dalam tentang peristiwa dynamic stall pada VAWT.
Kata Kunci— CFD, dynamic stall, unsteady aerodynamics,
VAWT.
I. PENDAHULUAN
ebutuhan akan energi yang ramah dan terbarukan menjadi semakin besar seiring dengan meningkatnya kesadaran akan tingginya emisi karbon dan dampaknya terhadap lingkungan. Beberapa sumber alternatif untuk mengganti bahan bakar fosil telah diidentifikasi dan tenaga angin merupakan salah satu sumber energi yang paling menjanjikan [1]. Pertumbuhan ini disebabkan adanya ladang angin yang besar baik off-shore maupun on-shore serta minat yang kuat dalam memanen energi angin baik di daerah perkotaan maupun di pinggiran kota [2]. Saat ini terdapat dua kategori turbin angin modern, yaitu Horizontal Axis Wind
Turbine (HAWT) dan Vertical Axis Wind Turbine (VAWT).
Tipe HAWT lebih dominan secara komersial karena telah melalui berbagai riset dan pengembangan dalam beberapa dekade terakhir. Namun, hampir tidak mungkin untuk membangun pembangkit listrik tenaga angina skala besar dengan menggunakan HAWT karena kondisi lahan di wilayah perkotaan dan pesisir pantai.
Vertical axis wind turbine (VAWT) telah dikenal sebagai teknologi yang tepat untuk pembangkitan energi dari tenaga
angin di perkotaan. Telah diketahui bahwa VAWT mengalami unsteady aerodynamics yang sangat kompleks [2]. Gerakan berputar dari turbin mengakibatkan variasi
angle of attack (AoA) yang besar pada blades selama rotor
berevolusi. Hal ini mengakibatkan beban aerodinamis yang signifikan dan unsteady yang dikenal sebagai peristiwa
dynamic stall [3]. Dynamic stall adalah fenomena yang
melibatkan serangkaian separasi dan reattachment aliran yang terjadi di sekitar lifting surfaces ketika dikenai gerakan
unsteady. Fenomena ini belum benar-benar dipahami
meskipun fenomena ini sangat penting untuk menentukan performa dan batas operasional dari helikopter, flapping
wings, dan turbin angin. Dynamic stall diawali dengan
terjadinya leading edge separation yang diikuti terbentuknya
leading edge vortex (LEV). Leading edge vortex berkembang
dan bergerak downstream sepanjang permukaan airfoil.
Vortex mencapai trailing edge dan terurai diikuti dengan
terbentuknya trailing edge vortex (TEV) yang mengindikasikan awal terjadinya stall. Trailing edge vortex kemudian akan terurai seiring dengan naiknya angle of attack diikuti dengan rusaknya leading edge vortex. Separasi
leading edge vortex ini diikuti dengan penurunan lift secara
dramatis dan peningkatan pitching moment secara mendadak. Sehingga peristiwa ini dapat menyebabkan terjadinya violent
vibration dan beban aerodinamis yang besar dan sangat
berbahaya bagi struktur airfoil.
Pengaruh dynamic stall pada aerodinamika dan performa dari VAWT yang beroperasi pada low blade speed ratios telah banyak dipelajari. Beberapa simulasi CFD (Computational Fluid Dynamics) juga telah dilakukan untuk menangkap dan memahami medan aliran serta evolusi dari
dynamic stall vortex. Sebagai contoh, Wang et al [4,5] menyimpulkan bahwa model turbulensi SST k-ω
memberikan hasil prediksi yang lebih baik daripada model turbulensi Wilkox k-ω untuk kasus 2D. Dijelaskan juga bahwa tingkat turbulensi dari upstream mempengaruhi lokasi terjadinya lift stall. Meskipun demikian, penelitian-penelitian ini dilakukan untuk menginvestigasi peristiwa
dynamic stall pada airfoil yang berosilasi, dimana simulasi
ini tidak mengakomodasi adanya plunging motion dari
airfoil saat VAWT beroperasi [5]. Lebih lagi, VAWT beroperasi pada range angle of attack yang lebih luas dibandingkan dengan airfoil yang berosilasi maupun
Harozontal axis wind turbine (HAWT) yang pada umumnya
bekerja pada angle of attack yang positif dengan range yang lebih sempit sehingga menghasilkan pola dynamic stall yang berbeda. Oleh karena itu, studi yang dilakukan saat ini meliputi simulasi numerik berbasis CFD untuk menginfestigasi gaya-gaya dan medan aliran disekitar airfoil
Investigasi Numerik Dynamic Stall pada Vertical
Axis Wind Turbine Airfoil
Go Peter Christian Tejo Hutomo dan Herman Sasongko
Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail: [email protected]
dari single bladed Darrieus turbine skala atap rumah yang beroperasi pada Reynolds number yang rendah guna memahami fenomena fisik yang terjadi untuk pengembangan lebih lanjut dari turbin ini.
II. METODOLOGIPENELITIAN
Model CFD dengan 2D geometrical configuration digunakan untuk merepresentasikan domain analisa single
bladed Darrieus turbine. Hal ini diambil berdasarkan literatur
yang relevan [6,7] yang menunjukkan bahwa model 2D sudah cukup untuk mengungkap faktor-faktor yang mempengaruhi performa dan medan aliran di sekitar VAWT. Kontribusi dari
blade end effects dan supporting arm junction effects
dibaikan, tetapi hal ini dapat diterima karena dianggap sebagai efek sekunder. ANSYS Fluent 15.0 digunakan untuk semua simulasi yang dilakukan dalam penelitian ini. Kode yang digunakan merupakan metode finite volume untuk menyelesaikan persamaan-persamaan fluida. Model turbulensi k-ω SST dengan Kato-Launder Correction digunakan dalam kalkulasi ini untuk memprediksi turbulent
production. Secara umum, kalkulasi numerik menggunakan
model turbulensi k-ω SST menerapkan aliran fully turbulent untuk hasil yang lebih robust. Namun, kalkulasi fully
turbulent akan menyebabkan gaya-gaya lebih rendah
dibandingkan dengan kalkulasi dengan efek transisi dikarenakan adanya penebalan boundary layer. Hal ini diperkuat oleh Bangga et al [8] yang menyatakan bahwa dengan adanya surface roughness yang tinggi di dekat
leading edge akan menyebabkan transisi aliran laminar ke
turbulen yang lebih cepat atau prematur dimana hal ini akan menurunkan performa dari suatu airfoil. Maka dari itu,
Intermittency crossflow transition model diaktifkan untuk
meningkatkan akurasi simulasi turbin angin. Production
Limiter digunakan untuk mengurangi turbulent kinetic energy
yang berlebihan pada daerah stagnasi serta Low Reynolds
Number Correction untuk meningkatkan akurasi pada daerah viscous sublayer.
R = turbine radius (0.6 m) c = chord length (0.15 m) θ = azimuth angle
β = blade pitch angle (00)
ω = kecepatan rotasi turbin
u∞ = kecepatan freestream
Gambar 1. Geometri turbin
Kasus yang ditinjau dalam penelitian ini merupakan aliran unsteady dengan kerapatan massa yang dianggap
konstan, oleh karena itu digunakan pressure-based solver. Persamaan incompressible, URANS diselesaikan untuk seluruh domain aliran. Second order implicit transient
formulation dipilih untuk meningkatkan akurasi. Semua
variabel solusi diselesaikan menggunakan second order
upwind discretization karena sebagian besar aliran dapat
diasumsikan tidak in line dengan mesh. Algoritma Coupled digunakan dalam pressure-velocity coupling algorithm dan semua persamaan untuk mendapatkan solusi yang diselesaikan secara simultan.
Turbin yang diteliti memiliki diameter 1.2m, terdiri atas 1
blade dengan profil NACA 0012, panjang chord 0.15m dan blade pitch angle 0º (lihat Gambar 1). Meshing dibagi
menjadi 2 domain, yaitu rotating domain dan stationary
domain. Rotating domain terhubung dengan stationary domain via sliding interface boundary condition yang
mengonservasi massa dan momentum. Untuk menangkap karakteristik secara akurat dari boundary layer dan gaya-gaya pada blade, ketinggian baris pertama pada elemen meshing di sekitar blade diatur agar memenuhi nilai non-dimensional
wall distance (y+) kurang dari 1. Rotating domain dibuat 1c
dari luar permukaan blade. Mesh dibuat dengan sangat halus dengan angle skewness dari tiap cell kurang dari 0.6. Untuk mengeliminasi efek wall, maka wall diletakkan sejauh 4D di atas dan 4D di bawah turbin. Untuk membuat kecepatan
freestream yang seragam pada inlet maka posisi velocity inlet
diletakkan sejauh 4D upstream. Posisi pressure outlet diletakkan sejauh 12D downstream dari turbin sehingga memungkinkan perkembangan wake secara penuh [5]. Adapun meshing yang digunakan dalam kalkulasi dan domain analisis ditunjukkan pada Gambar 2 dan 3.
Gambar 2. Meshing yang digunakan dalam kalkulasi
Gambar 3. Domain analisis
Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, kecepatan relatif yang dialami blade saat blade berputar sepanjang
azimuth menyebabkan perubahan angle of attack. Gambar 3
mengilustrasikan kecepatan aliran di sekitar blade VAWT pada posisi azimuth angle (θ). Azimuth angle diukur dari sumbu y negatif (titik referensi) berputar secara clockwise ke posisi dimana blade berada. AoA sendiri didefinisikan sebagai sudut yang dibentuk antara chord line dari airfoil
dengan undisturbed relative incoming flow.Secara vektor dan geometri (lihat Gambar 4) dapat ditentukan hubungan antara
azimuth angle dengan AoA seperti Persamaan 1.
Gambar 4. Ilustrasi vektor kecepatan pada Darrieus turbine
blade
tan α = U∞ sinθ ωR+u∞ cosθ =
sinθ λ+cosθ
α = arctan (λ+cosθsinθ ) (1) Untuk memvalidasi simulasi numerik yang dilakukan, maka kalkulasi statis untuk NACA 0012. Setting kalkulasi
yang digunakan untuk kasus ini juga sama dengan yang digunakan dalam simulasi turbin, hanya saja karena kasusnya statis maka intermittency crossflow transition model dan
sliding mesh tidak digunakan. Kalkulasi yang dilakukan
merupakan kasus fully turbulent flow sesuai dengan eksperimen yang dilakukan oleh Lee dan Gerontakos [13]. Adapun kasus yang ditinjau dalam penelitian ini menerapkan aliran steady untuk angle of attack yang rendah (0˚ ≤ α ≤ 10˚) dan aliran unsteady untuk angle of attack yang tinggi (α > 10˚) karena tingginya tingkat unsteadiness pada angle of attack yang tinggi. Sebagai pembanding, kalkulasi dengan XFOIL boundary layer code juga dilakukan.
III. HASILDANDISKUSI
Karakteristik dynamic stall dari single bladed Darrieus
turbine telah dilakukan secara numerik. Meshing yang
digunakan dalam studi ini merupakan hybrid mesh yang mengombinasikan structured grid di dekat airfoil dan
unstructuredgrid untuk domain fluida. Grid convergence study telah dilakukan dan meshing yang dipilih terdari dari
total cells sebanyak 304476. Jumlah grid pada suction side dan pressure side dari airfoil adalah sebanyak 250 nodes dengan ketinggian baris pertama dari elemen meshing sebesar 5x10-4 c untuk memprediksi fenomena pada laminar sublayer
secara akurat. Beberapa time step size (Δt) yang ekivalen dengan specific rotational displacement sepanjang azimuth juga dievaluasi. Time step size yang dipilih adalah sebesar 1˚ ω-1
yang telah mampu menangkap vortex evolution dari VAWT dengan baik. Adapun periodic convergence tercepai setelah 4 kali revolusi turbin. Lift coefficient dimonitor sepanjang 7 revolusi dan tidak ditemukan perbedaan setelah periodic
convergence tercapai. Oleh karena itu, data yang
dipresentasikan dalam makalah ini adalah data yang diperoleh dari 3 revolusi terakhir.
Gambar 5 menunjukkan perbandingan antara kalkulasi CFD yang dilakukan dalam studi ini dengan eksperimen dari Lee dan Gerontakos [9] dan kalkulasi XFOIL code. Terlihat bahwa model numerik yang dibuat menghasilkan hasil yang lebih baik daripada hasil kalkulasi XFOIL dan sangat sesuai dengan data eksperimen.
Gambar 5. Validasi model numerik dengan data eksperimen dan hasil kalkulasi XFOIL untuk profil NACA 0012 pada
Re = 1.35 x 105
Gambar 6. Perbandingan lift coefficient pada kondisi statis dan dinamis
Gambar 7. Ilustrasi symmetrical airfoil dalam rectilinear dan curvelinear flowfield.
Gambar 6 menunjukkan perbandingan antara lift
coefficient (Cl) pada kondisi statis dan dinamis. Lift coefficient yang dihasilkan oleh kondisi dinamik lebih tinggi
dibandingkan dengan kondisi statis, baik dalam kondisi
upstroke maupun downstroke. Posisi terjadinya stall pada
VAWT juga tertunda sekitar 10 derajat dari α ≈ 13° menjadi sekitar 23°. Diperkirakan curvelinear motion dari aliran berkontribusi terhadap peristiwa ini. Terjadinya curvelinear
flow pada VAWT menyebabkan kelakuan aerodinamis di
sekitar airfoil berubah mengakibatkan tekanan yang lebih besar pada radius terluar dari kelengkungan aliran (lihat
Rec = 1.35 x 105 NACA 0012
Gambar 7) sehingga symmetrical airfoil menghasilkan lift pada AoA = 0˚ (lihat Gambar 6). Curvelinear flow juga menyebabkan tertundanya separasi pada suction side dari airfoil dan juga tertundanya dynamic stall vortex sehingga lift yang dihasilkan lebih besar. Gambar 8 menunjukkan perbandingan medan aliran untuk kasus statis dan dinamis pada fase upstroke. Dapat dilihat bahwa separasi massif yang terjadi pada kondisi statis tidak terjadi pada kondisi dinamis.
Gambar 8. Vorticity field dan streamlines untuk
upstroke-upwind phase. Clockwise dan counter clockwise vorticity
ditunjukkan dengan warna biru dan merah. Seluruh vorticity
contour yang ditampilkan diplot dengan contour levels yang
sama.
Gambar 9. Blade vortex interaction
Hasil yang sangat berbeda ditunjukkan pada fase
downwind dimana negative lift yang dihasilkan oleh VAWT
lebih rendah daripada kondisi statis. Hal ini terjadi karena saat blade memasuki fase downwind kecepatan aliran lokal yang dialami blade lebih rendah daripada saat fase upwind (karena angin bertiup dari downstream airfoil). Lebih lagi, Pada awal fase downstroke, terlihat bahwa counter clockwise
TEV bersama LEV yang telah terseparasi bergerak bersama menuju downstream turbin membentuk vortex pair. Vortex
pair ini menghasilkan tekanan yang tinggi pada suction side
dari airfoil, sehingga menyebabkan turunnya lift lebih lanjut. Ketika vortex pair ini bergerak menuju downstream turbin, mereka akan berinteraksi dengan blade pada fase downwind (lihat Gambar 9). Terjadinya blade vortex interaction ini menyebabkan terjadinya fluktuasi lift coefficient pada fase
downwind dengan rata-rata yang bernilai rendah [10,11]. Hal ini
diperkuat oleh pernyataan Bangga [12] yang menjelaskan bahwa perbedaan range operasi angle of attack dan reduced
frequency dapat menghasilkan force polar yang berbeda
meskipun bekerja pada Reynolds number yang sama.
Gambar 10. Proses terjadinya dynamic stall
Gambar 11. Insertion dan counter clockwise TEV yang menyebabkan dynamic stall (α = 22.90°)
Gambar 10 menunjukkan proses terjadinya dynamic
stall pada VAWT. Berbeda dengan proses terjadinya dynamic stall pada umumnya yang diawali dengan terbentuknya LEV, dynamic stall pada kasus ini diawali dengan terbentuknya clockwise TEV. TEV inilah yang berkontribusi menambah suction pada bagian suction side dari airfoil, sehingga lift
yang dihasilkan terus meningkat. Clockwise TEV berkembang seiring naiknya angle of attack kemudian barulah terbentuk LEV. Perkembangan LEV menyebabkan naiknya lift lebih lanjut. Dynamic stall terjadi saat terbentuknya counter clockwise TEV yang diiringi dengan lepasnya LEV dari permukaan airfoil akibat adanya insertion
flow yang berasal dari luar kantung LEV yang kemudian
membentuk vortex yang berputar counter clockwise dan mendesak LEV hingga lepas dari permukaan airfoil (lihat Gambar 10). LEV yang telah lepas dari permukaan airfoil ini kemudian berkembang dan terkonveksi menuju trailing edge.
Static Dynamic α = 0˚ α = 13.5˚ α = 0˚ α = 13.5˚ α = 30˚ α = 30˚ θ = 150˚ α = 24˚ θ = 180˚ α = 0˚ θ = 210˚α = -18.6˚ θ = 240˚ α = -30˚ θ = 270˚ α = -26.6˚ θ = 300˚ α = -19.1˚
θ = 64˚ α = 20.2˚ θ = 69˚α = 21.6˚ θ = 72˚α = 23.4˚ θ = 74˚ α = 22.9˚ Dynamic Stall θ = 81˚ α = 24.6˚ θ = 85˚α = 25.5˚ θ = 88˚ α = 26.2˚ θ =94˚ α = 27.3˚ θ = 97˚α = 27.9˚
Material from the Outside of LEV pocket
Counter Clockwise TEV
Akibat naiknya angle of attack, LEV mendesak clockwise TEV hingga akhirnya bertabrakan dengan counter clockwise TEV. Counter clockwsie TEV pecah dan ter-shedding, sedangkan clockwise TEV terhisap oleh LEV yang kemudian terus berkembang dan meninggalkan airfoil. Hal ini menyebabkan turunnya lift coefficient secara drastis.
Fenomena perkembangan aliran fluida pada operasi VAWT tipe Darrieus telah didiskusikan dalam makalah ini. Hasilnya menunjukkan bahwa komputasi numerik mampu menangkap data kualitatif berupa fenomena travelling vortex yang merupakan karakter utama dari dynamic stall. Disimpulkan juga bahwa insertion flow di dekat leading edge memainkan peranan penting dalam karakteristik aliran di sekitar airfoil dari VAWT, sehingga desain bentuk leading
edge dari airfoil sangat penting dalam menentukan performa
dari VAWT.
IV. KESIMPULAN/RINGKASAN
Simulasi numerik menggunakan URANS telah dilakukan untuk menginvestigasi terjadinya peristiwa dynamic stall pada VAWT tipe Darrieus. Disimpulkan bahwa pola
dynamic stall dipengaruhi oleh perbedaan range operasi angle of attack, Reynolds number serta reduced frequency.
Pada kasus ini, dynamic stall diawali dengan terbentuknya
clockwise TEV yang kemudian diikuti dengan terbentuknya
LEV. Hal ini mengakibatkan kenaikan lift secara signifikan serta penundaan terjadinya stall sebesar 10˚ yaitu dari angle
of attack 13˚ pada kondisi statis, menjadi 23˚ pada operasi
VAWT. Stall terjadi ketika LEV lepas dari permukaan airfoil akibat desakan insertion flow seiring dengan terbentuknya
counter clockwise TEV. Blade vortex interaction yang terjadi
pada fase downwind mengakibatkan berfluktuasinya lift
coefficient dengan rata-rata yang bernilai rendah. Namun,
karena studi yang dilakukan adalah untuk kasus 2D maka diperlukan kalkulasi 3D maupun eksperimen untuk memvalidasi hasil yang telah didapatkan.
UCAPANTERIMAKASIH
Penulis mengucapkan terimakasih kepada Prof. Dr.-ing Herman Sasongko dan Galih Senja Titah Aji Bangga, S.T, M.T yang telah membimbing penulis, serta Laboratorium Mekanika Fluida dan Pencampuran, Jurusan Teknik Kimia, ITS, yang memfasilitasi penulis untuk melakukan simulasi dengan software ANSYS Fluent 15.0.
DAFTARPUSTAKA
[1] Danao, L.A.M., Edward, J., Eboibi, O., Howell, R. 2013. The Performance of a Vertical Axis Wind Turbine in Fluctuating Wind-A Numerical Study. Proceedings of the World Congress on Engineering 2013 Vol III, WCE 2013, July 3 - 5, 2013, London, U.K.
[2] Qin, N., Howell, R., Durrani, N., Hamada, K., Smith, T. 2011. Unsteady Flow Simulation and Dynamic Stall Behaviour of Vertical Axis Wind Turbine Blades. Wind Engineering Vol. 35, no. 4, 2011 PP 511-510
[3] Scheurich, Frank. 2011. Modelling the Aerodynamics of Vertical Axis Wind Turbine. Ph.D Thesis of the School of Engineering, University of Glasgow, Glasgow, U.K.
[4] Wang, S., Ingham, D.B., Ma, L., Pourkashanian, M., Tao, Z. 2012. Turbulence Modeling of Deep Dynamic Stall at Relatively Low Reynolds Number. Journal of Fluid and Structures 33 (2012) pp.191-209.
[5] Wang, S., Ingham, D. B., Ma, L., Pourkashanian, M., Tao, Z. 2010. Numerical Investigations on Dynamic Stall of Low Reynolds Number Flow around Oscillating Airfoils. Computers & Fluids 39, 1529–1541.
[6] Dai, Y. M., and Lam, W. 2009. Numerical Study of Straight-Bladed Darrieus-Type Tidal Turbine. Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Energy, 162(2), pp. 67 -76.
[7] Consul, C. A., Willden, R. H. J., Ferrer, E., and Mcculloch, M. D. 2009. Influence of Solidity on the Performance of a Cross-Flow Turbine. Proceedings of the 8th European Wave and Tidal Energy Conference, Uppsala, Sweden.
[8] Bangga, G.S.T.A., Lutz, Th., Krämer, E. 2015. An Examination of Rotational Effects on Large Wind Turbine Blades. 11th EAWE PhD Seminar, Stuttgart, Germany.
[9] Lee, T., and Gerontakos, P. 2004. Investigation of Flow over an Oscillating Airfoil. Journal of Fluid Mechanics, 512, pp. 313-341. [10] Simão Ferreira, C. J.. 2007. The Near Wake of the VAWT, 2D and 3D
Views of the VAWT Aerodynamics. Master Thesis of Aerospace Engineering Department, TU Delft, The Netherlands.
[11] Tsai, H. C., Colonius, T. 2014. Coriolis Effect on Dynamic Stall in a Vertical Axis Wind Turbine at Moderate Reynolds Number. 32nd AIAA Applied Aerodynamics Conference,Atlanta, USA.
[12] Bangga, G.S.T.A. 2013. Assessment of Modified Two-Equations URANS Turbulence Model to Predict the Onset of Dynamic Stall. Master Thesis of Mechanical Engineering Department, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.
