Wind Turbine Airfoil Boundary Layer Optimization Using Genetic Algorithm with 3D Rotational Augmentation

The airfoil shape of horizontal axis wind turbine (HAWT) blade is optimized using genetic algorithm (GA). The algorithm is set to find the final airfoil shape with the highest gliding ratio (GR) and larger laminar boundary layer regime along the airfoil surface. The main aim is to find the best airfoil shape of higher lift coefficient with reduced drag in boundary layer from the reference airfoil shape. A 3D correction law is applied to model the effect of optimized airfoil in 3D rotational augmented situation. The thrust and power curves are generated by the blade element (BEM) and free vortex (FV) codes with 3D and loss correction. The higher power production is given when the wind turbine blades are designed using the optimized airfoil. This increment is thought to be made from the efficiency caused by the reduced separation bubbles from reduced turbulent boundary layer and 3D rotational augmentation. To validate its effectiveness in case of soiled condition, the aerodynamic parameters of airfoils are recalculated by enforcing the airfoil to undergo earlier transition, which models the leading edge roughness. The results indicate the soiled condition that does not affect the aerodynamic efficiency of the airfoil due to the positive effect of 3D rotation augmentation

Analisis Pengaruh Arah Orientasi Serat terhadap Defleksi dan Tegangan pada Laminated Composite Box-Beam – Studi Kasus Riset AVATAR

Salah satu upaya peningkatan efisiensi turbin angin adalah dengan meningkatkan ukuran dari turbin angin, terutama pada bagian sudu turbin. Namun permasalahannya adalah turbin angin yang lebih besar cenderung lebih sering mengalami kegagalan dan membutuhkan perawatan yang lebih dibanding turbin angin yang kecil. Hal ini dikarenakan blade yang digunakan lebih berat dan menerima beban yang lebih besar. Oleh karena itu, diperlukan riset lebih banyak terhadap desain turbin angin yang handal dan efisien untuk memaksimalkan pemanfaatan energi yang dari angin tersebut. Pada penelitian ini, dilakukan studi terhadap pengaruh tiga material yang berbeda sebagai material pilihan untuk penggunaan struktur spar pada sudu turbin angin. Dilakukan juga studi terhadap pengaruh arah orientasi ply terhadap besar defleksi dan tegangan yang bekerja pada struktur. Pada kasus ini, spar turbin angin dimodelkan sebagai laminated composite box-beam yang menerima pembebanan seperti cantilever beam. Permodelan matematika dirancang guna mendapatkan nilai defleksi dan distribusi tegangan pada spar tersebut, yang mana pemberian pembebanan digunakan data yang diperolah dari hasil riset AVATAR. Untuk memastikan model matematika yang dirancang sudah benar, dilakukan proses validasi terlebih dahulu menggunakan penelitian terdahulu sebagai acuan pembanding hasil. Didapatkan hasil validasi dengan perbedaan terbesar sebesar 1.26%, sehingga permodelan matematis yang sudah dirancang layak untuk digunakan pada kasus riset AVATAR. Nilai defleksi terbesar dimiliki oleh material S-Glass/Epoxy sebesar 10.057 m, lalu diikuti oleh TC35/Epoxy sebesar 4.021 m, dan defleksi terkecil pada M55/Epoxy sebesar 1.641 m. Nilai distribusi tegangan maksimum terbesar dimiliki oleh S-Glass/Epoxy dan yang terkecil adalah M55/Epoxy. Walaupun nilai defleksi pada ketiga material tersebut berbeda cukup besar, tegangan maksimum yang bekerja pada ketiga material tersebut tidak berbeda jauh. Ini disebabkan oleh adanya perbedaan sifat mekanik elastisitas E1 diantara ketiga material tersebut. Seperti pada M55/Epoxy, dengan defleksi yang kecil akan menghasilkan regangan yang kecil, namun dengan nilai E1 yang besar, tegangan yang dihasilkan menjadi besar. Adapun pengaruh perubahan arah orientasi ply pada defleksi dan distribusi tegangan maksimum adalah berbanding lurus. Dimana semakin besar arah sudut yang diberikan, maka nilai defleksi semakin besar. Dengan semakin besarnya defleksi yang timbul, regangan pada material pun membesar, sehingga tegangan maksimum yang dihasilkan juga turut membesar. Hal tersebut dapat menurunkan efisiensi dari turbin angin dan meningkatkan risiko kegagalan pada sudu turbin angin

Studi Numerik Defleksi dan Distribusi Tegangan pada Spar dengan Struktur I-beam yang Terbuat dari Material Komposit - Aplikasi pada Sudu Turbin Angin Avatar

Dalam pembuatan sudu turbin angin harus diperhatikan material yang digunakan. Sudu turbin angin harus memiliki kekuatan spesifik yang tinggi (strength to weight ratio) dengan berat yang ringan. Oleh karena itu, pada penelitian ini akan dipelajari kinerja spar dari sudu turbin angin yang terbuat dari material komposit carbon reinforced polymer dan glass fiber reinforced polymer. Struktur spar pada sudu turbin angin memiliki geometri cantilever I beam. Dimensi spar disesuaikan dengan dimensi pada turbin angin riset AVATAR (Advanced iv Aerodynamic Tools of large Rotors) dan referensi INNWIND.EU dengan lebar pada flange dan web dibuat menjadi konstan. Penelitian dilakukan dengan pendekatan numerik finite element analysis menggunakan aplikasi ABAQUS CAE 2017. Sebelumnya akan dilakukan validasi model simulasi dengan membandingkan hasil defleksi studi terdahulu dengan penelitian ini. Hasil dari validasi menghasilkan perbedaan defleksi sebesar 0.1%. Hal ini menandakan pemodelan yang digunakan sudah sesuai. Selanjutnya, dipelajari kinerja defleksi dan tegangan pada spar yang terbuat dari 3 material berbeda yaitu S-glass 913/epoxy, TC35/epoxy, dan M55/epoxy dengan distribusi serat merata dan unidirectional. Hasil penelitian menunjukkan nilai defleksi dipengaruhi oleh modulus elastisitas E1 yang dapat menahan deformasi elastis. Selain itu, didapatkan daerah yang memiliki tegangan paling tinggi pada spar caps terletak di bagian root yang menjadi penopang gaya pembebanan. Sedangkan pada shear web, tegangan maksimum terletak pada bagian atas dan bawah yang mengalami kontak langsung dengan spar caps. Ketiga daerah ini harus diperhatikan lebih lanjut dikarenakan daerah dengan tegangan maksimum memiliki kemungkinan terjadinya failure pada sudu turbin angin

Assessment of Various Diffuser Structures to Improve the Power Production of a Wind Turbine Rotor

Numerical simulations were carried out for the flow field around various diffuser type structures to improve the performance of a small wind turbine rotor. The present studies specifically investigate the effect of four different shapes of diffuser, namely flat diffuser, curved diffuser, flat diffuser with inlet shroud, and curved diffuser with inlet shroud on the wind velocity characteristics. Numerical studies were conducted using the Computational Fluid Dynamics (CFD) method. A reasonable agreement between the computed results and available experimental data is obtained. The studies demonstrate that the curved diffuser generates the strongest increment of the wind velocity compared to the other configuration

Simulasi Numerik Dynamic Stall Pada Airfoil Yang Berosilasi

Kebutuhan analisa pada sudu helikopter, kompresor, kincir angin dan struktur streamline lainya yang beroperasi pada angle of attack yang tinggi dan melibatkan instationary effects yang disebut dynamic stall menjadi semakin penting. Fenomena ini ditandai dengan naiknya dynamic lift melewati static lift maksimum pada critical static stall angle, vortex yang terbentuk pada leading edge mengakibatkan naiknya suction contribution yang kemudian terkonveksi sepanjang permukaan hingga mencapai trailling edge diikuti terbentuknya trailling edge vortex yang menunjukkan terjadinya lift stall. Fenomena ini sangat berbahaya terhadap struktur airfoil itu sendiri. Secara umum, beban fatique yang ditimbulkan oleh adanya efek histerisis karena fluktuasi gaya lift akibat induksi vibrasi lebih besar dibandingkan kondisi statis. Simulasi numerik dilakukan secara 2D dengan menggunakan profil Boeing-Vertol V23010-1.58 pada α0 = 14.92°. Standard-kω dan SST-kω digunakan sebagai URANS turbulence modelling. Model osilasi dari airfoil disusun dalam suatu user defined function (UDF). Gerakan meshing beserta airfoil diakomodasi dengan menggunakan dynamic mesh approach. Simulasi numerik menunjukkan bahwa, model SST-kω menunjukkan performa yang lebih baik dibandingkan dengan Standard-kω. Fenomena travelling vortex yang terjadi mampu ditangkap dengan baik, meski pada angle of attack yang tinggi URANS turbulence model gagal memprediksikan fenomena yang terjadi karena dominasi efek 3D.</p