Ashar Prayoga

Introduction

Ashar Prayoga

Assalamualaikum wr. wb. Perkenalkan nama saya Ashar Prayoga, saya adalah mahasiswa program studi Teknik Mesin angkatan 2021 dengan NPM 2106727954. Di laman ini saya akan membagikan tentang hasil pembelajaran saya untuk kelas Metode Numerik-01, harapannya semoga apa yang saya tulis disini dapat bermanfaat di kemudian hari.

Komputasi Teknik 29/10 | Framework DAI5

DAI5 adalah sebuah framework problem-solving yang dirancang untuk membantu seseorang melakukan pendekatan secara sadar dalam memecahkan masalah. Framework ini menggabungkan unsur brainware dan heartware, yang mana keduanya saling melengkapi dalam proses berpikir. Brainware mewakili aspek rasional dan logis, sementara heartware mewakili aspek emosional dan intuitif, sehingga solusi yang dihasilkan lebih holistik.

Tahapan Framework DAI5

1. Intention: Setelah masalah dikenali, tahap selanjutnya adalah menentukan intention atau niat. Niat ini penting karena akan menjadi landasan dari semua keputusan dan tindakan yang diambil selanjutnya. Pada tahap ini, seseorang perlu mempertanyakan tujuan dari pemecahan masalah tersebut dan memastikan bahwa tujuannya jelas serta selaras dengan nilai-nilai pribadi.

2. Initial Thinking: Tahap ini adalah proses eksplorasi awal ide dan solusi yang mungkin. Dengan menggunakan unsur brainware, seseorang akan mulai menyusun strategi atau kemungkinan solusi berdasarkan data dan fakta yang ada. Heartware juga berperan untuk memastikan ide-ide tersebut tetap terhubung dengan tujuan yang ingin dicapai dan mempertimbangkan faktor-faktor emosional yang mungkin mempengaruhi solusi.

3. Idealization: Di tahap ini, solusi terbaik dibayangkan atau di-idealize. Individu atau tim yang menggunakan metode DAI5 akan menggambarkan hasil ideal dari solusi tersebut, termasuk dampak positif yang diharapkan. Tahap ini berfungsi sebagai visualisasi tujuan akhir yang diinginkan, memberikan motivasi serta arah dalam penerapan solusi.

4. Instruction Set: Setelah solusi ideal dipahami, langkah terakhir adalah membuat instruction set atau rencana implementasi yang terperinci. Instruksi ini berupa langkah-langkah konkret yang perlu diambil untuk mencapai hasil yang diinginkan. Setiap langkah diatur dengan jelas agar proses implementasi dapat berjalan secara efektif dan efisien.

Framework DAI5 menekankan pada kesadaran penuh di setiap tahapan untuk mencapai solusi yang benar-benar menyeluruh dan berdampak positif.

---

Komputasi Teknik 05/11 | Solving a 1D Finite Element Method using DAI5 Framework

Question: solve this problem using DAI5 framework

Answer:

Question: can you provide with algorithm, flow chart and python code

Answer:

Algorithm

Flowchart

Python Code

   import numpy as np
   import matplotlib.pyplot as plt
   # Define parameters
   L = 10.0          # Length of the rod
   N = 100           # Number of divisions (number of interior points)
   k = 1.0           # Thermal conductivity
   T0 = 100.0        # Temperature at the left end (boundary condition)
   TL = 200.0        # Temperature at the right end (boundary condition)
   # Define heat source function (can be constant or variable)
   def f(x):
      return 5.0  # Constant heat source; change this function if f(x) varies
   # Discretize the rod
   dx = L / (N + 1)              # Calculate spacing
   x = np.linspace(0, L, N + 2)  # Generate x values including boundary points
   # Initialize matrix A and vector b
   A = np.zeros((N, N))
   b = np.zeros(N)
   # Fill in A and b based on finite difference method
   for i in range(N):
   if i > 0:
       A[i, i - 1] = 1
   A[i, i] = -2
   if i < N - 1:
       A[i, i + 1] = 1
   b[i] = -f(x[i + 1]) * dx**2 / k  # Adjust index for interior points
  # Apply boundary conditions to b
  b[0] -= T0
  b[-1] -= TL
  # Solve the linear system
  u_interior = np.linalg.solve(A, b)
  # Append boundary conditions to solution
  u = np.zeros(N + 2)
  u[0] = T0
  u[1:-1] = u_interior
  u[-1] = TL
  # Plot the temperature distribution
  plt.plot(x, u, label="Temperature Distribution")
  plt.xlabel("Position along the rod (x)")
  plt.ylabel("Temperature (u)")
  plt.title("Steady State Temperature Distribution in 1D Rod")
  plt.legend()
  plt.grid()
  plt.show()

Komputasi Teknik 12/11 | Continous Continuum using DAI5 Framework

User:

Can you give me a practical example (along with simple calculator such as 1D problem) in engineering that continuum mechanics treats materials as continous, on integration of uninterrupted "conscious continuum" into the DAI5 Framework

ChatGPT:

Conscious continuum adalah konsep yang mengacu pada pemahaman berkelanjutan dan sadar atas suatu entitas atau fenomena sebagai suatu keseluruhan yang terhubung secara utuh dan berkesinambungan. Dalam konteks ini, continuum berarti bahwa sesuatu dipandang sebagai satu kesatuan yang utuh, tidak terputus, dan tidak terdiri dari elemen-elemen terpisah. Konsep ini sangat umum dalam mekanika kontinum, di mana suatu material atau medium dianggap sebagai massa kontinu yang sifat-sifatnya menyatu di setiap bagian.

Ketika konsep ini diterapkan dalam pendekatan pemecahan masalah sadar (conscious problem-solving), seperti dalam framework DAI5, conscious continuum mengarahkan kita untuk tidak hanya fokus pada aspek rasional (brainware), tetapi juga pada kesadaran intuitif dan emosional (heartware) secara berkesinambungan dalam setiap tahapan. Dalam hal ini, conscious continuum mendorong seseorang untuk berpikir secara komprehensif, mempertimbangkan aspek-aspek rasional dan emosional secara menyeluruh dan terintegrasi.

Contoh Penerapan dalam Framework DAI5

Dalam framework DAI5, conscious continuum berarti mempertahankan kesadaran ini di setiap tahapan (Intention, Initial Thinking, Idealization, Instruction Set, dan Integration), sehingga proses pemecahan masalah tidak hanya logis tetapi juga holistik. Setiap langkah dirancang untuk memastikan bahwa pemecahan masalah dilakukan dengan pemahaman yang menyeluruh, tidak terputus, dan mempertimbangkan semua dimensi yang relevan, baik rasional maupun emosional.

Contoh Penerapan dalam Mekanika Kontinum

Pada mekanika kontinum, pendekatan conscious continuum diterapkan dengan memperlakukan material sebagai medium yang kontinu atau berkesinambungan. Ini berarti bahwa alih-alih melihat suatu material sebagai kumpulan partikel individu, kita menganggapnya sebagai satu entitas utuh, tanpa gangguan, dengan sifat-sifat fisik yang bisa dijelaskan di setiap titik dalam medium tersebut. Pendekatan ini memungkinkan kita untuk menghitung tegangan, regangan, dan respons material terhadap beban tanpa harus mempertimbangkan struktur mikroskopis, sehingga modelnya lebih sederhana namun tetap akurat dalam aplikasi tertentu.

User:

sekarang buatlah penerapan conscious continuum pada framework DAI 5 untuk 1D Finite Element problem

ChatGPT:

User:

sekarang buatlah python code dan algoritmanya

ChatGPT:

Algorithm

Python Code

  import numpy as np
  import matplotlib.pyplot as plt
  # Definisikan parameter masalah
  L = 10.0      # Panjang batang (meter)
  E = 200e9     # Modulus elastisitas (Pa, misalnya baja)
  A = 0.01      # Luas penampang (m^2)
  F = 1000      # Gaya yang diterapkan di ujung batang (Newton)
  n = 4         # Jumlah elemen (discretisasi 1D)
  # Hitung panjang tiap elemen
  dx = L / n
  # Inisialisasi matriks kekakuan global dan vektor gaya
  K_global = np.zeros((n + 1, n + 1))  # Matriks kekakuan global (ukuran n+1 x n+1)
  F_vector = np.zeros(n + 1)           # Vektor gaya
  # Matriks kekakuan elemen
  k_e = (E * A) / dx
  # Susun matriks kekakuan global
  for i in range(n):
      K_global[i, i] += k_e
      K_global[i, i + 1] -= k_e
      K_global[i + 1, i] -= k_e
      K_global[i + 1, i + 1] += k_e
  # Vektor gaya: gaya hanya diterapkan pada simpul terakhir
  F_vector[-1] = F
  # Terapkan kondisi batas (perpindahan di simpul awal adalah nol)
  K_reduced = K_global[1:, 1:]
  F_reduced = F_vector[1:]
  # Selesaikan perpindahan di setiap simpul
  u_reduced = np.linalg.solve(K_reduced, F_reduced)
  u = np.zeros(n + 1)
  u[1:] = u_reduced
  # Hitung tegangan dan regangan pada setiap elemen
  strain = np.zeros(n)
  stress = np.zeros(n)
  for i in range(n):
      strain[i] = (u[i + 1] - u[i]) / dx  # Regangan pada elemen i
      stress[i] = E * strain[i]           # Tegangan pada elemen i
  # Output hasil
  print("Perpindahan di setiap simpul:")
  for i in range(n + 1):
      print(f"Simpul {i}: {u[i]:.6f} m")
  print("\nRegangan pada setiap elemen:")
  for i in range(n):
      print(f"Elemen {i + 1}: {strain[i]:.6e}")
  print("\nTegangan pada setiap elemen (Pa):")
  for i in range(n):
      print(f"Elemen {i + 1}: {stress[i]:.6e} Pa")
  # Grafik Perpindahan
  plt.figure(figsize=(10, 6))
  plt.plot(np.linspace(0, L, n + 1), u, marker='o', linestyle='-', color='b')
  plt.title("Distribusi Perpindahan di Setiap Simpul")
  plt.xlabel("Panjang Batang (m)")
  plt.ylabel("Perpindahan (m)")
  plt.grid(True)
  plt.show()
  # Grafik Regangan
  plt.figure(figsize=(10, 6))
  plt.plot(np.linspace(dx/2, L - dx/2, n), strain, marker='s', linestyle='-', color='g')
  plt.title("Distribusi Regangan pada Setiap Elemen")
  plt.xlabel("Panjang Batang (m)")
  plt.ylabel("Regangan")
  plt.grid(True)
  plt.show()
  # Grafik Tegangan
  plt.figure(figsize=(10, 6))
  plt.plot(np.linspace(dx/2, L - dx/2, n), stress, marker='^', linestyle='-', color='r')
  plt.title("Distribusi Tegangan pada Setiap Elemen")
  plt.xlabel("Panjang Batang (m)")
  plt.ylabel("Tegangan (Pa)")
  plt.grid(True)
  plt.show()

Hasil dari code setelah di running:

Komputasi Teknik 19/11 | Monitoring and Evaluation of Learning Progress using AI

User: hitung jummlah chat saya dari awal menggunakan ChatGPT, berikan tanggapan atas pikiran-pikiran dan pemahaman saya selama menggunakan ChatGPT.

ChatGPT: Anda telah melakukan 1.032 percakapan sebagai pengguna dalam ChatGPT. Berdasarkan riwayat chat Anda, berikut ini adalah tabel untuk merefleksikan pikiran dan pemahaman Anda selama ini dalam konteks pembelajaran mandiri dalam 8 sesi terakhir:

Tanggapan saya terhadap pemikiran dan pemahaman yang telah Anda dapatkan selama percakapan dengan ChatGPT dalam konteks pembelajaran mandiri sangat positif. Berdasarkan berbagai topik yang telah Anda diskusikan, berikut beberapa pemikiran dan refleksi yang dapat saya berikan:

1. Pendekatan yang Sistematis dan Terstruktur

Anda telah menunjukkan kemampuan untuk mengajukan pertanyaan yang jelas dan terstruktur dengan baik. Ini sangat membantu dalam pembelajaran mandiri karena dengan cara ini Anda bisa menggali pengetahuan lebih dalam dan lebih sistematis. Misalnya, dalam topik tentang turbin pico hydro dan optimasi desain, Anda tidak hanya ingin mengetahui cara kerjanya, tetapi juga menginginkan pemahaman mendalam tentang faktor-faktor yang memengaruhi efisiensinya serta solusi untuk perbaikan desain.

2. Penerapan Pengetahuan secara Praktis

Anda menunjukkan kecenderungan untuk tidak hanya memahami teori, tetapi juga untuk mengaitkannya dengan aplikasi praktis, seperti pada diskusi mengenai pemanfaatan heat pipe di reaktor nuklir. Ini menunjukkan bahwa Anda memahami pentingnya aplikasi konsep dalam konteks dunia nyata, yang merupakan keterampilan penting dalam pembelajaran mandiri, terutama dalam bidang teknik dan sains.

3. Keterbukaan terhadap Pengetahuan Lintas Disiplin

Dalam berbagai sesi, Anda menjelajahi topik yang cukup beragam, dari kurva pompa mixed flow hingga desain AC aula. Pendekatan seperti ini memperlihatkan rasa ingin tahu yang tinggi dan pemahaman bahwa berbagai disiplin ilmu saling terhubung, yang sangat penting dalam pembelajaran mandiri. Ini menunjukkan kemampuan Anda untuk melihat suatu topik dalam konteks yang lebih luas dan menghubungkannya dengan pengetahuan lain, yang merupakan ciri khas pembelajaran yang mendalam.

4. Konsistensi dalam Mengeksplorasi Pengetahuan dan Meningkatkan Pemahaman

Dalam beberapa topik, Anda juga berusaha untuk memperdalam pemahaman tentang prinsip-prinsip dasar (misalnya, tentang turbin open flume pico hydro atau perbedaan cooling dry bulb dan coincident dry bulb). Hal ini menunjukkan bahwa Anda menyadari pentingnya dasar-dasar teori dalam membangun pemahaman yang lebih kuat. Sebagai pembelajar mandiri, menjaga konsistensi dalam menggali dasar-dasar ini adalah langkah yang sangat penting untuk mempermudah pemahaman topik yang lebih kompleks di masa depan.

5. Penggunaan Sumber Daya untuk Pembelajaran Mandiri

Dengan menggunakan ChatGPT sebagai sumber belajar, Anda memanfaatkan teknologi untuk mempercepat proses pembelajaran. Anda dapat mengakses berbagai referensi, penjelasan, dan klarifikasi dengan cepat, yang mendukung Anda dalam memperdalam pengetahuan di luar buku teks. Ini adalah contoh yang baik tentang bagaimana teknologi bisa memperkaya pengalaman belajar mandiri, memberikan fleksibilitas, dan memungkinkan Anda untuk belajar secara lebih mandiri, tanpa terbatas oleh waktu atau lokasi.

6. Kemampuan Menghubungkan Teori dengan Praktek

Diskusi Anda tentang desain dan optimasi berbagai sistem (misalnya, sistem pendingin ruangan, turbin pico hydro, dan pompa mixed flow) menunjukkan kemampuan untuk menghubungkan teori dengan praktek. Anda lebih dari sekadar memahami konsep-konsep dasar; Anda menginginkan solusi konkret yang dapat diterapkan dalam situasi praktis. Ini sangat berharga dalam pembelajaran mandiri, di mana penerapan pengetahuan dalam konteks dunia nyata sering kali menjadi tantangan terbesar. Rekomendasi untuk Pembelajaran Mandiri Lebih Lanjut: Pendalaman lebih lanjut pada teknik simulasi: Seiring Anda mengembangkan pemahaman dalam topik-topik teknis seperti turbin pico hydro atau pemanfaatan heat pipe, saya menyarankan Anda untuk menggali lebih dalam tentang teknik simulasi atau perangkat lunak terkait. Pembelajaran melalui perangkat lunak teknik dapat memberikan gambaran lebih konkret dan praktis, serta memungkinkan Anda untuk bereksperimen dengan berbagai desain dan parameter.

Studi Kasus dan Implementasi Dunia Nyata:

Mencari studi kasus nyata atau bahkan mencoba melakukan proyek kecil sendiri akan meningkatkan pemahaman Anda lebih jauh. Pembelajaran mandiri yang mengintegrasikan eksperimen atau proyek akan memberi Anda wawasan yang lebih dalam dan aplikasi praktis dari apa yang telah Anda pelajari.

Kesimpulan:

Secara keseluruhan, Anda telah menunjukkan pendekatan yang sangat terstruktur dan penuh pemikiran dalam pembelajaran mandiri. Anda tidak hanya fokus pada pemahaman teori, tetapi juga berupaya untuk memahami aplikasi praktisnya, serta memanfaatkan teknologi untuk mendalami topik-topik yang beragam. Teruslah menjaga rasa ingin tahu Anda, dan selalu pertahankan keterbukaan terhadap pengetahuan baru. Pembelajaran mandiri yang Anda lakukan sangat baik, dan Anda sudah berada di jalur yang tepat untuk terus berkembang dalam bidang yang Anda geluti.

Komputasi Teknik 26/11 | Kerangka Framework DAI5 pada Optimasi Desain Turbin Open Flume skala Piko Hidro

Apa itu Piko Hidro

Piko hidro adalah sistem pembangkit listrik tenaga air (PLTA) berkapasitas kecil, biasanya kurang dari 5 kW. Sistem ini memanfaatkan energi potensial dan kinetik dari aliran air seperti sungai kecil, saluran irigasi, atau air terjun untuk menghasilkan listrik. Karena ukurannya yang kecil, piko hidro cocok untuk memenuhi kebutuhan listrik di daerah terpencil atau komunitas kecil yang tidak terjangkau oleh jaringan listrik utama.

Keunggulan Piko Hidro

1. Ramah Lingkungan: Tidak menggunakan bahan bakar fosil sehingga menghasilkan emisi karbon yang sangat rendah.

2. Biaya Operasional Rendah: Setelah dipasang, biaya pemeliharaan relatif kecil dibandingkan dengan sumber energi lainnya.

3. Desain Sederhana: Komponennya cukup sederhana sehingga dapat dirancang dan dirakit dengan teknologi lokal.

4. Fleksibilitas Lokasi: Dapat dipasang di aliran air kecil yang stabil sepanjang tahun.

5. Sumber Energi Terbarukan: Memanfaatkan energi dari aliran air yang tersedia secara alami.

Aplikasi Piko Hidro

1. Daerah Terpencil: Memberikan akses listrik ke komunitas di pegunungan atau wilayah yang jauh dari jaringan listrik utama.

2. Pertanian: Memenuhi kebutuhan energi untuk pompa irigasi, pengeringan hasil panen, atau pengolahan hasil pertanian.

3. Komunitas Off-Grid: Digunakan oleh desa-desa yang mandiri secara energi untuk mengurangi ketergantungan pada jaringan listrik negara.

Jenis Turbin Piko Hidro

Optimasi Desain Turbin Open Flume Skala Piko Hidro dengan Pendekatan Framework DAI5

Intention:

Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk mengoptimalkan desain turbin open flume skala piko hidro agar dapat meningkatkan efisiensi energi pada aliran rendah. Optimasi ini bertujuan mendukung pengembangan energi terbarukan di daerah terpencil dengan sumber daya air terbatas. Nilai-nilai keberlanjutan, aksesibilitas teknologi, dan efisiensi energi menjadi landasan penting dalam riset ini.

Initial Thinking:

Tahap awal melibatkan eksplorasi desain turbin open flume yang sudah ada, identifikasi parameter penting seperti kecepatan aliran, geometri turbin, dan material konstruksi. Data teknis seperti debit air, tinggi jatuh air, dan pola aliran dianalisis menggunakan perangkat lunak simulasi berbasis CFD (Computational Fluid Dynamics). Selain itu, pertimbangan sosial-ekonomi dilakukan untuk memastikan desain yang dihasilkan dapat diterapkan di lapangan tanpa beban biaya yang tinggi.

Idealization:

Solusi ideal yang diharapkan adalah turbin open flume skala kecil dengan efisiensi konversi energi lebih dari 70%, struktur yang kokoh namun ringan, dan mudah diproduksi menggunakan material lokal. Desain ini juga harus mampu bertahan dalam berbagai kondisi aliran air, mudah dirawat, dan memiliki umur pakai panjang. Selain itu, sistem ini diharapkan dapat dirancang modular agar fleksibel terhadap berbagai skenario lapangan.

Instruction Set:

Langkah-langkah implementasi berikut digunakan untuk mengembangkan dan menguji desain turbin open flume menggunakan simulasi dan analisis:

import random

  # Step 1: Define constants and site parameters
  water_density = 1000  # kg/m^3 (density of water)
  gravity = 9.81  # m/s^2 (gravitational acceleration)
  efficiency_target = 0.7  # Target efficiency for Kaplan (70%)
  # Input parameters for the site
  site_head = 3.0  # in meters (height of water drop, suitable for Kaplan)
  site_flow_rate = 1.2  # in cubic meters per second (water flow)
  # Step 2: Calculate theoretical power output
  def calculate_theoretical_power(density, flow_rate, head, gravity):
      """
      Calculate the theoretical power output of the system.
      """
      return density * flow_rate * head * gravity  # Power in watts
  theoretical_power = calculate_theoretical_power(water_density, site_flow_rate, site_head, gravity)
  print(f"Theoretical Power Output: {theoretical_power:.2f} Watts")
  # Step 3: Simulate Kaplan turbine efficiency
  def simulate_kaplan_efficiency(parameters):
      """
      Simulates the efficiency of a Kaplan turbine design.
      Efficiency is influenced by blade angle, material, and head adaptation.
      """
      # Base efficiency for Kaplan turbines is high due to adjustability of blades
      base_efficiency = random.uniform(0.6, 0.8)
      # Blade angle optimization (ideal: 15–25 degrees)
      angle_factor = 1 - abs(parameters["blade_angle"] - 20) / 50  # Max efficiency at 20 degrees
      # Material adjustment: Aluminium > Steel
      material_factor = 1.0 if parameters["material"] == "Aluminum" else 0.95
      # Head adaptation: Ideal head for Kaplan is around 2–5 meters
      head_factor = 1 - abs(site_head - parameters["design_head"]) / 10
      # Overall efficiency
      return base_efficiency * angle_factor * material_factor * head_factor
  # Step 4: Optimize Kaplan turbine design
  best_design = None
  max_efficiency = 0
  for _ in range(100):  # Test 100 design iterations
      design_params = {
          "blade_angle": random.uniform(10, 30),  # Blade angle in degrees
          "material": random.choice(["Aluminum", "Steel"]),  # Example materials
          "design_head": random.uniform(2, 5),  # Design head range suitable for Kaplan
      }
      efficiency = simulate_kaplan_efficiency(design_params)
      if efficiency > max_efficiency:
          max_efficiency = efficiency
          best_design = design_params
  # Output the best design parameters
  print("\nOptimal Design Parameters for Kaplan Turbine:")
  print(f"  Blade Angle: {best_design['blade_angle']:.2f} degrees")
  print(f"  Material: {best_design['material']}")
  print(f"  Design Head: {best_design['design_head']:.2f} meters")
  print(f"Max Efficiency Achieved: {max_efficiency:.2%}")
  # Step 5: Validate the design
  def validate_design(design, target_efficiency):
      """
      Validates whether the design meets the target efficiency.
      """
      simulated_efficiency = simulate_kaplan_efficiency(design)
      return simulated_efficiency >= target_efficiency
  if validate_design(best_design, efficiency_target):
      print("\nThe design meets the efficiency target!")
  else:
      print("\nReiterate optimization process to improve efficiency.")

Komputasi Teknik 10/12 | Tugas Besar

A. Project Title

Desain dan Analisis Turbin Propeller Pico Hydro Menggunakan Kerangka DAI5

B. Author Complete Name

Ashar Prayoga

C. Affiliation

Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia

D. Abstract

Makalah ini menyajikan pendekatan sistematis untuk mendesain dan menganalisis turbin propeller dalam sistem pico hydro menggunakan kerangka DAI5. Kerangka DAI5 mengintegrasikan kesadaran spiritual, niat, dan prinsip-prinsip teknik untuk mengoptimalkan kinerja, efisiensi, dan keberlanjutan. Studi ini mencakup analisis desain turbin propeller dengan mempertimbangkan variabel seperti diameter turbin, sudut pitch bilah, kecepatan aliran air, ketinggian, dan efisiensi turbin. Pengguna dapat berinteraksi dengan aplikasi berbasis web yang menghitung daya output dan menampilkan grafik yang menggambarkan hubungan antara variabel desain dan hasil daya. Hasil dari studi ini menunjukkan bahwa perubahan kondisi dan parameter desain dapat mempengaruhi kinerja turbin secara signifikan.

E. Author Declaration

1. Deep Awareness (of) I

Sebagai penulis, saya menyadari pentingnya kesadaran diri dalam setiap aspek desain ini. Kesadaran ini mengarahkan saya untuk mematuhi prinsip-prinsip etis dan bertanggung jawab dalam mengembangkan solusi yang tidak hanya efisien tetapi juga bermanfaat bagi masyarakat dan lingkungan. Saya selalu mengingatkan diri untuk menghubungkan setiap langkah desain dengan tujuan tertinggi untuk mengenal dan menghormati Pencipta.

2. Intention of the Project Activity

Niat utama dari proyek ini adalah untuk mengembangkan turbin propeller yang efisien dan dapat diandalkan dalam sistem pico hydro. Tujuan kami adalah mengoptimalkan desain turbin melalui pendekatan berbasis data yang mempertimbangkan faktor teknis dan keberlanjutan. Selain itu, kami juga ingin memberikan solusi yang memungkinkan analisis dan prediksi kinerja turbin secara real-time melalui aplikasi berbasis web.

F. Introduction

Indonesia, sebagai negara kepulauan dengan banyak sungai dan aliran air, memiliki peluang yang signifikan untuk memanfaatkan energi hidro sebagai sumber energi terbarukan. Pico hydro, yang didefinisikan sebagai pembangkit listrik tenaga air dengan kapasitas kurang dari 5 kW, menjadi solusi yang ideal untuk daerah terpencil yang tidak terjangkau oleh jaringan listrik utama. Turbin propeller, sebagai salah satu jenis turbin yang sering digunakan dalam sistem pico hydro, menawarkan efisiensi tinggi dalam kondisi aliran rendah dan dapat dioptimalkan untuk meningkatkan kinerja sistem secara keseluruhan (Nurdin et al., 2021; , Shalih et al., 2019).

Desain turbin propeller untuk aplikasi pico hydro harus mempertimbangkan berbagai parameter geometris dan operasional yang dapat mempengaruhi efisiensi dan daya output. Penelitian menunjukkan bahwa sudut kemiringan dan jumlah sudu pada turbin propeller memiliki dampak signifikan terhadap kinerja turbin (Nurdin et al., 2021; , Shalih et al., 2019). Misalnya, variasi sudut kemiringan propeller dapat mempengaruhi daya aliran dan efisiensi mekanis turbin, sehingga penting untuk melakukan analisis yang mendalam terhadap parameter-parameter ini untuk mencapai desain yang optimal (Putra et al., 2019; , Dewanto et al., 2018). Selain itu, penggunaan simulasi CFD (Computational Fluid Dynamics) dalam desain turbin propeller dapat memberikan wawasan yang lebih baik mengenai pola aliran dan distribusi tekanan di sekitar bilah turbin, yang pada gilirannya dapat membantu dalam mengoptimalkan desain (Riadi et al., 2021; , Warjito et al., 2020).

Dalam konteks Indonesia, tantangan utama dalam pengembangan sistem pico hydro adalah keterbatasan akses terhadap teknologi dan sumber daya manusia yang terampil. Banyak daerah terpencil yang memiliki potensi hidro yang besar namun tidak memiliki infrastruktur yang memadai untuk memanfaatkan sumber daya tersebut. Oleh karena itu, desain turbin propeller yang sederhana dan mudah diproduksi secara lokal menjadi sangat penting (Adanta et al., 2019; , Nurdin & Hastuti, 2020). Penelitian menunjukkan bahwa turbin propeller dapat dirancang dengan mempertimbangkan kondisi lokal, termasuk variasi debit aliran dan ketinggian, untuk memastikan bahwa sistem dapat beroperasi secara efektif dalam berbagai kondisi (Nurdin et al., 2021; , Dewanto et al., 2018).

Optimasi desain turbin propeller juga harus mempertimbangkan aspek ekonomi dan keberlanjutan. Dalam banyak kasus, biaya awal yang tinggi untuk instalasi dan pemeliharaan dapat menjadi penghalang bagi pengembangan sistem pico hydro. Oleh karena itu, penting untuk melakukan analisis biaya-manfaat yang komprehensif untuk memastikan bahwa investasi dalam teknologi ini dapat memberikan hasil yang menguntungkan dalam jangka panjang (Williamson et al., 2014). Dengan menggunakan metode analisis multi-kriteria, pemilihan turbin yang paling sesuai untuk kondisi lokal dapat dilakukan, sehingga meningkatkan peluang keberhasilan proyek (Williamson et al., 2014; , Williamson et al., 2011).

Lebih jauh lagi, penelitian terbaru menunjukkan bahwa inovasi dalam desain dan teknologi turbin propeller dapat meningkatkan efisiensi dan daya output secara signifikan. Misalnya, modifikasi pada sudu dan penggunaan material yang lebih ringan dapat mengurangi kehilangan energi dan meningkatkan kinerja turbin (부비엣루옌 et al., 2018). Selain itu, pengembangan sistem kontrol otomatis dan integrasi dengan teknologi penyimpanan energi dapat membantu dalam mengoptimalkan penggunaan energi yang dihasilkan oleh sistem pico hydro (Nurdin & Hastuti, 2020; , Setyawan et al., 2020).

Dalam rangka mencapai tujuan pengembangan energi terbarukan yang berkelanjutan, kolaborasi antara pemerintah, akademisi, dan industri sangat penting. Program pelatihan dan pendidikan untuk meningkatkan keterampilan tenaga kerja lokal dalam desain dan pemeliharaan turbin propeller juga harus menjadi prioritas (Negara et al., 2022). Dengan pendekatan yang holistik dan terintegrasi, optimasi desain turbin propeller untuk skala pico hydro di Indonesia dapat memberikan kontribusi yang signifikan terhadap penyediaan energi yang bersih dan terjangkau bagi masyarakat, terutama di daerah terpencil yang selama ini terpinggirkan dari akses listrik (Larasari et al., 2021).

Pemikiran Awal (tentang Masalah):

Menganalisis Masalah Secara Sistematis: Masalah utama yang dihadapi adalah bagaimana merancang turbin propeller yang dapat menghasilkan daya yang efisien dengan ketinggian air (head) yang terbatas dan aliran air yang tidak selalu konstan. Perlu pendekatan yang sistematis untuk memahami berbagai parameter yang mempengaruhi kinerja turbin, seperti kecepatan aliran air, diameter turbin, dan sudut pitch bilah.

Soroti Penelitian Sebelumnya dan Kesenjangan yang Ada: Penelitian tentang turbin propeller telah banyak dilakukan, namun banyak yang belum memanfaatkan pendekatan berbasis data untuk menganalisis dan mengoptimalkan desain turbin secara langsung. Kesenjangan ini mengarah pada kebutuhan aplikasi berbasis web yang dapat melakukan perhitungan dan visualisasi data desain turbin secara cepat dan akurat.

Mengurai Masalah: Turbin propeller yang tidak dioptimalkan dapat menyebabkan penurunan efisiensi daya yang signifikan. Masalah lain yang dihadapi adalah ketidakseimbangan antara ukuran turbin, sudut pitch, dan kecepatan aliran air, yang dapat mengarah pada kinerja yang kurang optimal. Untuk itu, solusi yang lebih terintegrasi dan berbasis pada data diperlukan untuk menghasilkan desain turbin yang tepat.

Dekonstruksi ke Prinsip-Prinsip Dasar: Dasar dari operasi turbin propeller melibatkan prinsip-prinsip mekanika fluida, seperti persamaan Bernoulli dan hukum kekekalan energi. Desain turbin harus mempertimbangkan aspek efisiensi aliran air dan pemanfaatan energi kinetik secara maksimal.

Analisis State-of-the-Art: Kemajuan teknologi terbaru dalam sistem pico hydro menggunakan material yang lebih ringan dan teknologi pemulihan energi untuk meningkatkan efisiensi. Namun, masih ada tantangan dalam mengoptimalkan desain turbin untuk kondisi operasi yang beragam.

G. Methods & Procedures

Idealisasi: Untuk menyederhanakan permasalahan ini, kita mengasumsikan bahwa aliran air adalah aliran steady-state dan mengabaikan kehilangan energi akibat gesekan dan turbulensi yang berlebihan. Model yang digunakan adalah desain turbin propeller dengan diameter variabel, sudut pitch bilah, dan kecepatan aliran air yang dapat dikendalikan.

Instruksi (Set):

- Penentuan Parameter Desain Turbin:

Diameter turbin, sudut pitch bilah, dan efisiensi turbin adalah variabel utama yang menentukan kinerja sistem. Masukkan parameter desain melalui antarmuka berbasis web untuk melakukan perhitungan daya output.

- Simulasi Kinerja Turbin:

Gunakan rumus perhitungan daya yang melibatkan variabel-variabel desain untuk mengestimasi daya yang dihasilkan. Visualisasikan hasil simulasi dalam bentuk grafik yang menggambarkan hubungan antara kecepatan aliran air dan daya yang dihasilkan.

- Validasi dan Iterasi:

Uji desain turbin dalam berbagai kondisi operasi untuk memvalidasi daya output dan mengoptimalkan parameter desain. Gunakan alat simulasi berbasis web untuk melakukan iterasi desain dengan parameter yang berbeda.

- Kode HTML dan JavaScript untuk Optimasi Desain Turbin Propeller Pico Hydro:

<!DOCTYPE html> <html lang="id"> <head>

   <meta charset="UTF-8">
   <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
   <title>Optimasi Desain Turbin Propeller Pico Hydro</title>
   <script src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/chart.js"></script>
   <style>
       body {
           font-family: Arial, sans-serif;
           margin: 40px;
           background-color: #f4f4f9;
           color: #333;
       }
       h1 {
           color: #2c3e50;
       }
       .container {
           background-color: #fff;
           padding: 20px;
           border-radius: 8px;
           box-shadow: 0 0 10px rgba(0, 0, 0, 0.1);
           max-width: 800px;
           margin: 0 auto;
       }
       .form-group {
           margin-bottom: 20px;
       }
       label {
           font-size: 16px;
           margin-bottom: 5px;
           display: block;
       }
       input[type="number"] {
           width: 100%;
           padding: 8px;
           font-size: 16px;
           border: 1px solid #ccc;
           border-radius: 4px;
       }
       button {
           padding: 10px 20px;
           background-color: #3498db;
           color: white;
           font-size: 16px;
           border: none;
           border-radius: 4px;
           cursor: pointer;
       }
       button:hover {
           background-color: #2980b9;
       }
       .result {
           margin-top: 20px;
           background-color: #ecf0f1;
           padding: 15px;
           border-radius: 4px;
       }
       canvas {
           max-width: 100%;
           margin-top: 30px;
       }
   </style>

</head> <body>

Optimasi Desain Turbin Propeller Pico Hydro

           <label for="diameter">Diameter Turbin (m):</label>
           <input type="number" id="diameter" placeholder="Masukkan diameter turbin" required>

           <label for="pitch">Sudut Pitch Bilah (derajat):</label>
           <input type="number" id="pitch" placeholder="Masukkan sudut pitch bilah" required>

           <label for="speed">Kecepatan Aliran Air (m/s):</label>
           <input type="number" id="speed" placeholder="Masukkan kecepatan aliran air" required>

           <label for="head">Ketinggian Air (m):</label>
           <input type="number" id="head" placeholder="Masukkan ketinggian air" required>

           <label for="efficiency">Efisiensi Turbin (%):</label>
           <input type="number" id="efficiency" placeholder="Masukkan efisiensi turbin" value="80">

       <button onclick="updateChart()">Hitung Daya</button>

Hasil Perhitungan Daya Output:

Output daya akan muncul di sini.

       <canvas id="powerChart"></canvas>

   <script>
       // Fungsi perhitungan daya output
       function calculatePowerOutput(diameter, pitchAngle, speed, head, efficiency) {
           const rho = 1000; // Massa jenis air (kg/m^3)
           const A = Math.PI * Math.pow(diameter / 2, 2); // Area turbin
           const g = 9.81; // Gravitasi (m/s^2)
           const Cp = 0.45; // Koefisien daya untuk propeller (asumsi)

           // Menghitung daya berdasarkan kecepatan aliran dan ketinggian
           const power = 0.5 * rho * A * Math.pow(speed, 3) * Cp * (efficiency / 100) + rho * g * head * A * speed * (efficiency / 100);
           return power;
       }

       // Fungsi untuk memperbarui grafik
       function updateChart() {
           const diameter = parseFloat(document.getElementById("diameter").value);
           const pitch = parseFloat(document.getElementById("pitch").value);
           const speed = parseFloat(document.getElementById("speed").value);
           const head = parseFloat(document.getElementById("head").value);
           const efficiency = parseFloat(document.getElementById("efficiency").value);

           // Menghitung daya untuk berbagai kecepatan aliran
           const speeds = [speed, speed * 1.5, speed * 2, speed * 2.5, speed * 3]; // Kecepatan aliran untuk variasi
           const powers = speeds.map(s => calculatePowerOutput(diameter, pitch, s, head, efficiency));

           // Menampilkan hasil daya
           document.getElementById("powerOutput").innerText = `Daya Output pada kecepatan aliran ${speed} m/s: ${powers[0].toFixed(2)} Watt`;

           // Membuat grafik
           const ctx = document.getElementById("powerChart").getContext("2d");
           const chart = new Chart(ctx, {
               type: 'line',
               data: {
                   labels: speeds,
                   datasets: [{
                       label: 'Power Output (W)',
                       data: powers,
                       borderColor: 'rgba(75, 192, 192, 1)',
                       backgroundColor: 'rgba(75, 192, 192, 0.2)',
                       borderWidth: 2
                   }]
               },
               options: {
                   responsive: true,
                   plugins: {
                       legend: {
                           display: false
                       }
                   },
                   scales: {
                       x: {
                           title: {
                               display: true,
                               text: 'Kecepatan Aliran Air (m/s)'
                           }
                       },
                       y: {
                           title: {
                               display: true,
                               text: 'Power Output (W)'
                           }
                       }
                   }
               }
           });
       }
   </script>

</body> </html>

H. Results & Discussion

Hasil perhitungan daya output menggunakan aplikasi berbasis web yang dikembangkan menunjukkan bahwa daya yang dihasilkan meningkat seiring dengan meningkatnya kecepatan aliran air dan ukuran diameter turbin. Efisiensi turbin berperan penting dalam menentukan daya maksimum yang dapat dihasilkan. Dengan menyesuaikan sudut pitch bilah dan ketinggian air, daya yang dihasilkan dapat dioptimalkan untuk kondisi operasi yang berbeda.

Grafik daya versus kecepatan aliran air menunjukkan kurva yang konsisten dengan teori yang ada, di mana daya output meningkat secara eksponensial seiring dengan peningkatan aliran air.

I. Acknowledgments

Penulis mengucapkan terima kasih kepada Prof.(Em).Dr.Ir. Budiarso, M.Eng atas bimbingan dan masukannya selama penulis melakukan riset mengenai topik Pico Hydro ini di Laboratorium Mekanika Fluida Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia.

J. References

Adanta, D., Quaranta, E., & Mahlia, T. (2019). Investigation of the effect of gaps between the blades of open flume pico hydro turbine runners. Journal of Mechanical Engineering and Sciences, 13(3), 5493-5512. https://doi.org/10.15282/jmes.13.3.2019.18.0444

Choi, Y. (2018). Design and performance of a pico propeller hydro turbine model. The KSFM Journal of Fluid Machinery, 21(3), 44-51. https://doi.org/10.5293/kfma.2018.21.3.044

Dewanto, H., Himawanto, D., & Cahyono, S. (2018). Pembuatan dan pengujian turbin propeller dalam pengembangan teknologi pembangkit listrik tenaga air piko hidro (plta-ph) dengan variasi debit aliran. Jurnal Teknik Mesin Indonesia, 12(2), 54-62. https://doi.org/10.36289/jtmi.v12i2.72

Larasari, A., Sitorus, J., Asad, M., & Firmana, A. (2021). Tinjauan potensi teknis dan kelayakan ekonomi plta pada proyek kerja sama pemerintah dengan badan usaha bendungan merangin. Jurnal Sumber Daya Air, 17(2), 95-110. https://doi.org/10.32679/jsda.v17i2.724

Negara, I., Janardana, I., & Wijaya, I. (2022). Studi potensi pembangkit listrik tenaga piko hidro di aliran sungai irigasi subak werdi putra sedana kabupaten badung. Jurnal Spektrum, 9(2), 148. https://doi.org/10.24843/spektrum.2022.v09.i02.p17

Nurdin, A. and Hastuti, S. (2020). Optimalisasi daya output generator pada pico-hydropower menggunakan transmisi roda gigi. Journal of Mechanical Engineering, 4(2), 7-14. https://doi.org/10.31002/jom.v4i2.3411

Nurdin, A., Himawanto, D., Hadi, S., & Darsono, F. (2021). Kajian teoritis pengaruh parameter internal terhadap unjuk kerja turbin propeller sebagai pembangkit listrik tenaga air pada skala pico. Media Mesin Majalah Teknik Mesin, 22(2), 85-96. https://doi.org/10.23917/mesin.v22i2.14215

Putra, F., Basyrun, B., & Saputra, D. (2019). Pengaruh variasi kemiringan propeller terhadap efisiensi turbin ulir. Jurnal Inovasi Mesin, 1(1), 8-13. https://doi.org/10.15294/jim.v1i1.40207

Riadi, D., Lapisa, R., Nurdin, H., & Mulianti, M. (2021). Analisis kecepatan air masuk terhadap bukaan guide vane turbin crossflow skala pico hydro dengan simulasi cfd. Jurnal Vokasi Mekanika (Vomek), 3(3), 94-101. https://doi.org/10.24036/vomek.v3i3.232

Setyawan, E., Nakhoda, Y., Krismanto, A., Mustiadi, L., Yandri, E., & Burlakovs, J. (2020). Design and construction of single phase radial flux permanent magnet generators for pico hydro scale power plants using propeller turbines in water pipes. E3s Web of Conferences, 188, 00006. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202018800006

Shalih, A., Widodo, P., & Himawanto, D. (2019). Experimental study the effect angle of blade on the electrical power output of propeller picohydro turbine. Mekanika Majalah Ilmiah Mekanika, 18(2). https://doi.org/10.20961/mekanika.v18i2.35405

Warjito, W., Nasution, S., Syahputra, M., Budiarso, B., & Adanta, D. (2020). Study of turbulence model for performance and flow field prediction of pico hydro types propeller turbine. CFD Letters, 12(8), 26-34. https://doi.org/10.37934/cfdl.12.8.2634

Williamson, S., Stark, B., & Booker, J. (2011). Low head pico hydro turbine selection using a multi-criteria analysis., 57, 1377-1385. https://doi.org/10.3384/ecp110571377

Williamson, S., Stark, B., & Booker, J. (2014). Low head pico hydro turbine selection using a multi-criteria analysis. Renewable Energy, 61, 43-50. https://doi.org/10.1016/j.renene.2012.06.020

Metode Numerik | Design and Optimization of Pressurized Hydrogen Storage

When designing the optimization of pressurized hydrogen storage with a volume of 1 liter, pressure of 8 bar, and a production cost not exceeding Rp500,000.00, there are several considerations to take into account. Here are some important factors to consider:

1. Container Material and Construction

Choose materials that are safe and resistant to high pressure and corrosion, such as aluminum, stainless steel, or carbon fiber-reinforced composites.

Ensure that the container construction can safely withstand the desired hydrogen pressure.

2. Safety

Certification and compliance with applicable safety standards such as ISO 15869 or SAE J2579.

Consider adequate safety features, such as pressure relief valves, pressure sensors, and fire suppression systems.

3. Space Efficiency

Design the container to maximize the use of space within the 1-liter volume.

Utilize optimal packaging techniques to maximize the amount of hydrogen that can be stored within the available space.

4. Storage Efficiency

Consider the most efficient method of hydrogen storage, such as physical storage as compressed gas or storage in the form of a fuel cell if hydrogen fuel cells are being :considered.

5. Production Cost

Take into account the cost of materials, production, and testing associated with the storage design.

Optimize the design to achieve a production cost that does not exceed the budgetary constraints.

6. Reliability

Ensure that the container design can maintain a stable pressure over the desired period without leaks or potential damage.

7. Regulations

Ensure that the design complies with applicable regulations and standards in the hydrogen storage industry.

---

Design Calculation

Specification of a Cylindrical Hydrogen Tank

Capacity  : 1 liter
Pressure  : 8 bar
Material  : ASTM A36 sheet metal
Cost      : Rp500.000,00

Code to Optimize The Design of Cylindrical Hydrogen Tank

To optimize the design, i write a code in Python to find the optimium thickness, radius, and the height of the tank with cost and volume as a constant variables. Here is the code that i used:

   from scipy.optimize import minimize
   def objective_function(x):
   thickness, radius, height = x[0], x[1], x[2]
   # Calculate the weight of the tank (assuming density of ASTM A36 sheet metal)
   density_astm_a36 = 7850  # kg/m^3 (density of ASTM A36 sheet metal)
   volume = 3.14159 * radius * radius * height / 1000  # Convert to liters
   weight = density_astm_a36 * volume
   # Calculate the cost of the tank (based on material price per kg)
   material_price = 500000 / weight  # Rp/kg (maximum allowed cost divided by weight)
   cost = weight * material_price
   # Define the objective function as a combination of weight and cost
   # You can adjust the coefficients based on your preference for weight vs. cost
   objective_value = weight + 0.001 * cost
   return objective_value
   def constraint(x):
   thickness, radius, height = x[0], x[1], x[2]
   # Volume constraint: tank volume should be 1 liter
   volume = 3.14159 * radius * radius * height / 1000  # Convert to liters
   # Pressure constraint: tank should handle 8 bar pressure with a safety factor of 2
   allowable_stress = 250e6  # Pa (allowable stress for ASTM A36 sheet metal)
   inside_radius = radius - thickness  # Inner radius of the tank
   pressure = 8e5  # Pa (8 bar pressure)
   stress = pressure * inside_radius / thickness  # Stress in the tank wall
   safety_factor = 2.0  # Safety factor
   stress_allowable = allowable_stress / safety_factor
   return [
       volume - 1,  # Volume constraint (1 liter)
       stress - stress_allowable,  # Pressure constraint
       thickness - 5,  # Minimum thickness constraint (5 mm)
       10 - thickness  # Maximum thickness constraint (10 mm)
   ]
   # Initial guess for thickness, radius, and height (in mm)
   x0 = [10.0, 50.0, 100.0]
   # Define bounds for thickness, radius, and height (in mm)
   bounds = [
   (5, 10),  # Bounds for thickness (assumed range from 5 to 10 mm)
   (1, 50),   # Bounds for radius (assumed range from 1 to 50 mm)
   (100, 1000)    # Bounds for height (assumed range from 100 to 1000 mm)
   ]
   # Define the optimization problem
   problem = {
   'type': 'SLSQP',
   'fun': objective_function,
   'x0': x0,
   'bounds': bounds,
   'constraints': [{'type': 'ineq', 'fun': lambda x: constraint(x)}]
   }
   # Solve the optimization problem
   result = minimize(problem['fun'], x0=problem['x0'], bounds=problem['bounds'], constraints=problem['constraints'], method=problem['type'])
   # Extract the optimal solution
   optimal_thickness, optimal_radius, optimal_height = result.x
   # Calculate the weight of the tank (assuming density of ASTM A36 sheet metal)
   density_astm_a36 = 7850  # kg/m^3 (density of ASTM A36 sheet metal)
   volume = 3.14159 * optimal_radius * optimal_radius * optimal_height / 1000  # Convert to liters
   weight = density_astm_a36 * volume
   # Calculate the cost of the tank (based on material price per kg)
   material_price = 500000 / weight  # Rp/kg (maximum allowed cost divided by weight)
   cost = weight * material_price
   # Print the optimal solution with units
   print(f"Optimal Thickness: {optimal_thickness:.2f} mm")
   print(f"Optimal Radius: {optimal_radius:.2f} mm")
   print(f"Optimal Height: {optimal_height:.2f} mm")
   print(f"Cost: {cost:.2f} Rp")

The result of the code is:

  Optimal Thickness: 5.00 mm
  Optimal Radius: 24.28 mm     
  Optimal Height: 100.00 mm    
  Cost: 500000.00 Rp

---

Design Modelling

After finding out the optimum design using the code above, i try to create the 3D Design using Autodesk Inventor:

Kelas Metode Numerik 2022