Ketidakstabilan Gaya dan Interaksi Fluida-Struktur pada Turbin Sumbu Vertikal untuk Pembangkit Energi Arus Laut

摘要

Structure in a fluid flow general will lead to fluctuations. This fluctuation is called the flow-induced oscillation and became an important aspect within the scope of the flow that results in natural excitation modes. The existence of feedback loops in the fluid-structure interaction is highly non-linear and in certain circumstances, this will dominate the movement in the system fluid-structure interaction. This also occurs in the generation of energy from ocean currents renewable energy resource. As the hydrodynamics forces are fluctuate, it can cause structural damage due to vibration caused by the turbine which is working continuously in the ocean environment. This paper provides analysis of the instability of the force acting on the turbine works in a fluid flows. Aspects of interaction between fluid and structure are discussed in a rotating turbine condition management and its dynamics pattern. Numerical simulations research is carried out with rpm data obtained from the previous prototype testing. Simulations performed using NACA 0018 foil type without twist and there are two phenomenon patterns generated from the resultant force. Simulation results indicating the harmonic force fluctuations during a full 360 degrees turbine rotation. Comparison of drag coefficient and lift coefficient at angle of attack of 0-90 degrees and resulting the maximum error of 6% lift coefficient and 7% for drag coefficient. Dynamics force fluctuation are simulated in the interval of 5 degrees with variation of the upstream velocity of 1 m/s, 2 m/s, and 3 m/s. Abstract in Bahasa Indonesia: Struktur dalam sebuah aliran fluida pada umumnya akan menimbulkan fluktuasi pada komponen-komponennya. Fluktuasi ini disebut sebagai osilasi yang disebabkan oleh fluida (flow-induced oscilation) dan menjadi aspek penting dalam lingkup aliran yang menyebabkan terjadinya mode-mode eksitasi alami (naturalexcitation modes). Adanya feedback loop dalam interaksi fluida-struktur yang sangat tidak linier dan dalam keadaan yang tertentu, maka hal ini dapat mendominasi gerakan dalam sistem interaksi fluida-struktur. Hal ini juga terjadi pada pembangkitan energi dari sumber energi terbarukan arus laut. Dengan adanya beban hidrodinamik laut yang berfluktuasi, sehingga dapat menyebabkan kerusakan struktur karena getaran yang diakibatkan oleh turbin yang bekerja terus-menerus di dalam fluida laut. Makalah ini menganalisis ketidakstabilan gaya yang bekerja pada turbin yang bekerja di dalam sebuah fluida laut yang bergerak dinamis. Aspek interaksi antara fluida dan struktur dibahas dalam kondisi turbin yang berotasi penuh beserta dinamika perubahan gayanya. Penelitian dilakukan secara simulasi numerik dengan data rpm yang telah didapatkan dari pengujian model sebelumnya. Simulasi dilakukan dengan menggunakan foil jenis NACA 0018 tanpa puntiran (twist). Hasil simulasi mengindikasikan adanya fluktuasi gaya yang harmonik selama turbin berotasi penuh 360 derajat terdapat fenomena munculnya dua pola fluktuasi dari resultan gaya yang dihasilkan. Perbandingan nilai Koefisien gaya seret (Cd) dan Koefisien gaya angkat (Angkat) dilakukan pada sudut serang 0-90 derajat dan memberikan nilai kesalahan maksimum 6% untuk Cl dan 7% untuk Cd. Dinamika perubahan gaya disimulasikan dalam interval 5 derajat dan menggunakan variasi kecepatan upstream dengan nilai 1 m/s, 2 m/s, dan 3 m/s. Kata kunci: Arus laut, fluktuasi gaya, getaran, interaksi fluida-struktur