Studi Permodelan Turbulensi pada Turbin Francis Menggunakan Computational Fluid Dynamics dengan Model Detached Eddy Simulation

Akhmad Firdaus (Universitas Ahmad Dahlan)
Yudhiakto Pramudya

Jurnal Nasional Komputasi dan Teknologi Informasi
Vol. 9 No. 2 (2026): April, 2026

Abstrak - Turbulensi merupakan fenomena kompleks yang secara langsung memengaruhi efisiensi dan performa turbin air, khususnya pada turbin tipe Francis. Namun, data efisiensi dan performa yang diakibatkan turbulensi sulit diprediksi. Penelitian ini bertujuan untuk memodelkan karakteristik aliran fluida dan turbulensi pada turbin Francis menggunakan pendekatan Computational Fluid Dynamics (CFD) dengan model Detached Eddy Simulation (DES). Model DES diaplikasikan untuk menggabungkan keunggulan komputasi dekat dinding dari metode RANS dan penyelesaian pusaran skala besar dari LES. Kebaruan utama dari penelitian ini terletak pada integrasi rantai komputasi berbasis sumber terbuka (open source), menggunakan FreeCAD untuk pemodelan geometri, Salome dan Gmsh untuk generasi jaring hibrida, serta FEniCSx sebagai penyelesai elemen hingga. Simulasi dengan kecepatan masuk 10 m/s menunjukkan daya aktual turbin mencapai 1231,3 kW dibandingkan daya teoretis 1256,28 kW, menghasilkan tingkat efisiensi hidrodinamik 98%. Validasi kinematika aliran mengonfirmasi keberhasilan model DES dalam memprediksi deviasi aliran akibat aliran bangun (wake), aliran sekunder, pusaran celah (passage vortex), dan resiko sisa pusaran buang. Meskipun memiliki sejumlah keterbatasan, seperti pengabaian kekasaran dinding ideal dan friksi mekanis poros, analisis ini membuktikan bahwa pendekatan hibrida komputasi sumber terbuka ini sangat representatif dan esensial dalam analisis mekanisme kehilangan energi mekanis turbin. Kata kunci : CFD; Detached Eddy Simulation; FeniCSx; Turbin Francis; Turbulensi, Pusaran; Abstract - Turbulence is a complex phenomenon that directly affects the efficiency and performance of hydro turbines, particularly the Francis type. However, the data of efficiency and performance due to turbulence are difficult to be predicted. This study aims to model the fluid flow characteristics and turbulence in a Francis turbine using a Computational Fluid Dynamics (CFD) approach with the Detached Eddy Simulation (DES) model. The DES model is applied to combine the advantages of the RANS method for near-wall computation and the LES method for resolving large-scale eddies. A key novelty of this research is the full integration of an open-source toolchain, utilizing FreeCAD for geometric modeling, Salome and Gmsh for hybrid grid generation, and FEniCSx as the finite element solver, demonstrating a highly accessible yet rigorous computational pipeline. With a predetermined inlet velocity of 10 m/s, the results indicate that the actual mechanical power generated by the turbine reaches 1231.3 kW compared to the theoretical potential of 1256.28 kW, yielding a hydrodynamic efficiency of 98%. Validation of flow kinematics parameters confirms that the DES model comprehensively predicts flow deviations caused by wake fields, secondary flows, passage vortices, and residual swirl (vortex rope genesis). Despite inherent limitations such as the assumption of ideal smooth walls and the exclusion of mechanical bearing friction, this CFD-DES hybrid approach proves to be highly representative and essential for diagnosing mechanical energy loss mechanisms in turbomachinery. Keywords: CFD; Detached Eddy Simulation; FeniCSx; Francis Turbine; Turbulence; Vortex;