its undergraduate 17691 paper 970429
DESCRIPTION
PaperTRANSCRIPT
-
1
Analisa Pengaruh Penambahan Stern Flap Pada Kapal Planing Hull Dalam Usaha Untuk
Menguranggi Tahanan Kapal
Dosen Pembimbing : Irfan Syarif Arief ST.,MT. (1969 1225 1997 02 1001)
Dosen Pembimbing : Edi Jatmiko ST.,MT. (1978 0706 2008 01 1012)
Mahasiswa Pelaksana : M. Novan H.A (42 06 100 040)
Jurusan Teknik Sistem Perkapalan - Fakultas Teknologi Kelautan
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Surabaya, 2011
Abstrak
Seorang Marine Engginer mempunyai tanggung jawab untuk ikut serta dalam usaha
memerangi krisis energy saat ini. Pada dasarnya system propulsi pada kapal yang terdiri dari
propulsor, power plant dan ship hull diusahakan seeffisien mungkin, sehingga kebutuhan energy untuk
propulsi kapal sekecil mungkin. Hal ini tengah menjadi tujuan utama dalam usaha untuk menggurangi
pemakaian energy disaat krisis energy melanda dunia. Penghematan pemakaian bahan bakar dan
energy pada kapal dapat dilakukan dengan cara perancangan yang tepat pada hidrodinamis dan
propulsinya.
Pemakaian bahan bakar tidak akan lepas dari dunia perkapalan. Dan disaat krisis energi
saat ini, perlu adanya suatu inovasi atau usaha yang perlu dikembangkan. Oleh karena itu dalam
penelitian Analisa Pengaruh Penambahan Stern Flap Pada Kapal Planing Hull Dalam Usaha
Untuk Menguranggi Tahanan Kapal. Peneliti berusaha untuk melakukan study ilmiah tentang
penambahan stern flap yang dikatakan dapat memberi pengaruh dalam mengurangi tahanan kapal
berkurangnya tahanan dari kapal, diharapkan dapat menggurangi pemakaian bahan bakar sehingga
dapat menjadi salah satu inovasi dalam usaha memerangi global warming.
Dari hasil analisa yang telah dilakukan menunjukan dengan adanya penambahan stern flap
dapat mengurangi besarnya tahanan pada kapal planning hull. Hasi paling besar didapatkan pada
model stern flap dengan panjang chord 2.5% Lpp, 100% B, dan sudut flap 0. Hasil analisa
menunjukkan pengurangan paling besar 2.70 % pada kecepatan 30 knot, dan rata-rata pengurangan
sebesar 2.40%.
Keyword : Marine Engginer, krisis energi, stren flap, tahanan, planning hull.
1.1. Latar Belakang
Disaat seluruh dunia mengalami isu akan
energi berbagai cara dilakukan untuk
menggurangi pemakaian energi. Penggunaan
energi memang tidak bisa dipisahkan dalam
dunia industry perkapalan. Didunia perkapalan
sendiri telah banyak perkembangan yang telah
dilakukan untuk menangapi masalah itu. Para
enginer belomba-lomba untuk melakukan suatu
terobosan yang diharapkan dapat salah satu cara
untuk memeranginya. Keinginan untuk
meningkatkan efisiensi propulsi karena tingginya
biaya bahan bakar untuk operasional sebuah
kapal mempunyai pengaruh yang sangat besar
dalam perencanaan sebuah kapal. Meskipun
harga harga minyak saat ini lebih rendah dari
tahun lalu, namun masih ada perkiraan bahwa
harga itu akan kembali naik ke tingkat yang lebih
tinggi dimasa depan. Karena itu keinginan untuk
menghemat masih sangat tinggi dan tetap
mengusahakan setiap cara yang memungkinkan
untuk menurunkan biaya operasional bahan
bakar.
-
2
Salah satu hal yang paling berpengaruh
dalam pemakaian energi dari kapal adalah
tahanan kapal tersebut. Seperti yang telah kita
ketahui kapal merupakan benda yang komplek
dan rumit, dikarenakan kapal dapat bergerak
dengan kecepatan tertentu di melalui fluida air
baik diatas maupun dibawah permukaaan air. Hal
ini menyebabkan kapal mengalami gaya hambat
(resistance) oleh air. Oleh karena itu kapal
membutuhkan energi tertentu untuk dapat
melawan tahanan tersebut. Besar kecilnya
tahanan tergantung akan kecepatan dari kapal.
Dengan mengurangi tahanan yang dialami kapal
maka akan berpengaruh dalam pemakaian energi.
Salah satu usaha yang dikatakan mampu
mengurangi tahanan adalah dengan penambahan
stern flap pada buritan kapal
Pada penelitian ini akan diuji pengaruh
penambahan stern flap pada kapal jenis planning
hull agar dihasilkan suatu tahanan yang optimum
dari kapal. Analisa aliran fluida dilakukan dengan
metode CFD (Computational Fluid Dinamics).
Atas dasar itu penulis mengangkat judul
Analisa Pengaruh Penambahan Stern Flap
Pada Kapal Planing Hull Dalam Usaha Untuk
Menguranggi Tahanan Kapal. Diharapkan
dari penelitian ini akan didapatkan pembuktian
adanya pengaruh stern flap dalam pengurangan
tahanan kapal.
1.1. Perumusan Masalah
Dari urain diatas dapat dibuat rumusan
masalah yang terjadi. Analisa akan dilakukan
untuk penambahan stern flap pada kapal
planning. Melakukan simulasi untuk
memodelkan pengaruh penambahan stern flap
terhadap tahanan pada kapal planning. Analisa
akan dilakukan pada model-model stern flap.
Dari analisa diharapkan akan didapatkan model
stern flap yang optimum dalam mengurangi nilai
tahanan.
1.2. Batasan Masalah
Dari permasalahan yang harus
diselesaikan di atas maka perlu adanya
pembatasan masalah serta ruang lingkupnya agar
dalam melakukan analisa nantinya tidak melebar
dan mempermudah dalam melakukan analisa,
batasan tersebut yaitu :
Analisa akan dilakukan terbatas pada
model kapal fast patrol jenis planning hull
sebagai berikut :
Prinsiple Dimension :
Length Over All (LOA) : 17.32 m
Length of Hull : 16.00 m
Length Water Line (LWL) : 13.73 m
Length of Perpendiculer : 13.50 m
Breadth Maximum : 4.20 m
Breadth Moulded : 3.80 m
Draft Design : 0.75 m
Speed : 30 knot
Stern Flap akan dianalisa sesuai panjang,
sudut dan lebar yang ditentukan. Variasi stern
flap dilakukan pada panjang (chord) antara 0.5 %
- 2.5 % LPP dan lebar (span) antara 50%-100% B
dan sudut 0. Penelitian dilakukan menggunakan
simulasi computer dengan menggunakan metode
CFD. Analisa biaya tidak diperhitungkan
1.3. Tujuan
Tujuan penulisan Skripsi ini adalah
Untuk merancang suatu model penambahan stern
flap pada kapal jenis planning hull. Mengetahui
seberapa besar pengaruh pemberian stern flap
terhadap tahanan kapal planning hull.
Menentukan bentuk stern flap yang optimum
untuk model kapal planning hull. Pembuktian
pangaruh stern flap pada pengurangan tahanan
kapal jenis planning hull.
2.1. Planning Hull
Planning hull merupakan bentuk
lambung yang memiliki nilai perbandingan antara
kecepatan dan panjang kapal benilai lebih dari 3.
Sebuah kapal dikatakan berbentuk planning hull ketika nila Froude Numbernya Fn > 1.2. Tetapi,
Fn = 1.0 juga digunakan sebagai batas terendah
dari Planning Hull. Kapal planning hull biasanya digunakan
pada kapal patrol, kapal penangkap ikan, kapal
service, dan kapal-kapal kompetisi olahraga. Planning hull bias dibedakan menjadi 2 jenis
yaitu : planning hull kecepatan tinggi dan
planning hull chine ganda.
Planning hull kecepatan tinggi digunakan untuk menguranggi tekanan negatif pada
-
3
lambung saat kapal mencapai kecepatan tinggi.
Ini bermaksud untuk memiliki aliran separasi pada daerah transom dan sepanjang lambung.
Aliran separasi sepanjang sisi lambung
disempurnakan dengan adanya hard chine.
Gambar 1. Planing hull kecepatan tinggi (Savitsky
1992)
Planing hull chine ganda memiliki dua
chine yaitu : chine bawah dan chine atas. Aliran
akan terpisah dari chine bawah pada kecepatan
tinggi, sedangkan chine atas menyebabkan lebar
kapal yang besar saat kecepatan rendah. Chine
atas harus dipilih untuk menghindari aliran
separasi dari chine bawah pada kecepatan tinggi.
Gambar 2. Planing hull chine ganda (Savitsky 1992)
2.1.1. Savitskys Formula
Savitsky mengenalkan perhitungan
empiris untuk gaya angkat, drag dan center of
pressure coefficient. Koefisien angkat dapat
dihitung dengan :
dimana
Dan
Dimana :
CL0 = lift coefficient untuk deadrise = 0 ( = 0)
CL = lift coefficient
FL0 = lift force untuk deadrise = 0 ( = 0)
FL = lift force
W = nilai rata rata permukaan basah
= sudut trim dalam derajat
= sudut dari deadrise
B = lebar
Cv = koefisien kecepatan = U/(gB)0.5
U = kecepatan kapal
Perhitungan diatas valid untuk 2
15 dan W 4.
Posisi longitudinal dari titik pusat gaya
tekan dapat dihitung dengan :
2.2. Stren Flap
Stern flap adalah salah satu penambahan appendage yang berupa penambahan panjang
pada buritan kapal. Interaksi dengan lambung
terjadi pada trim kapal, mengurangi tahanan
propulsi dan meningkatkan kecepatan kapal. Parameter paling penting dari stern flap adalah
panjang chord (Lf), sudut flap () dan flap span sepanjang transom. Dari berbagai penelitian stern flap memiliki efek dalam performa kapal seperti
stern wedge. Semua stern flap tergantung pada
ukuran dan tipe dari kapal yang digunakan. Stern flap menyebabkan gaya angkat
keatas pada transom dan merubah distribusi
tekanan pada buritan kapal. Pada kapal planning
hull stern flap berpengaruh pada sudut trim 4 5 derajat. Sedangkan pada displacement hull stern
flap mengakibatkan kenaikan sudut trim 0.1-0.3
derajat. Hal ini tidak berpengaruh signifikan pada pengurangan tahanan kapal. Keuntungan dasar
pada kapal dengan penambahan stern flap pada
kapal adalah perubahan alur aliran disekitar
propeller. Aliran ini memberikan pengurangan drag pada bagian buritan dan merubah tahanan
gelombang pada kapal.
Gambar 3. Gambar Lokasi Stern Flap
-
4
Keuntungan dasar pada penambahan
stern flap adalah :
Mengurangi tahanan pada powering.
Penelitian menunjukan bahwa
pengurangan bekisar 5 12%
Meningkatkan kecepatan maksimum.
Merubah sistem gelombang transom.
Stern Flap menyebabkan aliran pada
bawah lambung menurun pada lokasi
penambahan panjang. Penurunan flow velocity
akan meningkatkan tekanan pada bawah
lambung, hal ini menyebabkan pengurangan gaya
hisap afterbody (pengurangan bentuk drag).
Tinggi gelombang dan energi gelombang pada
buritan dapat dikurangi dengan adanya stern flap.
2.2.1. Efek Hidrodinamis Pada Stern Flap a. Perubahan Aliran Buritan
Stern flap mengurangi kecepatan aliran dan meningkatkan tekanan dinamis pada bawah
lambung. Peningkatan daerah tekanan
menyebabkan gaya angkat yang lebih besar yang
menghasilkan efek positif dalam pergerakan arah kapal.
Stern flap meningkatkan kecepatan aliran
keluar pada trailing edge dibandingkan dengan transom tanpa flap. Peningkatan kecepatan ini
akan mengurangi kecepatan aliran perpisahan dan
menjadikan aliran perpisahan yang lebih bersih yang menghasilakn pengurangan pada tahanan
viscous pressure.
b. Perubahan Sistem Gelombang Pemindahan aliran disekitar daerah
buritan tanpa stern flap diakibatkan oleh
hilangnya energi seperti eddy-making, tubulensi
dan adanya white water. Pada kecepatan yang sama stern flap mengakibatkan daerah aliran
dengan mengurangi : tinggi, slope dan
gelombang pecah. Dengan adanya stern flap
dapat menguranggi tinggi gelombang pada sistem gelombang daerah dekat buritan dan daerah jauh
buritan.
c. Gaya Angkat dan Drag Stern flap dapat menghasilkan gaya
angkat dan drag pada semua kecepatan dan
kondisi. Keuntungannya adalah interaksi dengan lambung dan propeller sehingga dapat
menguranggi tahanan kapal. Gaya angkat dan
drag meningkat lebih besar seiring dengan
peningkatan panjang chord, span dan sudut.
Gambar 4. Sistem Gelombang Transom
2.3. Tahanan Kapal Kapal harus didesain seefisien mungkin
ketika bergerak di air dengan gaya eksternal yang seminimum mungkin. Secara garis besar antara
Tahanan Kapal (Ship Resistance) dan Propulsi
Kapal (Ship Propulsion) memiliki hubungan yang sangat erat, dan saling mempunyai ketergantungan diantara keduanya. Namun demikian, pada prakteknya Tahanan Kapal dan
Propulsi Kapal dibahas terpisah. Tahanan Kapal diaplikasikan untuk mencari kebutuhan Gaya
Dorong (Thrust) yang dibutuhkan oleh kapal,
agar kapal dapat bergerak dengan kecepatan dinas (Service Speed) yang sesuai dengan
perencanaannya. Sedangkan, pada Propulsi Kapal
adalah menekankan pada bagaimana
menyediakan besarnya Gaya Dorong (Thrust) dari system penggerak kapal, dan bagaimana
interaksi antara alat gerak kapal tersebut terhadap
aliran fluida yang melintasi badan kapal (Hull). Tahanan umumnya dibagi menjadi dua
komponen yang diberikan oleh aturan yang
berbeda :
1. Skin friction resistance yang diberikan
oleh Reynolds number.
2. Residuary resistance yang diakibatkan
adanya gelombang diberikan oleh Froude
number.
Kapal yang bergerak maju dengan
kecepatan tertentu akan mengalami gaya hambat
oleh fluida yang memiliki arah berlawanan
dengan arah gerak kapal. Gaya hambat tersebut
-
5
disebabkan oleh gaya fluida, yang dalam hal ini
cenderung mengarah pada fluida air yang dinilai
cukup besar hambatannya terhadap gerak kapal.
Gaya hambat yang disebabkan fluida inilah yang
disebut sebagai resistance atau tahanan kapal.
Resistance merupakan istilah yang biasa
digunakan dalam hydrodinamika, sedangkan
dalam aerodinamika benda-benda yang terbenam
biasa digunakan istilah drag. Dalam kurva
tahanan terdapat badan kapal yang bergerak
diatas dan dibawah permukaan air yang
mempunyai viskositas. Absisnya merupakan
Froude Number.
Oleh karena itu tahanan kapal (RT)
didefinisikan sebagai gaya yang dibutuhkan kapal
dengan kecepatan konstan (U). Tenaga yang
dibutuhkan menggerakan kapal adalah :
2.3.1. Froude Number dan Reynolds Number
Bilangan Froude adalah sebuah bilangan tak bersatuan yang digunakan untuk mengukur
resistensi dari sebuah benda yang bergerak
melalui air, dan membandingkan benda-benda dengan ukuran yang berbeda-beda. Timbulnya
panjang gelombang sama dengan panjang dari
lambung kapal, sehingga pada kondisi kecepatan kritis ini telah ditetapkan persamaan dari Froude
number atau jenis aliran sebagai berikut :
Besar froude number yang diberikan
pada persamaan di atas, merupakan batas maksimal pada kondisi displacement hull.
Sedangkan untuk persamaan Froude number
pada kondisi planning hull yang biasa digunakan ialah Volumetric Froude Number :
31
g
VF
Dalam mekanika fluida, bilangan Reynolds adalah rasio antara gaya inersia (vs) terhadap gaya viskos (/L) yang mengkuantifikasikan hubungan kedua gaya
tersebut dengan suatu kondisi aliran tertentu. Bilangan ini digunakan untuk mengidentikasikan
jenis aliran yang berbeda, misalnya laminar dan
turbulen. Bilangan Reynold merupakan salah satu
bilangan tak berdimensi yang paling penting
dalam mekanika fluida dan digunakan, seperti
halnya dengan bilangan tak berdimensi lain, untuk memberikan kriteria untuk menentukan
dynamic similitude. Jika dua pola aliran yang
mirip secara geometris, mungkin pada fluida yang berbeda dan laju alir yang berbeda pula,
memiliki nilai bilangan tak berdimensi yang
relevan, keduanya disebut memiliki kemiripan dinamis. Reynolds number dirumuskan dengan :
Dimana,
: viskositas kinematis ( : viskositas r : density
2.3.2. Jenis Tahanan Kita dapat membagi tahanan pada air
tenang menjadi :
1. Viscous water resistance 2. Air resistance 3. Wave resistance 4. Spray resistance 5. Residual Resistance
2.3.2.1. Viscous Water Resistance Komponen tahanan yang utama
disebabkan oleh gaya gesek pada permukaan basah lambung. Teori boundary layer (lapisan
batas) digunakan untuk menjelaskan efek dari
kecepatan fluida. Itu berarti kecepatan hanya pada permukaan lambung kapal. Dua lapisan
batas sepanjang plat datar dapat digunakan untuk
menjelaskan karakteristik penting dari aliran
viskositas. Kita dapat menjadikan daerah basah lambung sebagai plat datar.
Gambar 5. Lapisan Batas Sepanjang Plat Datar
Rumus empiris untuk viscous water
resistance :
-
6
International Towing Tank Conference
(ITTC) memberikan rumus korelasi dari koefisien gesek (CF) untuk permukaan lambung
halus :
Kekasaran plat juga berpengaruh besar
pada tahanan viscous. Nilai ini berdasarkan pada nilai AHR (Average Hull Roughnes). Pada
bangunana kapal baru nilai AHR berkisar antara
75-150m. Rumus empiris untuk mencari koefisien gesek kekasaran lambung (CF) :
[ ]
Maka nilai CF adalah :
Dimana S adalah area permukaan basah
dari lambung. Biasanya nilai S dapat
diestimasikan saat kecapatan nol. Bagaimanapun nilai S sesungguhnya berubah seiring dengan
terjadinya peninggian free surface pada lambung.
Pada planning hull nilai S dibagi menjadi dua bagian.
Gambar 6. Sistem Koordinat dan Symbol Kapal Planning
Ini menyatakan bahwa separasi dari chine
akan dimulai pada x = xs = Lk Lc , ketika xs :
Maka
Permukaan basah S1 dari haluan (x=0)
sampai ketika pemukaan basah chine dimulai (x
= xs).
(
(
) )
Permukaan basah dari x = xs sampai
daerah transom dirumuskan dengan :
2.3.2.2. Air Resistance
Tahanan udara tanpa adanya angin
dirumuskan dengan :
Dimana a adalah masa jenis udara dan A
adalah luas area bangunan diatas permukaan air.
Usaha untuk membuat design yang streamline
pada superstructure untuk kapal cepat adalah usaha untuk memperkecil CD. Nilai CD berkisar
antara 0.50.7. Karena nilai a hanya 1.25 kgm-3
untuk udara kering pada 10 C sedangkan nilai untuk air laut pada 10C adalah 1026.9 kgm
-3,
maka tahanan udara hanya berpengaruh kecil.
2.3.2.3. Wave Resistance Wave resistance (RW) disebabkan oleh
gelombang yang diakibatkan oleh pergerakan
kapal diatas air sesuai dengan kecepatan konstan (U) pada kondisi air tenang. Wave resistance
dipengaruhi oleh luas permukaan basah lambung
dan Froude number. Jika kapal berada pada perairan dangkal, RW sangat dipengaruhi oleh
ketinggian air. Bagian pentting dari wave
resistance adalah energi pada area jauh
gelombang yang disebabkan oleh kapal.
Gambar 6. Bentuk Gelombang Kapal
-
7
Area jauh gelombang pada air dalam
dapat diklasifikasikan menjadi gelombang tranverse dan divergent (gambar 11). Panjang
gelombang tranverse dirumuskan dengan :
Sedangkan panjang gelombang divergent dirumuskan dengan :
Lunde (1951) memberikan rumus wave
resistance :
Nilai W diberikan pada grafik, notasi WD adalah nilai koefisien pada gelombang
divergent dan WT adalah nilai koefisien pada
gelombang tranverse. Nilai WD dan WT
diberikan untuk mengetahui kontribusi gelombang divergent dan gelombang traverse.
Nilai W,WD dan WT diberikan sebagai fungsi
dari Frouder number (Fn=U / Lg).
2.3.2.4. Spray Resistance Spray resistance terjadi karena adanya
tekanan yang tinggi yang tidak berubah dan besarnya tekanan gradient pada belakang
lambung dekat dengan aliran bebas. Gaya angkat
hidrodinamic pada spray akan mempengaruhi trim pada kapal dan tahanan lambung.
Total spray resistance dapat dihitung
mengunakan rumus empiris :
Dimana nilai kecepatan spray berbanding terbalik dengan kecepatan wedge.
Dan kecepatan wedge dirumuskan
dengan .
Sedangkan spray sheet pada sectional ( dirumuskan .
(
)
2.3.2.5. Residual Resistance 1. Added Wave Resistance
Semua jenis tahanan yang telah
dijelaskan diatas ditunjukan pada saat kapal
bergerak pada kecepatan tetap pada garis lurus di air tenang. Tahanan sisa yang disebabkan oleh
gelombang, angin dan pergerakan kapal juga
haruss dipertimbangkan. Tahanan sisa pada gelombang sering disalah artikan sebagai tahanan
gelombang. Tahanana sisa gelombang (RAW)
adalah akibat dari interaksi antara peristiwa gelombang dengan kapal.
Gambar 7. Grafik Tahanan RAW
Ketika rasio /L sangat besar, gerakan relative antara kapal dan air menjadi nol. Itu
berarti kapal tidak menyebabkan gelombang yang tidak tetap, dan itu berarti RAW menjadi nol.
2. Pressure Resistance
Gambar 8. Bentuk Prismatic Planning Hull
Penjelasan :
= Berat Kapal Lcg = Longitunal center of gravity
T = Gaya Dorong
Rv = Viscous Resistance = Trim Angle (pada radian) FL = Lift Force
N = Gaya Normal
-
8
Savitsky memberikan rumus empiris dari
pressure resistance (Rp) :
2.4. Computational Fluid Dynamics
Computational Fluid Dynamic (CFD)
merupakan ilmu sains dalam penentuan
penyelesaian numeric dinamika fluida. CFD
adalah pendekatan ketiga dalam studi dan
pengembangan bidang dinamika fluida selain
pendektan teori dan eksperimen murni. Pada
abad ke 17, dasar-dasar dinamika fluida
eksperimental diperkenalkan di Inggris dan
Perancis. Pada abad ke-19 memperlihatkan
pengembangan dinamika fluida secara teoritis.
Kemudian sepanjang abad ke-20, studi dan
praktik dalam dinamika fluida melibatkan
penggunaan teori murni dan eksperimen
murni.hali ini terjadi hingga awal 1960-an. Pada
akhirnya tahun 1970 dikembangkan CFD dengan
berbagai keterbatasan. Adapun beberapa
keuntungan yang diperoleh dengan menggunakan
CFD antar lain :
Meminimumkan waktu dan biaya dalam
mendesaign suatu produk, bila proses
design tersebut dilakukan dengan uji
eksperimen dengan akurasi tinggi.
Memiliki kemampuan sistem studi yang
dapat mengendalikan percobaan yang
sulit atau tidak mungkin dilakukan
dengan eksperimen.
Memiliki kemampuan untuk studi
dibawah kondisi berbahaya pada saat
atau sesudah melewati titik kritis
(termasuk studi keselamatan dan
kecelakaan)
Keakuratannya akan selalu dikontrol
dalam proses design.
2.4.1. Persamaan Dasar Dinamika CFD
Pada dasarnya semua jenis CFD
menggunakan persamaan dasar dinamika fluida
yaitu persamaan kontinuitas, momentum dan
energy. Tiga prinsip dasar fisika yang dipakai
dalam prinsip dasar CFD yaitu.
a) Hukum kekekalan massa
b) Hukum kedua newton
c) Hukum kekekalan energy
Untuk mendapatkan persamaan dasar
gerak fluida, dipakailah beberapa filosofi yaitu.
a) Memilih prnsip fisika dasar dari
hukum-hukum fisika diatas.
b) Menerapkan prinsip-prinsip fisika di
dalam model aliran.
2.4.2. Teori Dinamika Fluida CFD
Computational Fluid Dynamics (CFD)
merupakan salah satu ilmu sains dalam
menentukan penyelesaian numeric dinamika
fluida dan merupakan pendekatan ketiga dalam
pengembangan bidang dinamika fluida selain
pendekatan secara eksperiman dan teori.
Berikut adalah beberapa keuntungan dari
penyelesain dengan CFD antara lain:
1. Efisiensi waktu dan biaya dalam
mendesain suatu produk, dengan begitu
dapat diperoleh hasil yang baik dan
akurasi tinggi.
2. Memiliki kemampuan sistem studi yang
dapat melakukan percobaan yang sulit
dilakukan melalui eksperimen.
3. Memilki kemampuan studi dibawah
kondisi yang berbahaya pada saat atau
sesudah melewati titik kritis.
4. Keakuratannya akan selalu di control
dalam proses desain.
Dalam desain kerjanya problem yang ada
perlu dideskripsikan kedalam software CFD
dengan menggambarkan model yang akan
dianalisa, sifat-sifat yang ada disekitar model dan
juga menentukan kondisi batasnya. Kemudian
dalam solver akan problem yang ada akan
dihitung dengan persamaan yang ada. Dari hasil
perhitungan akan didapatkan hasil output dari
running program CFD.
Computational Fluid Dynamics (CFD)
merupakan analisa system yang mencakup aliran
fluida, perpindahan panas, dan fenomena yang
terkait, sperti reaksi kimia dengan simulasi yang
berbasis computer. Program ini sangat berguna
dan dapat diaplikasikan pada bidang industry dan
non industry. Code CFD tersusun atas logaritma
numeric, sehingga dapat digunakan untuk
-
9
menyelesaikan problem pada suatu aliran fluida.
Code CFd terdiri atas tiga elemen utama yaitu
Pre Processor (CFX Bulid), Solver manager dan
post processor (visualize).
3. Metodologi Penelitian
Untuk mendukung keberhasilan
penelitian ini maka harus ada kejelasan metode
yang menjadi kerangka acuan dalam pelaksanaan
penelitian. Kerangka ini berisi tahapan-tahapan
yang dilakukan untuk menyelesaikan
permasalahan dari penelitian ini. Dimulai dari
identifikasi masalah sampai dokumentasi
Laporan Tugas Akhir, serta langkah-langkah
dalam simulasi Maxsurf dan ANSYS CFD.
3.1. Tahap Awal
Pada tahap awal pengerjaan tugas akhir
ini difokuskan pada identifikasi dan perumusan
masalah, perumusan masalah ini terkait dengan
desain planning hull dan stern flap,
perkembangannya serta beberapa penelitian yang
terkait.
Pemahaman teori dasar mengenai
tahanan pada kapal planning hull dan stern flap
serta segala aspek mengenai desain stern flap
sangatlah membantu, yang diperoleh dari
literature, buku dan data internet.
Selanjutnya adalah tahapan pengumpulan
data. Data yang diperlukan adalah data dimensi
kapal , planning hull setelah divalidasi maka akan
ditentukan dimensi stern flap. Data kemudian
dikelolah dan dibandingkan.
3.2. Simulasi Model
3.2.1. Pengambaran Model
Simulasi model dimulai dengan
pembuatan kapal planning yang akan dibuat
sebagai dasar analisa. Pembuatan model kapal
dilakukan pada software Maxsurf Pro dengan
LOA 17m. Setelah itu dilakukan analisa tahanan
dengan Hullspeed.Proses selanjutnya adalah
mengimport model pada ANSYS ICEM, pada
ANSYS ICEM akan dilakukan lagi pembentukan
surface pada model.
Agar dapat dianalisa maka model yang
telah dibuat harus memiliki boundary condition
dandomain. Boundary condition merupakan
kondisi atau jenis batas area kerja fluida misal
sisi masuk (inlet), sisi keluar (outlet), objek
simulasi.Sedangkan domain menunjukkan jenis
fluida kerja yang geometri yang telah menjadi
permukaan (surface) selanjutnya diberi yang
berupa susunan partikel berbentuk tetra (proses
meshing). Pemberian volume domain
menggunakan software ANSYS ICEM dimana
semakin kecil ukuran tetra maka semakin tinggi
juga keakurasian simulasi.
Setelah dilakukan proses validasi tahanan
dengan mengunakan 3 metode yang berbeda
yaitu : manual (metode savitsky), HullSpeed dan
ANSYS. Maka dapat dibuat model stern flap
dengan variasi yang diberikan yaitu: panjang sten
flap bernilai 0.5 %, 1.5% dan 2.5% LPP, lebar
span bernilai 50% dan 100% B, dan sudut flap
bernilai 0. Proses pengambaran model juga
menggunakan cara yang sama dengan
pengambaran lambung kapal.
Gambar 9. Flow Chart Skripsi
-
10
4. Analisa Data
4.1. Pembuatan Model Kapal
Pada penulisan skripsi ini studi kasus
dilakukan pada kapal planning hull dengan
principal dimesion :
Length Over All (LOA) : 17.32 m
Length of Hull : 16.00 m
Length Water Line (LWL) : 13.73 m
Length of Perpendiculer : 13.50 m
Length Center Grav. (LCG) : 5.183 m
Breadth Maximum : 4.20 m
Breadth Moulded : 3.80 m
Draft Design : 0.75 m
Cb : 0.41
Sudut Deadrise () : 20
Speed : 30 knot Kapal ini dikatakan termasuk jenis
planning karena memiliki nilai SLR > 3.
SLR = Vk /Lwl
= 30 / 45.04 = 4.46
Merancang suatu model menggunakan software Maxsurf juga mengandung unsur
manual yakni dalam hal membuat konstruksi
body plan sehingga sesuai dengan bentuk yang diinginkan. Sehingga didapat suatu model yang
akan dianalisa tahanannya pada software
Hullspeed.
Gambar 10. Model Kapal Planing Hull
4.2. Analisa Model Setelah dilakukan pemodelan kapal yang
akan dianalisa, maka tahap selanjutnya adalah
proses validasi model untuk mengetahui besarnya
nilai tahanan pada model dengan segala parameter tahanannya. Model akan dianalisa
menggunakan 3 proses untuk mengetahui
besarnya tahanan pada model.
4.2.1. Analisa Tahanan Manual Perhitungan tahanan secara manual
dilakukan dengan menggunakan metode savitsky.
Dengan memberikan batasan bahwa kapal telah
mengalami mode planning. Dengan parameter
yang ada maka perhitungan tahanan dapat dilakukan. Dan hasil perhitungan tahanan
manual.
Vs Vs (m/s) Rt (KN)
23 11.83 20.95
24 12.35 20.99
25 12.86 21.12
26 13.38 21.09
27 13.89 21.21
28 14.40 21.21
29 14.92 21.12
30 15.43 21.25
4.2.2. Analisa Tahanan Hullspeed Analisa tahanan pada hull speed
dilakukan dengan 3 metode, yaitu : metode
Savitsky Pre Planing, metode Savitsky Planing.
Hasil analisa tahanan mengunakan hullspeed adalah sebagai berikut.
4.2.3. Analisa Tahanan Ansys CFD Pada simulasi ini metode yang digunakan
adalah metode free surface sehingga terdapat dua
jenis fluida yang masuk kedalam simulasi yaitu
air laut dan udara.
-
11
Pada analisa ini kapal diletakan pada sebuah
kotak dengan ukuran P x L x T = 40 x 30 x 20. Setelah
itu memberi boundary condition pada tiap-tiap bagian
domain. Inlet boundary pada simulasi ini metode yang digunakan adalah metode free surface sehingga
terdapat dua jenis fluida yang masuk kedalam simulasi yaitu air laut dan udara. Parameter kecepatan yang
diberikan divariasikan saat kapal sudah memasuki
tahap planning yaitu pada kecepatan 23 knot sampai
30 knot. Outlet merupakan bagian dari domain
stationer dengan parameter yang dipakai adalah
tekanan statis dengan ekspresi DownPres Atm yang
bersifat relative terhadap tekanan fluida pada domain.
Pada analisa ini kapal dijadikan boundary sebagai wall
dengan parameter no slip yang artinya tidak terdapat
gesekan pada model apabila dilewati fluida kerja.
Pada part back dan front akan dijadikan boundary
sebagai symmetry. Pada bagian top (atas) jadikan sebagi opening yang artinya aliran fluida yang bekerja
pada percobaan dianggap tidak akan memantul lagi
kedalam. Sedangkan pada bagian bottom (bawah)
dijadikan sebagai boundary wall karena diibaratkan
sebagai dasar.
Berikut ini hasil dari simulasi pada ANSYS
CFD.
Hasil analisa tahanan mengunakan ANSYS
CFD.
Va
(Knot)
Vs
(m/s)
Va
(m/s) Rt (N)
Rt
(KN)
23 11.83 11.06 20770.94 20.77
24 12.35 11.53 20959.92 20.96
25 12.86 11.99 21257.53 21.26
26 13.38 12.47 21398.11 21.40
27 13.89 12.96 21661.18 21.66
28 14.40 13.44 21838.15 21.84
29 14.92 13.92 21898.52 21.90
30 15.43 14.39 22194.03 22.19
4.3. Validasi Tahanan Dari hasil ketiga cara analisa tahanan
maka didapatkan nilai tahanan pada masing-
masing cara.
Vs (Knot)
Resistance (kN)
MANUAL HULL
SPEED ANSYS
23 20.95 22.14 20.77
24 20.99 22.41 20.96
25 21.12 22.64 21.26
26 21.09 22.83 21.40
27 21.21 22.99 21.66
28 21.21 23.15 21.84
29 21.12 23.30 21.90
30 21.25 23.47 22.19
20.00
21.00
22.00
23.00
24.00
22 23 24 25 26 27 28 29 30
Re
sist
ance
(KN
)
Knot
Manual
Hull speed
ANSYS
-
12
4.4. Pemodelan Stern Flap Parameter dari design stern flap adalah
panjang chord, lebar (span) dan sudut (angle).
Untuk analisa ini variasi dilakukan pada panjang
chord dan lebar (span) dari stern flap. Parameter
sudut ditetapkan pada 0 karena banyak penelitian yang membuktikan stern flap memiliki
keuntungan yang lebih besar saat diberi sudut 0.
Berikut ini tabel variasi yang akan digunakan pada analisa:
Stern
Flap
#
Chord
(m)
Chord
(%
Lpp)
Span
(m)
Span
(% B)
Sudut
( )
1 0.3375 2.5 3.8 100 0 2 0.2025 1.5 3.8 100 0
3 0.0675 0.5 3.8 100 0
4 0.3375 2.5 1.9 50 0
5 0.2025 1.5 1.9 50 0
6 0.0675 0.5 1.9 50 0
Setelah pengambaran stern flap selesai,
maka tahap selanjutnya yaitu pemodelan.
Pemodelan dilakukan seperti saat pemodelan pada kapal tanpa stern flap (bare hull).
4.5. Pembahasan Dengan data-data yang telah diperoleh
dari analisa yang dilakukan pada ANSYS CFD, maka dibuat suatu perbandingan nilai yang
didapatkan.Perbandingan dilakukan untuk
mengetahui efek yang dihasilkan dengan adanya
stern flap pada kapal.Data yang dibandingkan antara hasil analisa lambung kapal dengan model
dari stern flap.
Ship
Speed
(knot)
Model Resistance (kN)
Bare
Hull
Stern
Flap
1
Stern
Flap
2
Stern
Flap
3
Stern
Flap
4
Stern
Flap
5
Stern
Flap
6
23 20.77 20.34 20.45 20.68 20.53 20.65 20.83
24 20.96 20.49 20.60 20.91 20.78 20.84 21.06
25 21.26 20.75 20.88 21.13 20.88 20.98 21.22
26 21.40 20.88 21.07 21.21 21.12 21.31 21.36
27 21.66 21.13 21.36 21.58 21.39 21.50 21.59
28 21.84 21.28 21.41 21.75 21.50 21.73 21.76
29 21.90 21.37 21.57 21.64 21.56 21.69 21.78
30 22.19 21.59 21.70 21.91 21.86 22.00 22.08
Dari data dapat dibuat suatu grafik untuk
mempermudah pembacaan dari data.Dari grafik dapat dilihat mana konfigurasi stern flap yang
paling optimum.
4.5.1. Performa Model Stern Flap Dari data tabel maka dapat dibuat suatu
analisa seberapa besar pengaruh penambahan
stern flap pada pengurangan tahanan kapal. Dari data-data yang telah didapatkan dari
masing-masing model stern flap, maka dapat
disimpulkan pengaruh dari tiap-tiap model terhadap pengurangan tahanan. Dengan
membandingkan pengaruh dari masing-masing
model maka akan didapatkan model stern flap yang paling optimum.
20.00
21.00
22.00
22 23 24 25 26 27 28 29 30
Rt (kN)
Knot
Bare Hull
Stern Flap 1
Stern Flap 2
Stern Flap 3
Stern Flap 4
Stern Flap 5
Stern Flap 6
-
13
Dari data yang dihasilkan terlihat stern flap
1 memberikan pengaruh yang paling besar dalam penggurangan tahanan dibandingkan dengan
model-model stern flap yang lain.
Performa Model Stern Flap 1
Panjang Chord 0.3375 m
Lebar Span 3.8 m
Sudut 0
Rata-rata Pengurangan
Tahanan 2.40%
Pengurangan Tahanan Maksimum
2.71% @ 30 knot
5. Kesimpulan Setelah melakukan semua perhitungan
dan simulasi model yang direncakan, dan
berdasarkan hasil analisa serta pembahasan maka dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai
berikut :
1. Dari grafik perbandingan nilai tahanan model kapal tanpa stern flap (bare hull)
dengan model kapal dengan stern flap
(gambar 4.23) terlihat bahwa dengan
adanya penambahan stern flap pada kapal besarnya nilai tahanan dapat dikurangi.
2. Hasil simulasi menunjukkan pada model stern flap 1 dengan panjang chord 0.3375
m (2.5% Lpp), lebar span 3.8 m (100% B)
memberikan pengurangan tahanan terbesar 0.6 kN (2.71 %) pada kecepatan 30 knot.
3. Hasil simulasi menunjukkan pada model stern flap 2 dengan panjang chord 0.2025 m (1.5% Lpp), lebar span 3.8 m (100% B)
memberikan pengurangan tahanan terbesar
0.49 kN (2.22 %) pada kecepatan 30 knot.
4. Hasil simulasi menunjukkan pada model stern flap 3 dengan panjang chord 0.0675
m (0.5% Lpp), lebar span 3.8 m (100% B)
memberikan pengurangan tahanan terbesar
0.28 kN (1.28 %) pada kecepatan 30 knot.
5. Hasil simulasi menunjukkan pada model stern flap 4 dengan panjang chord 0.3375 m (2.5% Lpp), lebar span 1.9 m (50% B)
memberikan pengurangan tahanan terbesar
0.34 kN (1.53 %) pada kecepatan 29 knot.
6. Hasil simulasi menunjukkan pada model stern flap 5 dengan panjang chord 0.2025
m (2.5% Lpp), lebar span 1.9 m (50% B) memberikan pengurangan tahanan terbesar
0.21 kN (0.96 %) pada kecepatan 29 knot.
7. Hasil simulasi menunjukkan pada model
stern flap 4 dengan panjang chord 0.0675
m (2.5% Lpp), lebar span 1.9 m (50% B) memberikan pengurangan tahanan terbesar
0.12 kN (0.53 %) pada kecepatan 29 knot.
8. Dari semual model stern flap, model stern flap 1 adalah yang paling optimum dalam
mengurangi tahanan pada kapal dengan
2.40% pengurangan, dan pengurangan paling besar 2.70 % pada kecepatan 30
knot.
6. Daftar Pustaka
1. Tupper Eric, Introduction to Naval Architecture, 3rd Ed, 2002, Great Britain.
2. Eric Tupper & K.J.Rawson, Basic Ship Theory Volume 2, Ship Dynamic and
Design, 5th
Edn ; 2001; India
3. Savistky, Daniel., On the Subject Of High Speed Monohull ; 2003; Athens
4. Lord, Lindsay, Naval Architect Of Planning Hull, 3
rd Edn ; 1963 ;
Maryland
5. Faltinsen,ODD.M., Hydrodinamic Of High-Speed Marine Vehicle, 1
st Edn ;
2005 ; USA
6. Savitsky, Daniel., Hydrodinamic Design Of Planning Hull ; 1964.
-
14
7. Thomas C. Gillmer & Bruce Johnson, Introduction To Naval Architecture, 1987, Naval Institute Press.
8. Cumming, D., Overview of Hydrodynamic Research Effort to
Derive a New Stern Design for the
HALIFAX Class Frigates , 2007; Canadian Marine Hydromechanics and
Structures Conference. 9. Salas M, Rosas J. & Luco R.,
Hydrodinamic Analysis of The Performance Stern Flap in a Semi
Displacement Hull; 2003; Chile.
10. ITTC Recommended Procedure 7.5-
02-03-01.4, 1978 ITTC Performance Prediction Method,1999
11. www.ansys.com/cfxtoturial