pengaruh jumlah dan posisi rudder terhadap kemampuan ... · salah satu cara untuk meningkatkan...

Pengaruh Jumlah dan Posisi Rudder Terhadap Kemampuan Manoeuvring

Kapal

Rapelman Saragih, Surjo Widodo Adji, Amiadji

Department of Marine Engineering, Sepuluh Nopember Institute of Technology, Surabaya

[email protected]

Abstract Increasing ship population has led to increased activity of ships, especially ships in the harbor. Therefore, if the

motion needed a good ship to be able to manoeuvring. One way to improve the navigation of the ship is to optimize the

rudder. Rudder is a mechanical device inside a vessel that serves to determine and set the direction of the bow or

manoeuvring of ship. Rudder is good will give a good response to the ship, so that ships can position theirself very well. This

research will simulated the effect of rudder number and position to improve the ability of ship manoeuvring , in order to

obtain a suitable rudder configuration and provides a high response. In this research the movement of fluid flow will be

simulated using CFD (Computational Fluid Dynamics) method to analyze the pressure distribution, lift force, drag force and

velocity on the rudder. So in the end can found a suitable rudder configuration.

Keywords : Manoeuvring, rudder, lift force, drag force , CFD

I. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Peningkatan penggunaan transportasi laut telah

mengakibatkan pertumbuhan populasi kapal. Pertumbuhan

populasi kapal ini telah mengakibatkan meningkatnya

aktifitas kapal di pelabuhan. Salah satunya yaitu pelabuhan

Tanjung Perak yang terletak tidak jauh dari pelabuhan

Ujung – Kamal Surabaya. Pelabuhan Tanjung Perak

Surabaya merupakan pelabuhan kelas satu di Indonesia,

dimana lalu lintas kapal yang keluar masuk pelabuhan

tinggi. Pelabuhan ini adalah salah satu pelabuhan pintu

gerbang di Indonesia. Di sebelah timur dari pelabuhan

Tanjung Perak terdapat penyeberangan kapal ferry Ujung -

Kamal yang juga memiliki tingkat arus lalu lintas yang

cukup padat dan terdapatnya pangkalan Angkatan Laut

armada timur menambah arus lalu lintas di sisi timur

pelabuhan semakin padat.

Dengan kepadatan arus lalu lintas kapal ini,

maka perlu upaya untuk meningkatkan keselamatan kapal

khususnya kapal Ferry jenis Ro-Ro. Kapal Ferry jenis Ro-

Ro ini menjadi penting karena menyangkut keselamatan

banyak jiwa dan juga barang. Upaya peningkatan

keselamatan kapal ini dapat dilakukan dengan meningkatkan kemampuan olah gerak kapal agar kapal

dapat mengikuti jalur ketika memasuki ataupun ketika

keluar dari pelabuhan, sehingga terhindar dari bahaya

tubrukan. Salah satu cara untuk meningkatkan kemampuan

olah gerak kapal (manoeuverability) adalah dengan

mengoptimalkan kerja rudder.

Berbagai cara telah dilakukan untuk

meningkatkan kerja rudder salah satunya yaitu dengan

memindahkan rudder tidak segaris dengan poros propeller

dengan single screw (Nur Komeidi, 2007). Pada skripsi ini

penulis menganalisa pengaruh jumlah dan posisi rudder

untuk mendapatkan konfigurasi rudder yang tepat. Jumlah

rudder yang akan divariasikan ada dua yaitu single dan

double rudder. Sedangkan untuk posisinya khusus untuk

double rudder, yakni akan digeser dari centerline sejauh

80% hingga 120%. Hal ini bertujuan untuk mendapatkan

respon rudder yang paling optimal. Dalam penelitian ini

aliran fluida dianalisa dengan menggunakan metode CFD

(Computational Fluid Dynamics) dan software yang

digunakan adalah ANSYS CFX.

Gambar 1.1 Peta Laut Alur Pelayaran Surabaya

1.2 Perumusan Masalah Dari uraian di atas maka permasalahan yang

utama yang dibahas yaitu :

a. Bagaimana pengaruh jumlah rudder dan

peletakannya terhadap kemampuan

manoeuvring kapal?

b. Bagaimana gaya-gaya yang terjadi pada

rudder dengan konfigurasi single rudder dan

kapal dengan konfigurasi double rudder?

c. Apabila konfigurasi double rudder digunakan

maka berapa luas dari masing-masing rudder dan dimana letaknya yang menunjukkan

performance tertinggi.

1.3 Batasan Masalah Agar pengerjaan tugas akhir ini tidak terlalu

meluas maka diperlukan batasan-batasan masalah, agar

proses penulisan lebih terarah. Adapun batasan masalah

tersebut sebagai berikut :

a. Penelitian yang dilakukan menggunakan

simulasi computer yaitu menggunakan metode

CFD dan sofware yang digunakan adalah

ANSYS CFX.

b. Objek yang dikaji yaitu kapal jenis ferry Ro-Ro

dengan 571 GT.

c. Penelitian yang dilakukan mengabaikan factor

gelombang dan kecepatan angin.

d. Penelitian yang dilakukan tidak untuk

meningkatkan efisiensi propulsif kapal

melainkan untuk membandingkan antara

penggunaan single rudder dengan double rudder

dan juga peletakan untuk double rudder.

1.4 Tujuan Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini

berdasarkan uraian di atas adalah mengetahui pengaruh

jumlah dan posisi rudder terhadap kemampuan

manoeuvring kapal, sehingga diperoleh konfigurasi rudder

yang sesuai.

1.5 Manfaat Penulisan Manfaat yang akan diperoleh dari pengerjaan

skripsi ini antara lain :

a. Memberikan rekomendasi kepada pemilik

kapal tentang posisi rudder yang menunjukkan

performance tertinggi.

b. Mengetahui pengaruh peletakan rudder dengan

single rudder maupun double rudder.

c. Mengetahui pengaruh jumlah dan peletakan

rudder terhadap perubahan kecepatan dan gaya

lift yang terjadi pada rudder

II. METODOLOGI Dalam skripsi ini, analisa yang dilakukan adalah

tentang pengaruh jumlah rudder dan peletakannya terhadap

kemampuan maneouvring kapal, sehingga diperoleh

konfigurasi rudder yang cocok dan memberikan respon

yang tinggi. Dengan demikian dapat meningkatkan

performansi kapal pada saat bermaneouver. Analisa yang

dilakukan adalah pada Kapal Wicitra Dharma dengan type

Ferry Ro-Ro. Analisa yang dilakukan adalah dengan

menggunakan simulasi komputer dengan metode

Computational Fluid Dynamics (CFD) dengan sofware

CFX bukan membuat model secara nyata di lapangan.

2.1 Peralatan dan bahan a) Peralatan

Proses analisa menggunakan simulasi

dengan bantuan komputer, sehingga memerlukan

spesifikasi komputer yang memadai agar dapat

menghasilkan data yang akurat atau mendekati

kondisi riil. Berbagai spesifikasi computer yang

dapat digunakan yaitu :

- Sistem Operasi Windows 2000,

Windows XP Professional, Windows

XP 64 dan berbagai platform untuk

sistem operasi Linux yang cocok

- Procesor Intel Pentium 4 Dual Core

atau lebih tinggi

- Memori (RAM) minimal 512 MB (atau

lebih tinggi lebih baik)

- VGA minimal 512 MB (atau 1 GB)

- Layar dengan resolusi minimal 1024 x

768 pixel

b) Bahan

Bahan yang digunakan dalam analisa ini

adalah data dan spesifikasi teknis kapal Wicitra

Dharma dengan type ferry Ro-Ro, yang meliputi

principle dimension kapal. Untuk hal-hal lain

yang akan dianalisa selanjutnya adalah

berdasarkan analisa umum serta pertimbangan-

pertimbangan yang terkait dengan masalah

seperti temperatur udara tropis di Indonesia

diambil nilainya sebesar 25 oC.

2.2 Prosedur pelaksanaan a. Telaah Pustaka

Berbagai literatur yang mendukung

proses pengerjaan skripsi ini dapat diperoleh dari

berbagai sumber, misalnya Perpustakaan Pusat

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya,

Ruang Baca FTK-ITS dan Ruang Baca Jurusan

Teknik Sistem Perkapalan. Selain itu berbagai

website yang mendukung juga telah dikunjungi

untuk mendapatkan tambahan ilmu yang

dibutuhkan seperti tutorial software Maxsurf

dan CFX.

b. Pengumpulan data

Data yang digunakan yakni spesifikasi

teknis kapal Wicitra Dharma milik PT Dharma

Lautan Utama.

c. Pengolahan data untuk pemodelan

Pemodelan yang dilakukan adalah pada

bagian rudder kapal, propeller dan body buritan

kapal. Pemodelan menggunakan software-

software terkait, yakni:

- Maxsurf Professional dan Hullspeed Program maxsurf ini digunakan

untuk memodelkan bentuk lambung kapal baik

yang tercelup maupun yang berada di atas

permukaan air, sehingga diperoleh desain

kapal secara tiga dimensi. Program hullspeed

digunakan untuk menganalisa bentuk kapal

yang telah didesain oleh maxsurf, sehingga

diperoleh data-data yang berhubungan dengan

badan kapal seperti volume displacement,

coefficient prismatic, dll.

- Ansys CFX

Pada software ini akan dimodelkan

rudder dan peletakannya, kemudian dibuat

body untuk menentukan domain dari fluida.

Dalam kasus ini yang akan dianalisa yaitu

fluida air. Setelah itu langkah selanjutnya

adalah melakukan meshing terhadap objek

tersebut. Meshing dilakukan dengan tujuan

untuk memecah-mecah bagian utuh dari suatu

objek menjadi grid kecil untuk kemudian

dilakukan ‘running’ atas tujuan tertentu.

Semakin banyak grid yang digunakan maka

‘running’ yang dilakukan akan memberikan

hasil makin akurat karena apa yang terjadi

pada tiap luasan objek dapat diketahui

semakin detail. Program ini akan menganalisa

badan kapal serta propeller yang telah

dimeshing; dengan cara mengalirkan fluida

dan mengamati hasilnya.

- Program lain yang diperlukan Program lain yang membantu antara

lain: autocad (untuk membantu pada saat

menggambar propeller), microsoft excel

(untuk perhitungan), microsoft word (untuk

pembuatan laporan).

d. Validasi dan analisa hasil pemodelan

Hasil ‘running’ dari pemodelan

memberikan berbagai data baru untuk dianalisa

selanjutnya menjadi nilai-nilai yang menjadi

tujuan analisa ini. Yaitu akan didapatkan data-

data seperti kecepatan fluida, gaya lift, gaya drag

dan arah aliran fluida. Yang tidak kalah

pentingnya adalah proses visualisasi dari hasil

running tersebut untuk mengetahui distribusi

kecepatan dan tekanan pada dinding rudder yang

dianalisa.

e. Kesimpulan dan Saran

Setelah proses pengerjaan analisa data

dan pembahasan di atas, maka dapat ditarik kesimpulan dan rekomendasi bagi pengerjaan

dimasa yang akan datang. Berikut adalah

diagram alir pengerjaan skripsi ini :

Gambar 2.1 Flowchart Penulisan Skripsi

III. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

3.1 Umum Pada tahap ini akan diuraikan langkah-langkah

pembuatan model dan dilanjutkan dengan langkah

simulasi pada variasi model yang telah dibuat dengan

menggunakan bantuan perangkat lunak Computational

Fluid Dinamic (CFD). Perancangan model didasarkan pada

batasan-batasan yang telah dijelaskan pada bab awal

tulisan ini. Ada beberapa tahapan yang harus dilalui untuk

bisa mendapatkan data-data hasil simulasi yang selanjutnya

akan diolah untuk dianalisa lebih lanjut. Antara satu tahap

dengan tahap yang lain saling terkait dan tidak bisa

dipisahkan.

Kapal yang akan dijadikan objek penelitian

dalam skripsi ini adalah kapal jenis Ferry Ro-Ro KMP.

Wicitra Dharma 571 GT. Data-data kapal tersebut adalah

sebagai berikut :

LOA = 53,25 m

LWL = 49 m

LPP = 47.04 m

B = 12,60 m

H = 3,60 m

Cb = 0.67

T = 2,60 m

Vs = 10 knot = 5.14 m/s

Engine = 2 x 1000 HP

3.2 Model lambung Kapal Kapal ini dimodelkan dengan menggunakan

program maxsurf sehingga diperoleh desain kapal secara

tiga dimensi. Untuk dapat dibuka pada software ANSYS

CFX maka hasil file dari maxsurf diexport ke program

Hydrolink, dari program hydrolink ini file di save as

menjadi bentuk *igs.

Gambar 4.1 Model kapal

Gambar 3.2 Model lambung kapal

3.3 Model Rudder Dari principle dimention kapal tersebut dapat

dihitung luasan rudder yakni masing-masing single rudder

dan double rudder. Setelah diperoleh parameter

penggambaran rudder, maka dapat digambarkan pada

software ANSYS CFX. Perencanaan rudder tersebut

sebagai berikut :

• Bentuk rudder = Spade rudder

• Profil rudder = NACA 0015

• Type Kemudi = balancir

• Rasio = 1.8

Single rudder Single rudder ini menggunakan type balance dengan

NACA 0015 dengan ukuran sebagai berikut :

Luas (A) = 2.14 m2

lebar (chord) = 1.09 m

tinggi (span) = 1.962 m

Double rudder

Double rudder ini menggunakan type balance

dengan NACA 0015 dengan ukuran sebagai berikut :

Luas (A) = 1.712 m2

lebar (chord) = 0.975 m

tinggi (span) = 1.755 m

Gambar 3.3 Model rudder

3.4 Model Propeler Propeller yang digunakan untuk proses simulasi

menggunakan propeller type B-series. Diameter propeller

yang digunakan adalah sebesar 1.550 meter dengan

jumlah blade 4 buah.

Gambar 3.4 Model Propeller

Setelah pembuatan masing-masing model selesai maka

ketiga model tersebut digabungkan pada Ansys Icem CFD.

Setelah itu model akan divariasikan berdasarkan jumlah

dan jarak rudder dari centreline seperti pada tabel berikut

ini :

3.5 Variasi Posisi Rudder Posisi rudder divariasikan dengan memindahkan

jaraknya dari centerline kapal. Jarak dari centre line diberi

variable “l” dan “L”, dimana l adalah jarak rudder yang

direncanakan dari centre line dan L adalah jarak rudder

sebenarnya (original) dari centerline. Kemudian untuk

mengetahui perbedaan gaya-gaya pada rudder, maka

dilakukan variasi sudut pada masing-masing model, yaitu

150, 250 dan 350. Variasi posisi rudder ini dilakukan untuk

menganalisa pengaruh perpindahan rudder, sehingga

diperoleh trendline dari gaya lift yang bekerja pada rudder.

Selain itu juga akan diperoleh data kecepatan, dimana data

ini akan diolah untuk mendapatkan waktu manoeuvring.

Untuk mendapatkan jarak yang direncanakan dari variasi

posisi rudder maka digunakan persamaan berikut :

Gambar 3.5 Variasi posisi rudder

Sedangkan untuk yang single rudder posisinya

berada tepat di centerline. Untuk lebih jelasnya variasi

rudder ini dapat dilihat pada table berikut :

Tabel 3.1 Variasi Posisi Rudder

No Variasi Jarak rudder

dari centreline Variasi sudut (0)

1

1.88 m (80 %)

15

25

35

2

2.115 m (90%)

15

25

35

3

2.35 m (100%)

15

25

35

4

2.585 m (110%)

15

25

35

5

2.82 m (120 %)

15

25

35

6

Single rudder

15

25

35

3.6 Simulasi Model Setelah masing-masing variasi model selesai

dimeshing maka langkah selanjutnya yaitu disimulasikan

dengan tahap – tahap sebagai berikut :

� Domain

Domain merupakan daerah batas atau ruang

lingkup fluida dimana fluida tersebut berada dan bekerja.

Pada simulasi ini akan dibuat dua domain yaitu domain

rotating dan domain stationer dimana fluida yang bekerja

pada kedua domain tersebut adalah air. Pada domain

rotating, fluida kerja yang melewati suatu model akan

berputar pada putaran tertentu. Dimana model yang

termasuk ke dalam domain rotating ini yaitu propeller.

Pada simulasi ini direncanakan pada putaran propeller

sebesar 400 Rpm. Sedangkan pada domain stationer, area

yang meliputi ke dalam domain ini yaitu rudder. Aliran

fluida yang bekerja pada saat melewati domain ini

bergerak translasi.

Untuk menghubungkan sebuah domain dengan

domain lainnya diperlukan domain interface. Pada

simulasi ini digunakan domain interface untuk

menghubungkan domain diam dan berputar. Parameter-

parameter yang digunakan :

Tipe interface : fluid-fluid Model interface : General connection

Frame change : Frozen rotor

� Boundary

Boundary merupakan batasan atau area dimana

fluida dan benda yang akan dianalisa berada. Bentuk

boundary biasanya bervariasi tergantung objek yang

dianalisa. Dalam hal ini boundary yang digunakan

berbentuk persegi. Boundary dibuat untuk mengetahui

karakteristik benda dan fluida agar mendekati dengan

kondisi yang sebenarnya.

Kondisi batas yang dibentuk diantaranya berupa

inlet yaitu sebagai saluran masuknya fluida, outlet sebagai

saluran keluarnya fluida dan wall (dinding pembatas) yang

digunakan sebagai boundary pada model (propeller dan

rudder) serta silinder pembatas aliran fluida.

Gambar 3.6 Boundary condition untuk simulasi

Keterangan : 1. Outlet

2. Wall

3. Hull

4. Rudder

5. Inlet besar untuk domain stasioner

6. Inlet kecil untuk domain rotating

7. Propeler

Pada simulasi ini digunakan dua inlet untuk dua

jenis domain yang telah dibuat sebelumnya, yang pertama

yaitu inlet untuk domain stationer dengan parameter input

berupa Va (kecepatan advance) yaitu 3.485 m/s.

Sedangkan untuk inlet kedua adalah bagian domain

rotating, input parameter yang digunakan adalah massflow

rate dengan ketentuan berikut.

Q = VA. A (4)

= VA. ¼ π D2 m3/s

= VA. ¼ π D2.ρ air laut

VA(advance velocity) merupakan kecepatan fluida dibagian

buritan kapal.

VA = Vs(1-w)

Dimana, w = wave fraction untuk twin screw, yang dapat dicari dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :

dimana :

a = Jarak antara 2 poros [m] = 4.7 m

B = Lebar Kapal [m] = 12.6 m

Cp = koefisien prismatik

= Cbpp / Cm

Cm = koefisien midship

= Am / ( Bm x T )

Am = luasan midship

= (B x T) – 2(R2-{1/4 x π x R2})

R = jari – jari bilga

= 0,16 x T

= 0,16 x 2.6

= 0.416 m

Jadi,

Am = (12.60 x 2.60)–2(0.4162 – {1/4 x 3.14 x 0.4162})

= 32.76 - 0.0745

= 32.685 m2 Cm = 32.685 / (12.60 x 2.60)

= 0.997

Cp = 0,75 / 0,997

= 0,752

w = 0,7 x 0.752 - 0.3 + 0.3 (0.4 – 4.7/12.6)

= 0.7 x 0.452 + 0.008

= 0.322

VA = Vs.(1 - w)

= 5.14 x (1- 0.322)

= 3.485 m/s

Sedangkan ”A” adalah luasan area inlet domain

rotating sebagai tempat propeller. Dengan harga A sebesar

2.27 m2 dan ρ air laut sebesar 1025,9 kg/m3, diperoleh nilai Q

sebesar 7.906 kg/s

� Outlet

Outlet merupakan bagian dari domain stationer

dengan parameter yang dipakai adalah tekanan statis rata-rata

sebesar 1 atm yang bersifat relative terhadap tekanan fluida

pada domain.

� Wall

Wall merupakan dinding pembatas fluida kerja yang

dikondisikan pada model percobaan. Dalam simulasi ini

digunakan bentuk kotak untuk meletakkan model lambung

kapal dan rudder ditetapkan sebagai wall dengan parameter

opening, dimana aliran fluida yang bekerja pada percobaan

dianggap tidak akan memantul kembali ke dalam kotak jika

mengenai kotak pembatas tersebut. Sedangkan model

propeller dan rudder yang digunakan juga bertipe wall tetapi

dengan parameter no slip yang artinya terdapat gesekan pada kedua model tersebut apabila dilewati fluida kerja.

� Solver

Program solver CFD ini bertujuan untuk

melakukan proses pengolahan data dengan perhitungan

numerik komputer dari semua parameter-parameter yang

telah ditentukan pada domain dan boundary condition di

atas. Pada tahap ini, parameter yang digunakan adalah :

Maximum iteration = 25

Timescale control = Automatic time scale

Convergence criteria (residual target) = 1 x 10-4

Iterasi di atas digunakan untuk memperoleh

konvergensi, yaitu kesesuaian (matching) antara input

simulasi (boundary condition dan parameter lain) atau tebakan yang diberikan dengan hasil perhitungan yang

diperoleh (kriteria output). Semakin kecil selisih

konvergensi maka hasil yang diperoleh semakin akurat.

� Post

Tahap post ini bertujuan untuk menampilkan

hasil pengolahan data yang telah dilakukan pada proses

solver. Hasil yang diperolah dapat berupa data numerik

maupun data visual. Data yang diperoleh akan digunakan

sesuai dengan tujuan dari percobaan yang dilakukan dan

sebagai validasi. Untuk proses validasi, data yang

digunakan adalah Gaya lift yang diambil dari function

calculator pada tahap post.

Berikut ini adalah contoh data visual yang diambil

dari tahap post berdasarkan proses simulasi.

Gambar 3.7 Kontur kecepatan fluida dan streamline

aliran fluida

Gambar 3.8 Kontur tekanan yang terjadi pada rudder

3.7 Data yang diperoleh dari proses simulasi Pada tahap analisa ini, data yang diperoleh dari

proses simulasi diambil untuk menentukan proses

selanjutnya yaitu perhitungan waktu untuk manoeuvring

kapal. Dimana data yang diperoleh dari proses simulasi

yaitu gaya lift, gaya drag, dan kecepatan. Data tersebut

diperoleh pada simulasi CFD diambil pada proses post

dengan menggunakan function calculator seperti berikut

ini :

Gambar 3.9 Harga gaya lift pada rudder

Adapun data-data yang diperoleh dari proses

simulasi pada seluruh model yakni sebagai berikut :

Tabel 3.2 Data dari proses simulasi

No Jarak Rudder

(m)

Sudut rudder

(α)0

Gaya lift (N) Gaya Drag (N)

Portside Starboard Portside Starboard

1 1.88 (80%)

15 257185 -346104 29618 -105108

25 198638 -352207 40059.4 -169601

35 130568 -340322 23961.4 -237729

2 2.115 (90%)

15 259557 -413163 16782.8 -124701

25 164976 -426750 6306.36 -204751

35 86474.4 -398044 -25359.8 -276355

3 2.35 (100%)

15 184043 -407867 -23450.4 -142530

25 69960.7 -460848 -56272.7 -232043

35 -44319.5 -443663 -128826 -313404

4 2.585 (110%)

15 178383 -362532 32977.9 -85398.8

25 -191964 -383273 -181351 -219269

35 -267816 -409684 -268426 -312223

5 2.82 (120%)

15 -367427 -42852.2 -175573 -98466.9

25 -449076 -173677 -264098 -170776

35 -484768 -245744 -369435 -233765

6 Single rudder

15 -20714.9 -19609.6

25 -19520 -21172

35 -39823.9 -39922.9

Harga (-) menunjukkan arah gaya lift ke sumbu z negatif dan harga (-) pada gaya drag menunjukkan arahnya ke sumbu x

negatif.

3.8 Pembahasan Dari data tersebut diperoleh total gaya lift dan

gaya drag dengan menggunakan rumus penjumlahan

vector. Setelah diperoleh total gaya lift dan gaya drag,

maka kecepatan fluida pada rudder dapat dicari yaitu

dengan menggunakan rumus gaya lift sebagai berikut :

L = 0,5 x CL x ρ x V2 x A

dimana :

L = gaya lift dari proses simulasi

CL = coefficient of lift

= 2 x π x (α/180°)

α = angle of attack (sudut belokan

kemudi) yaitu (150, 250, dan 350)

ρ = massa jenis fluida

= 1025,9 kg/m3

V = kecepatan fluida

A = luasan foil (rudder) keseluruhan.

Untuk luasan rudder secara keseluruhan, agar lebih valid

nilainya diambil dari proses post pada tahap simulasi

dengan menggunakan function calculator. Setelah

diperoleh nilai kecepatan fluida, maka akan dapat dicari

waktu manoeuvringnya dengan menggunakan rumus :

V = S / t (5)

dimana :

V = kecepatan (m/s)

S = Jarak (m)

t = Waktu tempuh (s)

Jarak dalam hal ini yaitu tactical diameter kapal yang

merupakan keliling lingkaran. Sehingga dapat dicari

dengan menggunakan rumus :

S = 2Πr = ΠD (6)

Sedangkan tactical diameter untuk kapal

penumpang menurut buku (Introduction To Naval

Architecture hal 257 ) dirumuskan dengan :

TD/L = 4.5 (7)

dimana :

TD = D = Tactical diameter (m)

L = Panjang kapal (m)

Dari rumus tactical diameter tersebut akan diperoleh nilai

TD, sehingga nilai jarak (S) akan dapat dihitung yaitu

dengan menggunakan rumus 6 di atas.

Untuk memperoleh nilai kecepatan konstan pada

saat turning dapat dicari dengan menggunakan rumus :

(8)

Dimana :

Vg = kecepatan konstan pada saat berbelok (m/s)

V = kecepatan kapal sebelum berbelok (m/s)

A = luasan rudder (ft2)

S = luasan dari centerline plane (ft2)

α = sudut rudder

Ks = koefisien yang divariasikan dari V/SL, seperti

pada tabel 4.5

V = volume displacement (ft3)

L = LWL kapal (ft)

1 ft = 0.3048 m

Table 3.3 Nilai Ks

V/SL Ks V/SL Ks

0,04 4,25 0,10 2,27

0,05 3,77 0,11 2,13

0,06 3,33 0,12 2,02

0,07 2,97 0,13 1,94

0,08 2,68 0,14 1,88

0,09 2,45 0,15 1,83

3.9 Perhitungan Seperti dijelaskan sebelumnya yakni jarak

manoeuvring yang merupakan keliling lingkaran dapat

dicari sebagai berikut :

TD/L = 4.5

TD = 4.5 x L

TD = 4.5 x 47.04

TD = 211.68 m

setelah diperoleh diameternya maka jarak (S) dapat dicari

dengan menggunakan rumus (6) di atas yaitu :

S = 2Πr = ΠD

S = 3.14 x 211.68 m

S = 664.675 m

Selanjutnya yaitu menghitung kecepatan konstan

kapal saat bermanoeuver, tapi sebelumnya akan dihitung

terlebih dahulu parameter berikut ini :

Ldisp = ½ (Lpp + Lwl)

= 48.02 m

Volume displacement (V) = L x B x T x Cb

= 48.02 x 12.6 x 2.6 x 0.67

= 1054 m3

= 3458 ft3

Luasan centerline plane (S) = L x T

= 49 m x 2.6 m

= 127.4 m2

= 417.97 ft2

V/SL = 3458 ft3 / (417.97 ft2 x 160.76 ft)

= 0.05

Sehingga dapat diperoleh nilai Ks dari table 4.5 di atas

yaitu untuk V/SL = 0.05 maka nilai Ks = 3.77.

Setelah semua parameter tersebut diperoleh, maka langkah selanjutnya yaitu perhitungan kecepatan

konstan kapal saat bermanoeuvring dan waktu

manoeuvring kapal. Untuk perhitungan kecepatan konstan

kapal saat bermanoeuvring dapat menggunakan rumus (8)

di atas. Dan untuk memperoleh waktu manoeuvringnya

dapat menggunakan rumus (5) di atas. Hasil dari

perhitungan ini dapat dilihat pada tabel berikut ini :

Tabel 3.4 Perhitungan

Gaya Lift Gaya

Drag

Luasan

Rudder

Coefisien

Gaya Lift Gaya Lift

Va

(m/s) w 1-w

Vs Koefisien

Ks

Luas

Centreline

Plane S

(m2)

Vg / Vs =

Kecepata

n Saat

Turning

Tactical

Diameter Waktu

Tempuh

t (s) L (N) D (N) A (m2) CL

0.5 x C L x ρ

x V^2 x A Va/(1-w)

(1-(α*A/Ks

*S)) Vg (m/s) S (m)

88919 75490 7.39 0.52 88919 6.70 0.322 0.678 9.88 3.77 127.4 0.77 7.60 664.675 87.47

153569 129542 7.39 0.87 153569 6.82 0.322 0.678 10.06 3.77 127.4 0.62 6.19 664.675 107.41

209754 213768 7.39 1.22 209754 6.73 0.322 0.678 9.93 3.77 127.4 0.46 4.58 664.675 145.00

153606 107918 7.39 0.52 153606 8.80 0.322 0.678 12.98 3.77 127.4 0.77 9.99 664.675 66.55

261774 198445 7.39 0.87 261774 8.90 0.322 0.678 13.13 3.77 127.4 0.62 8.08 664.675 82.27

311570 301715 7.39 1.22 311570 8.21 0.322 0.678 12.11 3.77 127.4 0.46 5.59 664.675 118.97

223824 165980 7.39 0.52 223824 10.63 0.322 0.678 15.67 3.77 127.4 0.77 12.06 664.675 55.13

390887 288316 7.39 0.87 390887 10.88 0.322 0.678 16.04 3.77 127.4 0.62 9.87 664.675 67.33

487983 442230 7.39 1.22 487983 10.27 0.322 0.678 15.15 3.77 127.4 0.46 6.99 664.675 95.07

184149 52421 7.39 0.52 184149 9.64 0.322 0.678 14.22 3.77 127.4 0.77 10.94 664.675 60.78

575237 400620 7.39 0.87 575237 13.20 0.322 0.678 19.46 3.77 127.4 0.62 11.98 664.675 55.50

677500 580649 7.39 1.22 677500 12.10 0.322 0.678 17.85 3.77 127.4 0.46 8.24 664.675 80.68

410279 274040 7.39 0.52 410279 14.39 0.322 0.678 21.22 3.77 127.4 0.77 16.32 664.675 40.72

622753 434874 7.39 0.87 622753 13.73 0.322 0.678 20.25 3.77 127.4 0.62 12.46 664.675 53.34

730512 603200 7.39 1.22 730512 12.57 0.322 0.678 18.54 3.77 127.4 0.46 8.55 664.675 77.70

20715 19610 4.59 0.52 20715 4.10 0.322 0.678 6.05 3.77 127.4 0.86 5.18 665.675 128.44

19520 21172 4.59 0.87 19520 3.08 0.322 0.678 4.55 3.77 127.4 0.76 3.46 666.675 192.55

39824 39923 4.59 1.22 39824 3.72 0.322 0.678 5.49 3.77 127.4 0.67 3.65 667.675 182.68

3.10 Analisa Grafik Data- data yang ditabulasikan dalam bentuk tabel

pada subbab sebelumnya, kemudian akan di plot ke dalam

bentuk grafik untuk mengetahui karakteristik dari masing –

masing model variasi yang telah dibuat.

3.10.1 Hubungan antara kecepatan, sudut

rudder terhadap jarak rudder dari centerline

Gambar 3.8 – Grafik keseluruhan hubungan kecepatan

dengan sudut rudder

Dari grafik tersebut di atas dapat kita amati

karakteristik kecepatan fluida terhadap sudut rudder, jika

rudder dipindahkan posisinya dari centerline kapal sejauh

l/L . Dimana hubungan kecepatan dan sudut rudder adalah

berbanding terbalik. Semakin besar sudut rudder, maka

kecepatan kapal akan berkurang. Hal ini diakibatkan

tahanan pada rudder meningkat seiring dengan

meningkatnya sudut serangan pada rudder (angle of

attack), sehingga kapal akan berbelok ke kanan apabila

rudder dieksekusi ke bagian starboard kapal. Akibat

eksekusi rudder pada sudut tertentu, maka akan muncul

gaya - gaya yang bekerja pada rudder, yaitu berupa gaya

lift yang tegak lurus dengan arah aliran dan gaya drag yang

searah dengan aliran. Gaya-gaya yang bekerja pada rudder

tersebut akan mengakibatkan kapal berbelok.

Dari grafik tersebut di atas, maka dapat dianalisis

bahwa semakin jauh jarak rudder dari centerline maka

kecepatan kapal saat berbelok akan meningkat. Seperti

pada grafik di atas dimana pada rasio l/L= 120% (2.82 m)

merupakan jarak terbaik. Sedangkan rasio l/L = 100%

(2.35 m) yang merupakan jarak original masih berada di

bawah rasio l/L= 120%. Namun jika dilihat dari jumlah

ruddernya, double rudder jauh lebih baik dibandingkan

dengan single rudder. Hal ini dapat diamati pada grafik.

Dimana untuk single rudder, kecepatan kapal pada saat

berbelok jauh lebih rendah dibandingkan dengan double

rudder. Hal ini dikarenakan semakin dekat jarak rudder ke

centerline maka terjadi penurunan gaya dorong dari

propeller.

Gambar 3.9 - Grafik hubungan kecepatan dengan sudut

rudder pada jarak 1.88 m dari centerline (80%).


rudder pada jarak 2.115 m dari centerline (90%)








rudder pada single rudder

3.10.2 Hubungan antara kecepatan dan waktu

terhadap jarak rudder dari centerline

Gambar 3.15 – Grafik keseluruhan hubungan kecepatan

dengan waktu tempuh

Pada grafik di atas, dapat dianalisa bahwa

semakin meningkat kecepatan kapal saat berbelok, maka

waktu yang dibutuhkan akan semakin kecil. Peningkatan

kecepatan ini seiring dengan meningkatnya jarak rudder

dari centerline. Rasio l/L =120% (2.82 m) merupakan jarak

terjauh dari centerline dan memiliki kecepatan tertinggi

dari yang lainnya. Jadi dapat disimpulkan bahwa semakin

jauh jarak rudder dari centerline kapal akan semakin baik.

Dan sebaliknya semakin dekat jarak rudder ke centerline

maka kecepatan kapal saat berbelok akan semakin kecil.

Hal ini diakibatkan gaya dorong dari propeller akan

semakin kecil yang mengenai rudder. Seperti halnya pada

single rudder yaitu kecepatan untuk single rudder jauh

lebih kecil dibandingkan double rudder. Sehingga

membutuhkan waktu lebih untuk melakukan satu putaran

dibandingkan double rudder. Seperti dijelaskan

sebelumnya, hal ini disebabkan gaya dorong dari propeller

yang masuk ke rudder semakin kecil karena terlalu jauh

dari propeller.

Gambar 3.16 – Grafik hubungan kecepatan dengan

waktu pada jarak 1.88 m dari centerline (80%).

Gambar 3.17 - Grafik hubungan kecepatan dengan









waktu pada single rudder

3.10.3 Hubungan antara gaya lift, gaya drag

dan sudut rudder terhadap jarak rudder dari

centerline

Gambar 3.22 - Grafik hubungan gaya lift dan sudut

rudder terhadap jarak rudder dari centreline

Dengan adanya kemudi yang membentuk sudut

serangan α pada kecepatan konstan V timbullah gaya daun

kemudi P yang tidak simetri. Gaya inilah yang

menyebabkan perubahan arah gerak kapal. Gaya P ini

dapat diuraikan dalam sebuah gaya lift L yang tegak lurus

terhadap aliran dan gaya drag D yang searah aliran.

Resultan kedua gaya tersebut menghasilkan gaya P yang

dapat diuraikan menjadi dua komponen, yaitu komponen

Px pada centerline kapal, berarah ke belakang yang disebut

“drag” dan komponen Py tegak lurus Px berarah ke

samping disebut “lift”.

Gaya lift atau gaya angkat merupakan gaya yang

tegak lurus terhadap arah aliran fluida. Menurut Prinsip

Bernoulli menyatakan bahwa semakin tinggi kecepatan

fluida maka tekanannya akan mengecil. Dengan demikian

akan terjadi perbedaan tekanan antara fluida bagian bawah

dan atas rudder, hal inilah yang menciptakan gaya angkat

L. Jika kita amati pada grafik di atas, gaya lift terbesar

berada pada jarak rudder terjauh dari centerline yaitu pada

rasio l/L = 120% (2.82 m) dan gaya lift terkecil yaitu pada

single rudder. Seiring dengan peningkatan sudut rudder

maka gaya lift pada rudder juga akan meningkat.

Gambar 3.23 - Grafik hubungan gaya drag dan sudut

rudder terhadap jarak rudder dari centreline

Drag adalah gaya ke belakang atau searah

dengan aliran fluida. Pada grafik tersebut dapat kita amati

bahwa gaya drag akan meningkat seiring dengan

meningkatnya sudut pada rudder. Gaya drag tertinggi

berada pada rasio l/L = 120% (2.82 m) dan gaya drag

terendah pada single rudder. Sehingga dapat disimpulkan

bahwa semakin jauh jarak rudder dari centreline kapal

maka gaya dragnya akan semakin tinggi dan sebaliknya

semakin dekat jarak rudder ke centerline maka gaya

dragnya akan semakin rendah. Dari grafik di atas dapat kita

amati bahwa, gaya lift lebih besar dibandingkan gaya drag.

4.1 Kesimpulan Setelah melakukan semua simulasi model yang

direncanakan, dan berdasarkan hasil analisa serta

pembahasan maka dapat ditarik beberapa kesimpulan

sebagai berikut :

1. Semakin jauh jarak rudder dari centerline kapal,

maka waktu yang dibutuhkan untuk berbelok

akan semakin kecil dan sebaliknya semakin

dekat jarak rudder ke centerline maka waktu

yang dibutuhkan semakin besar.

2. Double rudder lebih baik digunakan

dibandingkan single rudder, karena double

rudder menghasilkan waktu paling kecil jika

dibandingkan single rudder.

3. Posisi rudder paling optimal berada pada rasio

l/L =120% atau 2.82 m dari centerline kapal,

karena menghasilkan waktu berbelok paling

kecil.

4. Gaya lift dan gaya drag terbesar berada pada

rasio l/L =120% atu 2.82 m dari centerline dan

gaya lift terkecil berada pada single rudder.

5. Kecepatan aliran fluida yang melewati rudder

juga dipengaruhi oleh variasi peletakan yang

dilakukan, dimana semakin jauh jaraknya dari

centerline maka kecepatan fluida akan semakin

besar dan sebaliknya.

4.2 Saran Ada beberapa hal yang dirasa perlu

dikembangkan untuk penelitian selanjutnya. Untuk itu

saran-saran yang diberikan oleh penulis untuk penelitian

selanjutnya adalah sebagai berikut:

1. Memperbanyak jumlah iterasi baik pada proses

penggambaran model (meshing) dan proses

simulasi agar hasil yang didapatkan lebih

maksimal.

2. Menambah variasi peletakan rudder yaitu dengan

memvariasikan jarak rudder dari propeller untuk

analisis yang lebih dalam dan pengaruhnya

terhadap gaya lift serta waktu manoeuvring

yang dihasilkan.

3. Selain itu perlu juga disiapkan juga pengetahuan

yang cukup tentang metode CFD terutama yang

berbasis Free Surface agar waktu pengerjaan

lebih optimal.

DAFTAR PUSTAKA

_.2000. ”Spesifikasi Teknis Kapal Wicitra Dharma”.

PT.Dharma Lautan Utama

Adji, Suryo W. 2005.”Engine Propeller Matching”.

Diktat Mata Kuliah Propulsi. JTSP-FTK-ITS

BKI section 14 - Rudder and Manoeuvring

Arrangement.

Modul Tutorial ANSYS-CFX Studi Kasus Foil,

Laboratorium Perancangan dan Rekayasa

Jurusan Teknik System Perkapalan, Surabaya.

Rossell, Henry E. dan Chapman, Lawrence B.1962.

“Principles of Naval Architecture” The

society of Naval Architects and Marine

Engineers 74 trinity place, New York 6,N.Y.

Rawson K.J. 2001. “Basic Ship Theory”.

Butterworth – Heinemann

Tupper, Eric C. “Introduction to naval

Architecture”. Butterworth – Heinemann

Verlag, Seehafen. 1993. “Manoeuvring Technical

Manual”.

pengaruh jumlah dan posisi rudder terhadap kemampuan ... · salah satu cara untuk meningkatkan...

Documents