Fadhlurrahman, Fadhlurrahman (2026) Studi Kinerja Pompa Sentrifugal Dioperasikan Sebagai Turbin (Pump As Turbine) Dengan Modifikasi Leading-Edge Impeller. Masters thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.
![[thumbnail of 6007241007-Master_Thesis.pdf]](http://repository.its.ac.id/style/images/fileicons/text.png) |
Text
6007241007-Master_Thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only Download (6MB) | Request a copy |
Abstract
Transisi menuju pemanfaatan energi terbarukan merupakan urgensi global yang direpresentasikan dalam Tujuan Pembangunan Berkelanjutan (Sustainable Development Goals / SDG) Poin 7 mengenai akses terhadap Energi Bersih dan Terjangkau. Sistem Pump-as-Turbine (PAT) hadir sebagai teknologi mikrohidro yang sangat potensial dan ekonomis untuk menjawab tantangan tersebut, mengeliminasi tingginya biaya manufaktur turbin konvensional. Meskipun demikian, tantangan fundamental dari aplikasi PAT adalah efisiensi hidrolik yang relatif lebih rendah dan rentang operasional (operating range) yang sempit. Hal ini diakibatkan oleh ketidaksesuaian desain kelengkungan sudu impeler pompa ketika orientasi alirannya dibalik menjadi mode turbin, yang memicu kerugian aerodinamis masif di area masukan (inlet). Oleh karena itu, optimasi profil geometri pada tepi depan (leading-edge) impeler menjadi parameter krusial yang harus dievaluasi untuk memperbaiki struktur aliran internal, menekan kerugian hidrodinamika, dan memaksimalkan potensi ekstraksi energi hidro secara efisien. Evaluasi karakteristik aliran internal dan kinerja makroskopis PAT dalam penelitian ini diselesaikan melalui pendekatan simulasi Komputasi Dinamika Fluida (CFD) berbasis transien tiga dimensi. Diskritisasi domain spasial mengimplementasikan teknologi meshing Poly-Hexcore guna menjamin akurasi evaluasi gradien pada lapisan batas dengan efisiensi beban komputasi yang tinggi. Penyelesaian persamaan atur disimulasikan menggunakan algoritma SIMPLE untuk komputasi tekanan-kecepatan, dipadukan dengan skema diskritisasi spasial Second Order Upwind untuk menekan tingkat difusi numerik. Investigasi komputasional dieksekusi secara sistematis melintasi spektrum kapasitas pengaliran dari beban parsial 27,75 L/s hingga kondisi beban berlebih (over-load) 65,00 L/s. Parameter tersebut diaplikasikan pada tiga variasi geometri impeler yaitu Original, modifikasi membulat (Rounded), dan modifikasi bersudut potong lurus 30° (Chamfer) untuk mengkuantifikasi respons kinematika fluida terhadap fluktuasi pembebanan. Hasil penelitian numerik membuktikan bahwa modifikasi tepi depan membulat (rounded) secara simetris berhasil menekan kerugian hidrodinamis dengan mengakomodasi ketidaksesuaian sudut serang (incidence mismatch). Transisi profil yang halus ini secara efektif mengeliminasi separasi lapisan batas berskala besar, meminimalisasi tegangan geser internal, dan mencapai efisiensi global tertinggi sebesar 68,79% pada Titik Efisiensi Terbaik (BEP). Di sisi lain, penerapan profil chamfer terbukti memperluas area masuk secara fisik sehingga mampu menunda hambatan penyumbatan aliran (choking) dan mendongkrak daya mekanis absolut hingga 18,02 kW pada debit ekstrem 65,00 L/s (meningkat 22,72% dari impeler asli). Akan tetapi, sudut internal chamfer yang tajam menginduksi efek vena contracta, yang memicu blokade struktur aliran jet-wake berskala besar. Fenomena ini mendisipasikan energi hidraulik secara ireversibel menjadi Energi Kinetik Turbulen (TKE), sehingga mendegradasi efisiensi puncaknya menjadi 62,51%. Secara komprehensif, modifikasi rounded divalidasi sebagai desain yang paling optimal karena tidak hanya mendongkrak rasio konversi daya di BEP, tetapi juga mampu menunda resistensi hambatan struktural pada kondisi beban berlebih, yang berimplikasi langsung pada perluasan rentang stabilitas operasional PAT secara signifikan.
=======================================================================================================================================
The transition towards renewable energy utilization is a global urgency represented in the Sustainable Development Goals (SDG) Goal 7 regarding access to Affordable and Clean Energy. The Pump-as-Turbine (PAT) system emerges as a highly potential and economical micro-hydro technology to address this challenge, eliminating the high manufacturing costs of conventional turbines. Nevertheless, the fundamental challenges of PAT applications are its relatively lower hydraulic efficiency and narrow operating range. This is caused by the geometrical mismatch of the pump impeller blade curvature when the flow orientation is reversed into turbine mode, which triggers massive aerodynamic losses at the inlet area. Therefore, optimizing the geometric profile of the impeller leading-edge becomes a crucial parameter that must be evaluated to improve the internal flow structure, suppress hydrodynamic losses, and maximize the potential of hydro-energy extraction efficiently.
The evaluation of internal flow characteristics and macroscopic performance of the PAT in this study was resolved through a three-dimensional transient Computational Fluid Dynamics (CFD) approach. The spatial domain discretization implemented Poly-Hexcore meshing technology to ensure gradient evaluation accuracy in the boundary layer with high computational load efficiency. The governing equations were simulated using the SIMPLE algorithm for pressure-velocity computation, combined with the Second Order Upwind spatial discretization scheme to suppress the numerical diffusion rate. Computational investigations were executed systematically across a flow capacity spectrum from a part-load of 27.75 L/s to an over-load condition of 65.00 L/s. These parameters were applied to three impeller geometry variations (Original, symmetric Rounded modification, and 30° straight Chamfer modification) to quantify the fluid kinematics response to hydraulic loading fluctuations. The numerical results prove that the symmetrically rounded leading-edge modification successfully suppresses hydrodynamic losses by accommodating the incidence angle mismatch. This smooth profile transition effectively eliminates large-scale boundary layer separation, minimizes internal shear stress, and achieves the highest global efficiency of 68.79% at the Best Efficiency Point (BEP). On the other hand, the application of the chamfer profile is proven to physically expand the inlet area, thereby delaying the hydraulic choking resistance and boosting the absolute mechanical power up to 18.02 kW at an extreme flow rate of 65.00 L/s (a 22.72% increase from the original impeller). However, the sharp internal angle of the chamfer induces a vena contracta effect, triggering a large-scale jet-wake flow structure blockage. This phenomenon irreversibly dissipates hydraulic energy into Turbulence Kinetic Energy (TKE), thus degrading its peak efficiency to 62.51%. Comprehensively, the rounded modification is validated as the most optimal design because it not only boosts the power conversion ratio at BEP but also manages to delay structural flow resistance under over-load conditions, which directly implicates a significant expansion of the PAT operational stability range.
Available Versions of this Item
- Studi Kinerja Pompa Sentrifugal Dioperasikan Sebagai Turbin (Pump As Turbine) Dengan Modifikasi Leading-Edge Impeller. (deposited 31 Jul 2026 01:23) [Currently Displayed]
Actions (login required)
 |
View Item |