Analisa Pengaruh Penambahan Stern Flap Pada Kapal Planing Hull Dalam Usaha Untuk Menguranggi Menguranggi Tahanan Kapal Dosen Pembimbing : Irfan Syarif Arief ST.,MT. (1969 1225 1997 02 1001) Dosen Pembimbin Pembimbing g : 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 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 Penghematan pemakaian bahan bakar dan energy pada kapal dapat dilakukan dengan cara perancangan yang tepat pada hidrodinamis dan propulsinya. Pemakaian Pemakaian bahan bakar tidak akan lepas dari dunia perkapalan. Dan disaat krisis energi saat ini, perlu adanya suatu inovasi atau usaha yang perlu dikembangkan. dikembangkan. Oleh karena itu dalam A nalisa lisa Penga Pengarr uh Pena Penam mbahan han Stern Stern F lap lap Pada Pada K apal Planing Planing H ull D alam lam Usaha Usaha penelitian “ Ana Untuk Menguranggi Tahanan Kapal” . Peneliti Peneliti berusaha untuk melakukan melakukan study ilmiah tentang penambahan stern flap yang dikatakan dapat memberi memberi pengaruh dalam mengurangi tahanan kapal berkurangnya tahanan dari kapal, diharapkan dapat menggurangi pemakaian bahan bakar sehingga dapat menjadi salah satu inovasi i novasi dalam usaha memerangi global warming. Dari hasil analisa yang telah dilakukan dil akukan 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%. 2.40%. Keyword : Marine Engginer, krisis krisis energi, stren flap, tahanan, planning hull. 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 meningkatkan efisiensi propulsi karena tingginya
biaya bahan bakar untuk operasional 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.
1
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 Length Water Line (LWL)
: 16.00 m : 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
2
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.
Savitsky’s Formula
Savitsky mengenalkan perhitungan empiris untuk gaya angkat, drag dan center of pressure coefficient. Koefisien angkat dapat dihitung dengan :
dimana
B Cv U
= lebar = koefisien kecepatan = U/( gB)0.5 = kecepatan kapal
Perhitungan diatas valid untuk 2° ≤ τ ≤ 15° dan λ 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 (α) 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.
Dan
Dimana : CL0 = lift coefficient untuk deadrise = 0° (β = 0°) CLβ = lift coefficient FL0 = lift force untuk deadrise = 0° (β = 0°) FLβ = lift force λ W = nilai rata rata permukaan basah τ = sudut trim dalam derajat β = sudut dari deadrise
Gambar 3. Gambar Lokasi Stern Flap
3
Keuntungan stern flap adalah :
dasar
pada
penambahan
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
4
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 (R T) didefinisikan sebagai gaya yang dibutuhkan kapal dengan kecepatan konstan (U). Tenaga yang dibutuhkan menggerakan kapal adalah :
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. Reynold‟s number dirumuskan dengan :
Dimana, ν : viskositas kinematis μ : viskositas r : density 2.3.2.
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 : V F
tenang 1. 2. 3. 4. 5.
(
Jenis Tahanan Kita dapat membagi tahanan pada air menjadi : Viscous water resistance Air resistance Wave resistance Spray resistance 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.
1
g
3
Dalam mekanika fluida, bilangan Reynolds adalah rasio antara gaya inersia (vsρ) terhadap gaya visk os (μ/L) yang mengkuantifikasikan hubungan kedua gaya tersebut dengan suatu kondisi aliran tertentu. Bilangan ini digunakan untuk mengidentikasikan
Gambar 5. Lapisan Batas Sepanjang Plat Datar
Rumus empiris untuk viscous water resistance :
5
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 75-150μm. Rumus empiris untuk mencari koefisien gesek kekasaran lambung (∆C F) :
] [ 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
Permukaan basah S 1 dari haluan ( x=0) sampai ketika pemukaan basah chine dimulai (x = x s ).
Permukaan basah dari x = x s sampai daerah transom dirumuskan dengan :
2.3.2.2. Air Resistance Tahanan udara dirumuskan dengan :
tanpa
adanya
angin
Dimana ρa 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 0.5 –0.7. Karena nilai ρ a hanya 1.25 kgm-3 untuk udara kering pada 10° C sedangkan nilai ρ untuk air laut pada 10°C 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.
Ini menyatakan bahwa separasi dari chine akan dimulai pada x = x s = Lk – Lc , ketika x s :
Maka
Gambar 6. Bentuk Gelombang Kapal
6
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 :
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 (R AW ) adalah akibat dari interaksi antara peristiwa gelombang dengan kapal.
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 (F n=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 :
Gambar 7. Grafik Tahanan R AW
Ketika rasio λ /L sangat besar, gerakan relative antara kapal dan air menjadi nol. Itu berarti kapal tidak menyebabkan gelombang yang tidak tetap, dan itu berarti R AW menjadi nol. 2. Pressure Resistance
Dimana nilai kecepatan spray berbanding terbalik dengan kecepatan wedge.
Dan dengan .
kecepatan
wedge
dirumuskan
Gambar 8. Bentuk Prismatic Planning Hull
Penjelasan Δ Lcg T Rv τ FLβ N
: = Berat Kapal = Longitunal center of gravity = Gaya Dorong = Viscous Resistance = Trim Angle (pada radian) = Lift Force = Gaya Normal
7
Savitsky memberikan rumus empiris dari pressure resistance (R p ) :
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 :
2.4.1.
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.
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
8
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. Simulasi Model 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.
3.2. 3.2.1.
Gambar 9. Flow Chart Skripsi
9
4. 4.1.
Analisa Data 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 (β) : 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.
mengalami mode planning. Dengan parameter yang ada maka perhitungan tahanan dapat dilakukan. Dan hasil perhitungan tahanan manual. Vs
Vs (m/s)
Rt (KN)
23 24 25 26 27 28 29 30
11.83 12.35 12.86 13.38 13.89 14.40 14.92 15.43
20.95 20.99 21.12 21.09 21.21 21.21 21.12 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.
Gambar 10. Model Kapal Planing Hull
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.
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
10
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) 23 24 25 26 27 28 29 30
Vs (m/s) 11.83 12.35 12.86 13.38 13.89 14.40 14.92 15.43
Va (m/s) 11.06 11.53 11.99 12.47 12.96 13.44 13.92 14.39
Rt (N) 20770.94 20959.92 21257.53 21398.11 21661.18 21838.15 21898.52 22194.03
Rt (KN) 20.77 20.96 21.26 21.40 21.66 21.84 21.90 22.19
4.3.
Validasi Tahanan Dari hasil ketiga cara analisa tahanan maka didapatkan nilai tahanan pada masingmasing cara . Resistance (kN) Vs (Knot) 23 24 25 26 27 28 29 30 24.00
MANUAL
HULL SPEED
ANSYS
20.95 20.99 21.12 21.09 21.21 21.21 21.12 21.25
22.14 22.41 22.64 22.83 22.99 23.15 23.30 23.47
20.77 20.96 21.26 21.40 21.66 21.84 21.90 22.19
Manual Hull speed
) N23.00 K (
ANSYS
e c n22.00 a t s i s e21.00 R
20.00 22
23
24
25
26
27
28
29
30
Knot
11
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:
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
Stern Flap #
Chord (m)
Chord (% Lpp)
Span (m)
Span (% B)
Sudut ( )
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
1 2 3 4 5 6
0.3375 0.2025 0.0675 0.3375 0.2025 0.0675
2.5 1.5 0.5 2.5 1.5 0.5
3.8 3.8 3.8 1.9 1.9 1.9
100 100 100 50 50 50
0 0 0 0 0 0
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. Rt (kN)
Bare Hull Stern Flap 1 Stern Flap 2
22.00
Stern Flap 3 Stern Flap 4 Stern Flap 5 Stern Flap 6
21.00
20.00
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Knot
4.5.1.
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
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.
12
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 2.71% @ 30 Maksimum knot
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.
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.
5.
2.
3.
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. 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.
6.
Daftar Pustaka
1.
2.
3. 4.
5.
6.
Tupper Eric, “Introduction to Naval rd Architecture”, 3 Ed, 2002, Great Britain. Eric Tupper & K.J.Rawson, Basic Ship Theory Volume 2, Ship Dynamic and Design, 5th Edn ; 2001; India Savistky, Daniel., On the Subject Of High Speed Monohull ; 2003; Athens Lord, Lindsay, Naval Architect Of Planning Hull, 3 rd Edn ; 1963 ; Maryland Faltinsen,ODD.M., Hydrodinamic Of st High-Speed Marine Vehicle, 1 Edn ; 2005 ; USA Savitsky, Daniel., Hydrodinamic Design Of Planning Hull ; 1964.
13
7.
8.
9.
Thomas C. Gillmer & Bruce Johnson, “Introduction To Naval Architecture”, 1987, Naval Institute Press. 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. 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
14
