p-5 fenomena interaksi aliran pada kapal catamaran

Analisa fenomena interaksi aliran pada kapal katamaran dengan simulasi numerik dan uji terowongan angin

RONALD M H 4109203341

Program Pasca Sarjana Teknologi Kelautan

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

S U R A B A Y A 2012

Catamarans History• Petualang dan saudagar Inggris,William Dampier, berkeliling dunia mencari peluang bisnis

sekitar tahun 1690-an dan tiba di Pantai Tenggara India di Tamil Nadu, teluk Bay . Di sana, William Dampier menemukan perahu komunitas nelayan dengan dua lambung yang terpisah dan saling terikat,dikenal dengan Kattumaran.

• Katamaran berasal dari bahasa Tamil yaitu Kattu (to tie =mengikat) dan maram (wood, tree=kayu), sehingga kattumaran diartikan sebagai kayu yang terikat bersama-sama. Defenisi umum kattumaran lebih dikenal sebagai kapal dengan dua lambung yang digabungkan.

• Bentuknya terbuat dari kayu, sedikit lebih kecil dari rakit, bagian belakang selalu terbenam di dalam air dan hanya bisa mengangkut satu orang. Jenis kapal yang diamati William Dampier ditulis dalam buku “On the coast of Coromandel”, tahun 1697 dan dia menyebut kapal tersebut dengan Catamarans.

catamarans

Catamaran Development

Desain dan jumlah katamaran dari tahun ke tahun mengalami perkembangan

kapal siluman (stealth ship) Sea Shadow US Navy (Jawa Pos, 2012)

Latar Belakang

Pertumbuhan Katamaran sbg AMV yang pesat

Djatmiko & Panunggal (199X) ; Utama (1999); Moraes (2004); Papanikoloau (2005); Sahoo (2006)

Di sebabkan:Luas geladak yang besar: Penataan ruangan lebih baikStabilitas yang lebih nyaman: lengan stabilitas >momen kopel >Draft yang lebih kecil: muatan >>Karakteristik hambatan: daya penggerak <

Gambar 1. Database kapal Fast Marine Vehicles -NTUA-SDL (Papanikoloau, 2005).

Djatmiko & Panunggal (199X)

Riset tentang Katamaran berkembang

Struktur

A Design Procedure for Catamaran Cross Structure Loads (Dalingga dan Tikka, 1986)

Hidrodinamika

Optimization Schemefor Quick Choice of Favourable Hull Form Ratiosfor Hard-Chine Catamarans (Subramanian, 2006)

REVIEW OF ADVANCED MARINE VEHICLES CONCEPTSApostolos Papanikolaou (2005), National Technical University of Athens, Ship Design Laboratory, Greece (NTUA-SDL)

Transportasi dan Produksi

Hambatan Katamaran

• Estimasi Hambatan diperlukan pada tahap proses desain• Hambatan Katamaran masih sering dibahas dalam forum ilmiah (Jamaluddin, 2011)• Hambatan katamaran lebih kompleks dibandingkan monohull karena

dipengaruhi interaksi lambung yang menyebabkan interferensi (interferensi hambatan gelombang dan interferensi hambatan viskos)

• Kajian terhadap Interferensi hambatan gelombang sudah banyak dilakukan, sedangkan untuk kajian terhadap interferensi Hambatan viskos masih sangat minim (Utama, 1999; Jamaludin, 2010)

• Fenomena interaksi aliran dapat diketahui melalui interferensi yang diakibatkan oleh jarak antara lambung

Interferensi Hambatan

• Body atau Viscous Resistance Interference: disebabkan oleh aliran asimetris di sekitar demihull dan berpengaruh pada aliran viskos seperti perubahan bentuk lapisan batas dan longitudinal vortices.

• Wave Resistance Interference: ditimbulkan oleh interaksi antara sistem gelombang oleh masing-masing demihull

Uji Terowongan Angin

• Pendekatan yang memungkinkan mengkaji komponen hambatan viskos dan efek interaksi adalah dengan membuat free surface seolah-olah sebuah bidang datar sehingga efek wave making dapat dieliminasi (Utama, 1999; Armstrong, 2003)

• Dibuat model yang direfleksi pada sarat penuh (bidang refleksi menjadi datar) (Couser, 1997)gelombang permukaan tidak diperhitungkan, sehingga hambatan full viskos.

• Teknik pengujian model refleks (tidak memperhitungkan wave making) dapat dilakukan di terowongan angin

• Pengujian terowongan angin diawali oleh Lackenby (1965) dan penggunaan refleks model diawali oleh Joubert dan Matheson (1970) pada model Lucy Ashton. Simulasi Numerik

Background• Jamaluddin dkk (2010) melakukan eksperimen untuk meneliti faktor bentuk (form

factor) pada demihull dan katamaran dengan berbagai konfigurasi lambung di kolam tarik.

• Geometri model yang digunakan adalah displasemen katamaran dengan lambung

simetris (symmetrical hull) dan lambung tidak simetris (asymmetrical hull).

• Variasi jarak melintang antara lambung adalah S/L 0.2, 0.3 dan 0.4. Kesimpulan dari penelitian yang dilakukan adalah faktor bentuk viskos katamaran secara signifikan lebih besar dibandingkan dengan demihull.

• Namun ditemukan variasi efek interaksi hambatan viskos karena perbedaan jarak demihull.

• Jamaluddin dkk (2010) menyarankan untuk melakukan penelitian lebih lanjut tentang interferensi hambatan viskos dengan melakukan kajian di terowongan angin.

• Kajian di terowongan angin dilakukan pada model tanpa strip turbulen

Previous Research

Armstrong, T. (2003). The effect of Demihull Separation on frictional resistance of Catamaran. Seventh international Conference on Fast Sea Transportation, FAST (hal. 22-30). Ischia-Italy: Ischia.

Mitchell, R. R., & Webb, M. B. (7-10 January 2008). A study of the base pressure distribution of a Slender Body of Square Cross-Sectrion. AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit , 1-8.

Utama, I. K. A. P (1999). Investigation of the Viscous Resistance Components of Catamaran Forms. Ph.D Thesis, UK: University of Southampton.

Utama, I. K. A. P & Molland, A. F. (2001). Experimental and Numerical Investigations into Catamaran Viscous Resistance. FAST , 295-304.

Rajagopalan, G., Schaller, D., & Wadcock, A. J. (2008). Experimental and Computational Simulation of a Model Ship in a Wind Tunnel. Aerospace Engineering and MechanicalEnginerring , Iowa State University Ames, IA, AIAA

TUJUAN

Tujuan penelitian ini adalah • Mencari besar interferensi hambatan viskos dengan menghitung nilai

koefisien tekanan dan kecepatan aliran di sekitar model lambung kapal melalui eksperimen di terowongan angin

• Melakukan perhitungan interferensi hambatan viskos melalui simulasi numerik (CFD). Sebagai data tambahan, simulasi numerik juga dilakukan pada model untuk mengetahui perubahan hambatan dan kecepatan dengan variasi yaw angle 2o, 4o, 6o, 8o dan 10o.

MANFAAT

• Memperoleh pemahaman yang lebih baik tentang hambatan yang dialami oleh kapal katamaran terutama hambatan viskos dan interferensi hambatan viskos sehingga menambah pengetahuan dalam memprediksi hambatan kapal katamaran, untuk menentukan daya mesin kapal dalam tahapan pleriminary desain.

• Memberikan informasi ilmiah kepada praktisi bidang perkapalan terhadap fenomena aliran dan interferensi pada lambung (ganda) katamaran untuk dapat memperkaya sistem data base untuk tujuan saintifik.

BATASAN MASALAH

• Pengujian model fisik di lakukan dengan terowongan angin dan simulasi numerik dilakukan dengan ANSYS CFX versi 14.

• Displasement Hull berbentuk round bilge dengan S/L = 0.2, 0.3 dan 0,4 dengan rasio L/B = 9,63.

• Input kecepatan diperoleh dari batasan maksimum RPM terowongan angin (1400 RPM).

• Analisa wave making tidak dibahas.• Tekanan atmosfer pada pengujiaan dianggap 1,01325x105 Pa.• Pada simulasi numerik bentuk meshing menggunakan general

meshing.

DASAR TEORIAda 2 interferensi hambatan yang berhubungan dengan kapal katamaran (Pien, 1976), yaitu (1) interferensi hambatan kekentalan yang diakibatkan oleh pola aliran yang tidak simetris di sekeliling badan kapal

serta pengaruh aliran kekentalan seperti peristiwa pembentukan lapisan batas (2) interferensi hambatan gelombang yang timbul akibat interaksi di antara sistem gelombang dari lambung

penyusun katamaran.

Efek interferensi tersebut dalam dijelaskan menjadi :i. Body interference, aliran air di sekitar demihull bersifat asimetris terhadap centerline demihull, begitu juga

penyebaran tekanan disekitarnya. Hal ini diakibatkan oleh pengaruh demihull yang lain dan menyebabkan bertambahnya komponen hambatan yang dihasilkan yaitu berupa;• Gangguan kecepatan aliran fluida meningkat di sekeliling demihull terutama di daerah antara kedua

lambung (tunnel side). Pertambahan kecepatan dikarenakan adanya peningkatan hambatan gesek dan modifikasi bentuk lambung kapal.

• Timbulnya aliran fluida di bawah lunas searah sumbu y kapal, yang biasanya diabaikan pada kapal monohull karena pengaruhnya sangat kecil, pada lambung katamaran besarnya kecepatan aliran ini 5-7 % dari kecepatan kapal.

• Adanya perbedaan ketinggian gelombang pada bagian stern kapal di sebelah dalam dan luar demihull. • Gangguan kecepatan fluida pada tunnel side dapat merubah struktur boundary layer • Gelombang akibat gerakan demihull satu dapat mencapai demihull yang lain sehingga merubah luasan

lambung yang tercelup air, yang berarti juga mempengaruhi besarnya hambatan gesek.ii. Wave interference, sebagai implikasi dari 2 lambung yang berjalan berdampingan, interferensi gelombang dapat

diamati sebagai berikut;• akibat dari perubahan penyebaran tekanan maka wave making resistance dapat berubah. Dengan kata lain

pola gelombang pada demihull dapat berbeda dengan asumsi ketika demihull diisolasi• interaksi gelombang dari masing-masing demilhull dapat bersifat saling meniadakan. • Pertemuan antara gelombang yang dihasilkan oleh haluan masing-masing lambung di centerline dapat

bersuperposisi mnghasilkan gelombang yang sangat besar• Pola gelombang di stern kapal bagian luar dan dalam tunnel shg menyebabkan berubahnya aliran

gelombang stern secara total

DASAR TEORI

CATWCATFCATCATT CCkC 1

kk 11

WF CCk 1

WFT CCkC )1(

Metode ITTC 1978 memberikan persamaan Koefisien Hambatan Total untuk Katamaran:

Di mana: Ø : Faktor interferensi hambatan bentuk (form) : Faktor interferensi hambatan gelombang (wave)σ : Faktor interferensi hambatan viskos (viscous)

Ø digunakan dalam perhitungan pengaruh perubahan tekanan di sekitar lambung (demihull). Untuk tujuan praktis, Ø dan σ dapat dikombinasikan (Insel dan Molland, 1992) ke dalam interferensi hambatan viskos yakni faktor , dimana

Karena Interferensi hambatan gelombang tidak dibahas maka .

sehingga

FT CkC )1(

Flow chart

MULAI

STUDY LITERATUR

DESAIN MODEL

UJI TEROWONGAN ANGIN

PROFIL KECEPATAN KOEFISIEN TEKANAN, Cp

Parameter Lingkungan

SIMULASI NUMERIK

VISKOS PRESSURE COEFFICIENT, CVP

VIS. PRESSURE

VIS. KECEPATAN

INTERFERENSI HAMBATAN VISKOS

SELESAI

Modelling

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

CL

BL 1

BL 2

BL 3

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10BASE LINE

1

2

3

DWL

BL1BL 2BL 3WL 0

WL 1

WL 2

WL 3

CL

DWL

BL 1

BL 2

BL 3

BL 2 BL 1 CLBL 2

BL 1

WL 0

WL 1

WL 2

WL 3

DWL

1

2

3

DWL

T

B

LPP

Vessel

DWL

WL 1

WL 2 WL 3DWL

WL 1

WL 2WL 3

CL

BL 1

BL 2

BL 3

BL 1

BL 2

BL 3

BL1 BL 2 BL 3

26

47,5

457,26

40.7241

mm

mm

mm

PRINCIPAL DIMENSION

Catamaran

• Ukuran Model (LPP = 457, 25 mm; B =47,5 mm; dan T =26 mm)disesuaikan dengan ukuran Test Section di terowongan angin (Armstrong, 2003)

• Untuk mempertimbangkan block effect dan memberikan hasil yang lebih teliti • Koreksi blok effect dilakukan terhadap hasil perhitungan CV

Pressure tape pada Model

Model

Model yang digunakan adalah reflex model

Experimental Test

Pressure Tape (pipa kapiler)

TermometerData

Akuisisi

Pressure Transducer

Selang Pressure Tape

Pitot Statik Tube

Pitot Static TubePitot Static Tube digunakan untuk mengukur kecepatan free stream yang

merupakan gabungan static pressure probe dan stagnation pressure probe. Aliran freestream masuk melalui lubang yang berada di depan probe. Kemudian udara dimasukkan ke dalam sebuah manometer yang berisi cairan kerosin sehingga diketahui perbedaan tekanan p0-p yang disebut juga dengan tekanan dinamik. Pitot statict tube digeser melalui alat dengan pergeseran sebesar 5 mm.

TermometerDigunakan untuk mendapatkan temperature udara dalam

ruang pengujian. Temperatur ini digunakan untuk menghitung besarnya densitas udara pada kondisi standart dengan menganggap kondisi aliran bebas di dalam open circuit wind tunnel sama dengan kondisi aliran bebas ruangan yang ditempati.

ManometerManometer berfungsi untuk menyatakan besarnya tekanan

yang diukur oleh pressure tape dan pitot static tube. Manometer dirancang dengan kemiringan 150 untuk mempermudah pembacaan h fluida terukur. Fluida yang digunakan dalam manometer adalah kerosin dengan specific gravity 0,78 skala 1 mm toleransi ± 0.5 mm

Data AkuisisiBerfungsi untuk membaca data tekanan dari pressure transducer yang diberikan dalam analog mV, dimana Analog mV untuk diubah jadi Pressure .

Pressure TapPressure Tap berbentuk kawat tembaga berupa pipa kapiler yang

disambung dengan selang penghubung dan dihubungankan dari permukaan benda uji (model). inside diameter sebesar 0,8 mm. Pressure tape berfungsi untuk mengukur besarnya tekanan static di sepanjang permukaan benda uji dengan menghubungkan ke manometer dan ke pressure transducer. Data pengukuran dibaca melalui Data Akuisisi.

Pressure Transducer Berfungsi sebagai sensor tekanan yang dihubungkan

dengan masing-masing pressure tape melalui selang penghubung.

Experimental Test

-Jenis = Subsonic, Open Circuit Wind Tunnel-Daya Listrik = 240 Volt/Single Phasa 50 Hz, 1.5 kW-Dimensi Utama = 2980 x 1830 x 800 mm-Bidang uji (Test Section) = 660 x 660 mm-Panjang Bidang Uji = 1880 mm-RPM max = 1400--Akurasi Pengukuran = 1 mN

Widodo, W. A., (2009)

Experimental Test

Experimental Test

Model Test Set Up

S/L 0,2 S/L 0,3 S/L 0,4

Perbedaan warna pada model menunjukkan bahwa model tersebut menggunakan model yang direfleksi pada sarat kapal (Utama,1999;Armstrong; 2003)

Eksperimen

demiC

catCIF

V

V

2/3

2

C

CSA

V

V

F

V

C

Ck 1

F

V

C

Ck 1

FVPV CCC '

VPVP CxWSA

CSAC '

dsCC PVP .

VL

Re

T

baT

1

2

1

Viskositas Dinamisa =atmosfer condition (1,458 x 10-6

kg/m.sK1/2)b = 110,4 K

Cengel dan Cimbala (2010).

RT

P

(Utama, 1999; Armstrong, 2003 dan Molland, 2011)

(Armstrong, 2003)

ESDU (1980) dan Blackwell (2011).

h

Nilai Pressure Transduser

titikpp 1

streampp 2

Parameter CFD

Cf = ITTC 1957

Utama, 1999;(Armstrong, 2003; Jamaludin, 2011)

Alat Ukur

Temperature

Kecepatan (V)

Asumsi tekanan di seksi uji Pstatik =1 Atm

Untuk mempermudah analisis dan eksperimen

Menggambarkan naik turunnya fluida

Viskositas Kinematis

Data Eksperimen

Blockage Correction

CVcorection

(Ariwibowo dkk, 2006)

(Widodo, 2010 )

Utama (1999) menjelaskan bahwa nilai CVP berdasarkan luas bidang basah (wetted surface area, WSA) lambung kapal dan CP berdasarkan cross sectional area (CSA), maka Cvp dapat dihitung dengan mengalikan perbandingan CSA/WSA

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-0.600

-0.400

-0.200

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

Cp In S/L 0,2

% L

Cp

Hasil Eksperiment

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-0.400

-0.200

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

Cp Inner S/L 0,3

% L

Cp

Hasil Eksperiment

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-0.600

-0.400

-0.200

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000Cp Inner S/L 0,2

% L

Cp

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-0.400

-0.200

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800


% L

Cp

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-0.400

-0.200

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800


% L

Cp

Hasil Eksperiment

Jarak antara lambung yang semakin kecil akan menyebabkan penurunan nilai Cp (Utama, 1999)

Pada kondisi ideal (isentropis), tekanan udara di dalam seksi uji umumnya berharga konstan. Akan tetapi pada kenyataannya terdapat gesekan udara dengan permukaan pitot statik tube/pressure tape sehingga mengurangi tekanan yang dirasakan model (Ariwibowo, 2006)

0 20 40 60 80 100 120

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Elipsoid Vs Ship Model

Elipsoid S/L 0,27 V= 20 m/s (Utama, 1999)

Katamaran S/L 0,3 V=15,4 m/s

% L

Cp

Pada jarak antara lambung 0,27 dengan model kapal katamaran S/L 0,3, akan ditemukan perbedaan tren pada persentase panjang > 70%. Sedangkan pada persentase dibawah nilai tersebut trend grafik masih menunjukkan kesamaan. Perbedaan tersebut karena kedua bentuk yang berbeda. Selain itu juga karena perbedaan kecepatan dan jarak antara lambung yang digunakan. Pada ujung-ujung elipsoid bentuknya tidak transom seperti pada model katamaran, sehingga tekanan akan meningkat dan menyebabkan koefisien tekanan juga meningkat.

L

Sy

30% L

Hasil EksperimenProfil Kecepatan

0.600000000000001 0.800000000000001 10

10

20

30

40

50

Velocity Profile S/L 0,2Re 2,89 x 10^5Re 3,47 x 10^5Re 4,05 x 10^5Re 4,46 x 10^5

V/Vmax

y

Mellvil & Jones, 1936

L

Sy

30% L


0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

10

20

30

40

50

60

Velocity Profile S/L 0,3

Re 2,89 x 10^5

Re 3,47 x 10^5

Re 4,05 x 10^5

Re 4,46 x 10^5

V/Vmax

y

0

10

20

30

40

50

60Velocity Profile S/L = 0,4

Re 2,89 x 10^5

Re 3,47 x 10^5

Re 4,05 x 10^5

Re 4,46 x 10^5

V/Vmax

y

L

Sy

30% L


0

10

20

30

40

50

60 Velocity Profile S/L = 0,4

V/Vmax

y

L

Sy

30% L


0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

10

20

30

40

50

60Velocity Profile S/L 0,3

V/Vmax

y

0.6000000000000010

10

20

30

40

50Velocity Profile S/L 0,2

V/Vmax

y Re 2,89 x 10^5

Re 3,47 x 10^5

Re 4,05 x 10^5

Re 4,46 x 10^5

Hasil Eksperiment

S/L Ave Vin/Vout0,2 1,0510,3 1,0410,4 1,038

0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 0.32 0.34 0.36 0.38 0.41.030

1.035

1.040

1.045

1.050

1.055

Average Velocity Profile

Average Velocity ProfileS/L

Ave

Vin

/Vou

tL

Sy

30% L

0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 0.32 0.34 0.36 0.38 0.40.9895

0.9900

0.9905

0.9910

0.9915

0.9920

0.9925

0.9930

0.9935

0.9940Average Pressure (Pin/Pout)

Hasil Eksperimen

S/L

Pin/Pout

L

Sy

30% L

Hasil Eksperimen

Model Re (105) CVP CVP' CF CV koreksi

S/L 0,2

2,8941 0,1700 0,0031 0,0063 0,00943,4729 0,1584 0,0029 0,0060 0,00894,0517 0,1274 0,0023 0,0058 0,00814,4569 0,1832 0,0021 0,0056 0,0077

S/L 0,3

2,8941 0,0881 0,0024 0,0063 0,00873,4729 0,0920 0,0022 0,0060 0,00824,0517 0,0745 0,0020 0,0058 0,00774,4569 0,0670 0,0018 0,0056 0,0074

S/L 0,4

2,8941 0,0912 0,0017 0,0063 0,00843,4729 0,0885 0,0020 0,0060 0,00804,0517 0,0729 0,0018 0,0058 0,00764,4569 0,0645 0,0017 0,0056 0,0073

Perhitungan koefisien hambatan viskos

Model Re (105) CVP CVP' CF CV koreksi

Demi

2,89 0,0842 0,0015 0,0063 0,00783,47 0,0883 0,0016 0,0060 0,00764,05 0,0728 0,0013 0,0058 0,00714,46 0,0644 0,0012 0,0056 0,0068

Cat = 0,003532

Demi=0,000442

demiC

catCIF

V

V

F

V

C

Ck 1

F

V

C

Ck 1

FVPV CCC '

VPVP CxWSA

CSAC '

dsCC PVP .

Hasil Eksperiment

2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.000.00300

0.00400

0.00500

0.00600

0.00700

0.00800

0.00900CV Demihull

Percobaan Towing TankPercobaan Wind Tunnel

Re (105)

CV

Rataan Persentase perbedaan Wind Tunnel Vs Terowongan Angin 3,24%

Hasil Eksperiment

2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.000.00300

0.00400

0.00500

0.00600

0.00700

0.00800

0.00900

0.01000

CV S/L 0,2

SL 02 Towing Tank SL 02 Wind Tunnel

Re (105)

CV

Rataan Persentase perbedaan Wind Tunnel Vs Terowongan Angin adalah 2,33%

Hasil Eksperimen

2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.000.00300

0.00400

0.00500

0.00600

0.00700

0.00800

0.00900CV S/L 03

SL 03 Towing Tank S/L 03 Wind TunnelRe (105)

CV


Hasil Eksperimen

2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.000.00300

0.00400

0.00500

0.00600

0.00700

0.00800

0.00900

CV S/L 04

SL 04 Towing Tank SL 04 Wind TunnelRe (105)

CV


Hasil Eksperimen

Perhitungan Interferensi hambatan viskos

Cat = 0,003532

Demi=0,000442

Model Re (105) 1 + k k

Mono

2,89 1,2657 0,2463,47 1,2697 0,2704,05 1,2307 0,2314,46 1,2087 0,209

Model Re (105) 1 + bk Interferensi

S/L 0,2

2,89 1,4959 1,19933,47 1,4835 1,16684,05 1,4039 1,13924,46 1,3723 1,1338

S/L 0,3

2,89 1,3845 1,11003,47 1,3645 1,07324,05 1,3402 1,08754,46 1,3148 1,0863

S/L 0,4

2,89 1,3764 1,07903,47 1,3371 1,05174,05 1,3178 1,06944,46 1,2978 1,0723

2.50 2.70 2.90 3.10 3.30 3.50 3.70 3.90 4.10 4.30 4.501.0000

1.1000

1.2000

1.3000

1.4000

1.5000

1.6000

Form Factor

DemiS/L 0,2S/L 0,3

Re (105)

Hasil Eksperiment

S/L 0,2 terhadap S/L 0,3 dan S/L 0,4 masing-masing adalah 6,05% dan 7,36%. penurunan viscous form faktor S/L 0,3 terhadap S/L 0,4 adalah 1,38% .

2.50 2.70 2.90 3.10 3.30 3.50 3.70 3.90 4.10 4.30 4.501.00

1.05

1.10

1.15

1.20

1.25Interferensi Hambatan Viskos

S/L 0,2S/L 0,3

Re (105)

Cv C

at/C

v de

mi

S/L 02 –S/L 0,3 6,08%S/L 02 –S/L 0,4 7,91%S/L 03 –S/L 0,4 1,95%

Interferensi

Hasil Eksperimen

0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30 0.32 0.34 0.36 0.38 0.401.00

1.02

1.04

1.06

1.08

1.10

1.12

1.14

1.16

1.18

Rataan Interferensi Hambatan Viskos

Interferensi

Re (105)

Cv C

at/C

v de

mi

Numerical Simulation

ANSYS History and New Release


CFD

Fluid Problem

Physics of Fluids

Navier-Stokes Equations

Discretized Form Grids

Computer Program

Simulation Result

Fluid Mechanics

Mathematics

Numerical MethodsGeometry

Program Language

Computer

Comparison and Analisis

Proses Computational Fluid Dynamics (Zuo, 2010)

NAVIERS STOKES EQUATIONS: Partial differential equation defining the unsteady viscous flow of fluids (ANSYS, 2010)

DISCRETIZATION: the process of dividing geometry into smaller pieces (finite elements) to prepare for analysis, ie

meshing (ANSYS, 2010)


CFD memprediksi aliran berdasarkan:• Model matematika yaitu Persamaaan Diferensial Parsial

yang mempresentasikan hukum-hukum konversi massa, momentum dan energi . Model matematis ini digunakan untuk memecahkan Persamaan Naviers Stokes

• Metode Numerik yaitu Teknik Solusi dan Diskritisasi

• Tools Perangkat lunak yaitu Solvers, Pre dan Post Processing (Tuakia, 2008)


Metode Diskritisasi CFD

Metode Diskritisasi untuk memecahkan Persamaan Diferensial Parsial antara lain:• Metode Beda Hingga (finite difference method)• Metode Elemen Hingga (finite element method)• Metode Volume Hingga (finite Volume method)• Metode Elemen batas (boundary element method)• Metode skema resolusi tinggi (high resolution scheme

method)

CFD merupakan pendekatan persoalan yang asalnya kontinum (memiliki jumlah sel tak terhingga) menjadi model diskrit (Jumlah sel terhingga)

Metode Diskritisasi CFX adalah metode volume hingga (ANSYS, 2010)

Metode volume hingga menggunakan finite difference pada diskritisasi spatial dan temporal. Metode ini mengintegrasi persamaan konservasi massa dan momentum sepanjang sel masing-masing sebelum variabel didekati oleh nilai pada pusat sel. Persamaan tersebut diintegrasi mengunakan weight residual methods.Umumnya solver RANS berdasarkan Finite Volume Methods.

Numerical SimulationProses Computational Fluid Dynamics dengan menggunakan CFX

>> Geometry

>> Mesh creation

>> Fluid definition

>> Problem definition

>> Solution

>> Viewing of Results

For most packages, the data stream is:

CAD (usually)

Mesh Generator

Pre-processor

Solver

Post-processor

(Dyson, 2004; ANSYS, 2010)

Pre-Processor

• Input model(file) yang sudah di-mesh• Pendefenisikan karakteristik fisik model,

properti fluida dan juga boundary condition

Solver

• Persamaan diferensial partial diintegralkan di sepanjang volume kontrol pada daerah yang ditinjau. Hal ini ekivalen dengan penerapan hukum konservasi (massa, momentum, dan energi) untuk masing-masing volume kontrol

• Persamaan integral tersebut diubah kepada sebuah sistem persamaan aljabar dengan menghasilkan sejumlah pendekatan, dimana persamaan aljabar tersebut diselesaikan secara iteratif.

• Suatu pendekatan iteratif diperlukan karena sifat non linear dari persamaan dan sebagai solusi yang mendekati solusi eksak. Hal ini disebut sebagai Convergen. Untuk masing-masing iterasi, error atau residual dilaporkan sebagai ukuran keseluruhan konservasi sifat aliran (ANSYS, 2010).

• Masalah CFD pada umumnya adalah non-linear, dan diperlukan teknik solusi menggunakan proses iteratif untuk turut meningkatkan penyelesaian sampai 'konvergensi' tercapai

• Convergence is a major issue with the use of CFD software (www.

Post-Processor

• Merupakan komponen yang digunakan untuk menganalisa, memvisualisasi dan memperlihatkan hasil secara interaktif misalnya:– Visualisasi dari volume geometri dan kontrol– Vector plot yang menunjukkan arah dan besarnya aliran– Visualisasi dari variasi variabel skalar (variabel yang besarnya saja, bukan

arah, seperti suhu, tekanan dan kecepatan– Animasi– Kuantitafif perhitungan numerik– Tabel dan Grafik– Hardcopy dan online output

ANSYS Workbench

Meshing

“When a flow is both frictionless and irrotational, pleasant things happen.” F.M. White

Yang,dkk (2000) Bogdán Yamaji, Attila Aszódi (2006)Dinham dkk (2008)Szelangiewicz dan Abramowski(2009)Hopfensitz, dkk (2010).

Boundary Condition

Outlet(prel=0)

Wall1.free slip condition 2. no slip condition)

Inlet(pref=1 Atm)

Model(No slip condition)

Mitchell dan Webb (2008)

Boundary Condition

Heat transfer isothermal (karena temperatur fluida adalah uniform)dengan temperatur fluida sebesar 30oC (sesuai dengan rata-rata suhu

pengujian). Digunakan untuk memprediksi temperaturReference pressure 1 atm (sesuai dengan kondisi tekanan udara luar) Reference pressure adalah merupakan data tekanan absolut dimana dari

nilai ini, seluruh nilai tekanann yang lain diambil. CFX memecahkan tekanan statik yang terjadi terjadi dalam bidang aliran. refstatabs PPP

semua tab basic setting dipertahankan mengikuti default awal (Mitchell dan Webb, 2008)

model

wallinlet

Outlet

fluida

Boundary Condition

Dinding yang rata

Tegangan geser ≠ 0

MODEL

Bilangan Mach < 1

Kecepatan Uji

Bila level turbulensi tidak diketahui secara detail

kWjViUU specspecspecinlet

INLET

Boundary Condition

Tidak terjadi up stream disturbance (mitchell dan Web, 2008)

Bilangan Mach < 1

OUTLET

Jika reference Pressure diset 1 ATM maka relative pressure harus diset 0 (ANSYS, 2010)

Tegang Geser ≠ 0

Dinding Rata

WALL

Uwall = 0


ElemenJumlah Nodes

Tahanan (N)

Persentase(%)

345742 60498 0,09317 -

933391 164624 0,08709 6,98743

1322085 233392 0,08322 4,64554

1694506 299260 0,08098 2,77342

2449397 433416 0,08068 0,36091

Hantoro dan Utama (2010) menyatakan bahwa apabila menggunakan sebuah model yang terbuka/bersentuhan dengan atmosfer, maka domain fluida yang digunakan harus lebih besar untuk meminimalisai efek dari walls.

Hantoro dan Utama (2010) mengatakan bahwa model yang diuji dengan menggunakan terowongan angin, domain harus mengikuti model ukuran dan bentuk terowongan angin.

Grid Independence

0 500000 1000000 1500000 2000000 25000000.070

0.075

0.080

0.085

0.090

0.095Grid Independence

Grid IndepenceJumlah Elemen

Taha

nan

(N)

Apabila grafik perubahan hambatan telah menunjukkan bentuk yang Asymtotik terhadap jumlah elemen, dengan persentase <5% maka penambahan elemen pengaruhnya cukup kecil terhadap hambatan (Molland&Utama, 2002). dengan demikian jumlah elemen 1694506 sudah mencapai Grid Independence

Model Turbulensi• Aliran turbulen dikenali dengan adanya medan kecepatan yang berfluktuasi di

mana fluktuasi tersebut membawa berbagai besaran seperti momentum, energi, konsentrasi partikel. Model turbulen didekati dengan pendekatan Reynolds Averaged-Navier Stokes (RANS) dan Large Eddy Simulation (LES). Kedua pendekatan ini memerlukan model yang dirata-ratakan (time-average, ensemble average) (Tuakia, 2008).

• Model turbulensi yang digunakan adalah shear stress transport (SST). • Penelitian Harinaldi dkk (2010) dalam menentukan pengaruh model turbulensi

sistem pendingin komponen mikroelektrik menyatakan bahwa model SST memberikan hasil yang paling akurat jika dibandingkan dengan turbulensi yang lain.

• Dinham dkk (2008) yang menyebutkan bahwa model turbulensi SST merupakan model yang cocok diaplikasikan pada bidang hidrodinamika dan saat ini dianggap sebagai model 2 persamaan terbaik karena memiliki simulasi lapisan batas dengan akurasi yang tinggi. Model SST menggabungkan model turbulensi k-epsilon standar yang memiliki kelebihan untuk aliran free stream dan k-omega yang memiliki kelebihan untuk aliran di sekitar dinding.

Hasil Eksperimen

Perbedaan hasil uji Wind Tunnel Vs Terowongan Angin disebabkan:-aliran di terowongan angin tidak bisa dijamin 100% sebagai aliran uniform mengingat kekasaran dan bentuk test section, sebab setiap fluida yang mengalir di dekat benda solid adalah aliran non-uniform (MIT lecture note, 2010)-perbedaan temperatur pengujian-asumsi tekanan di test section yang dianggap 1 Atm, Pada kondisi ideal (isentropis), tekanan udara di dalam seksi uji umumnya berharga konstan. Akan tetapi pada kenyataannya terdapat gesekan udara dengan permukaan pitot statik tube/pressure tape sehingga mengurangi tekanan yang dirasakan model-test set up (posisi kelevelelan)-kehalusan permukaan model, memberi pengaruh terhadap uncertainty faktor sekitar 2-4% (Dryen, 1953)

Convergence Criteria

RMS Residual level diperlukan untuk menormalisasi nilai persamaan residual:1e-4 relative loose convergence, but maybe sufficient for many engineering application.1e-5 good convergence, and ussually sufficient for most engineering application.1e-6 or lowervery tight convergence, occasionally required for geometrically sensitive problems.Convergence criteria = 10^-5 (Dinham, dkk 2008; Ansys, 2010)

A

B


No slip condition

Free slip condition


Additional Simulation


Re 2,89x105 (A), Re 3,47x105 (B), Re 4,05 x105 (C), Re 4,46 x105

A B

C D

Vektor Kecepatan


Persentase perbedaan Free slip Vs No Slip ±4,2%

2.5 3 3.5 4 4.5 50.00760

0.00780

0.00800

0.00820

0.00840

0.00860

0.00880

0.00900

CV (Free sleep)

S/L = 0,2 S/L=0,3 S/L = 0,4Demihull

Re (105)

CV


2.5 3 3.5 4 4.5 50.0076

0.0078

0.0080

0.0082

0.0084

0.0086

0.0088

0.0090

0.0092

CV (No Sleep)

S/L = 0,2 S/L=0,3 S/L = 0,4Demihull

Re (105)

CV

Rasio CV free slip/no slip MODEL Re (105) Ratio Cv MODEL Re (105) Ratio Cv

Demi

2,89 1,0269

S/L 03

2,89 1,03463,47 1,0256 3,47 1,03244,05 1,0227 4,05 1,03104,46 1,0218 4,46 1,0279

S/L 02

2,89 1,0331

S/L 04

2,89 1,02913,47 1,0322 3,47 1,02554,05 1,0308 4,05 1,02514,46 1,0302 4,46 1,0230

2.5 2.7 2.9 3.1 3.3 3.5 3.7 3.9 4.1 4.3 4.51.0150

1.0200

1.0250

1.0300

1.0350

1.0400Cv no slip/Cv free slip

Demi S/L 02S/L 0,3 S/L 04

Re (105)

Cv n

s/Cv

fs


Re (105)S/L 0,2 S/L 0,3 S/L 0,4

CFD T. Angin CFD T. Angin CFD T. Angin

2,89 0,0091 0,0094 0,0090 0,0087 0,0090 0,0084

3,47 0,0088 0,0089 0,0087 0,0082 0,0086 0,0080

4,05 0,0085 0,0081 0,0084 0,0077 0,0084 0,0076

4,46 0,0083 0,0077 0,0083 0,0074 0,0082 0,0073

Perbandingan CV CFD dan Terowongan Angin

Numerical and Experiment

2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.00.007

0.008

0.009

0.010

CV S/L 0,2

Towing Tank Terowongan Angin

CFD

Re (105)

CV

Perbedaan persentase rataan CFD dengan eksperimen terowongan angin adalah 3,94%

Perbedaan persentase rataan CFD dengan eksperimen towing tank adalah 3,18%


2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.00.007

0.008

0.009

0.010

CV S/L 0,3


CFD

Re (105)

CV

Perbedaan persentase rataan CFD dengan eksperimen terowongan angin adalah 6,38%



Perbedaan persentase Maksimum CFD dengan eksperimen terowongan angin adalah 6,2%


2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.00.00500.00550.00600.00650.00700.00750.00800.00850.00900.0095

CV S/L 0,4


CFD

Re (105)

CV

Free slip Condition

2.5 3 3.5 4 4.5 50.990

0.995

1.000

1.005

1.010

1.015

1.020Interference

S/L 0,2 S/L 0,3 S/L 0,4Re (105)

CV c

at/C

Vdem

i


No slip Condition

2.5 3 3.5 4 4.5 50.985

0.990

0.995

1.000

1.005

1.010

1.015

1.020

1.025Interference

S/L 0,2 S/L 0,3 S/L 0,4Re (105)

CV c

at/C

Vdem

i


2.5 2.7 2.9 3.1 3.3 3.5 3.7 3.9 4.1 4.3 4.50.70

0.80

0.90

1.00

1.10

1.20

1.30

Interferensi Hambatan Viskos

S/L 02 CFD S/L 03 CFD S/L 04 CFD

S/L 0,2 WT S/L 0,3 WT S/L 04 W T

Re (105)

Inte

rfer

ensi


Grafik interferensi WT dan CFD menunjukkan konsistensi, dimana interferensi paling besar terjadi pada S/L 0,2 diikuti S/L 0,3 dan 0,4

Yaw Angle 2o

Yaw Angle S/L 0,2

Yaw Angle S/L 0,3

Yaw Angle S/L 0,4


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100.00800000000000002

0.00900000000000002

0.01

0.011

0.012

0.013

0.014

0.015

Cv

DemihullS/L 0,2S/L 0,3S/L 0,4

Angle of Attack (o)

CV


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-0.005

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

CSF


Angle of Attack (o)

CSF


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1010.0000

10.2000

10.4000

10.6000

10.8000

11.0000

11.2000

Vmax


Angle of Attack (o)

Vmax

Kesimpulan

• Uji terowongan angin dan penggunaan simulasi numerik mampu memberikan informasi tentang perubahan tekanan dan kecepatan aliran dalam memahami perilaku interaksi komponen hambatan viskos pada kapal katamaran.

• Peningkatan rasio jarak antara lambung akan mengakibatkan penurunan nilai distribusi tekanan. Koefisien tekanan terendah dialami oleh S/L yang lebih kecil (S/L 0,2) dan terbesar dialami oleh S/L yang lebih besar (S/L 0,4 )

• Rasio jarak antara lambung mempengaruhi profil kecepatan, peningkatan rasio jarak antara lambung menyebabkan penurunan nilai rasio kecepatan, sehingga S/L yang rendah akan menyebabkan rasio kecepatan yang lebih tinggi dan berlaku juga sebaliknya.

• Hasil simulasi numerik dan eksperimen menunjukkan bahwa interferensi hambatan viskos terbesar terjadi pada S/L 0,2 diikuti S/L 0,3 dan 0,4. Perbedaan antara hasil tank test dengan CFD berada di bawah 4% sedangkan antara simulasi numerik dengan eksperimen di terowongan angin berada di bawah 7%. Perbedaan yang masih dibawah 7% menyimpulkan bahwa akurasi simulasi numerik cukup signifikan.

• Penambahan sudut serang menyebabkan kenaikan koefisien drag, gaya samping serta kecepatan. Rataan CV terbesar hingga terendah dialami S/L 0,2 ; S/L 0,3 dan S/L 0,4 pada sudut di bawah 60.Sedangkan CSF katamaran terbesar dialami S/L 0,4 nilainya hampir sama dengan demihull(< 2%). Diikuti oleh S/L 0.3 dan S/L 0,2.

Saran

•Untuk memperkecil kesalahan antara simulasi numerik dengan eksperimen, maka perlu dilakukan berbagai variasi model turbulensi, misalnya dengan model turbulensi k-, k-, RNG k- dan sebagainya.

•Selain karena pengaruh model turbulensi, tingkat stabilitas dan akurasi pada strategi penyelesaian (solution strategy) juga perlu divariasikan dengan tingkat stabilitas dan akurasi yang lain. Bila pada simulasi numerik ini menggunakan Hybrid Differencing Scheme (HDS) karena menggunakan default CFX, maka perlu mencoba orde lain seperti Upwind Differencing Scheme (UDS) dan the Quadratic Upstream Interpolation for Convective Kinetics (QUICK).

• Meshing juga turut berperan penting dalam memperbaiki hasil simulasi numerik. Pemahaman terhadap meshing dengan menggunakan CFX-mesh, meshing dengan Ansys Mechanical dan ICEM CFD masih perlu ditingkat, karena meshing yang teratur akan memberikan hasil yang jauh lebih baik bila dibandingkan dengan meshing general .

Scientific Publication

Title Remarks ISSNInvestigasi Interferensi Hambatan Viskos Katamaran Menggunakan Uji Terowongan Angin

Majalah Pengkajian Industri(Jurnal terakreditasi LIPI)

under review

Wind Tunnel Investigation Into The Drag Characteristics Of A Pair Of Demihull Catamaran In Proximity

ASIA PASIFIC HYDRODYNAMICS(International Seminar) in Malaysia

Accepted to presented

Analisa Distribusi Tekanan dan Kecepatan Aliran pada Kapal Katamaran tanpa Turbulen Stimulator dengan Uji Terowongan Angin

Proceeding-SENTA 2011(Seminar Nasional)

ISSN 1412-2332

A study into the selection of Mono and Multihull Vessels for Better Sea Transportation System

Proceeding UGM Yogyakarta 2011(Seminar Internasional UGM)

ISSN No. 979-545-0270-1

CFD Analysis for Passenger Logistic Carrier with Hull Form Variation

Proceeding-SNPs 2011(Seminar Nasional)

ISSN No. 9-545-0270-1

Design of Passenger Logistic Carrier in Province of Moluccas by multifunction concept

Proceeding-SNPs 2010(Pemakalah)

ISSN No. 979-545-0270-1

Terimakasih

CF

• Min (2008), penerapan form factor sulit untuk ditentukan

Perbedaan hasil uji Wind Tunnel Vs Terowongan Angin Vs CFD disebabkan:-aliran di terowongan angin tidak bisa dijamin 100% sebagai aliran uniform mengingat

kekasaran dan bentuk test section, sebab setiap fluida yang mengalir di dekat benda solid adalah aliran non-uniform (MIT lecture note, 2010)

-perbedaan temperatur pengujian-asumsi tekanan di test section yang dianggap 1 Atm, Pada kondisi ideal (isentropis),

tekanan udara di dalam seksi uji umumnya berharga konstan. Akan tetapi pada kenyataannya terdapat gesekan udara dengan permukaan pitot statik tube/pressure tape sehingga mengurangi tekanan yang dirasakan model

-test set up (posisi kelevelelan)-kehalusan permukaan model, memberi pengaruh terhadap uncertainty faktor sekitar 2-4%

(Dryen, 1953)

Perbedaan Simulasi

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-0.600

-0.400

-0.200

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800


% L

Cp

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-0.400

-0.200

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800


% L

Cp

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-0.400

-0.200

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800


% L

Cp

Hasil Eksperiment

Adanya fluktuasi di daerah 20-50% L diduga merupakan daerah di mana terjadi transisi dari aliran laminer ke turbulen. Penentuan letak titik transisi dgn terowongan angin hingga saat ini masih menggunakan rumus pendekatan,(Utama, 1999).

Jarak antara lambung yang semakin kecil akan menyebabkan penurunan nilai Cp (Utama, 1999)

Pada kondisi ideal (isentropis), tekanan udara di dalam seksi uji umumnya berharga konstan. Akan tetapi pada kenyataannya terdapat gesekan udara dengan permukaan pitot statik tube/pressure tape sehingga mengurangi tekanan yang dirasakan model (Ariwibowo, 2006)


Perbedaan interference Terowangan Angin dengan CFD (No slip Condition) 8,68% dan free slip condition (9,2%)

0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30 0.32 0.34 0.36 0.38 0.400.9000

0.9500

1.0000

1.0500

1.1000

1.1500

1.2000

Interference Average

free slip no slip wind tunnelS/L

inte

rfer

ence

Kontribusi

• Inovasi analisa dan evaluasi interferensi hambatan viskos melalui eksperimen wind tunnel dan CFD (bagaimana menganalisa hambatan viskos melalui perubahan tekanan)

• Mengevaluasi interferensi hambatan viskos melalui paramater perubahan tekanan dan kecepatan dan aliran di sekitar lambung

4.4.2.2.3. Range

Range allows you to plot using the Global, Local or User Specified range of a variable. This affects the variation of color used when plotting the object in the Viewer. The lowest values of a variable in the selected range are shown in blue in the Viewer; the highest values are shown in red.

The Global range option uses the variable values from the results in all domains (regardless of the domains selected on the Geometry tab) and all timesteps (when applicable) to determine the minimum and maximum values.

The Local range option uses only the variable values on the current object at the current timestep to set the maximum and minimum range values. This option is useful to use the full color range on an object.

The User Specified range option allows you to specify your own maximum and minimum range values. You can use this to concentrate the full color range into a specific variable range.


Variabel Pressure dengan range Global


Velocity Contour


Asumsi dalam Simulasi CFD• Fluida bergerak dalam kondisi steady• Aliran udara dianggap (uniform)• Fluida dalam keadaan incompressible

1.Aliran Inviscid dan Viscous Aliran fluida berdasarkan viskositasnya dibagi menjadi dua bagian yaitu aliran inviscid dan viscous. Pada aliran inviscid efek

dari viskositas (kekentalan) fluida diabaikan (μ = 0). Sebenarnya aliran fluida dengan viskositas sama dengan nol ini tidak ada. Namun untuk menyederhanakan analisa beberapa fenomena aliran mengabaikan dapat mengabaikan viskositas. Untuk aliran fluida dimana viskositas tidak diabaikan maka aliran itu disebut aliran viscous (Fox dan Alan, 1994).

2.Aliran Laminar dan Aliran TurbulenBerdasarkan struktur alirannya, aliran fluida dibedakan menjadi aliran laminar dan aliran turbulen. Untuk aliran laminar

kecepatan pada suatu titik akan tetap terhadap waktu. Sedangkan aliran turbulen kecepatannya akan mengindikasikan suatu fluktuasi yang acak. Dalam aliran turbulen, profil kecepatan pada suatu titik dihasilkan dari gerak acak partikel fluida berdasarkan waktu dalam jarak dan arah.

3.Aliran Compressible dan IncompressibleAliran di mana perubahan massa jenis dapat diabaikan disebut inkompresibel. Ketika perbedaan massa jenis aliran tidak

diabaikan, aliran ini disebut kompresibel. Pada kenyataannya tidak ada fluida yang massa jenisnya konstan, tetapi ada beberapa masalah aliran fluida yang dapat disederhanakan dengan menganggap massa jenisnya konstan. Hal ini tidak mengurangi keakuratan solusi yang didapat. Parameter yang menjadi acuan utama untuk menentukan suatu aliran kompresibel atau tidak, dilihat dari nilai Mach Number (M), yang didefinisikan sebagai rasio antara kecepatan aliran lokal terhadap kecepatan suara lokal (Fox dan Alan, 1994).

4.Aliran Internal dan Eksternal Aliran yang dibatasi oleh suatu permukaan batas seperti pipa atau pembuluh disebut aliran internal. Aliran mengalir pada

benda yang terbenam di dalam fluida yang tak berbatas diistilahkan aliran eksternal. Aliran internal dan eksternal keduanya dapat berupa aliran laminer atau turbulen, kompresibel atau inkompresibel (Gerhart dan Richard, 1985).

5.Aliran Uniform dan Steady Aliran uniform adalah aliran yang memiliki kecepatan yang besar dan arahnya sama pada setiap titik di dalam fluida tersebut.

Sedangkan non uniform flow memiliki kecepatan yang tidak sama pada setiap titik. Setiap fluida yang mengalir di dekat benda solid adalah aliran non-uniform, tetapi bila ukuran dan bentuk penampang arus aliran adalah konstan, maka aliran bisa dianggap sebagai aliran uniform.

Aliran steady adalah aliran dengan salah satu kondisi aliran (kecepatan, tekanan dan penampang) berbeda tetapi tidak berubah sepanjang waktu. Apabila aliran tersebut mengalami perubahan tekanan, kecepatan dan penampang dengan waktu, maka aliran tersebut adalah un-steady.

6.Aliran PotensialAliran potensial merupakan masalah aliran dimana aliran dapat diwakili oleh fungsi potensial skalar. Dapat dijelaskan bahwa

sebuah fungsi potensial (x, z, t) merupakan fungsi kontinu yang memenuhi hukum dasar mekanika fluida yaitu konservasi massa dan momentum yang menganggap aliran sebagai aliran incompressible, inviscid dan irrotational.

Dengan demikian aliran potensial adalah merupakan aliran ideal dan aliran irrotasional yang disederhanakan menjadi:

1.Aliran IrrotationalAliran irrosional aliran dimana partikel fluida tidak berotasi akibat tidak ada tegangan geser. Dengan demikian gaya yang dialami selalu tegak lurus terhadap permukaan.

2.Fluida IdealFluida ideal adalah fluida yang incompressible, two-dimensional, irrotational, steady, and nonviscous flow (frictionless flow, an invisvid flow)

Pembagian Aliran

• Kerapatan (densitas):• aliran termampatkan (compressible) ada

perubahan densitas • Aliran tak termampatkan (incompressible)

densitas konstan, tidak mengalami perubahan kerapatan

• Pada kenyataan: tidak ada aliran incompressible, sehingga aliran inviscid dianggap incompressible ( konstan)

Pembagian Aliran

• Kekentalan:• aliran viskos (viscid flow) ada kekentalan

(gesekan/gaya hambat)• Aliran tak viskos (inviscid flow) tidak mengalami

gaya gesekan (gaya hambat=nol, frictionless)• Aliran yang melewati permukaan benda akan

membentuk lapisan batas, hal ini disebabkan efek viskositas yang menyebabkan timbulnya gaya geser

Aliran Irrotational

• Tidak ada shear stress (the fluid particles are not rotating).)

• Gaya selalu normal terhadap permukaan, karena tekanan

• Di dekat boundary layer viskositas memainkan peranan penting dan aliran adalah rotational dan viscid

• boundary layer yang secara umum dapat diartikan sebagai suatu daerah yang masih dipengaruhi oleh tegangan geser.

• Boundary layer akan terbentuk akibat adanya suatu aliran fluida viscous yang melintasi suatu kontur permukaan. Efek yang ditimbulkan akibat terbentuknya boundary layer adalah adanya hambatan pada aliran fluida yang berada di dekat dinding permukaan.

Boundary Layeradalah suatu lapisan tipis pada permukaan padat tempat

fluida mengalir, dimana di dalam lapisan tersebut pengaruh viskosits maupun gaya inertia sangat berarti

Note: Pada awalnya Boundary layer adalah

laminar . Transisi ke turbulent terjadi pada jarak

tertentu dari titik stagnasi, tergantung pada:- kecepatan free stream- kekasaran permukaan padat- gradient tekanan

Titik separasi terjadi pada daerah adverse pressure gradient

Fluida dalam boundary layer pada permukaan body membentuk viscous wake di belakang titik separasi.

9.1. Konsep Boundary Layer

109

Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi Transisi Boundary layer antara lain:- Gradient tekanan- Kekasaran permukaan- Perpindahan panas- Gaya bodi- Gangguan pada free stream

Daerah transisi dari laminarke Turbulen:2 x 105 < Rex < 3 x 106

(biasanya diambil Rex = 5 x 105)

dimana :

9.1. Konsep Boundary Layer

μ

xUρRex

• Pada pelat datar, transisi terjadi pada Re dari 3,5x105 hingga 2,8x106.

• We can define a potential function,! (x, z, t) , as a continuous function that satisfies the

• basic laws of fluid mechanics: conservation of mass and momentum, assuming incompressible, inviscid and irrotational flow.

• Ideal flow (fluid mechanics) Fluid flow which is incompressible, two-dimensional, irrotational, steady, and nonviscousinviscid flow: Flow of an inviscid fluid. Also known as frictionless flow; ideal flow; nonviscous flow.

• Persamaan dasar fluida pada dasarnya dikembangkan dari ketiga prinsip dasar fisika yaitu kekekalan massa, kekekalan momentum, dan kekekalan energi

Persamaan Navier Stokes

Form Factor:Adanya tambahan kecepatan aliran di sekeliling kapalAdanya tekanan pada pusat kekentalan akibat perpanjangan garis gesek sepanjang kapal

POTENTIAL flow . Fluids flow problems where the flow can be represented by scalar potential function

The freestream is the air far upstream of an aerodynamic body, that is, before the body has a chance to deflect, slow down or compress the air. Freestream conditions are usually denoted with a \infty symbol, e.g. V_\infty, meaning the freestream velocity

Freestream adalah udara jauh hulu dari tubuh aerodinamis, yaitu sebelum tubuh memiliki kesempatan untuk membelokkan, memperlambat atau memampatkan udara. Kondisi freestream biasanya dinotasikan dengan simbol infty \, misalnya V_ \ infty, yang berarti kecepatan freestream

The pressure coefficient is a parameter for studying the flow of incompressible fluids such as water, and also the low-speed flow of compressible fluids such as air. The relationship between the dimensionless coefficient and the dimensional numbers

Koefisien tekanan adalah parameter untuk mempelajari aliran cairan mampat seperti air, dan juga aliran kecepatan rendah cairan kompresibel seperti udara. Hubungan antara koefisien berdimensi dan jumlah dimensi

* C_p of zero indicates the pressure is the same as the free stream pressure. * C_p of one indicates the pressure is stagnation pressure and the point is a stagnation point. * C_p of minus one is significant in the design of gliders because this indicates a perfect location for a "Total energy" port for supply of signal pressure to the Variometer, a special Vertical Speed Indicator which reacts to vertical movements of the atmosphere but does not react to vertical maneuvering of the glider.

C_p dari nol menunjukkan tekanan adalah sama dengan tekanan aliran bebas. * C_p satu menunjukkan tekanan adalah tekanan stagnasi dan titik adalah titik stagnasi. * C_p minus satu adalah penting dalam desain glider karena ini menunjukkan lokasi yang sempurna untuk port "Jumlah energi" untuk pasokan tekanan sinyal ke Variometer, sebuah Indikator Kecepatan Vertikal khusus yang bereaksi terhadap gerakan vertikal atmosfer tetapi tidak bereaksi terhadap manuver vertikal glider.

Kurva Cp

• Cp bernilai nol (0) berarti bahwa tekanan di titik perhitungan adalah sama dengan tekanan pada aliran bebas (free stream). Dengan demikian, besar kecepatan di titik perhitungan juga sama dengan besar kecepatan free stream.

• Cp bernilai negatif (di bawah nol) mengandung arti bahwa tekanan di titik perhitungan lebih kecil dibandingkan tekanan free stream. Dengan demikian kecepatan di titik tersebut lebih besar dibandingkan dengan kecepatan free stream.

• Cp bernilai 1, maka tekanan tersebut adalah tekanan stagnasi dan titik tersebut merupakan titik stagnasi.Pada keadaan ini, kecepatan di titik tersebut adalah sama dengan nol.

Hambatan menurut ITTC

Hambatan gelombang mengandung komponen fluida ideal (inviscid) dan hambatan kekentalan meliputi hambatan akibat tegangan geser (friction drag) dan komponen tegangan kekentalan (viscous pressure)

•Hambatan sisa, RR

Hambatan sisa adalah kuantitas yang merupakan hasil pengurangan dari hambatan total badan kapal atau merupakan kuantitas hasil pengurangan koefisien hambatan total dengan koefisien hambatan gesek. Nilai perhitungan hambatan ini diperoleh dengan menggunakan rumus. Secara umum, bagian yang terbesar dari hambatan sisa pada kapal niaga adalah hambatan gelombang (wavemaking resistance). Unsur lainnya adalah hambatan tekanan dan hambatan gesek tambahan sebagai akibat bentuk benda yang tiga dimensi

•Hambatan viskos, RV

Hambatan viskos adalah komponen hambatan yang berhubungan dengan energi yang dikeluarkan akibat pengaruh viskos.•Hambatan Tekanan, Rp Hambatan tekanan adalah komponen hambatan yang diperoleh dengan cara mengintegralkan tegangan normal ke seluruh permukaan

benda menurut arah gerakan benda.•Hambatan Tekanan Viskos, RPV

Hambatan tekanan viskos adalah komponen hambatan yang diperoleh dengan cara mengintegralkan tegangan normal akibat viskositas dan turbulensi. Kuantitas ini tidak dapat langsung diukur kecuali pada benda yang terbenam seluruhnya, dalam hal ini sama dengan hambatan tekanan. Hambatan kekentalan meliputi hambatan akibat tegangan geser (friction drag) dan komponen tegangan kekentalan (viscous pressure).

Hambatan viskos pada lambung kapal terdiri dari hambatan tekanan (pressure drag) dan hambatan gesek (friction drag atau shear force). Hambatan gesek merupakan gaya hambatan akibat adanya viskositas fluida yang menyinggung permukaan lambung secara tangential dan hambatan tekanan merupakan gaya normal akibat tekanan fluida disekitar lambung.

•Hambatan gelombang (wave making resistance), RW

Hambatan gelombang adalah komponen hambatan yang terkait dengan energi yang dikeluarkan sehingga menimbulkan gelombang gravitasi atau bekerjanya gaya normal fluida pada seluruh badan kapal. Hambatan gelombang terjadi karena tekanan fluida yang bekerja dalam arah normal terhadap lambung kapal. Hambatan gelombang mengandung komponen fluida ideal (inviscid). Komponen ini dipisahkan menjadi dua bagian yaitu hambatan pola gelombang (RWP) dan hambatan pemecahan gelombang (RWB). Estimasi hambatan pemecah gelombang dibahas oleh

Hogben (1974).•Hambatan Pola Gelombang (wave pattern Resistance), RWP

Hambatan pola gelombang adalah komponen hambatan yang disimpulkan dari hasil pengukuran elevasi gelombang yang jaun dari kapal atau model. Dalam hal ini, medan kecepatan bawah permukaan (subsurface velocity field) yang berarti momentum fluida, dianggap dapat dikaitkan dengan pola gelombang dengan menggunakan teori linier. Hambatan yang disimpulkan demikian itu tidak termasuk hambatan pemecahan gelombang (wavemaking resistance).

•Hambatan Pemecahan Gelombang, RWB

Hambatan pemecahan gelombang adalah komponen hambatan yang terkait dengan pemecahan gelombang yang berada di buritan kapal.•Hambatan Semprotan (spray resistance), RS

Hambatan semprotan adalah komponen hambatan yang terkait dengan energi yang dikeluarkan sehingga menimbulkan semprotan.Ada beberapa komponen hambatan tambahan RA, yang penting untuk diperhatikan karena akan mempengaruhi hambatan total kapal,

yaitu:•Hambatan Anggota Badan (appendage resistance)Hambatan ini terjadi akibat adanya tonjolan anggota badan pada permukaan kapal. Contoh: bos poros, penyangga poros (shaft brackets)

dan poros, lunas bilga, daun kemudi dan sebagainya. Jika tanpa anggota badan maka hambatannya disebut hambatan polos (bare resistance)•Hambatan Kekasaran Hambatan ini terjadi akibat kekasaran, misalnya kekasaran akibat korosi dan fouling (pengotoran) pada badan kapal.•Hambatan UdaraHambatan ini dialami oleh bagian badan kapal yang berada di atas permukaan air dan bangunan atas (superstructure) sehingga

menyebabkan hambatan karena gerakan kapal yang juga menyusuri udara.•Hambatan Kemudi (steering resistance)Untuk mempertahankan kelurusan lintasan, koreksi kedudukan umumnya dilakukan dengan memakai daun kemudi. Pemakaian daun

kemudi menyebabkan timbulnya komponen hambatan tambahan yang disebut hambatan kemudi.

Total. Ct

Skin friction. Cfo

(equivalent flat plate)

Residuary. Cr

Friction. Cf

(tangential stress)

Form effect on

skin friction

Viscous. Cv

Wake resistance

Viscous pressure

Transom drag

Wave breaking

and spray

Total. Ct

Pressure. Cp

(normal stress)

Wave. CwInduced drag

Wave pattern. Cwp

Couser, 1997

Sahoo, 2007

Pressure

5 7 9 11 13 15 1725

35

45

55

65

75

Pressure

S/L 0,2S/L 0,3S/L 0,4Demihull

Kecepatan

Max

Pre

ssur

e

S/L 02 Pressure (Pa) S/L 03 Pressure (Pa)

V MIN MAX V MIN MAX

10 -24,18 29,38 10 -27,02 29,13

12 -36,67 42,06 12 -40,68 41,71

14 -51,78 56,99 14 -57,15 56,52

15,4 -64,79 68,78 15,4 -70,09 68,21

Demi Pressure (Pa) S/L 04 Pressure (Pa)

V MIN MAX V MIN MAX

10 -26,4 27,55 10 -25,38 28,11

12 -39,98 39,44 12 -38,18 40,22

14 -55,99 53,44 14 -53,15 56,12

15,4 -68,81 64,49 15,4 -67,86 65,74

p-5 fenomena interaksi aliran pada kapal catamaran

Documents