PENGARUH BENTUK BULBOUS BOW TERHADAP HAMBATAN DAN ALIRAN FLUIDA PADA KAPAL UJI LHI-072-1 DENGAN MENGGUNAKAN SIMULASI CFD Oleh Dosen Pembimbing : : Andi Cahyo Prasetyo Tri Nugroho 1. Eko Sasmito Hadi, ST, MT. 2. Parlindungan Manik, ST, MTABSTRAK

Hambatan kapal yang kecil merupakan suatu tujuan dalam perencanaan bentuk lambung (hull form) suatu kapal. Oleh karena itu banyak penelitian dilakukan untuk medapatkan suatu desain hull form yang memiliki nilai hambatan kecil, salah satunya adalah pemasangan bulbous bow. Tugas akhir ini mengkaji pengaruh bentuk bulbous bow terhadap hambatan dan aliran fluida pada kapal uji LHI 072-1 dengan menggunakan simulasi CFD. Dari hasil studi ini akan diketahui nilai hambatan kapal dari berbagai variasi model hasil modifikasi sehingga didapatkan suatu model yang memiliki nilai hambatan yang paling kecil. Berdasarkan hasil perhitungan dan analisa dengan menggunakan metode submerged pada model dengan penambahan panjang bulb 10%, lebar 5%,dan deadrise angle 150 memiliki nilai hambatan yang paling kecil.

Kata kunci:, Kapal Uji LHI 072-1, bulbous bow, hambatan, metode submerged, CFD.

ABSTRACT Small resistance vessel is a goal in ship hull form planning. Therefore many studies done to earn a hull form design with a small resistance value, one of which is instalation of bulbous bow. This final task studying the influence of the bulbous bow toward resistance and fluid flow in the test vessel LHI072-1 using CFD simulation. From the result of this study will be known resistance value of the ship from a variety of modification so that the model result obtained a model that has the smallest value of resistance. Based on calculation and analysis using submerged method in model with addition of bulb length 10%, 5% wide, and deadrise angle 150 has the smallest resistance value. Key word : ship Test LHI072-1, bulbous bow resistance, submerged method, CFD

1.

PENDAHULUAN

Hambatan kapal pada suatu kecepatan adalah gaya fluida yang bekerja pada kapal sedemikian rupa sehingga melawan gerakan kapal tersebut. Hambatan tersebut sama dengan komponen gaya fluida yang bekerja sejajar dengan sumbu gerakan kapal (Harvald, Sv.Aa 1992). Hambatan ini merupakan faktor penting yang berpengaruh saat perancangan suatu kapal terutama penentuan bentuk lambung (hull form) dan untuk perhitungan daya mesin induk kapal, yang kemudian berpengaruh terhadap biaya operasional kapal yang berhubungan dengan konsumsi bahan bakar. Telah banyak dilakukan penelitan untuk mendapatkan desain bentuk lambung (hull form) yang efektif ditinjau dari nilai hambatan. Salah satu desain yang sekarang ini banyak digunakan pada kapal-kapal konvensional untuk mengurangi hambatan kapal adalah desain bulbous pada haluan kapal. Berbagai bentuk bulbous bow telah dikembangkan sesuai dengan bentuk penampang bagian depan kapal yaitu bentuk V dan U. Para ahli perkapalan (Taylor, Weinblum dan Wegley) menunjukkan dari teori maupun percobaan berbagai model, bahwa bulbous bow dapat mengurangi besarnya gelombang yang ditimbulkan oleh haluan kapal. Efek hidrodinamis dari pemasangan bulbous bow berdasarkan pada perubahan distribusi aliran disekitar haluan, menginterfensi gelombang yang terjadi akibat lambung kapal sehingga mengurangi keseluruhan system gelombang (Fransisco perez. Jose A suarez. Juan A Clemente 2006). Sebuah desain bulbous yang baik akan dapat menciptakan destructive wave yang dapat mengurangi keseluruhan sistem gelombang, dan mengurangi wave-making resistance dari kapal, sehingga dapat mengurangi hambatan yang ditimbulkan oleh lambung kapal. Dalam perkembangannya berbagai bentuk dan seri bulbous bow dilakukan pengujian dan penelitian mengenai karakterisriknya untuk mendapatkan bentuk yang terbaik. Metode yang sering dipakai adalah pengujian model dengan menggunakan tanki percobaan (towing tank) atau perangkat lunak yang berbasis Computational Fluid dynamics. Kemudian metode CFD terus dikembangkan mengingat metode CFD lebih murah, cepat, dan praktis dibandingkan dengan percobaan tanki.

Sekarang ini telah banyak perangkat lunak yang berbasis CFD untuk kasus-kasus bidang perkapalan. Pada umumnya dihasilkan suatu plot warna pada daerah atau area pemodelan, dimana plot tersebut menggambarkan parameter suatu pengukuran yang disediakan oleh perangkat lunak tersebut. Untuk mendapatkan hasil analisa yang benar dengan dasar CFD dibutuhkan suatu dasar pemahaman mengenai fluida khususnya dinamika fluida bagi penggunanya, tanpa dasar tersebut tidak akan didapat hasil yang valid sehingga tidak bisa dijadikan dasar dari analisa.

2.

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Bulbous Bow Penggunaan bulb pada haluan kapal akan menyebabkan pengurangan tahanan kapal tergantung dari tipe bulb, block koefisien kapal dan kecepatan kapal. Keuntungan-keuntungan dari penggunaan bulb haluan sudah diketahui sejak beberapa tahun yang lalu. Ahli-ahli perkapalan seperti Taylor, Weinblum, Wigley dan sebagainya telah menghasilkan teori maupun percobaan-percobaan model bahwa bulb haluan dapat mengurangi besarnya gelombang yang ditimbulkan oleh haluan kapal. Sehingga dengan perkataan lain kehilangan energi dalam pembentukan gelombang akan diperkecil atau tahanan kapal akan diperkecil. Pada tahun 1962 profesor Inui menyimpulkan penggunaan Bulb yang besar untuk kapal-kapal dengan blok kaefisien yang besar, berlawanan dengan pendapat sebelumnya, bahwa pengurangan tahanan gelombang yang disebabkan oleh bulb hanyalah berlaku untuk kapal-kapal dengan blok koefisien lebih kecil dari 0,7. Penemuan yang sangat mengesankan ini ialah pengurangan yang cukup besar dari tahanan oleh bulb pada kapal-kapal yang lambat untuk harga v/ L antara 0,5 0,65. Kadang kadang pengurangan dari tenaga kuda dapat mencapai 20 25% dibandingakan dengan kapal-kapal tanpa bulb.

Bulb menyebabkan pengaruh yang baik pula untuk tahanan gesek disebabkan bentuk aliran disekitar dan dibelakang bulb menjadi lebih baik. Pada tahun 1935 Wigley melakukan pehitungan-pehitungan pada profil gelombang dan menerbitkan teori dasar dari bulb haluan (bulbous bow). Pada kecepatan rendah Wigley mendapatkan bahwa tahanan total bertambah akibat tahanan gesekan dan tahanan bentuk tambahan dari bulb.

bulb dapat didasarkan pada besarnya koefisien blok, yaitu: Bulb pada kapal-kapal dengan koefisien blok yang tinggi (cb > 0,8). Bulb pada kapa-kapal dengan bentuk ramping dan cepat. Bentuk bulb yang khusus. Pada tahun 1962 Universitas Michigan telah melaksanakan serangkaian percobaan bulb dengan model kapal yang mempunyai Cb = 0,875 menunjukan suatu keuntungan terhadap EHP sebesar 4% pada full load dan 15% pada keadaan ballast. Bulb untuk kapal dengan koefisien blok yang tinggi ada beberapa macam diantaranya : Bulb Seri B (B1, B2, B3, B4)

Pada kecepatan tinggi pengurangan tahanan gelombang yang disebabkan oleh interferensi antara sistem gelombang pada haluan dan sistem gelombang pada bulb, bila letak bulb tepat sekali, adalah lebih besar daripada tahanan 2.1.1. gesekan maupun tahanan bentuk dari bulb sehingga berakibat mengurangi tahanan totalnya. Wigley mengambil kesimpulan bahwa : a. Kecepatan kapal dengan bulb yang baik antara V

L

= 0,8 sampai

dengan 1,9. b. Letak dari bulb yang terbaik adalah bila pusat bulb terletak pada haluan kapal jadi ada bagian bulb yang menonjol keluar dari haluan. c. Bulb sebaiknya diletakkan sebawah mungkin dibuat sependek mungkin dan selebar mungkin disesuakan dengan bentuk kapal pada bagian tersebut. d. Bagian atas dari bulb diusahakan tidak dekat dengan permukaan air. Walaupun wigley menyatakan bahwa bulb yang baik dari / untuk kapal-kapal cepat dengan

6,3 Lpp/200-14 Lpp/200

FP

Gambar 2.1. Bentuk bulb seri B dibandingkan dengan bentuk stem. Bulb seri ini mempunyai penonjolan dari FP sebesar : 6,3Lpp/200- 14.Lpp/200. Luas section bulb pada FP dibandingkan luas midship section berfariasi antara 10,2% - 7,8% Keuntungan dari bulb tipe ini adalah : a. Pengurangan BHP pada kondisi muatan penuh sebesar 5% b. Pengurangan BHP pada kondisi 60% displasemen sebesar 20% c. Pengurangan BHP pada kondisi 50% displasemen sebesar 25% 2.1.2. Bulb seri C (C1 sampai dengan C6) Bulb seri ini adalah berbentuk silindris dengan ujungnya berbentuk spheres atau bola seperti terlihat pada gambar 2.2. Bulb ini mempunyai luas penampang 8% dari luas midship.

V L

= 0,8-1,9, percobaan menunjukan bahwa

untuk kapal-kapal lambat dengan V

L

< 0,8

bulb masih dirasakan keuntungannya dari segi tahanan kapal. Doust menyarankan agar luas permukaan bulb tidak melebihi 5%, untuk mengurangi kerusakan karena slamming. Penyelidikan dari

Untuk C1 letak titik pusat bola pada FP. Untuk C2 letak titik pusat bola pada 1%Lpp didepan FP. Untuk C3 letak titik pusat bola pada 1,5%Lpp didepan FP. Untuk C4 letak titik pusat bola pada 2%Lpp didepan FP. Untuk C5 letak titik pusat bola pada 2,5%Lpp didepan FP. Untuk C6 letak titik pusat bola pada 3,5%Lpp didepan FP.

ujung ujung ujung ujung ujung ujung

menggunakan bulb tipe R diperoleh keuntungan EHP dari kondisi sebagai berikut : Kondisi full load memberikan keuntungan EHP sebesar 6%. Kondisi ballast (75%)displasemen, memberikan keuntungan sebesar 12%. Kondisi balast (53%)displ memberikan keuntungan sebesar 27%. 2.1.4. Bulb Maier Bulb tipe ini memberikan keuntungan tenaga kuda pada kapal-kapal dengan kondisi ballast daripada pada kondisi muatan penuh. Bulb tipe ini dapat memberikan dua keuntungan dibandingkan dengan tipe-tipe sebelumnya, yaitu :

C1

C6

Gambar 2.2. Bentuk bulbous bow tipe C1 sampai C6, penomeran didasarkan pada panjang bulb. Keuntungan dari bulb seri ini adalah : a. Pengurangan BHP pada kondisi muatan penuh sebesar 10%. b. Pengurangan BHP pada kondisi 60% displasemen sebesar 15%. Bulb seri R (R1, R2, R3) Seri ini dibuat setelah seri B dan C untuk mendapatkan keuntungan yang lebih besar untuk kapal dalam keadaan Full load. Bulb seri ini mempunyai bentuk dimana ujungnya agak dinaikan mendekati Lwl dan runcing. Keuntungan dari bulb tipe ini adalah : a. Pengurangan BHP pada kondisi muatan penuh sebesar 11,5%. b. Pada kondisi 60% displasemen untuk R2 adalah kurang baik. c. Pada kondisi 50% displasemen untuk tipe R2 adalah paling baik, walaupun sebagian muncul dipermukaan air. Dr. Ing.M.L. Acedovo telah melakukan percobaan di spanyol dengan

a. Mengurangi besarnya tahanan kapal atau tenaga kuda yang dibutuhkan oleh kapal dalam ptoporsi yang sama untuk kondisi muatanpenuh maupun kondisi ballast. b Mengurangi bahaya shock dam getarn didaerah bulb pada keadaan ombak bessar atau pada saat terjadi slamming. Bentuk bulb maier ini mempunyai lebar bulb maksimal diatas garis air muat untuk kondisi ballast.

2.1.3.

Sarat Penuhwaterline - ballast condition

T

B max

Gambar 2.3. Bentuk Bulb Maier dilihat dari pandangan samping dan depan 2.2. Hambatan Kapal Kapal yang bergerak di media air dengan kecepatan tertentu, akan mengalami gaya hambat (tahanan atau resistance) yang berlawanan dengan arah gerak kapal tersebut. Besarnya hambatan kapal sangat dipengaruhi oleh kecepatan gerak kapal (Vs), berat air yang dipindahkan oleh badan kapal yang tercelup dalam air (displacement), dan bentuk badan kapal

(hull form). Kecepatan kapal sanagt dipengaruhi oleh sistem penggerak kapal (propulsion system), sedangkan displacement dan hull form ditentukan oleh ukuran utama kapal (main dimension), perbandingan antara ukuran utama (ratio), dan koefisian bentuk kapal (hull form coefficient). Pada umumnya, ukuran utama kapal dan perbandingan antara ukuran tersebut, terdiri dari Loa (length overall), Lpp (length between perpendiculars), Lwl (length of waterline), B (beam or breadth molded of ship), Bwl (breadth of waterline), T (draught moulded), D (depth moulded of ship hull), (displacement volume), L/B (length-breadth ratio), B/T (breadth-draught ratio), dan B/D (breadth-depth ratio). Sedangkan koefisien bentuk badan kapal, antara lain Cb (block coefficient), Cm (midship area coefficient), Cw (water plan area coefficient), dan Cp (prismatic coefficient). (Fyson, 1985). Dalam merencanakan kapal, faktor umum yang memegang peranan penting adalah hambatan yang akan dialami oleh kapal pada waktu bergerak. Suatu bentuk kapal dengan hambatan kecil atau sekecil mungkin adalah menjadi tujuan perencana kapal, sebab akan berarti pemakaian tenaga kuda akan menjadi hemat dengan begitu akan menghemat penggunaan bahan bakar, berarti mesin penggerak lebih ringan sehingga menambah daya muat kapal tersebut. Hambatan total yang bekerja pada kapal dapat dibagi dalam empat komponen utama (PNA vol II), yaitu : a. Hambatan gesek (Frictional resistance) : merupakan komponen hambatan yang terkait dengan energi yang dikeluarkan akibat pengaruh viskositas fluida (akibat gesekan air terhadap badan kapal). Penyebab utama hambatan ini adalah viskositas, kecepatan kapal dan luas permukaan basah. Rumus umum dari tahanan gesek kapal adalah [I.T.T.C 1957] : R = 1/2 .CF.S.V2 Dimana : CF = koefisien gesek Tabel 2.1. nilai Cf berdasarkan ITTC 1957

S = Luas permukaan basah kapal (wetted surface area) V kapal b. Hambatan gelombang (Wave-making resistance): merupakan komponen hambatan yang terkait dengan energi yang dikeluarkan secara terus-menerus oleh kapal pada gelombang yang terbentuk pada permukaan air. Hambatan gelombang disebabkan oleh gelombang yang dihasilkan oleh gerak kapal. c. Eddy resistance : adalah komponen hambatan yang terkait dengan energi yang terbawa pergi oleh pusaran yang dihasilkan dari lambung dan anggota badan. d. Hambatan udara (Air resistance) : adalah komponen hambatan yang disebabkan oleh udara dan angin. Besarnya hambatan dipengaruhi oleh proyeksi luas penampang, bentuk kapal diatas garis air, kecepatan dan arah angin. Nilainya sekitar 4 8 % dari hambatan total. = kecepatan gerakan

Untuk Selanjutnya eddy resistance dan Wave-making resistance dapat dikelompokkan menjadi satu dan disebut sebagai hambatan sisa (residual resistance). 2.2.1. Metode Penentuan Hambatan kapal Tahanan kapal dapat diprediksikan besarnya dengan beberapa cara, yaitu melalui perhitungan secara analitik (teoritis), pengujian model fisik di tangki percobaab (eksperimen), atau dengan pensimulasian model kapal di computer (numeric). Perhitungan secara analitis memberikan bentuk persamaan eksek (matematis), tetapi tidak sema fenomena dapat diformulasikan secara matematis. Eksperimen dapat memberikan hasil yang praktis dan berakurasi tinggi, tetapi memerlukan biaya pembangunan fasilitas eksperimen yang mahal. Sedangkan pensimulasian model kapal di computer dapat memberikan hasil yang mendekati keadaan sebenarnya dengan waktu dan biaya yang jauh lebih kecil dibandingkan eksperiment, tetapi sulit dalam melakukan validasi (utama, 2008). Sejalan dengan pengembangan teknologi, metode-metode yang digunakan untuk memprediksi hambatan kapal telah berkembang pesat dari waktu ke waktu. Salah satu cara yang biasa digunakan untuk memprediksi hambatan kapal adalah menggunakan analisa dimensional dari data empiris. Pendekatan ini merupakan metode utama yang digunakan oleh semua aplikasi penghasil kecepatan/tenaga pada kapal kecil. 1. Metode Towing Tank

Gambar 2.4 peralatan towing tank Keterangan gambar : Kereta tarik Dilengkapi oleh alat yang disebut rotary encorder yang fungsinya adalah mencatat kecepatan kereta (model kapal) dan dihubungan ke komputer. Strain Gauge Alat ini berfungsi sebagai pengukur besarnya gaya (Tahanan Model : RTm) yang bekerja pada model kapal untuk kecepatan yang telah ditentukan Amplifier Amplifier berguna untuk menangkap sinyal serta memperbesar sinyal sehingga dapat dibaca. Amplifier yang digunakan adalah amplifier Strain Gauge. ADC / DAC Interface Berfungsi untuk mengubah data analog dari tranducer (strain gauge) menjadi data digital

2.3. Karakteristik Aliran Fluida 2.3.1. Definisi Fluida Fluida (fluid atau dikenal dengan istilah zalir) adalah zat (substance) yang berubah bentuk secara terus menerus bila terkena tegangan geser (shear stress), betapapun kicilnya tegangan geser itu. Gaya geser adalah komponen gaya yang menyinggung permukaan dan gaya ini dibagi dengan luas permukaan tersebut adalah gaya geser rata-rata pada permukaan itu. Tegangan geser pada suatu titik adalah nilai batas

perbandingan gaya geser terhadap luas dengan berkurangnya luas hingga menjadi titik tersebut.y U b b' c c' u t y a d X F

Gambar 2.5. Fluida yang ditempatkan pada dua pelat sejajar Dalam gambar .. suatu zat ditempatkan diantara dua buah pelat sejajar dengan jarak antara yang kecil dengan dan sedemikian luasnya sehingga keadaan pada tepi-tepi pelat diabaikan. Pelat bawah terpasang tetap, dan suatu gaya F diterapkan pada pelat atas, yang mengerahkan tegangan geser F/A pada zat apapun yang terdapat diantara pelat-pelat itu. A adalah luas pelat atas. Bila gaya F menyebabkan pelat atas bergerak dengan suatu kecepatan (bukan nol) yang stedi (ajeg), betapapun kecilnya F, maka kita dapat menyimpulkan bahwa zat antara kedua pelat tersebut adalah suatu fluida. Fluida yang langsung bersentuhan dengan suatu batas benda padat mempunyai kecepatan yang sama dengan batas itu; yakni, pada batas yang tidak tedapat gelinciran. Hal ini adalah kenyataan eksperimental yang telah dikaji dalam percobaanpercobaan yang tidak tehitung jumlahnya dengan menggunakan berbagai jenis fluida dan bahan pembatas. Fluida didalam luas abcd menglir ke posisi baru abcd dengan setiap pertikel fuida mengalir sejajar terhadap pelat dan kecepatan u berubah secara seragam dari nol pada pelat diam sampai u pada pelat atas. Percobaan-percobaan menunjukkan bahwa, dengan besaran-besaran lainya dipertahankan konstan , F berbanding lurus dengan A serta dengan U dan berbanding terbalik dengan tebal t. dalam bentuk persamaan :

Perbandingan U/t adalah kecepatan sudut garis ab, atau laju perubahan bentuk sudut fluida yaitu laju berkurangnya sudut bad. Kecepatan sudut tersebut juga ditulis du/dy menyatakan perubahan kecepatan dibagi dengan jarak sepanjang mana perubahan tersebut terjadi. Namun du/dy adalah lebih umum, karena berlaku untuk situasi-situasi dimana kecepatan sudut serta tegangan geser berubah dengan y. Gradien kecepatan du/dy juga dapat dibayangkan sebagai laju sebuah lapisan yang bergerak relatif terhadap lapisan yang berdekatan. Dalam bentuk deferensial : (2.3.) Adalah hubungan antara tegangan geser dengan laju perubahan bentuk sudut untuk aliran fluida satu dimensi. Factor keseimbangan disebut viskositas fluida. Viskositas adalah sifat fluida yang mendasari diberikannya tahanan terhadap tahanan geser oleh fluida tersebut. Viskositas pada definisi diatas disebut juga viskositas mutlak. Hokum viskositas newton menyarankan bahwa untuk laju perubahan bentuk sudut fluida yang tertentu maka tegangan geser berbanding lurus dengan viskositas. Viskositas gas meningkat dengan naiknya suhu tetapi viskostas cairan berkurang dengan naiknya suhu. Perbedaan dalam kecenderungan terhadap suhu tersebut dapat diterangkan dengan menyiamak penyebab-penyebab viskositas. Tahanan suatu fluida terhadap tegangan geser tergantung pada kohesinya dan pada laju perpindahan momentum molekulernya. Cairan dengan molekul-molekul yang jauh lebih rapat dari gas, mempunyai gaya-gaya Dimensi viskositas ditentukan dari hokum newton. Penyelesaian untuk viskositas adalah :

..(2.1.) Disini adalah factor keseimbangan dan pengaruh fluida yang bersangkutan tercakup didalamnya. Jika tegangan geser maka : (2.2.)

(2.4.) Dan pemasukan dimensi-dimensi F L-2T umtuk gaya, panajang, dan waktu,

Menunjukkan bahwa mempunyai dimensi FL2 T. dengan dimensi gaya yang dinyatakan dalam dimensi massa dengan menggunakan hokum newton yang kedua tentang gerakan, maka dimensi viskositas dapat dinyatakan sebagai Satuan viskositas SI, newton seko per meter kuadrat (N.s/m2) atau kilogram per meter sekon (kg/ms) tidak mempunyai nama. Satuan Viskositas USC, (juga tanpa nama), adalah 1 lb.s/ft2 atau slug/ft.s. satuan yang lazim dalam satuan cgs, yang dinamakan poise (P), adalah 1 dyn.s/cm3 atau 1 gr/cm.s. Viskositas kinematik merupakan perbandingan viskositas terhadap kerapatan massa. (2.5.) Viskositas kinematik muncul dalam banyak penerapan, misalnya dalam bilangan Reynolds yang tanpa dimensi untuk gerakan suatu benda melalui fluida. Dimensi untuk viskositas kinematik adalah L-2T-1. Satuan SI untuk viskositas kinematik adalah 1 m2/s, dan satuan USC-nya adalah 1 ft2/s. satuan cgs-nya dinamakan stoke (St), adalah 1 cm2/s. Fluida ideal merupakan fluida dimana dalam pergerakannya tanpa gesekan serta tak mampu mampat. Asumsi fluida ideal sangat membantu dalam analisa terhadap situasi aliran yang menyangkut fluida yang amat meluas, seperti dalam hal gerakan pesawat terbang atau kapal selam. Fluida tanpa gesekan adalah tak viskos (non-viscous), dan proses aliran mampu balik (reversible). Lapisan fluida yang terdapat langsung di sekitar suatu batas aliran nyata serta kecepatannya relative terhadap batas tersebut terpengaruh terhadap tegangan geser viskos disebut lapisan batas (boundary layer). Lapisan batas ini dapat laminar atau turbulent, yang pada umumnya tergantung pada panjangnya, viskositas, kecepatan aliran disekitarnya dan kekasaran batas. Aliran adiabatik adalah aliran fluida tanpa terjadinya perpindahan pepindahan panas ke atas

dari fluida. Aliran adiabatic tanpa gesekan disebut aliran isentropic. Aliran stedi terjadi bila di titik manapun didalam fluida tidak berubah terhadap waktu. Hal ini , dengan ruang dapat dinyatakan sebagai ( koardinat-koordinat x, y, z titik tersebut) ditahan konstan. Demikian pula dalam aliran stedi (ajeg), tidak terdapat perubahan kerapatan tekanan p atau suhu T dengan waktu di titik manapun, jadi :

..(2.6.) Dalam aliran turbulen, dikarenakan oleh gerakan yang tidak teratur dari partikel-partikel fluida, selalu terdapat fluktuasi-fluktuasi kecil yang terjadi disetiap titik. Definisi aliran stedi harus dibuat umum (digeneralisasikan) guna menampung fluktuasi-fluktuasi ini. Bila kecepatan rata-rata temporal (terhadap waktu) ..(2.7.) Penggeneralisasian yang sama berlaku untuk kerapatan, tekanan, suhu, dan sebagainya, bila besaran-besaran itu dimasukkan untuk v ke dalam rumus diatas. Aliran tak stedi bila kondisi di titik manapun berubah terhadap waktu . Air yang dipompakan melalui suatu system yang tetap dengan laju konstan merupakan contoh aliran stedi. Air yang dipompakan melalui suatu system yang tetap dengan laju yang meningkat merupakan contoh aliran tak stedi (tak ajeg) Aliran seragam terjadi bila disetiap titik vector kecepatan adalah sama secara identik (dalam besar dan arahnya) untuk setiap saat tertentu. Dalam bentuk persamaan , dimana waktu ditahan konstan dan s adalah perpindahan dalam arah manapun. Persamaan tersebut menyatakan bahwa tidak terdapat perubahan vector kecepatan dalam arah manapun diseluruh fluida pada saat manapun. Rotasi suatu partikel fuida pada suatu sumbu tertentu, misalnya sumbu z, berdefinisi kecepatan

sudut rata-rata dua buah elemen garis kecil takhingga pada partikel tersebut yang tegak lurus satu sama lain serta terhadap sumbu yang telah ditetapkan itu. Jika partikel-partikel fluida di dalam suatu daerah mempunyai rotasi seputar suatu sumbu, alirannya disebut aliran rotational atau aliran vortek. Jika fluida didalam suatu daerah tidak mempunyai rotasi, alirannya dinmakan aliran tak rotasional. 2.3.2. Aliran Turbulen Dalam aliran ini partikel-partikel (massa molar yang kecil) fluida bergerak dalam lintasan yang sangat tidak teratur, dengan mengakibatkan prtukaran momentum dari satu bagian fluida ke bagian lainnya dengan cara yang agak menyerupai perpindahan momentum molecular tetapi dalam skala yang lebih besar. Dalam situasi aliran seperti ini dapat membangkitkan tegangan yang lebih besar diseluruh fluida dan mengakibatkan lebih banyak ketidakmampubalikan (irreversibilitas) atau kerugian. Untuk aliran turbulen kita dapat menulis persamaan yang bentuknya serupa dengan hukum Newton tentang viskositas .(2.8.) Dalam banyak situasi aliran dalam praktek, viskositas maupun turbulensi berhubungan dengan tegangan geser .(2.9.) 2.3.3. Aliran Laminar Pada aliran ini partikel-partikel fluida bergerak sepanjang lintasan-lintasan yang halus serta lancar dalam lamina-lamina, atau lapisan-lapisan, dengan satu lapisan meluncur secara mulus pada lapisan yang bersebelahan. 2.3.4. Lapisan Batas (boundary layer) Pada tahun 1904 Prandtl mengembangkan pengertian lapisan batas. Pengertian ini menjadi penghubung yang penting antara aliran fluidaideal dengan aliran fluida nyata. Bagi fluida yang mempunyai viskositas yang relatif kecil, akibatakibat gesekan dalam terasa hanya didalam suatu daerah yang sempit disekitar batas fluida. Dari hipotesa ini, aliran diluar daerahsempit didekat

batas padat tersebut dapat dipandang sebagai aliran ideal atau aliran potensial. Huunganhubungan didalam daerah lapisan batas dapat dihitung dari perssamaan-persamaan umum untuk fluida viskos, tetapi penggunaan persamaan momentum memungkinkan dikembangkannya persamaan-persamaan pendekatan untuk pertumbuhan lapisan batas dan hambatan. Gambaran tentang lapisan batas yaitu bila gerakan dimulai didalam fluida yang mempunyai viskositas yang sangat kecil, alirannya pada saatsaat pertama pda hakekatnya tak rotasional. Karena fluida pada batas mempunyai kecepatan nol relative terhadap batas, maka terdapat gradient keceptan yang curam dari batas ke aliran. Dalam fluida nyata gradient kecepatan ini membangkitkan gaya geser didekat batas yang memperkecil aliran relative terhadap batas. Lapisan fluida yang kecepatannya terpengaruh oleh tegangan geser batas tersebut disebut lapisan batas (boundary layer). Kecepatan didalam lapisan batas mendekati kecepatan didalam aliran utama secara asimtomik. Lapisan batas pada ujung hulu suatu benda yang mengikuti garis aliran serta dalam keadaan tidak bergerak didalam aliran yang sedianya seragam adalah amat tipis. Dengan bergeraknya lapisan ini sepanjang benda tersebut, aksi tegangan geser yang terus menerus cenderung memperlambat llebihbanyak partikel-partikel fluida, sehingga menyebabkan bertambah tebalnya lapisan batas bersama jarak dari titik hulu tersebut. Fluida didalam lapidan tersebut juga mengalami gradient tekanan, yang ditentukan dari aliran potensial yang memperbesar momentum bila tekanan meningkat dalam arah ke hilir (gradien tekanan yang tidak menguntungkan). Aliran diluar lapisan batas juga dapat membawa momentum kedalam lapisan. Untuk batas hulu yang licin , lapisan batas dimulai dengan lapisan batas laminar dengan partikel-partikel fluida yang bergerak dalam lapisan-lapisan licin. Dengan bertambahnya tebal lapisan batas laminar, lapisan batas menjadi tidak stabil dan akhirnya berubah menjadi lapisan batas turbulen dengan partikel-partikel fluida yang bergerak dalam lintasan-lintasan tak teratur, walaupun kecepatan partikel-partikel tersebut

telah berkurang akibat aksi viskos pada batas. Bila lapisan batas telah menjadi turbulen, masih terdapat lapisan yang sangat tipis langsung dekat dengan batas yang mempunyai gerakan laminar, namanya lapisan bawah laminar. Telah disarankan berbagai definisi tebal lapisan batas definisi yang paling mendasar menunjuk perpindahan aliran utama yang sisebabkan oleh melambatnya partikel-partikel fluida didalam daerah batas. Tebal 1 ini, atau yang disebut tebal perpindahan dinyatakan oleh :

meninggalkan volume kendali pada permukaan atasnya. Persamaan untuk arah x adalah :

(2.11) Persamaan ini akan diterapkan pada ikhwal aliran stedi takmampumampat. Satu-satunya gaya yang bekerja adalah disebabkan oleh hambatan atau tegangan geser pada pelat, karena tekanan seputar keliling volume kendali adalah konstan. Untuk lebar pelat satuan tegak lurus terhadap kertas. Hambatan =

.(2..10) Dengan nilai y tempat u = U dalam aliran yang tak terganggu. Dalam gambar 2.5 garis y = 1 digambar sedemikian rupa sehingga luas-luas yang diarsir sama besar. Jarak ini sendiri bukanlah jarak yang sangat terpengaruh oleh batas tetapi adalah jarak sebanyak mana aliran utama harus digeser menjauh dari batas. Memang daerah yang disebutkan terdahulu sering diambil sebagai 31. Definisi yang lain, yang dinyatakan dengan gambar 2.5 adalh jarak ke titik dimana u/U = 0,99.

Suku pertama diruas kanan persamaan adalah fluks- keluar momentum x dari CD, dan suku yang kedua adalah fluks-masuk momentum x melalui AB dan CD, yang berdasarkan kontinuitas harus tepat sama dengan fluks keluar volume mulalui BC. Dengan menggabungkan integral-integral didapat : Hambatan = (2.12) Hambatan D(x) terhadap pelat adalah dalam arah yang berlawanan, sehingga D(x) = (2.13)

U

u U

= 0.99

1

(a)

(b)

Gambar lapisan batas

2.6

Definisi-definisi

tebal

Hambatan terhadap pelat juga dapat dinyatakan sebagai integral tegangan geser sepanjang pelat akan diperoleh : D(x) = .(2.14) Dengan mempersamakan kedua rumus terakhir dan kemudian mendiferensiasi terhadap x didapat :

2.3.5. Persamaan Momentum Yang Diterapkan Pada Lapisan Batas Dengan mengikuti metode Von Karman asas momentum dapat diterapkan secara langsung pada lapisan batas dalam aliran stedi sepanjang pelat datar (rata). Kita memilih volume kendali yang melingkupi fluida diatas pelat, sebagaimana ditunjukkan sejauh jarak h yang sedemikian besarnya sehingga kecepatan dalam arah x tidak terganggu, meskipun terjadi aliran yang

.(2.15) Yang merupakan persamaan momentum untuk aliran suatu dimensi sepanjang pelat datar.

Perhitungan pertumbuhan lapisan batas, pada umumnya adalah rumit dan memerlukan penggarapan matematik lanjut. Ikhwal aliran sejajar yang laminar atau turbulen sepanjang pelat datar dapat dikerjakan secara pendekatan dengan mempergunakan metode-metode momentum yagn tidak memberikan rincian tentang distribusi kecepatan. Dapat ditunjukan bahwa hasilnya sesuai secara berdekatan dengan hasil yang lebih eksak yang diperoleh dari persamaan-persamaan diferensial umum bagi aliran viskos. Untuk distribusi yang diasumsikan yang memenuhi syarat-syarat batas u = 0, y = o dan u = U, y = , tebal lapisan batas maupun tegangan geser pada batas dapat ditentukan. Distribusi kecepatan diasumsikan mempunyai bentuk yang sama pada tiap nilai x,

Dengan mempersamakan kedua rumus untuk kita memperoleh :

Dan pengaturan ulang menghasilkan :

Karena dalam persamaan ini merupakan fungsi x saja. Integrasi menghasilkan

Jika untuk x = 0, maka konstanta integrasi adalah nol. Dengan menyelesaikan untuk y/x kita akan mendapat

Bila tidak diketahui. 2.3.6. Lapisan Batas Laminar Untuk lapisan batas laminar mengasumsilkan bahwa : 0 y y yang memenuhi syarat-syarat batas. Persamaan 2.15 dapat ditulis ulang : Pradtl

(2.17) Dengan Rx = Ux/v sebagai bilangan Reynold yang didasarkan pada jarak x dari tepi depan pelat. Persamaan untuk tebal lapisan batas dalam aliran laminar ini menunjukkan bahwa meningkat sebanding dengan akar pangkat dua jarak dari tepi depan. Dengan memasukan harga kedalam persamaan 2.17 kita mendapatkan

dan F = 1

(2.16) Dan

..(2.18) Tagangan geser berbanding terbalik dengan akar pangkat dua x dan sebanding dengan kecepatan yang dipangkatkan tiga per dua. Hambatan terhadap satu sisi pelat yang mempinyai lebar satuan adalah : Hambatan =

ada batas 2.4 Software Computational Fluid Dynamics Arti dari software ini adalah suatu teknologi komputasi yang memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat-

zat yang mengalir. Dengan software dapat mensimulasikan aliran aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia dan interaksi fluida dengan stuktur hanya dengan permodelan di computer. 2.4.1 Persamaan Dasar Dinamika CFD Pada dasarnya semua jenis CFD menggunakan persamaan dasar (governing equation) dinamika fluida yaitu persamaan kontinuitas, momentum dan energi. Persamaan-persamaan ini merupakan pernyataan matematis untuk tiga prinsip dasar fisika : 1. Hukum Kekekalan Massa (The Conservation of Mass) 2. Hukum Kedua Newton (Newtons Second Law of Motion) 3. Hukum kekekalan Energi Untuk mendapatkan persamaan dasar gerak fluida, filosofi berikut selalu diikuti : a. Memilih prinsip fisika dasar dari hukum hukum fisika ( Hukum Kekekalan Massa, Hukum Kedua Newton, Hukum Kekekalan Energi ). b. Menerapkan prinsip-prinsip fisika di dalam model aliran. Dari penerapan, diuraikan persamaan matematis yang meliputi prinsip-prinsip fisika dasar.

Metodologi pengerjaan tugas akhir ini secara garis besar dibagi menjadi dua tahap utama, yaitu analisa geometri dan analisa software. Untuk analisa geometri diawali dari studi literatur yang diperoleh dari data yang didapat dari referensi berupa buku sebagai acuan untuk konsep desain. Setelah tahap pertama selesai dilanjutkan ketahap kedua yaitu analisa software, pada tahap ini diawali dengan pembuatan model kapal, dan bila syaratnya sudah memenuhi kemudian dilakukan tahap analisa dengan software. 2.4.2 Teori Dinamika Fluida Adapun beberapa keuntungan yang diperoleh dengan menggunakan software antara lain : Meminimumkan waktu dan biaya dalam mendesain suatu produk, bila proses desain tersebut dilakukan dengan uji eksperimen dengan akurasi tinggi.

Memiliki kemampuan system studi yang dapat mengendalikan percobaan yang sulit atau tidak mungkin dilakukan melalui eksperimen. Memiliki kemampuan untuk studi dibawah kondisi berbahaya pada saat atau sesudah melewati titik kritis (termasuk studi keselamatan dan scenario kecelakaan). Keakuratannya akan selalu dikontrol dalam proses desain. Aplikasi dari software untuk penyelesaian masalah aliran pada kapal telah mengalami kemajuan cukup pesat pada akhir akhir ini. Bahkan pada saat ini teknik software merupakan bagian dari proses desain dalam diagram spiral perencanaan. Dengan software memungkinkan untuk memprediksi fenomena aliran fluida yang jauh lebih kompleks dengan berbagai tingkat akurasi. Dalam desain kerjanya, problem yang ada perlu dideskripsikan kedalam software dengan menggambarkan model yang akan dianalisa, sifat sifat fluida yang ada disekitar model dan juga penentuan kondisi batasnya. Selanjutnya dalam solver problem yang ada akan dihitung. Dari hasil perhitungan kemudian didapatkan hasil output dari running program. Computational Fluid Dynamics merupakan analisa sistem yang mencakup aliran fluida, perpindahan panas, dan fenomena yang terkait. Seperti reaksi kimia dengan menggunakan simulasi berbasis komputer (numeric). Teknik ini sangat berguna dan dapat diaplikasikan pada bidang industri dan non-industri. Code sofware terstruktur atas logaritma numeric, sehingga dapat digunakan untuk menyelesaikan problem pada suatu aliran fluida.

Code Computational Fluid Dynamics disini terdiri atas tiga element utama yakni : a. Pre Processor b. Solver Manager c. Post Processor (Visualise)

Pre Processor (CFX Build) Pada tahap awal pemrograman ini terdiri dari input masalah aliran untuk sofware melalui interface kemudian mengubahnya menjadi bentuk yang sesuai dengan format yang dikehendaki oleh bagian solver. Pada tahap ini perlu dilakukan input permasalahan sesuai dengan aturan pada software meliputi : a. Membentuk geometri benda dan daerah sekeliling benda sebagai domain komputasi b. Membentuk Grid Generation atau membagi domain yang telah ditentukan menjadi bagian yang lebih kecil (subdomain) c. Penentuan fenomena fisika dan kimia dari model d. Penentuan sifat-sifat fluida,seperti pendefinisian harga densitas, kekentalan, suhu fluida dan lain-lain e. Penentuan kondisi batas model geometri, lokasi pembuatan kondisi batas harus ditentukan baik pada daerah disekeliling benda maupun pada aliran yang diperhitungkan f. Penentuan besar kecilnya atau kekasaran Grid (Mesh) Analisa masalah aliran yang berupa kecepatan, tekanan atau temperatur didefinisikan sebagai suatu daerah yang berupa simpul-simpul tiap cell. Jumlah cell dalam grid (mesh) menentukan akurasi penyelesaian sofware. Pada umumnya semakin banyak cell semakin akurasi penyelesaianya. Daerah yang memiliki perubahan bentuk yang sangat tajam,biasanya proses meshing dilakukan dengan sangat halus, sedang untuk daerah yang lain dilakukan agak kasar. Solver (Penyelesaian Perhitungan) Solver dapat dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu finite difference, finite element dan finite volume. Secara umum metode numerik solver tersebut terdiri dari langkah-langkah sebagai berikut :

a. Perkiraan variabel yang tidak diketahui dengan menggunakan fungsi sederhana b. Diskretisasi dengan substitusi perkiraan-perkiraan tersebut dengan persamaan persamaan aliran yang berlaku dan berbagai manipulasi matematika c. Penyelesaian dari persamaan aljabar Metode finite volume adalah pengembngan khusus dari formulasi finite difference. Finite volume digunakan pada berbagai code CFD komersil seperti : PHOENICS, CFX, FLUENT, NUMECA, FLOW3D dan STARCD. Boundary Condition Inlet adalah input aliran fluida path kondisi normal tanpa adanya fenomena yang terjadi. Massa dan Momentum Momentum yang terjadi pada aliran fluida yang dipengaruhi oleh massa dan kecepaan dengan vector kecepatan U, V dan W. arah yang diambil dalam perlakuan terhadap boundary adalah arah normal terhadap domain. Komponen kecepatan aliran (Cartisien Velocity Vector) adalah dengan resultant: U inlet = U specj + V speci + W speck Tekanan Total tekanan Total, Ptot, untuk fluida didefinisikan sebagai Ptot = P stat Kecepatan Laju Aliran Massa Batas laju aliran massa, ditentukan sepanjang arah komponen, dimana influx massa dihitung menggunakan rumus : U = m/ dAs

Boundary Condition Outlet Kecepatan outlet Komponen kecepatan outlet boundary adalah komponen cartisian velocity U outlet = U speci + V specj + W speck Tekanan outlet fluida

Tekanan outlet fluida adalah tekanan static inlet ditambah perubahan tekanan yang terjadi P = P stat + 1/2 U2tot

Boundary Condition Wall Tekanan Statis rata-rata Walk Relativ Static Presure adalah Pav = PdA A PdA Mass Flow Rate Out Distribusi massa di daerah wall ditentukan oleh aliran berat massa Heat Transfer Perpindahan panas di tentukan adiabatic pada Wall boundary kapal karena pengaruh energi panas yang begitu kecil terhadap nilai lift sehingga. Q =0wall

Post Processor Step ini akan ditampilkan hasil perhitungan yang telah dilakukan pada tahap sebelumya, hasil perhitungan dapat dilihat berupa data numerik dan data visualise aliran fluida pada model. Data numeric yang diambil adalah data nilai variable sifat fluida, data sifat fluida yang dapat di ambil adalah sebagai berikut: a) Densiti b) Kekentalan densiti c) Eddy Viscosity d) Koefisien perpindahan panas e) Nilai dari mach f) Tekanan g) Tekanan Gradient h) Shear Strain rate i) Specific Capacity Heat Transfer Rate j) Entalpi statis k) Suhu l) Termal Conductivity m) Total entalpi n) Total suhu o) Total tekanan p) Turbulen energi kinetik q) Kecepatan r) Wall Heat flux s) Gaya sesek t) Yplus

u) Koordinat Data numeric yang dapat di tampilkan oleh post processor adalah sebagai berikut: Data export Quantitativ Calculation Dan data visualisasi model yang bisa ditampilkan oleh post processor adalah sebagai berikut: Gambar geometri model Gambar surface sifat fluida Animasi aliran fluida Tampilan vector kecepatan Gerakan rotasi, translasi dan penyekalaan Arah aliran fluida Hardcopy output Dalam proses set-up dan running simulasi ada tahapan identifikasi dan formulasi permasalahan aliran dengan pertimbangan fenomena fisika dan kimia. Pemahaman yang cukup baik diperlukan dalam menyelesaikan algoritma penyelesaian numerik. Ada 3 konsep matematika yang digunakan dalam menentukan berhasil atau tidaknya alogaritma (AEA Technology, 1996) yaitu : 1. Konvergensi, yaitu property metode numerik untuk menghasilkan penyelesaian eksakta sebagai grid spacing, ukuran control volume atau ukuran elemen dikurangi mendekati nol. Konvergensi biasanya sulit untuk didapatkan secara teoritis. Untuk kondisi lapangan kesamaan Lax yang menyatakan bahwa untuk permasalahan linear memerlukan konvergensi. 2. Konsistensi, yaitu urutan numerik untuk menghasilkan system persamaan aljabar yang dapat diperlihatkan sama (equivalen) dengan persamaan pengendali sebagai jarak grid mendekati nol. 3. Stabilitas, yaitu penggunaan factor kesalahan sebagai indikasi metode numerik. Jika sebuah teknik tidak stabil dalam setiap kesalahan pembuatan path data awal maka dapat menyebabkan terjadinya osilasi atau devergensi. CFD memberikan hasil fisik yang realistik dengan akurasi yang baik path simulasi dengan grid yang berhingga. Ada tiga sifat

perhitungan finite volume, yaitu conservativeness, Boundedness, dan Transportiveness. Ketiganya didesain menjadi bagian berhingga yang dapat menunjukkan keberhasilan simulasi CFD. Disamping itu ketiganya umumnya digunakan sebagai alternative untuk konsep matematika yang akurat. Skema numerik memiliki sifat conservativeness yang dapat mempertahankan kekekalan sifat-sifat fluida secara global untuk seluruh domain penyelesaian. Pendekatan volume hingga dapat menjamin tetap berlangsungnya kekentalan property fluida CFD untuk tiap control volume. Proses aliran terdiri dan dua, yaitu konveksi dan difusi. Keduanya dapat dihitung pengaruh arahnya dengan bagian finite volume, yaitu transportiveness. Sedangkan boundedness dapat mempertahankan kestabilan suatu metode numeric.

Konvergensi menunjukkan error apabila selama proses literasi grafik yang terjadi naik turun dan cenderung datar, tidak mengalami penurunan.

Grafik 2.2 Convergensi dan proses iterasi yang terlalu cepat Konvergensi menunjukkan premature apabila literasi berhenti sebelum waktu yang telah ditentukan.

Proses Validasi (AEA Technology, 1996) Proses perhitungan dengan pendekatan CFD dilakukan dengan beberapa tahap validasi, yaitu: 1. Convergence Pada tahap ini proses iterasi perhitungan akan selalu dikontrol dengan persamaan pengendali. Jika hasil perhitungan belum sesuai dengan tingkat kesalahan yang ditentukan, maka komputasi akan terus berjalan. Berikut adalah beberapa grafik RMS yang menunjukan Convergensi proses iterasi.

Grafik 2.3 Convergensi yang normal. Konvergensi yang normal terjadi apabila pada grafik, literasi yang terjadi cenderung turun dan berhenti setelah waktu yang ditentukan. 2. Grid Independence Besamya jumlah cell yang kita gunakan dalam perhitungan akan menentukan keakuratan hasil yang didapat karena jumlah cell juga dapat mempengaruhi perubahan bentuk geometri pada saat dilakukan defineite. Tetapi tidak selamanya dengan jumlah cell yang banyak akan menambah keakuratan hasil perhitungan. Dengan demikian pengguna dituntut untuk dapat menentukan jumlah cell yang optimum, agar waktu dan memori komputer yang terpakai tidak terlalu besar.

Grafik 2.1 Convergensi dan proses iterasi error,

3. PENGOLAHAN DATA & ANALISA 3.1. Penggambaran Badan Kapal Oleh karena kapal yang diteliti memiliki data lines plan maka tidak diperlukan pengukuran badan kapal, sehingga model kapal langsung dapat digambar dengan paket program maxurf . Langkah pertama adalah pembuatan penanda (marker) dengan koordinat kartesian (x,y,z) sesuai dengan data tabel offset pada gambar lines plan kapal, hal ini dilakukan untuk mempermudah pembuatan control poin dan koreksi bentuk hull form kapal sesuai dengan data aslinya. Hasil pemodelan di maxurf ditunjukkan pada gambar 4.1

Gambar 4.2 menunjukkan gambar lines plan tiga dimensi kapal, berupa potongan tiap station, dari kurva station inilah kemudian dihubungkan sehingga membentuk sebuah surface yang solid seperti terlihat pada gambar 4.3.

Gambar 4.3. Hasil penggambaran badan kapal dengan ANSYS ICEM CFD 3.2 Perhitungan Dan Analisis Badan Kapal Pada Kondisi Aktual 3.2.1 Perhitungan Hidrostatik Kapal Kondisi Aktual Setelah proses penggambaran kapal selesai maka dilakukan analisa hidrostatik kapal pada kondisi aktual untuk memperoleh model kapal yang valid berdasarkan data yang diperoleh dari Laboratorium Hirodinamika Indonesia. Hasil analisa hidrostatik dapal ditunjukkan pada tabel 4.5 Tabel 4.1. Hasil perhitungan hidrostatik kapal kondisi aktual

Gambar 4.1. Hasil penggambaran badan kapal di maxurf Untuk dapat dimodelkan dengan menggunakan ANSYS ICEM CFD maka gambar yang dihasilkan oleh Maxurf perlu di-export terlebih dahulu menjadi file berextension DXF, berupa lines plan-nya saja. Lines plan inilah yang nantinya di-import oleh ANSYS ICEM CFD untuk diolah lebih lanjut menjadi sebuah badan kapal

Gambar 4.2. Import ANSYS ICEM CFD dari maxurf (file dxf)

Setelah dibandingkan atara tabel 4.5 dengan data dari LHI dapat dikatakan bahwa model sudah mendekati kondisi sebenarya (VALID). 4.2.2.2 Perhitungan Hambatan Kapal Kondisi Aktual Untuk proses perhitungan hambatan kapal menggunakan Hullspeed, dengan input kecepatan kapal (Vs) = 6 14 knot tanpa menghitung daya mesin induk (main engine) maka besarnya hambatan total RT untuk beberapa metode ditunjukkan pada table 4.2. Tabel 4.2. Hasil perhitungan hambatan kapal di Hullspeed kondisi aktual

Penambahan panjang bulbous - P1 = penambahan panjang bulbous 10% - P2 = penambahan panjang bulbous 20% - P3 = penambahan panjang bulbous 30% 2 Penambahan lebar bulbous - L1 = penambahan lebar bulbous 5% - L2 = penambahan lebar bulbous 10% - L3 = penambahan lebar bulbous 15% 3 Penambahan sudut kenaikan bulbous (deadrise angle). - S1 = penambahan sudut 50 - S2 = penambahan sudut 100 - S3 = penambahan sudut 150 Dari masing masing variasi diatas di kombinasikan sehingga menghasilkan 27 kondisi modifikasi, kemudian semua model dianalisa hambatannya di hullspeed dengan menggunakan metode Van oortmeersen. Hasi analisa di fokuskan pada kecepatan dinas kapal yaitu 12,5 knot dan hasilnya ditunjukkan pada tabel 4.2. Table 4.3. Hasil running hambatan kapal di hullspeed pada kecepaan dinas 12,5 knot

1

Dari hasil running di hullspeed pada tabel 4.2 menunjukkan bahwa metode yang paling mendekati adalah metode Van Oortmeersen sehingga untuk selanjutnya yang menjadi acuan perhitungan hambatan untuk kondisi modifikasi adalah metode Van Oortmeersen. 3.3. Perhitungan Kondisi Modifikasi Hambatan Kapal

NO

Speed 12.5 knot KONDISI P1,L1,S1 KONDISI P1,L2,S1 KONDISI P1,L3,S1 KONDISI P2,L1,S1 KONDISI P2,L2,S1 KONDISI P2,L3,S1 KONDISI P3,L1,S1 KONDISI P3,L2,S1 KONDISI P3,L3,S1 KONDISI P1,L1,S2

RESUME Van Oortmeersen NO Resistance (kN) 70.37 70.45 70.52 71.06 71.13 71.21 70.97 71.03 71.09 70.28 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Speed 12.5 knot KONDISI P2,L3,S2 KONDISI P3,L1,S2 KONDISI P3,L2,S2 KONDISI P3,L3,S2 KONDISI P1,L1,S3 KONDISI P1,L2,S3 KONDISI P1,L3,S3 KONDISI P2,L1,S3 KONDISI P2,L2,S3 KONDISI P2,L3,S3

Van Oortmeersen Resistance (kN) 71.18 71.05 71.12 71.18 70.27 70.3 70.35 70.99 71.05 71.1

1 2 3 4 5

Adapun modifikasi yang dilakukan adalah memvariasikan ukuran bulbous bow yaitu penambahan panjang, penambahan lebar, dan penambahan sudut kenaikan (deadrise angle). Variasinya dalah sebagai berikut:

6 7 8 9 10

11 12 13 14

KONDISI P1,L2,S2 KONDISI P1,L3,S2 KONDISI P2,L1,S2 KONDISI P2,L2,S2

70.36 70.42 71.05 71.12

25 26 27 28

KONDISI P3,L1,S3 KONDISI P3,L2,S3 KONDISI P3,L3,S3. KONDISI AKTUAL

70.94 70.98 71.05 70,84

Tabel 4.2 menunjukkan nilai hambatan kapal dari berbagai variasi ukuran bulbous dimana nilai hambatan yang paling kecil terjadi pada model P1L1S3 dengan nilai hambatan sebesar 70.27 kN, sehingga model ini nantinya yang akan dianalisa lebih lanjut di ANSYS selain kondisi aktual. 3.4. Perhitungan Hambatan Kapal Dan Karakteristik Aliran Fluida Secara Numerik Perhitungan hambatan kapal dan karakteristik aliran fluida secara numerik dilakukan melalui pemodelan dan simulasi badan kapal (bare hull) dengan menggunakan software ANSYS ICEM CFD dan ANSYS CFX. ANSYS ICEM CFD digunakan untuk melakukan tahapan pembuatan bentuk geometri dari model (model building) secara 3 dimensi dan membuat batasan system yang akan ditinjau (boundary). Model dibagi menjadi beberapa bagian (part) dan selanjutnya menentukan volume mana yang akan dianalisa dengan mendefinisikan suatu body. Tahap berikutnya adalah pembagian model kedalam grid kecil (proses meshing) Hasil meshing kemudian disimpan dalam format file*.cfx5 sehingga dapat diimport oleh ANSYS CFX. Selanjutnya model diberi perlakuan dengan memasukan sifat-sifat (properties) dari boundary dan fluida yang mengalir, serta sifat benda (kapal) yang berada dalam boundary (tahap pre-processor). Ada dua metode yang dapat digunakan untuk mendefinisikan fenomena

aliran fluida pada badan kapal (bare hull) dalam tahap pre-processor, yaitu free surface method dan submerged method. Pada free surface method system dianalisa terdiri dari dua jenis fluida yang bergerak yaitu fluida cair (air laut) dan fluida gas (udara) sehingga akan timbul hambatan dari udara dan air laut. Sedangkan pada submerged method, kapal kapal dianggap sebagai benda yang tenggelam seluruhnya, sehingga bagian yang dianalisa adalah bagian kapal yang tecelup kedalam air (kondisi sarat penuh), Karena pada tugas akhir ini fokus analisa pada bagian bulbous bow maka metode yang dipakai dalam tugas akhir ini adalah submerged method.

Gambar 4.4. Model dan boundary building untuk Submerged-method Gambar 4.8 menunjukkan model kapal yang sudah di potong pada sarat penuh, kemudian dibuat kondisi batas (boundary condition) dengan ukuran boundary yakni : panjang 95m, lebar 60 m dan tinggi 13.7 m. Bagian atas kapal harus terbuka karena dalam metode submerged hanya ada satu daerah tertutup (mempunyai volume) bagian ini yang nantinya didefinisikan sebagai body.

Gambar 4.6 menunjukkan tahap preprocessor di ANSYS CFX, dimana model dan boundary telah dibagi menjadi enam bagian (part), yaitu :

Gambar 4.5. Model dan boundary meshing untuk Submerged-method Gambar 4.9 menunjukkan model dan boundary setelah proses meshing dengan menggunakan tipe volume mesh dengan bentuk element berupa tetrahedra. Untuk ukuran mesh dari model dan boundary adalah sebagai berikut

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Bawah (Bottom) Kapal (Hull ) Masuk ( Inlet ) Keluar (Outlet) Sisi kiri dan kanan (Side) Atas (Top )

Sedangkan input properties untuk domain physics dan boundary physics ditunjukkan pada table 4.3. Tabel 4.4. Input pre-processor

1. Bottom : 1.5 2. Hull :0.25 3. Inlet : 1.5 4. Outlet : 1.5 5. Side : 1.5 6. Top : 1.5 Semakin kecil ukuran meshing maka analisa akan semakin teliti, tetapi proses komputasi akan semakin berat dan membutuhkan waktu yang lama.Tahap berikutnya adalah preprocessor, pada tahap inilah mulai melakukan input properties dari domain (fluida) dan properties dari boundary.

Tahap berikutya adalah tahap flow solver untuk me-running data yang di-input pada tahap pre-processor. Output dari tahap flow solver kemudian ditampilkan dalam tahap post-processor. Pada tahap postprocessor inilah tampilan atau visualisasi fenomena aliran fluida dapat dianalisa. Gambar 4.6. Tahap pre-processor di ANSYS CFX.

3.5. Analisa hambatan kapal di ANSYS CFX Untuk analisa hambatan di ANSYS CFX model yang dianalisa adalah pada kondisi aktual dan kondisi P1L1S3 dengan variasi kecepatan antara7 knot sampai 12,5 knot. Hasil running ditunjukkan pada tabel 4.5. Tabel 4.5 Hasil analisa hambatan kapal di ANSYS Speed (knot)7 8 9 10 11 12.5

hambatan karena pengaruh dari bentuk bulbous . Untuk validasi data simulasi maka perlu adanya studi komparasi dengan metoda lain. Dalam hal ini yang menjadi pembanding adalah hasil perhitungan di hullspeed dengan metode Van oortmeersen dan hasil dari pengujian towing tank. Hasilnya ditunjukkan pada table 4.6. Tabel 4.6. Perbandingan nilai hambatan kapal dengan beberapa metodeKecepatan (knot) CFD (kN) Aktual 7 8 9 10 11 18.01 25.88 34.62 44.27 54.83 72.38 P1L1S3 17.89 25.69 34.35 43.91 54.37 71.75 Van oortmeersen (kN) Aktual 17.11 23.22 29.78 37.54 48.7 70.84 P1L1S3 16.81 22.81 29.3 36.83 47.68 70.27 Towing tank (kN) Aktual 15.8 21.2 28.2 37.3 47.8 73.5

Kodisi aktual (kN)18.01 25.88 34.62 44.27 54.83 72.38

Kondisi P1L1S3 (kN)17.89 25.69 34.35 43.91 54.37 71.75

Tabel 4.4 menunjukkan bahwa kondisi P1L1S3 mempunyai nilai hambatan lebih kecil dari pada kondisi aktual dengan selisih tertinggi terjadi pada kecepatan 12.5 knot, yakni sebesar 0.63 kN, sedangkan selisih terkecil terjadi pada kecepatan 7 knot yakni sebesar 0.12 kN.

12.5

re is n e(k ) s ta c N

80 70 60 50 40 30 20 10 0 6 7 8 9 10 11 12 13 speed (knot)

Tabel 4.6 menunjukkan analisa CFD dengan metode submerged menghasilkan nilai hambatan yang lebih besar dibandingkan dengan metode yang lain, kecuali pada kecepatan 12.5 knot. Analisa CFD mempunyai nilai yang lebih kecil dari hasil pengujian towing tank.80 70 60 50 40 30 20 10 0 6 7 8 9 10 11 12 13 speed (knot) aktual van oortmeersen P1L1S3 van oortmeersen towing tank P1L1S3 CFD aktual CFD

resistance (kN)

aktual P1L1S3

Grafik4.1. Hasil analisa hambatan kapal di ANSYS Hasil perhitungan menunjukkan bahwa kondisi modifikasi memiliki nilai hambatan lebih kecil dari pada kondisi aktual, Dapat dikatakan bahwa setelah dilakukan modifikasi terjadi penurunan

Grafik 4.2. Hasil perhitungan hambatan dengan beberapa metode Grafik 4.2 menunjukkan bahwa pada kecepatan kapal 7 knot semua metode menunjukkan nilai yang hampir sama walaupun metode submerged menunjukkan

nilai lebih besar. Namun setelah diatas kecepatan 8 knot metode submerged menunjukkan perbedaan yang cukup besar, sedangkan metode van oormersen cederung berimpit dengan metode towing tank . Hal ini berubah setelah kecepatan 12 knot semua metode kembali menunjukkan nilai yang hampir sama. Adanya perbedaan hasil perhitungan antara hasil towing tank dengan hasil analisa menggunakan software baik Hullspeed maupun ANSYS disebabkan karena beberapa faktor antara lain: Perbedaan dimensi saat pemodelan kapal (hull form) maupun saat proses meshing. Adanya kemungkinan peratan towing tank yang perlu di kalibrasi ulang.

Gambar 4.7. salah satu hasil post-processing untuk stream line

3.6. Analisa aliran fluida di ANSYS CFX Analisa yang dilakukan menggunakan satu arah aliran yaitu dari arah depan (inlet). Hal ini disebabkan pergerakan kapal diasumsikan dalam arah horizontal, yaitu searah sumbu x. Sedangakan aliran berupa aliran eksternal menggunakan variasi vector kecepatan (velocity) arah sumbu x, dengan kedalaman perairan dan panjang perairan dibuat kondisi batas (boundary condition). Hasil dari running simulasi model pada postprocessor untuk kondisi P1L1S3 ditunjukkan pada beberapa gambar berikut ini:

Gambar 4.8. Salah satu hasil post-processing untuk velocity

Gambar 4.9. Salah satu hasil post-processing untuk pressure

4.

Gambar 4.10. Salah satu hasil processing untuk pressure hull

post-

Gambar 4.7. Menunjukan streamline dari aliran fluida yang melewati badan kapal. Terlihat bahwa di daerah bulbous aliran fluida cederung mengikuti bentuk dari bulbous. Di daerah ini tidak terlihat adanya turbulensi Gambar 4.8. Menunjukkan kontur velocity aliran fluida dengan daerah analisa (plan) 2 meter kearah sumbu Z. Terlihat bahwa di daerah sekitar bulbous terjadi perubahan distribusi kecepatan fluida (velocity) akibat bentuk tonjolan dari bulbous, dengan kecepatan aliran fluida di depan bulb sekitar 5,37 m/s dan dibelakang bulb kecepatan aliran sekitar 6,35 m/s. Gambar 4.9. Menunjukkan kontur pressure fluida dengan daerah analisa (plan) 2 meter kearah sumbu Z. Telihat bahwa terjadi pemusatan tekanan (pressure) fluida di daerah sekitar ujung bulb, dengan tekanan sekitar 13.000 Pa. Hal ini juga terlihat pada gambar 4.10 dimana terjadi pemusatan tekanan yang diterima badan kapal (hull) di daerah ujung bulb dengan tekanan sekitar 17.000 Pa. 5.

KESIMPULAN Dari analisa yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa: 1. Besar nilai hambatan kapal dari berbagai variasi model dapat dilihat pada lampiran II. Dengan nilai hambatan paling kecil pada kecepatan 12.5 knot sebesar 70.28 kN pada kondisi P1L1S3 selisih 0.57 kN dengan kondisi aktual, atau terjadi penurunan hambatan sebesar 0.8%. 2. Desain bulbous bow kapal LHI 072-1 yang memiliki nilai hambatan paling paling kecil dengan nilai hambatan pada kecepatan 12.5 knot sebesar 70.28 kN di Hullspeed, sedangkan di ANSYS 71.75 kN adalah pada model P1L1S3 yaitu model dengan penambahan panjang bulb 10%, penambahan lebar bulb 5% dan sudut kenaikan (deadrise angle) 150. 3. Hasil modifikasi menunjukkan penurunan hambatan dibandingkan hasil pengujian towing tank pada kecepatan 12.5 knot sebesar 3.22 kN (4.38%) di Hullspeed dan 1.75 kN (2.38%) di ANSYS. SARAN Adapun saran dari penulis untuk penelitian lebih lanjut antara lain: 1. Jumlah grid (node) pada saat pemodelan dapat diperbanyak untuk mendapatkan hasil simulasi yang lebih akurat atau mendekati kondisi sebenarnya. Karena semakin banyak grid maka analisa akan semakin teliti. 2. Perlu adanya kontruksi tambahan dibagian bulbous mengingat besarnya tekanan yang diterima pada bagian tersebut. 3. Karena dalam penelitian ini hanya merubah ukuran bulbous bow maka

untuk penelitian berikutnya dapat melakukan variasi tipe dari bubous sehingga dapat mengetahui karakteristik dari masing-masing tipe. 6. DAFTAR PUSTAKA

Kelautan, Surabaya.

Universitas

Hang

Tuah,

Victor L. Streeter. E. Benjamin Wylie. 1985. Fluid Mechanics, Eighth Edition. McGraw-Hill, Inc. England. Yusuke Tahara. Emilio Fortunato Campana Frederick Stern, 2007. Computational fluid dynamics-based multiobjective optimization of a surface combatant using a global optimization method, Artikel Department of Marine System Engineering, Osaka Prefecture University.Japan

Fransisco perez. Jose A suarez. Juan A Clemente 2006. Geometric Modelling of Bulb Bows with the use of non-uniform rational B-spline surface. Article Naval Architecture Schol of Madrid (ETSIN), Universidad Politecnica de Madrid (UPM). Madrid, Spain. Harvald, Sv.Aa. (1992), Tahanan dan Propulsi Kapal, Airlangga University Press, Surabaya. Lewis, Edward V, 1988. Principles of Naval Architecture Volume II: Resistance, Propulsion and Fibration. The Society of Naval Architects and Marine Engineers, New Jersey. Rahardjo, Oktavian. 2008. Pengaruh Bentuk Buritan dan Penempatan Sistem Penggerak Terhadap kinerja Kapal Ikan Tradisional. MT. Tesis Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Surabaya. Robert W. Alan T. McDonald. Introduction to fluid mechanic. School of Mechanical Engineering. Purdue University. New York. Supriyadi, Bambang. 2004. Analisis Karakteristik Aliran di Sekeliling Bulbous Bow Dengan Teknik CFD. Tugas Akhir Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Surabaya. Utama, I.K.P. (2005) Interaksi Kemudi Badan-Kapal: Pengaruh Koefisien Blok dan Sudut Masuk Haluan/Buritan Kapal, Neptunus Vol.11 no.2, Majalah Ilmiah