Investigasi Pengaruh Penambahan Vortex Generator Pada Bilah Naca 0021 Turbin Arus Laut Sumbu Vertikal

Rahuna, Daif (2026) Investigasi Pengaruh Penambahan Vortex Generator Pada Bilah Naca 0021 Turbin Arus Laut Sumbu Vertikal. Doctoral thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 7020231001-Doctoral.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only Download (31MB) | Request a copy

Abstract

Turbin arus laut sumbu vertikal memiliki potensi besar sebagai sumber energi terbarukan karena mampu beroperasi tanpa bergantung pada arah arus. Namun, performanya pada kecepatan arus rendah masih dibatasi oleh terjadinya separasi aliran, dynamic stall, serta rendahnya kemampuan self-starting yang mengakibatkan penurunan efisiensi konversi energi. Penelitian ini bertujuan untuk mengoptimalkan penggunaan vortex generator (VG) sebagai metode pengendalian apisan batas melalui investigasi pengaruh variasi bentuk dan posisi penempatan VG terhadap karakteristik hidrodinamika bilah NACA 0021, perubahan pola aliran, serta kontribusinya terhadap peningkatan kinerja turbin arus laut sumbu vertikal. Penelitian awal dilakukan pada bilah tunggal menggunakan pendekatan simulasi numerik Computational Fluid Dynamics (CFD) berbasis Reynolds- Averaged Navier–Stokes (RANS) dengan model turbulensi k-ω SST (Shear Stress Transport), yang dikomparasi dengan pengujian eksperimen yang telah dilakukan oleh peneliti-peneliti sebelumnya. Hal itu untuk meningkatkan kepercayaan bahwa hasil CFD layak digunakan sebagai dasar. Selanjutnya, dilakukan penambahan VG berbentuk persegi panjang dan trapesium pada foil. Posisi penempatan 0,10 sampai dengan 0,30 dari panjang chord, dengan interval 0,05. Hasil pendekatan numerik CFD pada bilah tunggal menyatakan bahwa VG rectangular pada 10% chord merupakan konfigurasi paling optimal, dengan meningkatkan koefisien angkat (CL) hingga 44,03% dan menurunkan koefisien hambatan (CD) hingga 28,58%, sedangkan VG trapezoidal pada 15% chord juga efektif dengan peningkatan CL sebesar 41,16% dan penurunan CD sebesar 25,44%. Hasil ini menunjukkan bahwa bentuk dan posisi VG sangat menentukan efektivitas pengendalian aliran. Pemasangan VG, khususnya rectangular pada 10% chord, mampu menggeser titik flow separation ke arah hilir sehingga aliran tetap melekat pada permukaan hidrofoil lebih lama. Eksperimen pada bilah tunggal dilaksanakan di water/cavitation tunnel. Dalam eksperimen itu digunakan VG dengan variasi bentuk meliputi persegi panjang, trapesium, dan segitiga, dengan konfigurasi satu baris (single row) dan berlawanan arah (counter-rotating). Selanjutnya, posisi penempatan VG merujuk pada hasil pendekatan numerik CFD, yaitu pada 0,10 dari panjang chord. VG bentuk segitiga memberikan peningkatan koefisien lift tertinggi, yaitu 42,22%, diikuti VG trapesium sebesar 27,69% dan VG persegi panjang sebesar 17,26%. Nilai CL maksimum konfigurasi segitiga mencapai sekitar 1,50, sedangkan hidrofoil tanpa VG hanya sekitar 1,02 pada sudut serang yang sama. Geometri segitiga paling efektif dalam meningkatkan energi lapisan batas dan menunda terjadinya separasi aliran. Konfigurasi terbaik diterapkan pada simulasi turbin arus laut sumbu vertikal menggunakan CFD dengan metode Dynamic Fluid Body Interaction (DFBI) untuk mengevaluasi pengaruhnya terhadap performa turbin secara keseluruhan. Pendekatan numerik pada turbin menghasilkan peningkatan gaya angkat sebesar 5,55% dan penurunan gaya hambat sebesar 21,05%, serta peningkatan gaya total keseluruhan pada turbin dengan VG sebesar 27,641% dibandingkan dengan tanpa VG, sehingga interaksi antara aliran dan bilah menjadi lebih efektif dalam menghasilkan gaya hidrodinamika. Turbin mencapai peningkatan daya mekanik maksimum sebesar 20,17% pada kecepatan aliran 1,2 m/s. Hasil ini menunjukkan bahwa pemasangan VG meningkatkan kemampuan bilah dalam menghasilkan gaya hidrodinamika, sehingga berkontribusi terhadap peningkatan performa turbin. Penelitian ini menyimpulkan bahwa optimasi bentuk dan posisi VG merupakan strategi pengendalian aliran pasif yang efektif untuk meningkatkan performa hidrodinamika bilah NACA 0021 dan kinerja turbin arus laut sumbu vertikal. Kebaruan penelitian ini terletak pada integrasi kajian bentuk dan posisi VG melalui kombinasi simulasi numerik, pembuktian eksperimen, dan analisis performa turbin, sehingga menghasilkan dasar ilmiah dan rekomendasi desain yang dapat diterapkan dalam pengembangan turbin arus laut yang lebih efisien untuk pemanfaatan energi arus laut, khususnya di perairan Indonesia yang didominasi oleh kecepatan arus rendah.
====================================================================================================================================
Vertical-axis ocean current turbines have great potential as a renewable energy source because they can operate independently of the flow direction. However, their performance at low current velocities is still limited by flow separation, dynamic stall, and poor self-starting capability, which reduce energy conversion efficiency. This study aims to optimize the use of vortex generators (VGs) as a passive boundary layer control method by investigating the effects of VG shape and installation position on the hydrodynamic characteristics of the NACA 0021 blade, the changes in flow behavior, and their contribution to improving the performance of a vertical-axis ocean current turbine. The first stage of this research was carried out on a single blade using Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations based on the Reynolds- Averaged Navier–Stokes (RANS) method with the k-ω SST (Shear Stress Transport) turbulence model. The numerical results were compared with experimental data reported by previous researchers to increase confidence that the CFD results could be used as a reliable basis for further analysis. Rectangular and trapezoidal VGs were then installed on the hydrofoil at positions ranging from 10% to 30% of the chord length, with intervals of 5%. The CFD results showed that the rectangular VG at 10% chord was the best configuration, increasing the lift coefficient (CL) by 44.03% and reducing the drag coefficient (CD) by 28.58%. The trapezoidal VG at 15% chord was also effective, increasing CL by 41.16% and reducing CD by 25.44%. These results indicate that both the shape and the installation position of the VG strongly influence its flow control performance. The rectangular VG at 10% chord delayed the flow separation point downstream, allowing the flow to remain attached to the hydrofoil surface for a longer distance. The experimental study on a single blade was conducted in a water/cavitation tunnel. Three VG shapes were tested: rectangular, trapezoidal, and triangular, using a single-row counter-rotating configuration. The VG position was selected based on the CFD results, namely at 10% of the chord length. The triangular VG produced the highest lift improvement of 42.22%, followed by the trapezoidal VG with 27.69% and the rectangular VG with 17.26%. The maximum lift coefficient of the triangular VG reached approximately 1.50, while the hydrofoil without a VG achieved only about 1.02 at the same angle of attack. The triangular shape was the most effective in increasing boundary layer energy and delaying flow separation. The best VG configuration was then applied to a vertical-axis ocean current turbine simulation using CFD with the Dynamic Fluid Body Interaction (DFBI) method to evaluate its effect on the overall turbine performance. The numerical results showed that the optimized VG increased the lift force by 5.55%, reduced the drag force by 21.05%, and increased the total force acting on the turbine by 27.641% compared with the turbine without a VG. These improvements indicate that the interaction between the flow and the turbine blades became more effective in generating hydrodynamic forces. This study concludes that optimizing the shape and installation position of vortex generators is an effective passive flow control strategy for improving the hydrodynamic performance of the NACA 0021 blade and the overall performance of a vertical-axis ocean current turbine. The novelty of this research lies in the integration of VG shape and placement optimization through numerical simulations, experimental validation, and turbine performance analysis. The findings provide a scientific basis and practical design recommendations for developing more efficient ocean current turbines, particularly for utilizing the low- speed ocean currents commonly found in Indonesian waters

Item Type:	Thesis (Doctoral)
Uncontrolled Keywords:	Koefisien Angkat (CL), Koefisien Hambatan (CD), NACA 0021, Turbin arus Laut sumbu Vertikal (VAOCT), Vortex Generator lift coefficient (CL); drag coefficient (CD); NACA 0021; Vertical Axis Ocean Current Turbine (VAOCT); Vortex Generator
Subjects:	T Technology > TC Hydraulic engineering. Ocean engineering
Divisions:	Faculty of Marine Technology (MARTECH) > Ocean Engineering > 38001-(S3) PhD Thesis
Depositing User:	Daif Rahuna
Date Deposited:	04 Aug 2026 10:35
Last Modified:	04 Aug 2026 10:35
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/143968

Actions (login required)

View Item