Simulasi Flow Driven Terhadap Variasi Diameter Rotor Pada Turbin Angin Counter Rotating

YUFITRIANI F. LITTIK, M.A. Bramantya, S.T., M.T., M.Eng., PhD

2017 | Tesis | S2 Teknik Mesin

Perkembangan model turbin angin poros horizontal tipe baling-baling salah satunya adalah turbin angin rotor ganda. Turbin angin rotor ganda terdiri dari dua buah rotor dengan jarak axial tertentu dan arah putarannya berlawanan atau disebut turbin angin counter-rotating (CRWT). Studi penelitian pada parameter aerodinamika rotor turbin, telah dilakukan oleh peneliti-peneliti sebelumnya. Studi tersebut menggunakan variasi diameter rotor hanya pada rotor belakang atau diameter rotor yang sama, jarak antara rotor yang berubah-ubah, dan metode simulasi secara periodik tidak menyeluruh mengindentifikasi performa rotor CRWT. Pada penelitian ini dilakukan kajian terhadap pengaruh variasi diameter rotor depan terhadap rotor belakang (D1/D2 = 0,55, D1/D2 = 0,65, D1/D2 = 0,80, D1/D2 = 1,05, D1/D2 = 1,20, D1/D2 = 1,40, dan D1/D2 = 1,60), dengan rasio jarak aksial (Z/D2) = 0,50 antara rotor depan dan rotor belakang, pengaruh rasio diameter terhadap performa CRWT dan menggunakan metode pendekatan simulasi numerik. Simulasi flow driven dilakukan dalam kondisi transient menggunakan metode Six DOF Dynamics Mesh, untuk mengetahui kecepatan putar optimal rotor depan dan rotor belakang. Sedangkan dalam kondisi steady menggunakan metode Multiple Reference Frame (MRF), untuk mengetahui torsi maksimum yang dihasilkan rotor serta karakteristik aliran berupa kontur tekanan dan vektor kecepatan pada bagian root rotor. Hasil simulasi menunjukkan kecepatan putar rotor optimal pada rasio diameter D1/D2 = 0,55, D1/D2 = 0,65, D1/D2 = 0,80 terlihat pada rotor depan CRWT yang lebih tinggi dibanding rotor belakang. Pada hasil simulasi kecepatan putar rotor pada variasi rasio diameter D1/D2 = 1,05, D1/D2 = 1,20, D1/D2 = 1,40, dan D1/D2 = 1,60 menunjukkan penurunan putaran terutama pada rotor depan yang bertolak belakang dengan peningkatan kecepatan putar rotornya. Hal ini ditunjukkan pada CRWT dengan rasio diameter D1/D2 = 1,05 memiliki nilai Cpmaks lebih baik dari SRWT, dengan nilai Cptotal yaitu 0,449 atau 25,5 % dari SRWT simulasi dan 40 % dari SRWT eksperimen. Dengan total daya yang dibangkitkan CRWT sebesar 2,766 watt. Penggunaan variasi rasio diameter pada CRWT memiliki pengaruh yang cukup besar, di mana rasio diameter rotor depan dan rotor belakang (D1/D2) mempengaruhi pemanfaatan aliran angin yang dikenakan pada turbin menjadi torsi di setiap rotor. Hal ini mempengaruhi terbentuknya daerah wake, di mana adanya fenomena pemisahan aliran. Sehingga menyebabkan medan kecepatan aliran dan tekanannya kecil. Luasan daerah wake bertambah besar seiring dengan menurunnya kecepatan putar rotor.

The development of a horizontal axis wind turbine type propeller model one of which is a dual rotor wind turbine. Dual rotor wind turbine consists of two rotors with a certain axial distance and its reverse direction or called counter-rotating wind turbine (CRWT). Research studies on aerodynamic parameters of turbine rotor, have been done by previous researchers. The study used a rotor diameter variation only in the rear rotor or the similiar diameter, the axial distance between rotor become different, and the simulation method did not periodically identify the performance of the CRWT rotor. This research studied the effect of front rotor diameter variation on rear rotor (D1/D2 = 0.55, D1/D2 = 0.65, D1/D2 = 0.80, D1/D2 = 1.05, D1/D2 = 1.20, D1/D2 = 1.40, dan D1/D2 = 1.60), with axial distance ratio (Z / D1) = 0.50 between the front rotor and the rear rotor. The effect of the diameter ratio on the performance of CRWT and using numerical simulation approach method. The flow driven simulation is carried out under transient conditions using the Six DOF Dynamics Mesh method, to determine the optimal rotational speed of the front rotor and rear rotor. While in steady condition using Multiple Reference Frame (MRF) method, to determine the maximum torque generated rotor. The simulation results show that the optimum rotation speed of the rotor in diameter ratio D1/D2 = 0.55, D1/D2 = 0.65 and D1/D2 = 0.80 is seen on the CRWT front rotor higher than the rear rotor. In the simulation results, the rotation speed of the rotor on the variation of diameter ratio D1/D2 = 1.05, D1/D2 = 1.20, D1/D2 = 1.40, and D1/D2 = 1.60 shows the decrease of rotation, especially on the front rotor contrary to the increase in rotational speed of the rotor. The power coefficient on diameter ratio D1/D2 = 1.05 has better Cpmax value than SRWT, with Cptotal value is 0.449 or 25.5 % of SRWT simulation and 40 % of SRWT experiment. With CRWT raised total power of 2.766 watts. The use of diameter ratio variation in CRWT has considerable influence, where the ratio of rotor diameter to front and rotor (D1/D2) influences the utilization of wind flow imposed on the turbine to torque in each rotor. This affects the formation of the wake region, where the flow separation phenomenon occurs. This causes the flow velocity field and the pressure is small. The wake area increases in size as the rotational speed of the rotor decreases.

Kata Kunci : turbin angin counter-rotating, computational fluid dynamic, variasi rasio diameter, simulasi flow-driven, performa counter-rotating wind turbine