modul model arus mike 21

Model Hidrodinamika MIKE 21

Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)

Praktikum Arus Laut

Modul Pemodelan Flow Model 2-D dengan MIKE 21 DHI Enviroment (flexible mesh)

Tim asisten

Hendry Syahputra R. S

Trika Agnestasia

Nugraha Syahfutra

PROGRAM STUDI OSEANOGRAFI

JURUSAN ILMU KELAUTAN

FAKULTAS PERIKANAN DAN ILMU KELAUTAN

UNIVERSITAS DIPONEGORO

2014



Modul Pemodelan Hidrodinamika

Flow Model 2-D Flexible mesh dengan MIKE 21 DHI Enviroment

1.1 Tujuan Praktikum

a. Praktikan dapat melakukan pemodelan hidrodinamika sederhana dengan

software MIKE 21 Flow model module

b. Praktikan dapat mengalikasikan penggunaan model pada fenomena arus laut

c. Praktikan dapat mendeskripsikan pola arus hasil model

1.2 Dasar Teori

1.2.1 Pengertian Arus Laut

Arus merupakan gerakan air yang sangat luas terjadi pada seluruh lautan di dunia

sehingga digambarkan lengkap kecepatan dan arahnya (Hutabarat dan Evans, 1985). Arus

utamanya dibangkitkan oleh angin atau termohalin. Arus laut juga dapat didefinisikan pula

sebagai proses pergerakan massa air laut secara vertikal dan horizontal dari suatu tempat

ke tempat lain untuk mencapai keseimbangannya.

Arus juga merupakan gerakan mengalir suatu massa air yang dikarenakan tiupan

angin atau perbedaan densitas atau pergerakan gelombang panjang. Pergerakan arus

dipengaruhi oleh beberapa hal antara lain arah angin, perbedaan tekanan air, perbedaan

densitas air, gaya Coriolis dan arus Ekman, topografi dasar laut, arus permukaan, upwellng

, downwelling.

1.2.2 Persamaan Hidrodinamika

Persamaan dasar yang mengatur didalam persamaan hidrodinamika adalah

persamaan kontinuitas dan persamaan momentum. Kedua persamaan diintegrasikan

terhadap kedalaman rata-rata suatu perairan, yang fungsinya untuk memperoleh nilai

persamaan pada arah x dan y.

Prinsip kontinuitas menggambarkan perubahan zat, fluida dalam suatu ruang yang

tidak dapat di ciptakan dan tidak dapat dihancurkan. Dalam kasus fluida sejenis yang tidak

dapat di tempa, prinsip kontinuitas di gambarkan dengan konservasi dari volum. Kecuali

dalam kasus yang spesial dimana parsial tampak kosong.



Prinsip momentum mengungkapkan hubungan antara Gaya yang bekerja F pada

sebuah unit volume dari densitas p dan kemudian gaya Inersia d(pV)dt dari unit volume

yang bergerak. Gaya Inersia berhubungan dengan penerimaan secara alami dari tubuh

untuk menerima kembali perubahan dalam pergerakan. Hukum persamaan Newton

mengatakan bahwa Setiap tubuh menggerakan negara ini dari tidur atau gerak berseragam

dengan sebuah garis lurus kecuali dipaksa dengan menggunakan gaya Ekasternal untuk

menggerakan negara tersebut. Sehingga kita tahu gaya Newton berhubungan dengan isi

dari hukum kedua : ratarata perubahan momentum adalah proporsinal untuk gaya gaya

yang bekrja dan berada di dalam arah dimana gaya tersebut bekerja F = d(mV)/dt.

Fluida mekanik dalam persamaan ini mengambil bentuk partikular yang di mana

diambil dari hitungan partikel fluida mungkin telah tersusun. Untuk sebuah fluida

inkompersible (atau fluida yang tidak dapat di tempa penggabungan persamaan momentum

dengan memberikan jarak kerja dari persamaan dan energi, mengungkapkan sebuah bentuk

dari perlindungan dari prinsip enrgi.

1.2.3 Modul Hidrodinamika MIKE 21 DHI ENVIROMENT (HD)

Modul hidrodinamik dalam MIKE 21 HD meruapakan sistem model numerik

secara umum untuk memodelkan simulasi muka air dan aliran di estuari, teluk dan pantai.

Model ini dapat mensimulasikan aliran dua dimensi tidak langgeng di dalam fluida satu

lapisan (secara vertikal homogen) maupun dalam aliran tiga dimensi. Modul hidrodinamika

MIKE 21 (MIKE 21 HD) merupakan modul dasar dalam program MIKE 21 model aliran

(flow model). Persamaan konversi massa dan momentum dapat ditulis dalam persamaan

(DHI Software, 2007): persamaan dalam kasus 2D pada aliran perairan dangkal didapatkan

persamaan berikut yang diselesaikan dalam koordinat kartesian:

+

+

= 0

+

+

=

0

2

20

+

0

0+

1

0(

+

) +

() +

()



+

+

=

0

2

20

+

0

0+

1

0(

+

) +

() +

()

(DHI Water and Enviroment, 2012)

Dimana pada penyelesaianya mengindikasikan nilai dari kedalaman rata rata,

dimana adalah kecepatan pada kedalaman rata rata yang diberikan oleh :

=

, =

(DHI Water and Enviroment, 2012)

Penyelesaian dilaksanakan pada penerapan sistem koordinat kartesian dan sigma

pada penyelesaian 2D/3D. Diskritasi persamaan dasar menggunakan sebuah cell centered

finite volume method (Gambar 1).

Gambar 1. Ilustrasi unstructured triangular mesh dengan cell-centered Node : H, z, w,

D, s, q, q2, q2l, Am, Kh; Centroid : u, v

(Sumber : Chen et. al, 2006)

Pada penyelesaian kasus 2D elemen yang digunakan merupakan bentuk segitiga tidak

teratur, pada penyelesaian kasus 3D untuk penyelesaian horizontal menggunakan grid

segitiga tidak berstruktur dan penyelesaian vertikal mesh dibentuk sistem koordinat sigma

atau kombinasi antara kordinat sigma dengan kordinat z.



Gambar 2. Prinsip bentuk mesh pada kasus 2D/3D

(sumber : DHI Water and Enviroment, 2012)

Gambar 3. Ilustrasi perbedaan bentuk grid vertikal pada koordinat sigma dan kombinasi

koordinat sigma dan z , konfigurasi dengan koordinat sigma dapat mempresentasikan batimetri

(Sumber : DHI Water and Enviroment, 2012)

Potensi keuntungan model 3D dengan konfigurasi koordinat sigma adalah

kemampuan akurat dalam mepresentasikan batimetri dan resolusi dekat dengan dasar,

namun masih memiliki kemunkinan menghasilkan error dari aliran yang tidak riil. Pada

koordinat z kelemahanya adalah ketidak akuratan dalam merepresentasikan batimetri

namun kemudahan dalam mengkalkulasi perubahan tekanan horizontal.

Gambar 4. Konfigurasi desain pesisir pada sistem grid teratur (POM) dan sistem grid

segitiga tidak teratur (FVCOM)

(Sumber : Chen et. al, 2006)



Gambar 5. Ilustrasi perbedaan bentuk mesh pada penyelesaian numerik 2D, konfigurasi

unstructured triangular mesh dapat mempresentasikan garis pantai (Sumber : Chen et. al,

2006)

Bentuk mesh 2D juga memiliki penyelesaian dengan masing masing keuntungan

tesendiri, penggunaan unstructtured triangular mesh akan memberikan representasi garis

pantai yang lebih akurat, namun sering terjadi eror dengan timbulnya bias aliran yang tidak

rill. Hasilnya bias menjadi aplikasi batas yang tidak slip, dan masalah dengan cairan

sepanjang lereng pantai. Dengan menyelaraskan mesh masalah ini dapat diselesaikan

(Marshall, 1998)

Daerah spasial didiskritasi menjadi beberapa bagian yang kontinyu dan tidak

tumpang tindih dari masing masing elemen. Bidang horizontal unstructtured triangular

mesh terdiri dari elemen segitiga untuk integrasi waktu pada skema eksplisit. (DHI Water

and Enviroment, 2012)

Penggunaan grid teratur tidak dapat merepresentasikan bentuk garis pantai secara

akurat, namun kemudahan dalam kalkulasi dalam perhitungan. (Chen et al, 2006)



1.3 Metode Penyelesaian

1.3.1 Grid teratur

1.3.1.1 Membuat data Batimetri dengan metode Grid (RECTANGLE)

Pembuatan data batimetri merupakan tahap membuat data eksternal yang akan

digunakan sebagai inputan dasar dalam menjalankan simulasi model numerik. Dalam

membuat data batimetri, sebelumnya dipersiapkan data garis pantai (shoreline) dan data

kedalaman perairan (batimetri) dalam bentuk (.xyz). Membuat batimetri untuk inputan

simulasi model menggunakan Bathymetry Editor dalam aplikasi MIKE 21 Toolbox

(Bathymetries.batsf). Data garis pantai (shoreline) dan kedalaman perairan (batimetri)

dibuat dalam bentuk tabel informasi, sehingga memudahkan pengolahan dalam lembah

pengerjaan batimetri.

Tabel 1. Tabel Informasi Spasial Garis Pantai dan Kedalaman Perairan

Orientation Projection

System

Easting (m) Northing (m) Extent (m)

Min Max Min Max Width Height

WorkArea UTM-47 728000 864000 166000 253000 136000 87000

Tahap Pembuatan Batimetri :

1. Mendefiniskan atau menggambarkan area model yang akan disimulasikan sehingga

mencakup wilayah geografis yang semua data spasial yang relevan.

Pembuatan batimetri disarankan menggunakan Earthing/Northing sehingga lebih

mudah dalam menentukan jarak dalam meter. Jika informasi spasial domain model

dalam decimal degrees, maka harus dikonversi dalam bentuk Earthing/Northing.



Gambar 1. Menggambarkan Area Model

Gambar 2. Projection Area

2. Pada lembar pengerjaan (working area) dilanjutkan dengan memasukkan data garis

pantai (.xyz) dan data kedalaman perairan (.xyz) dengan langkah WorkArea

Background Management Import.

Gambar 3. Proses input data garis pantai (.xyz)



Gambar 4. Hasil Keluaran Garis Pantai Area Model

Gambar 5. Proses input data kedalaman perairan (.xyz)

Gambar 5. Hasil Keluaran Garis Pantai dan Kedalam Perairan Area Model

3. Membuat grid dari batimetri dengan langkah WorkArea Bathymetry management

New.



Gambar 6. Proses Pembuatan Grid Batimetri Area Model

Grid Spacing adalah luas setiap grid dalam domain model, sedangkan grid dimensions

adalah jumlah grid yang berada dalam domain model.

4. Grid batimetri Model di interpolasi dengan langkah Pick Mode Import from

Background and drag, maka tanda titik (points) akan mengalami perubahan warna,

dan pada langkah akhir tekan Import from Background sekali lagi.

Gambar 7. Perubahan Warna pada daerah yang akan di interpolasi

5. Interpolasi daerah model dengan langkah WorkArea Bathymetry Management

Interpolate



Gambar 8. Interpolasi Data Batimetri

6. Simpan file batimetri yang telah dikerjakan dengan langkah File Save (.dfs2)

Gambar 9. Hasil Batimetri Area Model



1.3.2 Triangular Unstructurred Mesh

1.3.2.1 Mesh Generator Method

Sama seperti pembuatan grid sebelumnya dengan menggunakan metode grid, file

input yang harus dipersiapkan terlebih dahulu adalah informasi terkait lokasi domain model

yang meliputi:

a. Data kedalaman (batimetri)

b. Data garis pantai (daratan)

Contoh data kedalaman dan garis pantai yang disajikan:

Gambar 1. Contoh domain Area yang akan dibuat

Gambar 2. Contoh Format Data Garis Pantai dan format data batimetri

Tahapan Pembuatan Mesh :

1. Untuk memulai membuat grid batimetri dengan Mesh Generator maka pada menu

toolbox MIKE ZERO pilih mesh Generator (.mdf)



Gambar 3. Menu toolbox pada MIKE ZERO

2. Setelah memilih mesh generator, pengaturan proyeksi area dialkukan dahulu pada

windows Workspace Projection, dengan memilih zona lokasi proyeksi yang akan

dilakukan pada domain model.

untuk menentukan zona UTM dapat menggunakan formula berikut :

= (180 +

6+ 1)

Dimana adalah nilai bujur

Gambar 4. Sistem proyeksi yang akan digunakan

3. Setelah muncul lembar kerja dari mesh generator, berikutnya dilakukan penginputan

garis pantai, dimana file garis pantai berekstensi .xyz



Gambar 5. Memasukan Garis Pantai

4. Lakukan penyesuaian proyeksi yang terdapat pada data garis pantai, lalu dilanjutkan

dengan penyesuaian kolom pada file garis pantai pada bagian column sequence

dengan menandai X, Y, Conectivity, dan Z.

Gambar 6. Boundary properties Windows

5. Dalam mendesain domain pada bagian mesh generator terdapat istilah yang harus

dipahami, Yaitu :

a. Node : Point awal ataupun akhir pada suatu garis (arc)

b. Vertex : Internal point Sepanjang sebuah garis

c. Arc : Garis yang menghubungkan node-vertex maupun vertex-vertex

d. Poligon : Bidang tertutup yang terbentuk dari arc.



Gambar 7. Daerah domain hasil proses import garis pantai

6. Jumlah arc pada domain model dapat dilihat pada bagian informasi redistribute

vertices dengan cara memilih select an arc dari menu toolbars, lalu pilih arc yang

akan dilihat jumlahnya, klik kanan pilih redistribute vertices.

Gambar 8. Identifikasi jumlah vertices pada suatu garis (Arc)

7. Besarnya jumlah vertices yang terdapat akan mempengaruhi kerapatan mesh yang

akan terbentuk, hal ini tentu akan mempengaruhi lamanya kinerja komputasi dalama

melakukan simulasi model.



Gambar 9. Informasi pada kotak dialog Arc redistribution

8. Tahapan mendesain domain model berikutnya adalah memotong arc agar yang

muncul hanya pada wilayah yang akan dimodelkan. Cara yang dilakukan adalah pilih

salah satu vertex lalu klik kanan pada mouse dan pilih vertices -> nodes. Jika ingin

melakukan pembatalan dalam memotong arc, dapat dilakukan hal yang sama dengan

memilih menu nodes -> vertices.

Gambar 10. Mengubah vertices menjadi node

9. Garis pantai yang tidak diinginkan atau tidak termasuk dalam wilayah domain model

yang akan disimulasikan dapat dihilangkan dengan cara pilih select an arc dari menu

toolbars, pilih arc yang akan dihilangkan lalu edit -> delete.



Gambar 11. Proses pemotongan arc

Gambar 12. Hasil akhir pemotongan arc pada masing masing garis pantai

10. Membuat Polygon daerah domain model, caranya yang dilakukan adalah

menghubungkan kedua arc dari masing masing ujung garis pantai, sehingga

terbentuk suatu bidang tertutup.

Dari menu toolbar pilih Draw arc, klik pada bagian node yang ingin dihubungkan

kemudian tarik garis hingga sampai pada node yang akan diubungkan, sehingga akan

terbentuk 2 arc baru seperti gambar berikut.



Gambar 13. Hasil akhir pembuatan polygon domain model dengan membuat 2 arc baru

11. Dengan cara yang sama lakukan distribusi vertices pada 2 arc yang baru terbentuk,

yang dapat diatur pada kotak dialog arc redistribution pada menu Redistribution

vertices.

Gambar 14. Hasil akhir pembuatan vertices pada arc di daerah domain model

12. Selanjutnya melakukan pendefinisian pada setiap arc yang menjadi batas domain

model, dilakukan dengan cara pilih select arc pada menubars klik kanan mouse lalu

pilih properties. Isi arc properties pada arc atribute. Pendefinisian ini dilakukan

untuk memisahkan mana yang menjadi batas laut dan mana yang menjadi batas main

land.



Gambar 15. Pendefinisian atribut pada setiap batas arc

13. Langkah selanjutnya setelah melakukan pendeskripsian atribut pada batas domain

model, dilakukan pembentukan mesh. Langkah yang dilakukan adalah sebagai

berikut pilih Mesh -> triangulate.

Gambar 16. Tahapan melakukan triangulation

14. Setelah muncul kotak dialog triangulation sesuaikan maximum element area

menyesuaikan luasan domain yang dibuat.



Gambar 17. Hasil meshing yang telah dibuat pada domain model

15. Tahapan selanjutnya adalah memasukan informasi kedalaman pada daerah domain

yang telah dibuat. Caranya sebagai berikut Data -> import scatter data, lalu pada

kotak dialog import scatter data pilih add data batimetri (.xyz) dan map projection

pilih LONG/LAT -> OK.

Gambar 18. Tahapan memasukan Batimetri

16. Tahapan selanjutnya adalah memasukan nilai data batimetri dalam masing masing

mesh. Mesh -> Interpolate.



Gambar 19. Tahapan interpolasi data Batimetri menjadi Data Mesh

Gambar 20. Hasil akhir data batimetri pada masing masing mesh

17. Tahapan terakhir melakukan exporting mesh , dengan cara Mesh -> Export mesh.

Gambar 21. Exporting mesh, dan penyimpanan mesh

18. Untuk melihat hasil yang diperoleh dapat dilakukan dengan cara membuka file yang

telah disimpan, maka tampilan akan menjadi sebagai berikut.



Gambar 22. Hasil akhir tampilan Mesh

1.4 Tugas Praktikum

Tugas praktikum adalah sebagai berikut:

a. Praktikan diwajibkan melakukan simulasi model arus dengan modul

Hidrodinamika MIKE 21 dengan metode domain Unstructurred triangular mesh

dalam skala waktu 1 piantan pasang surut.

b. Praktikan diwajibkan membuat laporan dari hasil simulasi yang dilakukan dengan

format terlampir, dan melampirkan hasil simulasi dalam bentuk CD/DVD

c. Praktikan akan dibentuk menjadi kelompok yang satu kelompok terdiri dari 3 orang.

d. Setiap kelompok praktikan akan dibedakan dalam beberapa skenario simulasi.

e. Skenario setiap kelompok akan dijelaskan pada praktikum.



1.5 Format Laporan

FORMAT LAPORAN PRAKTIKUM PEMODELAN ARUS

I.Pendahuluan

1.1 Latar Belakang

1.2 Tujuan Praktikum

II.Dasar Teori

2.1 Arus Laut

2.2 Hidrodinamika

2.3 MIKE 21

III. Metodelogi

3.1 Hasil Print Screen Pembuatan Batimetri

3.2 Hasil Print Screen Peramalan Data Pasang Surut

3.3 Hasil Print Screen Pengolahan Data Angin

3.4 Hasil Print Screen Model Set-Up Hidrodinamika

IV. Hasil dan Pembahasan

4.1 Hasil

4.1.1 Hasil Mesh

4.1.2 Hasil Running Model Kelompok dan Individu (.plc) pada High Water (HW) dan Low

Water (LW) pada kondisi pasut purnama dan pasut perbani

4.2 Pembahasan

4.2.1 Pola Arus Perairan

4.2.2 Kecepatan Arus Perairan

V. Penutup

5.1 Kesimpulan

5.2 Saran

Daftar Pustaka (min. 10 referensi buku atau jurnal ilmiah)

Lampiran

1. Hasil simulasi model (.Avi) diburn di CD-R

2. Hasil Batimetri diburn di CD-R

3. Model Control Modul Hidrodinamika dan Batimetri diburn di CD-R

modul model arus mike 21

Documents