STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH GAYA GELOMBANG LAUT TERHADAP PEMBANGKITAN GAYA THRUST HYDROFOIL SERI NACA 0012 DAN NACA 0018 (Syahroni Hidayat, Sarwono, Ridho Hantoro) Jurusan Teknik Fisika Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Kampus ITS Sukolilo, Surabaya - 60111 email :
[email protected]
Abstrak Laut menyediakan energi alternatif yang melimpah seperti gelombang dan arus laut. Perkembangan pemanfaatan sumber energi ini pada akhirnya memberikan potensi untuk dapat diteliti dan dikembangkan, seperti pada kapal ramah lingkungan Suntory Mermaid II yang memanfaatkan tenaga penggerak mekanis berupa hydrofoil. Terdapat berbagai jenis hydrofoil dan salah satunya adalah NACA. Telah dilakukan penelitian pengaruh gaya gelombang terhadap pembangkitan gaya dorong (thrust) hydrofoil seri NACA 0012 dan 0018 sebagai alternatif penggerak mekanis kapal dengan variasi kedalaman dengan metode eksperimen dan simulasi. Dari eksperimen diperoleh nilai gaya Fx dan Fy maksimum sebesar 0.00369 N dan 0.0191 N pada sudut pitch maksimum ±10o, sedangkan dari simulasi sebesar 0.00389 N dan 0.0192 N. Untuk error terkecil perhitungan antara nilai Fx dan Fy eksperimen dan simulasi terjadi pada kedalaman air 22 cm untuk kedua seri NACA. Lebih spesifik NACA 0018 dengan span 20 cm memiliki error perhitungan terkecil dengan Fx, 6.17 % dan Fy, 1.6 %. Berdasarkan eksperimen, tidak ada perbedaan nilai gaya Fx dan Fy yang dibangkitkan antara hydrofoil seri NACA 0012 dan NACA 0018, karena pada kedalaman yang sama sudut osilasi maksimum kedua seri hydrofoil juga sama yaitu pada kedalaman 22 cm ± 10o - ±11o dengan Fx 0.00369 N - 0.0038 N dan Fy 0.0191 N – 0.0195 N, dan pada kedalaman 24 cm dan 26 cm ±14o - ± 16o dengan Fx 0.006 N - 0.0085 N dan Fy 0.024 N – 0.028 N. Kata kunci : gelombang laut, energi alternatif, thrust, hydrofoil I.
PENDAHULUAN Laut menyediakan sumber energi alternatif dan terbarukan yang melimpah seperti gelombang dan arus laut. Pemanfaatan kedua energi ini telah mulai dikembangkan di luar negeri dan di Indonesia. Perkembangan penelitian pemanfaatan energi gelombang dan arus laut pada akhirnya memberikan potensi untuk dapat diteliti dan diterapkan dalam pengembangan kapal ramah lingkungan dengan memanfaatkan energi terbarukan. Sebagai salah satu contoh, seorang professor Jepang telah mengembangkan kapal katamaran Suntory Mermaid II dengan tenaga penggerak mekanis berupa hydrofoil.
dapat dibangkitkan sebagai alternatif penggerak kapal dengan menggunakan simulasi CFD. II. TINJAUAN PUSTAKA A. Gelombang Laut Gelombang adalah pergerakan naik dan turunnya air dengan arah tegak lurus permukaan air yang membentuk kurva sinusoidal. Gelombang laut adalah penjalaran energi yang membawa energi dari laut lepas ke tepi pantai. Adapaun pencetus gelombang laut dapat disebabkan oleh angin (gelombang angin), daya tarik bumi-bulan-matahari (gelombang pasang surut), gempa (vulkanik atau tektonik) didasar laut (gelombang tsunami) ataupun gelombang yang disebabkan oleh gerakan kapal. Namun ada juga istilah gelombang permukaan laut dan gelombang internal. Disebut gelombang permukaan karena gelombang terjadi di permukaan laut sedangkan gelombang internal adalah gelombang yang menjalar di dalam lautan.
Gambar 1. Suntory Mermaid II[1] Hydrofoil adalah salah satu bentuk body aerodinamika sederhana yang berguna untuk dapat memberikan gaya angkat tertentu terhadap suatu body lainnya dan salah satu seri hydrofoil adalah hydrofoil NACA yang dikembangkan oleh National Advisory Committee for Aeronautics . Oleh karena itu, peneliti ingin membandingkan beberapa seri hydrofoil NACA untuk mengetahui perubahan-perubahan gerakan aerofoil akibat gaya gelombang laut serta prediksi energi yang
Gambar 2. Gerak orbit partikel air di berbagai jenis perairan.[2] Pada dasarnya profil gerakan osilasi partikel air berbeda-beda menurut kedalamannya. Pada perairan 1
dalam gerakan partikel air berbentuk lingkaran. Sedangkan pada perairan dangkal gerakan patikel air berosilasi secara horizontal. Penggambaran gerakan partikel air dapat dinyatakan seperti gambar 2 di atas: Persamaan gelombang umum dapat dinyatakan dalam persamaan berikut :
Chord line : garis lurus yang menghubungkan leading edge dengan trailing edge. Mean chamber line : garis yang membagi sama besar antara permukaan atas dan bawah. Maximum chamber : jarak maksimal antara chamber line dan chord line. Maximum thickness: jarak maksimal antara permukaan atas dan bawah. Leading edge radius: jari-jari kelengkungan permukaan leading edge, besarnya radius ini 0 – 2%. Sudut serang adalah sudut yang dibentuk antara chord hydrofoil dengan vector kecepatan aliran fluida freestream. Perubahan Reynolds number dan sudut serang α mempengaruhi harga gaya angkat (lift)[7].
(1) Dimana adalah amplitude gelombang, adalah frekuensi gelombang, k adalah angka gelombang, yaitu jumlah gelombang per satuan panjang sepanjang arah –x. Lebih jelasnya, (2) Dimana panjang gelombang λ adalah jarak berturut-turut antara titik-titik pada gelombang dengan phase yang sama. Persamaan gelombang diatas menyatakan gerak sinusoidal dua dimensi dan dapat disebut sebagai “elevasi permukaan”. Untuk gerak orbital gelombang kecepatan dalam arah horizontal u dan vertikal y diberikan oleh persamaan berikut[3]:
C. Gaya-Gaya Aerodinamika Gaya angkat (L) merupakan komponen gaya fluida pada hydrofoil yang tegak lurus arah gerakan. Berdasarkan analisis dimensi bentuk persamaan lift adalah sebagai berikut: (7) Dimana, L : Gaya Lift Ρ : massa jenis fluida CL : koefisien lift V : kecepatan fluida AP : plan area (S), luasan maksimum : chord x span
(3) (4) Dimana ketika gelombang bergerak dengan kecepatan phase tertentu, air juga turut bergerak dengan kecepatan yang lebih kecil. Untuk kedalaman yang terbatas persamaan diatas dapat juga dinyatakan dalam persamaan dibawah ini:
Gaya seret (D) adalah gaya aliran yang bekerja pada hydrofoil yang sejajar arah gesekan. Berdasarkan analisis dimensi bentuk persamaan lift adalah sebagai berikut:
(5)
(8) Dimana, D : Gaya Drag Ρ : massa jenis fluida CD : koefisien drag V : kecepatan fluida AP :plan area (S), luasan maksimum : chordx span
(6) B. Hydrofoil Hydrofoil adalah bentuk bangun yang dapat menghasilkan gaya angkat besar dengan hambatan sekecil mungkin. Gaya angkat (lift) dan stall dari sayap tersebut sangat bergantung pada bentuk geometris penampang hydrofoil-nya. Bentuk geometris penampang hydrofoil secara umum dapat dilihat pada gambar berikut:
Gaya thrust (T) merupakan salah satu gaya aerodinamika yang bekerja pada pesawat dalam suatu penerbangan, yaitu gaya yang mendorong pesawat menembus udara. Gaya ini sesuai dengan dua hukum gerak Newton, yaitu hukum II yang menyatakan bahwa gaya merupakan hasil kali massa terhadap kecepatnnya. Dan hukum III menyatakan bahwa gaya aksi sama dengan gaya reaksi. Pada penerbangan gaya thrust dihasilkan oleh mesinnya.[8] Gaya thrust juga dapat dihasilkan oleh hydrofoil, yaitu ketika hydrofoil tersebut mengepak (flapping) seperti halnya pada sayap burung dan ekor lumba-lumba. Selain itu, hydrofoil juga memiliki gaya gerak translasi (heave) dan rotasi (pitch) yan merupakan persamaan gaya thrust. Kedua persamaan tersebut dinyatakan sebagai :
Gambar 3. Bentuk geometri penampang hydrofoil NACA.[12] Dan bagian-bagian hydrofoil adalah sebagai berikut: Leading edge : sisi depan hydrofoil Trailing edge : sisi belakang hydrofoil Chord : jarak antara leading edge dan trailing edge
(9) (10)
2
Dimana h0 adalah amplitudo heave, ω adalah frekuensi putaran (rad/s), t adalah waktu (detik), θ adalah sudut pitch dan ψ adalah sudut fase (rad/s) antara heave dan pitch.
perhitungan kondisi-kondisi yang diterapkan pada saat pre-processor dilakukan pada tahap solver. Terakhir, pada tahap post-processor dilakukan organisasi dan interpretasi data hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva, dan animasi.[9] Solver Pre-Processor
Governing equations solve on a mesh
- Creation Geometry - Mesh Generation - Material Properties - Boundary Conditions
Gambar 4. Profil gerakan heave dan pitch. D. Gaya Pegas Gaya yang dikerjakan oleh sebuah pegas pada sebuah benda berbanding lurus dengan pergeseran benda namun memiliki arah yang berlawanan, dan dapat dituliskan[11]
Transport Equation
Phsical Models
Mass Momentum Energy Others transport variables Equation of state Supporting physicals model
Turbulence Combustion Radiation Other Procces
Post-Processor
Solver Setting
- X-Y Graphs - Contour - Velocity Vectors - Others
(11) Dimana F adalah gaya pegas (gaya pemulih) dan k adalah konstanta pegas. Persamaan diatas merupakan persamaan gerak getaran untuk sistem pegas berikut ini :
Initialization Solution Control Monitoring Solution Convergence criteria
Gambar 7. Interkoneksi tiga tahapan utama analisis CFD.[9] III. METODOLOGI A. Algoritma Penelitian
Gambar 5. Sistem pegas.
Mulai
Adapun untuk sistem dengan dua pegas seperti gambar 2.9 dibawah ini, persamaannya adalah
Studi Literatur
Penentuan Tipe Foil
Penggambaran desain dengan ANSYS Workbench Fabrikasi Alat (Foil dan Towing Tank)
Gambar 6. Sistem dua pegas (12)
CFD Penggambaran model geometry Simulasi Visualisasi Aliran Simulasi Gaya-Gaya Hidrodinamika (Lift, Drag, Thrust, dsb)
E. Computational Fluid Dynamics Computational Fluid Dynamics atau CFD merupakan sebuah cabang ilmu baru yang terintegrasi tidak hanya atas mekanika fluida dan matematika namun juga terintegrasi dengan ilmu komputer. Pada disiplin mekanika fluida CFD digunakan mempelajari dan memprediksi bagaimana sifat aliran mempengaruhi sebuah proses, seperti perpindahan panas dan reaksi kimia dalam sebuah pembakaran. Dalam CFD, persamaan matematika dasar menyatakan karakteristik gerakan fluida, biasanya berupa persamaan diferensial parsial, yang mempengaruhi proses. Dan untuk menyelesaikan persamaan-persamaan matematika tersebut digunakan ilmu komputer. Jadi, dapat disimpulkan bahwa CFD adalah suatu teknologi komputasi yang mempelajari aliran fluida dengan simulasi numerik untuk memperoleh suatu solusi numerik. Dalam melakukan simulasi CFD, terdapat tiga tahapan utama, yaitu, pre-processor, solver, dan postprocessor. Pre-processor merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Pada tahap ini dilakukan pembuatan geometri, meshing, pendefinisian model fisik dan pemilihan material, dan pendefinisian kondisi batas. Kemudian
Pengujian Uji Foil dan Gaya-Gaya Hidrodinamika
Tidak
Model Valid Ya
Pembuatan Laporan
Selesai
Gambar 8. Algoritma penelitian B. Perancangan Sistem Dalam penelitian ini, perancangan alat penelitian mengikuti desain berikut ini :
(a)
3
(b)
(c) Gambar 9 Perancangan sistem (a) Hydrofoil; (b) Kereta pembawa; (c) towing tank. Dimana sistem ini terdiri dari towing tank, hydrofoil, kereta dan rel, sistem pegas dan pembangkit gelombang.
Gambar 12 .Kereta hydrofoil Sistem pegas Sistem pegas yang digunakan berfungsi sebagaai pengatur posisi hydrofoil, terdiri dari dua buah pegas yang dipasang paralel dengan harga konstanta pegas k masing-masing adalah 0.49 N/m yang diperoleh melalui pengukuran dengan persamaan 2.13.
Towing Tank Towing tank yang digunakan memiliki dimensi 0.5 m x 0.5 m x 2.4 m, terbuat dari kayu dengan dengan salah satu sisinya diberikan kaca untuk memudahkan dalam pengamatan. Agar tidak terjadi kebocoran, digunakan plastik sebagai pelapis kayu.
Gambar 13. Sistem pegas Dari gambar diatas dapat dilakukan penurunan persamaan matematika dengan asumsi sistem pegasnya seperti gambar 12 berikut ini. (11) dimana (13) Maka,
Gambar 10. Towing tank
Variasi Hydrofoil Hydrofoil yang digunakan adalah hydrofoil simetris seri NACA 0012 dan 0018 dengan chord 0.1 m dan span masing-masing adalah 0.1 m, 0.15 m dan 0.2 m. Pada leading edge hydrofoil terdapat as dari sekrup yang terhubung dengan tiang hydrofoil pada kereta. Adapun pada trailing edge-nya terdapat paku sebagai pengait pegas. Jarak antara as dan pengait pegas adalah 6 cm.
(14) Dan untuk perubahan sudut θ(t) adalah (15) Pembangkit Gelombang Pembangkitan gelombang dilakukan secara manual memanfaatkan sebuah pembangkit berbentuk tabung dengan diameter 12.5 cm dan tinggi 40 cm. Kemudian untuk menghalangi adanya gelombang balik ketika melakukan eksperimen, digunakan beberapa batu yang disusun sebagai pemecah gelombang.
Gambar 11. Hydrofoil Kereta pembawa dan Rel Kereta pembawa dan rel terbuat dari aluminium, yang secara berurutan, akan digunakan sebagai pembawa hydrofoil dan lintasan hydrofoil. Lintasan hydrofoil memiliki panjang total 1.2 m sedangkan kereta pembawa memiliki empat buah roda, dengan tiang penghubung sepanjang 0.52 m. Pada tiang penghubung terdapat tiang hydrofoil dengan ketinggian 0.4 m dan posisinya dapat diubah-ubah mengikuti ukuran span hydrofoil.
Metodologi Dalam eksperimen penelitian ini, digunakan tiga variasi ketinggian air yaitu masing-masing, 0.22 m, 0.24 m dan 0.26 meter. Hydrofoil pada kereta diletakkan pada ketinggian 0.2 m dari dasar towing tank. Adapun jarak lintasan yang akan ditempuh oleh kereta adalah sejauh 0.6 m. Dalam pengambilan data, variable yang akan diambil nilainya adalah jarak s, waktu t, amplitude gelombang A, amplitudo hydrofoil Y, panjang gelombang λ, periode hydrofoil Th dan jumlah osilasi hydrofoil n. 4
Jarak s adalah jarak yang ditempuh kereta ketika airfoil berosilasi yang sudah ditentukan diatas. sedangkan waktu t adalah waktu yang dibutuhkan oleh kereta untuk menmpuh jarak s, dan digunakan stopwatch sebagai alat ukur. Ketika airfoil berosilasi dan kereta bergerak dilakukan recording gambar. Hasil recording akan digunakan untuk memperoleh nilai A, Y, λ, T dan n. nilai-nilai A, Y, λ, T dan n yang diambil adalah nilai ketika amplitudo osilasi hydrofoil mencapai maksimum. Untuk mempermudah, pengamatan, dibuat garis pada kaca dengan jarak 1 cm yang titik pusatnya sama dengan posisi 0o hydrofoil. Gaya thrust hydrofoil diperoleh dari perhitungan analitik terhadap perubahan posisi dan perubahan sudut akibat osilasi hydrofoil pada sistem pegas ketika dikenai gaya gelombang air berdasarkan rumus 11-15.
CFX Expression Language (CEL) merupakan pemrograman bahasa pada ANSYS CFX yang digunakan untuk inisialisai keadaan fluida dalam bentuk persamaan matematika. Pada penelitian ini CEL digunakan persaman 5 dan 6 untuk menginisialisasi kecepatan gelombang air, yang mempengaruhi hydrofoil. Dalam CEL syintax-nya dituliskan seperti berikut : Vel u = (pi * H / periode ) * (cosh((2 * pi / L) * J) / sinh((2 * pi / L) * D)) * cos(theta) Vel v = (pi * H / periode ) * (sinh((2 * pi / L) * J) / sinh((2 * pi / L) * D)) * sin(theta) Dimana; D = Ketinggian air tenang [m] H = Tinggi gelombang [m] J = Jarak vertikal dasar dengan hidrofoil [m] L = Panjang gelombang [m] periode = periode gelombang [s]
C. PemodelanSistem Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah suatu teknologi komputasi yang mempelajari aliran fluida dengan simulasi numerik untuk mendapatkan solusi numerik (Jiyuan, Guan dan Chaoqun, 2008). Softwaresoftware CFD saat ini sudah banyak beredar dipasaran, baik yang bersifat shareware seperti FLUENT dan CFX, maupun yang bersifat freeware seperti OPEN FOAM. Dan untuk tugas akhir ini analisa CFD dilakukan dengan bantuan software ANSYS CFX versi 11.0. Dalam melakukan simulasi terdapat tiga tahapan utama yaitu pre-processor, solver dan post-processor. 1. Pre Processor
Penentuan Kondisi Batas Inlet Outlet Opening Foil Walls Interface 2.
Pembuatan Geometri Pembuatan geometri foil yang terdiri dari pembuatan geometri 2 D dan 3 D. Ukurannya sama denga ukuran sebenarnya.
Tahap Solver Berupa iterasi untuk mendapatkan solusi numerik.
3.
Tahap Post Processor Pada tahap ini akan ditampilkan hasil simulasi berupa harga perhitungan lift dan drag, visualisasi distribusi tekanan, visualisasi distribusi kecepatan, visualisasi aliran dan visualisasi vektor kecepatan. IV. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Analisa data eksperimen Data pengukuran Berikut adalah salah satu data hasil eksperimen hydrofoil NACA 0012 span 20 cm dan kedalaman air 22 cm. Nilai-nilai pada tabel 1 diambil ketika nilai variabelvariabelnya maksimum. Kemudian harga rata-ratanya digunakan dalam perhitungan data eksperimen dan simulasi. Berdasarkan data diatas dari rumus 5 dan 6, eksperimen maupun simulasi dilakukan pada kecepatan 0.069 m/s untuk kedalaman 22 cm, 0.05 m/s untuk kedalaman 24 cm dan 0.036 m/s untuk kedalaman 26 cm. Tabel 1. Data hasil eksperimen hydrofoil NACA 0012 span 20 cm dan kedalaman air 22 cm
Gambar 13. Geometri Model Meshing Meshing merupakan tahap ke dua dan dilakukan untuk mendapat hasil numerik yang mendekati sebenarnya.
Gambar 14. Hasil Meshing Penentuan CFX Expression Language (CEL) 5
Th (s)
n
λ
t (s)
S (m)
0.03
1
9
0.4
10
0.6
0.03
0.67
9
0.4
11
0.6
0.02
0.03
0.66
8
0.4
9
0.6
0.02
0.04
1
13
0.45
14
0.6
0.02
0.025
0.8
15
0.4
16
0.6
Y (m)
A (m)
0.02 0.02
0.03
1.07
10
0.4
11
0.6
0.02
0.03
0.88
8
0.4
10
0.6
0.02
0.03
1
10
0.4
10
0.6
0.02
0.04
1.07
8
0.4
9
0.6
0.02
0.03
0.86
11
0.45
12
0.6
0.02
0.0315
0.901
10.1
0.41
11.2
0.6
Harga Fx NACA 0018 span 20 cm pada H 24 cm 0.008 0.007 0.006
Fx (t)
0.02
0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0 0
2
4
6
8
10
t (s)
Keterangan Y = Amplitudo hydrofoil (m) A = Amplitudo gelombang (m) Th = Periode hydrofoil (s) n = Jumlah osilasi hydrofoil
(a)
λ = Panjang gelombang (m) t = waktu (s)
Harga Fy NACA 0018 span 20 cm pada H 24 cm 0.03 0.02
S = jarak (m) Fy (t)
0.01 0 -0.01
Sebagai contoh, berikut ini adalah grafik harga gaya-gaya Fx, Fy, dan pitching hydrofoil NACA 0018 span 20 cm untuk masing-masing kedalaman.
0
2
4
6
8
10
-0.02 -0.03 t(s)
(b)
Hydrofoil 0018 span 20 cm Kedalaman 22 cm
Pitching NACA 0018 span 20 cm pada H 24 cm
Harga Fx NACA 0018 span 20 cm pada H 22 cm
20
10
Theta (deg)
Fx (t)
15 0.0045 0.004 0.0035 0.003 0.0025 0.002 0.0015 0.001 0.0005 0
0 -5 0
2
4
6
10
-15 -20 t (s) 2
4
6
8
10
(c) Gambar 16. Grafik (a) gaya Fx; (b) gaya Fy; (c) sudut pitching NACA 0018 span 20 cm pada kedalaman air 24 cm.
t (s)
(a) Harga Fy NACA 0018 span 20 cm pada H 22 cm 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 -0.005 0 -0.01 -0.015 -0.02 -0.025
Kedalaman 26 cm Harga Fx NACA 0018 span 20 cm pada H 26 cm 4
6
8
10
Fx (t)
2
t (s)
(b) Pitching NACA 0018 span 20 cm pada H 22 cm
0.009 0.008 0.007 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0 0
2
4
6
8
10
t (s)
15
(a)
10
Theta (deg)
8
-10
0
Fy (t)
5
5
Harga Fy NACA 0018 span 20 cm pada H 26 cm
0 -5
0
2
4
6
8
10
0.04 0.03
-10
0.02
Fy (t)
-15 t (s)
(c) Gambar 15. Grafik (a) gaya Fx; (b) gaya Fy; (c) sudut pitching NACA 0018 span 20 cm pada kedalaman air 22 cm.
0.01 0 -0.01 0
2
4
6
-0.02 -0.03 -0.04 t (s)
(b) Kedalaman 24 cm 6
8
10
Pitching NACA 0018 span 20 cm pada H 26 cm
Harga Fx NACA 0018 span 20 cm
20
0.0045 0.004 0.0035 0.003 0.0025 0.002 0.0015 0.001 0.0005 0
15
5 0 -5 0
2
4
6
8
Fx (N)
Theta (deg)
10
10
-10 -15 -20 t (s)
-15
(c) Gambar 17. Grafik (a) gaya Fx; (b) gaya Fy; (c) sudut pitching NACA 0018 span 20 cm pada kedalaman air 22 cm.
-10
-5
Fx, H 22 cm Fx, H 24 cm Fx, H 26cm
0
5
10
15
Theta (deg)
Gambar 18. Harga Fx NACA 0018 span 20 cm pada seluruh kedalaman. Harga Fy NACA 0018 span 20 cm
Harga gaya Fx dari grafik-grafik diatas selalu menunjukkan harga positif. Ini menunjukkan bahwa hydrofoil menghasilkan gaya thrust. Sedangkan harga gaya Fy-nya bernilai positif maupun negatif. Karena Fy merupakan fungsi dari posisi hydrofoil pada t tertentu. Dan dilihat dari jumlah osilasinya, osilasi hydrofoil dengan span 20 cm adalah rata-rata 8-10 kali. Hargaharga Fx dan Fy berubah siring berubahnya sudut pitch hydrofoil. Dan untuk mencapai harga Fx maksimum berikutnya hydrofoil membutuhkan waktu yang berbedabeda dengan jumlah osilasi smpurna yang berbeda-beda pula. Tambahan pula, sudut pitching hydrofoil juga berbeda-beda pada kedalaman tertentu. Bentuk grafik gaya Fx, gaya Fy dan pitching hydrofoil yang berbeda-beda dipengaruhi oleh kedalaman dan span hydrofoil. Kedalaman berpengaruh pada waktu redaman hydrofoil sedangkan span berpengaruh pada kestabilan osilasinya. Terlihat dari grafik pitching, untuk seluruh kedalaman hydrofoil dengan span 15 cm memiliki grafik osilasi yang relatif stabil, sedangkan untuk span 20 cm osilasinya tidak stabil. Hal ini dapat disebabkan oleh adanya turbulensi aliran akibat dekatnya jarak hydrofoil dengan sisi towing tank.
0.02 0.015 0.01
Fy (N)
0.005 -15
-10
0 -5 -0.005 0 -0.01 -0.015 -0.02
5
10
15
Fy, H 22cm Fy, H 24 cm Fy, H 26 cm
-0.025 Theta (deg)
Gambar 19. Harga Fy NACA 0018 span 20 cm pada seluruh kedalaman. Nilai gaya Fy maksimum (Gambar 19) untuk setiap kedalaman air juga terjadi ketika sudut pitch hydrofoil 10o. Dan gaya Fy terbesar diterima hydrofoil NACA 0018 span 20 cm pada kedalaman air 22 cm dan terkecil pada kedalaman 26 cm. Tren grafik Fy terhadap sudut pitch diatas membentuk grafik gaya lift. Vektor Kecepatan Gambar 20 dibawah ini menunjukkan vektor kecepatan aliran fluida air yang mengenai hydrofoil. Dari gambar vektor kecepatan terlihat aliran fluida datang dari sumbu y positif menuju sumbu y negatif. Namun sebelum mencapai dasar, vektor aliran fluida bergerak menuju dua arah yang berlawanan yaitu, sumbu x positif dan x negatif. Dari keadaan ini dapat disimpulkan bawa fluida yang bekerja pada hydrofoil memiliki gelombang.
B. Analisa data simulasi Gambar 18 merupakan grafik hubungan antara besarnya Fx yang dibangkitkan hydrofoil NACA 0018 span 20 cm terhadap sudut pitch pada seluruh kedalaman air (22 cm, 24 cm dan 26 cm). Dapat dilihat bahwa gaya Fx terbesar yang dibangkitkan yaitu pada kedalaman 22 cm. Kemudian pada kedalaman 24 cm dan terakhir pada kedalaman 26 cm. Pada kedalaman 22 cm, harga Fx terkecil adalah 0.00006 N pada sudut 5o, sedangkan harga untuk dua kedalaman lainnya (24 cm dan 26 cm) berturut-turut adalah 0.00013 N dan 0.00021 N. Dari simulasi, harga Fx maksimum yang dibangkitkan oleh hydrofoil NACA 0018 span 20 cm untuk seluruh kedalaman adalah pada sudut -10o. Yaitu kedalaman 22 cm sebesar 0.0039 N, kedalaman 24 cm sebesar 0.0021 N dan kedalaman 26 cm adalah 0.0011 N. Bentuk grafik yang terbentuk antara Fx dengan sudut theta merupakan grafik gaya drag yang bekerja pada hydrofoil.
Gambar 20 vektor kecepatan Terlihat dari degradasi warnanya, perubahan kedalaman berpengaruh terhadap kecepatan aliran fluida. Dimana kecepatan aliran pada permukaan fluida lebih 7
maksimumnya hanya pada sudut maksimum -10o. Dengan tren yang menujukkan perubahan nilai Fx simulasi semakin besar ketika sudut serang berharga minus.
besar dibandingkan kecepatan di dasar fluida. Dan pada sisi inlet, aliran fluida memiliki kecepatan terbesar. Distribusi Tekanan Gambar 21 dibawah ini merupakan kontur distribusi tekanan disekitar hydrofoil untuk setiap sudut serang yang diperoleh dari simulasi. Dari gambar dapat dilihat, tekanan pada permukaan atas hydrofoil lebih besar daripada tekanan di permukaan bawahnya. Hal ini disebabkan oleh arah datangnya aliran fluida yang melalui sumbu y positif. Jadi jika sumbu y positif dijadikan sebagai acuan, dapat dikatakan bahwa sudut serang hydrofoil adalah 90o.
Fx (Newton)
Perbandingan Fx eksperimen dan simulasi pada H 22 cm
-15
-10
0.0045 0.004 0.0035 0.003 0.0025 0.002 0.0015 0.001 0.0005 0 -5 0
0018 span 20 eks 0018 span 15 eks 0012 span 20 eks 0012 span 15 eks 0018 span 20 sim 0018 span 15 sim 0012 span 20 sim 0012 span 15 sim
5
10
15
Theta (deg)
Gambar 22. Grafik perbandingan harga gaya Fx eksperimen dan simulasi pada kedalaman 22 cm. (a)
(c)
(b) Terdapat juga perbedaan nilai Fx minimum eksperimen dan simulasi. Dari Fx eksperimen harga minimum seluruh NACA diperoleh ketika sudut pitchnya 0o. Sedangkan untuk harga Fx simulasi seperti hydrofoil NACA 0018 span 20 cm dan NACA 0018 span 15 cm yang harga minimumnya muncul pada sudut, berturut-turut, 5o dan 10o. Sedangkan untuk hydrofoil NACA 0012 Fx terkecil muncul pada sudut 0o. Tak jauh beda dengan gaya Fx, gaya Fy yang dihasilkan oleh NACA melalui eksperimen dan simulasi juga memiliki harga maksimum yang relatif sama dan cukup besar. Yang membedakan adalah terdapatnya penurunan harga Fy simulasi yang terjadi pada sudut pitch 1o-2o.
(d)
Perbandingan Fy eksperimen dan simulasi pada H 22 cm
(e)
(f)
Fy (Newton)
Gambar 21. Visualisasi distribusi tekanan pada sudut serang (a) 10o, (b) 5o, (c) 0o,(d) -5o, (e) -10o dan (f) permukaan hydrofoil. Perubahan sudut hydrofoil juga mempengaruhi besar tekanan dan distribusi tekanan di sekitar hydrofoil. Tekanan terbesar diterima hydrofoil ketika dalam posisi sudut -10o dan terkecil pada posisi sudut 10o. Namun untuk tekanan fluida disekitar hydrofoil, pada sudut 10o tekanan terlihat lebih besar dibandingkan pada sudut 10o. adapun daerah mulai dari sisi leading edge sampai daerah inlet (sisi kiri) tekanannya lebih rendah dari tekanan pada daerah setelah trailing edge (sisi kanan) hingga outlet.
-15
-10
0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 -5-0.005 0 5 -0.01 -0.015 -0.02 -0.025 Theta (deg)
0018 span 20 eks 0018 span 15 eks 0012 span 20 eks 0012 span 15 eks
10
15
0018 span 20 sim 0018 span 15 sim 0012 span 20 sim 0018 span 15 sim
Gambar 23. Grafik perbandingan harga gaya Fx eksperimen dan simulasi pada kedalaman 22 cm. Tren grafik diatas menunjukkan bahwa gaya Fy yang bekerja pada hydrofoil merupakan gaya lift. Error perhitungan gaya Fx dan Fy maksimum (pada susut -10o) antara eksperimen dan simulasi untuk kedalaman 22 cm dapat dilihat pada tabel berikut ini. Dari tabel 2 dibawah dapat dilihat bahwa error perhitungan gaya Fx terkecil adalah 6.17 % pada NACA 0018 span 20 cm dan terbesar adalah 22 % pada NACA
C. Perbandingan Eksperimen dan Simulasi Perbandingan harga gaya Fx yang diperoleh melalui eksperimen dan simulasi ditampilkan pada gambar 22 (untuk kedalaman 22 cm). Harga gaya Fx yang diperoleh dari eksperimen memiliki nilai pada sudut pitch maksimum yang relative sama. Berbeda dengan harga Fx dari hasil simulasi yang nilai 8
0012 span 15 cm. Sedangkan untuk gaya Fy, terkecil 1.6 % dan terbesar adalah 48.3%
V.
KESIMPULAN Sehingga dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: a. Telah berhasil dilakukan pemodelan hydrofoil NACA sebagai alternatif penggerak kapal dalam bentuk plant skala laboatorium dan simulasi beserta analisa aliran fluida yang melewati hydrofoil. b. Sudut pitch maksimum tiap hydrofoil tidak sama untuk masing-masing kedalaman. Untuk kedalaman 22 cm, sudut maksimum yang dapat dicapai hydrofoil adalah ± 10o- ±11 o, sedangkan pada kedalaman 24 cm dan 26 cm dapat mencapai ± 15o±16 o. Yang membedakan adalah jumlah osilasi hydrofoil pada masing-masing kedalaman. c. Gaya thrust terbesar dihasilkan ketika sudut pitch hydrofoil maksimum, pada sudut ± 10o harga Fx dan Fy terbesar dari eksperimen berturut-turut adalah 0.00369 N dan 0.0191 N. Sedangkan untuk Fx dan Fy simulasi berturut-turut adalah 0.00389 N dan 0.0192 N. d. Dari error perhitungan antara gaya-gaya Fx dan Fy yang dibangkitkan baik melalui simulasi dan eksperimen diperoleh error perhitungan terkecil rata-rata terjadi pada kedalaman air 22 cm untuk seluruh hydrofoil. NACA 0018 dengan span 20 cm memiliki error perhitungan terkecil dengan Fx-nya 6.17 % dan Fy-nya 1.6 %. e. Kedalaman dan span berpengaruh pada pembangkitan gaya thrust, terutama pada osilasi hydrofoil.
Tabel 2. Error perhitungan gaya Fx dan Fy eksperimen dan simulasi kedalaman 24 cm 22 NACA Fx (%)
Fy (%)
0018-20
6.17
1.6
0018-15
18.5
48.3
0012-20
12.9
19.4
0012-15
22.3
17.9
Untuk kedalaman 24 cm dan 26 cm memiliki tren grafik yang sama seperti pada kedalaman 22 cm. perbedaannya terletak pada harga gaya-gaya Fx dan Fy yang dibangkitkan, terutama dari hasil simulasi. Adapun error perhitungan untuk kedalaman 24 cm dan 26 cm adalah sebagai berikut: Tabel 3. Error perhitungan gaya Fx dan Fy eksperimen dan simulasi kedalaman 24 cm 24 NACA Fx (%)
Fy (%)
0018-20
37.1
54.6
0018-15
59.5
75.7
0012-20
36.3
38.3
0012-15
68.6
98.9
VI. DAFTAR PUSTAKA [1] http://www.rexresearch.com/waveboat/ waveboat.htm [2] Sulaiman, A & Soehardi, I, 2008. Pendahuluan Geomorfologi Pantai Kuantitatif. : BPPT. [3] Kim, Sang-Hyun dan Yamato, Hiroyuki. 2004. An Experimental Study of The longitudinal motion control of a fully submerged hydrofoil model in following seas. Ocean Engineering 31, 523-537. [4] Newman, J.N. 1986. Marine Hydrodynamics. The MIT Press. [5] Fox, Robet W dan McDonald, Alan T. 1994. Introduction To Fluid Mechanics 4th Edition. New York : John Wiley & Sons, Inc. [6] Priadi, Kukuh. 2005. Pengaruh Sudut Serang Terhadap Gejala Separasi 2D Pada Airfoil Simetris Dengan Perubahan Letak Tebal Maksimum. Jurusan Teknik Mesin ITS, Surabaya. [7] Tampubolon, Pieter Christian. 2005. Studi Eksperimental Pengaruh Permukaan Bergerak Pada Modifikasi Airfoil NACA0015 Terhadap Gaya Lift Dan Gaya Drag. Jurusan Teknik Mesin ITS, Surabaya. [8] Dan, Johnston, Thrust. U.S. Centennial of flight commission
[9] Tu, Jiyuan., Heng Yeoh, Guan., Liu, Chaoqun. 2008. Computational Fluid Dynamic : A Practical Approach. Oxford : ELSEVIER.
Tabel 4. Error perhitungan gaya Fx dan Fy eksperimen dan simulasi kedalaman 26 cm 26 NACA Fx (%)
Fy (%)
0018-20
64.24
77.99
0018-15
73.29
86.33
0012-20
75.07
76.43
0012-15
82.53
81.25
Secara keseluruhan, berdasarkan tabel-tabel perbandingan di atas gaya Fx dan Fy terbaik dibangkitkan oleh seluruh hydrofoil pada kedalaman air 22 cm. Dan seiring bertambahnya kedalaman, gaya-gaya Fx dan Fy yang dibangkitkan ikut berkurang. Sedangkan untuk perbandingan gaya-gaya Fx dan Fy yang dibangkitkan hydrofoil seri NACA 0012 dan NACA 0018, berdasarkan hasil eksperimen, relatif sama. Karena pada kedalaman yang sama, kedua seri NACA berosilasi dengan sudut maksimum yang juga sama yaitu pada kedalaman 22 cm ± 10o - ±11o dan pada kedalaman 24 cm dan 26 cm ±14o - ± 16o, Sehingga gaya Fx dan Fy maksimum kedua seri hydrofoil juga sama (lihat lampiran B). Dan sebagaimana telah dijelaskan diatas, perbedaan hanya terjadi pada jumlah osilasi hydrofoil yang disebabkan oleh faktor kedalaman dan span.
9
[10] Schouveiler, L, Hover, F.S, Triantafyllou, M.S. 2005. Performance Of Flapping Foil Propulsion. Journal of Fluids and Structures 20, 949-959. [11] Dosen-Dosen Fisika MIPA ITS, 2005. FISIKA I. Yayasan Pembina Jurusan Fisika FMIPA ITS. [12] http://www.desktopaero.com/appliedaero/ airfoils1/ airfoilgeometry.html BIODATA PENULIS Nama : Syahroni Hidayat TTL : Mataram, 7 Januari 1988 Alamat : Keputih, Gg 3/56 Surabaya Email : [email protected] Riwayat Pendidikan : SDN 1 Gunungsari (1993-1999) MTs Nurul Hakim (1999-2002) MA Nurul Hakim (2002-2005) Teknik Fisika (2005-sekarang)
10
