Kajian Perbaikan Performansi Pada Hydrofoil Kapal Cepat Dengan Penambahan Sirip Menggunakan Metode Computational Fluid Dynamic (CFD) Dedi Budi Purwanto (1), Ridho Hantoro (2), I Ketut Aria Pria Utama (3)…………………………….. Mahasiswa Program Mater Pascasarjana FTK ITS(1) Mahasiswa Program Doktoral Pascasarjana FTK ITS (2) Pengajar pada Jurusan Teknik Perkapalan FTK ITS (3) E-mail.
[email protected] (1),
ABSTRAK Salah satu aspek yang penting dalam prinsip kerja kapal hydrofoil adalah pada saat pemilihan tipe foil yang akan digunakan sebagai strut-foil system. Sebuah hydrofoil yang terpasang di area bawah lambung kapal berfungsi memberi gaya angkat dinamis sehingga badan lambung kapal terangkat diatas permukaan air. Alasan pemakaian dari hydrofoil adalah ketika lambung kapal mulai terangkat dari air dan berat kapal akan ditopang oleh foil sehingga memperkecil luas hambatan yang terjadi akibat gaya gesek antara lambung kapal yang tercelup dengan air, foil memberikan efek meningkatkan gaya angkat pada kapal ketika kecepatan ditambahkan. Pada dasarnya hydrofoil yang tercelup penuh mempunyai kualitas kendali dan performansi kecepatan yang baik. Sistem kendali pada hydrofoil yang tercelup digunakan untuk untuk menstabilkan pergerakan dan meningkatkan stabilitas kapal. Tetapi Hydrofoil yang tercelup penuh dalam mengikuti arus laut mempunyai performansi olah gerak kapal sangat kurang. Kajian ini yang dilakukan pada makalah ini memberikan informasi mengenai fenomena aliran maupun gaya-gaya yang terjadi pada penambahan maupun modifikasi foil. Tujuan dari penelitian adalah untuk menggambarkan pola-pola aliran yang terbentuk pada hydrofoil. Dan analisa desain untuk kecepatan dan berat yang tetap, optimum desain didapatkan dengan kombinasi kecepatan-berat dengan perbandingan L/D yang maksimum dan bebas kavitasi. Gaya resultan lift-to-drag rasio dikalkulasikan sepanjang Break Horse Power (BHP). Key: Hydrofoil,Strut-foil,Drag,Lift,kavitasi
bara). Sampai saat ini, minyak bumi masih merupakan sumber energi yang utama dalam memenuhi kebutuhan di dalam negeri. Selain untuk memenuhi kebutuhan energi di dalam negeri, minyak bumi juga berperan sebagai komoditi ekspor. Peranan minyak bumi yang besar tersebut terus berlanjut, sedangkan cadangan minyak bumi semakin menipis. Kita menghadapi masa kritis dalam keputusan penggunaan energi. Apakah tetap bergantung kepada bahan minyak dengan berbagai macam konsekuensinya (jumlah yang semakin terbatas, harga yang tidak menentu, bahaya polusi udara, dan lain-lain), atau segera beralih ke berbagai pilihan sumber energi alternatif. Menyadari ketergantungan yang sangat besar kepada bahan bakar fosil tersebut, maka sejak beberapa waktu yang lalu telah dilakukan usaha untuk menekan
1. Pendahuluan Indonesia yang merupakan salah satu Negara berkembang, penyediaan energi merupakan faktor yang sangat penting dalam mendorong pembangunan. Seiring dengan meningkatnya pembangunan terutama pembangunan di sektor industri, adanya pertumbuhan ekonomi dan pertumbuhan penduduk, kebutuhan akan energi terus meningkat. Penyediaan energi di masa depan merupakan permasalahan yang senantiasa menjadi perhatian semua bangsa, karena bagaimanapun juga kesejahteraan manusia dalam kehidupan modern sangat terkait dengan jumlah dan mutu energi yang dimanfaatkan. Pada saat ini, sebagian perindustrian di darat maupun maritime di Indonesia masih banyak bergantung pada tersedianya bahan bakar fosil (minyak bumi dan batu
1
pertumbuhan penggunaan bahan bakar fosil. Usaha yang telah dilakukan pemerintah adalah dengan mengeluarkan Peraturan Presiden no.5 tahun 2006 tentang kebijakan energi nasional. Salah satu tujuan dan sasaran kebijakan energi nasional seperti yang tertuang di dalam Peraturan Presiden no.5 tahun 2006 tentang kebijakan energi nasional adalah terwujudnya konsumsi energi (primer) yang optimal pada tahun 2025 dari energi baru dan energy terbarukan lainnya, khususnya tenaga air skala kecil, tenaga surya, dan tenaga angin menjadi lebih dari 5%. Untuk mendukung kebijaksanaan pemerintah, perlu dilakukan langkahlangkah pencarian sumber-sumber energy alternatif. Banyak hal yang bisa kita lakukan antara lain memodifikasi foil yang berupaya untuk peningkatan performansi.
Gambar.1. Penambahan sirip pada propeller oleh Jatmiko. Eksperimen penambahan sirip pada propeller dilakukan di laboratorium circular tank, dari pengujian didapatkan kecepatan laju aliran fluida, kecepatan yang didapatkan pada putaran rpm yang sama dengan menambahakan sirip pada daerah trailing edge mampu menambah kecepatan laju aliran fluida. Selain penambahan sirip pada propeller yang telah dilakukan oleh Jatmiko, penelitian tentang penambahan endplates pada foil juga telah dilakukan oleh Timbobong[3], prinsip kerja utama dari stingray adalah memberikan angle of attack yang positif atau negatif kepada sayap stingray relative terhadap arah arus laut, sehingga sayap stingray akan bergerak naik turun. Dari perhitungan dengan menggunakan program CFX, memperlihatkan bahwa penggunaan foil endplates dengan panjang chord 4.5 meter dengan profil NACA 0015 bisa mengurangi induced drag 2%-5% [3].
2. Penelitian Tentang Modifikasi Foil. Pada sarana transportasi laut dengan kecepatan tinggi harus memperhatikan kedalaman hydrofoil yang tercelup dari permukaan bebas karena pada dasarnya akan mempengaruhi karakteristik kavitasi yang terjadi. Pada dasarnya hydrofoil yang tercelup penuh mempunyai kualitas kendali dan performansi kecepatan yang baik. Sistem kendali pada hydrofoil yang tercelup digunakan untuk untuk menstabilkan pergerakan maupun manuver dan meningkatkan stabilitas kapal. Tetapi Hydrofoil yang tercelup penuh dalam mengikuti arus laut mempunyai performansi olah gerak kapal sangat kurang [1]. Pengembangan model foil dengan menambahkan sirip pada sekitar daerah trailing edge pada sebuah propeller dilakukan oleh Jatmiko[2] dengan menambahkan sirip di daerah trailing edge dari propeller standart yang bertujuan untuk meningkatkan laju aliran fluida sehingga tekanan turun. Semakin meningkatnya perbedaan tekanan diantara leading edge dan trailing edge akan meningkatakan laju aliran yang melewatinya.
Gambar.2. Penambahan endplate pada foil NACA 0015. Gustavo R.S. Assi [4] melakukan eksperimen (gambar.3) pada silinder bundar yang diberikan beberapa variasi tambahan plate di daerah trailing edge yang bertujuan untuk mengurangi Gaya drag untuk menekan pusaran air yang menimbulkan getaran.
2
dibagi ke dalam tiga bagian utama yaitu : starting vortex, trailing vortex, dan bound vortex. Misalkan sebuah aerofoil dengan lebar tidak terhingga di suatu media fluida yang diam. Karena lebar dari aerofoil tidak terhingga, maka tinjauan di sini dapat disederhanakan dalam daerah aliran 2 dimensi. Penampang aerofoil tersebut digerakkan dari posisi diam dengan suatu percepatan sampai mencapai kecepatan v, dan dipertahankan konstan. Pertama-tama aliran fluida akan mempunyai pola seperti (Gambar.5), di mana titik stagnasi tidak berimpit dengan ujung belakang (trailing edge) dari penampang aerofoil. Gambar.3. Perlengkapan eksperimen dalam water tunnel oleh Gustavo R.S. Assi. Pada eksperimennya, G.R.S.Assi menganalisa efek dari penambahan plate yang berakibat berubahnya kecepatan aliran maupun gaya drag yang dihasilkan. Dengan penambahan beberapa variasi penempatan plate ternyata mampu mereduksi gaya drag yang dihasilkan oleh silinder bundar dan hasilnya sangat bervariasi.
Gambar.5. Stagnation point pada upper surface di belakang aerofoil. Begitu aerofoil mulai bergerak, saat itu juga timbul aliran sepanjang trailing edge. Karena adanya tekanan yang tinggi di daerah belakang titik stagnasi, maka akan menyebabkan partikel-partikel fluida yang mengalir menyusuri sepanjang trailing edge akan terlempar dijauhkan dari permukaan trailng edge. Gerakangerakan dari partikel fluida tersebut akan merupakan sirkulasi (vortex) kecil-kecil yang merupakan suatu free vortex yang terlepas dari boundary layer yang menyelubungi penampang aerofoil. Vortex tersebut disebut sebagai starting vortex atau initial vortex. Vortex semacam ini terjadi pada sayap pesawat pada saat tinggal landas. Starting vortex ini yang menyebabkan terjadinya rangkaian tertutup yang akan merubah bentuk atau pola aliran streamline yang menyelubungi penampang aerofoil tersebut. Sesaat kemudian titik stagnasi akan begerak dan bergeser ke belakang mendekati trailing edge. Kekuatan dari starting vortex dan sirkulasi bertambah besar sampai suatu harga di mana pada saat itu titik stagnasi telah sampai dan berhenti di titik ujung belakang trailing edge, dan kemudian starting vortex tersebut akan hanyut menjadi satu dengan aliran fluidanya (Gambar.6).
Gambar.4. Variasi penambahan plate Dari beberapa variasi penambahan plate yang telah diuji pada towing tank, penurunan drag yang paling besar diperoleh dengan penambahan parallel plate sebesar 38% dan mampu mengurangi pusaran air yang terjadi pada daerah belakang trailing edge sehingga getarannya pun ikut tereduksi,
3. Sistem Vortex Sistim vortex pada aerofoil yang bergerak di dalam suatu fluida dapat
3
aliran fluida, sehingga pada saat berikutnya memungkinkan berubahnya besar dan arah gaya fluida. Bila suatu medan aliran fluida (air atau udara, misalnya) terhalang atau terganggu oleh gerakan sebuah strukturbenda maka pola aliran fluida tersebut akan berubah dari kondisi stasionernya lalu kemudian mencari kondisi kesetimbangan barunya. Misalkan pada kasus sebuah silinder yang berada dalam aliran steady, maka akan terjadilah suatu pola aliran tertentu di sekeliling permukaan silinder tersebut. Ternyata, pola aliran ini salah satunya tergantung pada suatu parameter yang disebut Angka Reynolds (Reynolds number), Re. Parameter aliran fluida ini didefinisikan dengan: .........................................(1)
Gambar.6. Stagnation point pada trailing edge. Tekanan pada bagian atas sayap lebih rendah daripada tekanan pada bagian bawah sayap. Karena adanya perbedaan tekanan ini, maka pada bagian atas sayap fluida akan cenderung mengalir dari tepi sayap ke arah dalam root sayap. Pada bagian bawah sayap fluida akan cenderung mengalir ke daerah yang bertekanan rendah atau cenderung untuk mengalir ke arah luar. Karena adanya perbedaan kecepatan pada spanwise, maka akan menyebabkan kombinasi kedua aliran ini pada trailing edge dan akan membentuk gulungan fluida dalam bentuk streamwise vortices yang kecil, yang didistribusikan sepanjang bentangan sayap. Gulungan gulungan ini akan membentuk gulungan fluida yang lebih besar pada tepi sayap seperti pada (Gambar.7). Pada saat aerofoil bergerak ke depan, maka gerakangerakan fluida ini akan membentuk rangkaian vortex di bagian belakang sayap yang disebut trailing vortex. Bound vortex atau lifting vortex adalah vortex yang menghasilkan Gaya angkat pada sayap. Sistim vortex yang terdiri dari bound vortex dan trailing vortex pada tepi sayap disebut horseshoe vortex.
dimana D adalah diameter silinder, U adalah kecepatan datangnya aliran fluida dan v menyatakan viskositas kinematis fluida. Berdasarkan banyak percobaan visualisasi aliran yang telah dilakukan, nilai Re inilah yang akan menentukan bagaimana bentuk pola aliran yang akan terjadi. Penggolongan visualisasi vortex berdasarkan nilai Re salah satunya diberikan oleh Sumer and Fredsoe dalam thesis Aronsen[5]. Pada Re > 3.105, maka pasangan vortices yang terbentuk pada kasus aliran air melalui sebuah silinder menjadi tidak stabil oleh gangguan/usikan kecil, sehingga salah satu vortek akan tumbuh lebih besar dari yang lainnya.
Gambar.7. horseshoe vortex. Pada aspek aliran yang menyebabkan struktur bergerak, maka hubungan aliran fluida-struktur yang merupakan suatu sistem interaktif dan berinteraksi secara dinamis menjadi penting untuk dikaji. Gaya dari fluida menyebabkan struktur berdeformasi. Pada saat struktur terdeformasi maka hal ini berarti mengubah orientasinya terhadap
Gambar.8. Skema mekanisme terjadinya pelepasan vortek (vortex shedding) pada sebuah silinder dalam aliran steady (penampang 2
searah
4
Vorticity dalam Vortek A berputar jarum jam (CW), sedangkan
ketika kecepatan ditambahkan. Setelah lambung kapal terangkat dari air sampai batas maksimum, gaya angkat yang diperlukan konstan. Sebuah hydrofoil dikapal mempunyai berat yang sensitif dan harus di operasikan pada kecepatan relatif tinggi yang bertujuan untuk memberikan gaya lift dinamis yang diingikan untuk menopang berat dengan ukuran foil yang layak[6].
vorticity dalam Vortek B berputar berlawanan arah jarum jam (CCW). Selanjutnya gerakan aliran vorticity yang CCW akan memotong aliran vorticity yang mensuplay Vortek A, sehingga Vortek A terlepas lalu menjadi vortek bebas dan akhirnya terseret aliran ke arah belakang/menjauhi silinder. Setelah vortek A terlepas, terbentuklah vortek baru menggantikan vortek A yaitu Vortek C. Maka selanjutnya, Vortek B akan mengalami hal yang sama dengan Vortek A sebelumnya, yaitu pertama, ukuran dan kekuatannya makin membesar lalu terpotong oleh Vortek C dan akhirnya terlepas menjadi vortek bebas. Proses seperti ini akan berlangsung terusmenerus setiap terjadi pelepasan vortek baru pada setiap sisi silinder dan menghasilkan getaran pada silinder Sehingga dari situ dapat dipahami bahwa pelepasan vortek hanya akan terjadi jika terdapat interaksi antara dua lapisan geser (shear layer) pada dua sisi silinder. Secara teoritik hal ini bisa dihindarkan dengan cara meniadakan interaksi tersebut. Misalnya dengan cara memberikan suatu pelat pemisah di bagian belakang silinder di antara dua lapisan tersebut. Maksudnya agar interaksi antar vortek bisa dicegah, sehingga akhirnya tidak terjadi pelepasan vortek. Maka perkembangan selanjutnya, konsep inilah yang mendasari timbulnya berbagai macam upaya dengan cara menambahkan struktur-struktur bentuk tertentu pada permukaan silinder (suppression devices) dalam rangka mengurangi terjadinya pelepasan vortek.
Gambar.9. Kurva tahanan untuk hydrofoil craft Pada kapal hydrofoil kebanyakan mempunyai corak yang berbeda pada strut-foil sistemnya dengan kapal hydrofoil yang lain. Pada dasarnya tipe foil sistem di bagi menjadi Surface piercing foil dan Completely submerged. Selain perbedaan utama yang dibutuhkan berkenaan dengan maksimum kecepatan, hambatan utama akan muncul karena air mempunyai kecepatan yang tinggi sehingga terjadi kavitasi. Kecepatan aliran tinggi di sekitar strut, foils, dan tambahan lainnya dijaga dengan mengurangi lokal pressure. Ketika total tekanan pada sebuah titik dalam cairan turun dibawah tekanan uap air, bentuk cavities menghasilkan perubahan radikal kepada karakteristik aliran. Ketika memilih tipe kontrol lift yang akan digunakan dalam hydrofoil, pertama harus membuat pertimbangan keseimbangan antara kesederhanaan mekanik, keandalan, power yang dihasilkan, batasan kontrol gaya angkat, pengalaman lapangan dan biaya. Beberapa cara dapat digunakan untuk mengkontrol lift antara lain dapat di lihat pada gambar berikut:
4. Hydrofoil Craft Sebuah hydrofoil yang terpasang di area bawah lambung kapal berfungsi memberi gaya angkat dinamis sehungga badan lambung kapal terangkat diatas permukaan air. Alasan pemakaian dari hydrofoil adalah ketika lambung kapal mulai terangkat dari air dan berat kapal akan ditopang oleh foil sehingga memperkecil luas hambatan yang terjadi akibat gaya gesek antara lambung kapal yang tercelup dengan air, foil memberikan efek meningkatkan gaya angkat pada kapal
5
W
V
........(2)
Dimana; L(koefisien lift) dan D(koefisien drag). Dari persamaan diatas dapat diperoleh bahwa dengan penambahan rasio L/D semakin besar maka daya yang dibutuhkan akan semakin berkurang, akan tetapi tidak akan berpengaruh pada kecepatan yang dibutuhkan untuk menopang pada suatu beban yang sama. 5. Rangkuman dan Kesimpulan 6. Daftar Pustaka [1]. Weist, W.R., Mitchell, W.I., 1976. The Automatic Control System for Boeing Commercial Jetfoil. In: IEEE, NAECON’ 76 Record, pp. 366–375 [2] Jatmiko, edi. 2005 “Studi Penyempurnaan Rancangan Screw Propeller Untuk Peningkatan Efisiensi Kapal” Laporan Tugas Akhir, ITS. Surabya [3] Timbobong, Deus,2008”Pemodelan Gaya Hidrodinamika Pada Sayap Stringray Dengan Lifting Line Theory”,Laporan Tugas Akhir, ITS. Surabaya. [4] G.R.S. Assi, 2008,” Low drag solutions for suppressing vortex-induced vibration of circular cylinders” Department of Aeronautics, Imperial College, London SW7 2AZ, UK [5] Kristoffer Høyem Aronsen, An Experimental Investigation of In-line and Combined In-line and Cross-flow Vortex Induced Vibrations, Thesis for the degree doctor philosophiae, Trondheim, Norwegian University of Science and Technology, December 2007 [6] EIIsworth, W.M. and O’Neill, W.C."The U.S. Navy Hydrofoil Development Program,A Status Report , Naval Research and Development Center Technical note SDD-OH50-62.Nov.1970 [7] Bender, E, and RemingtonP," Hydrofoil DesignF or Minimum Power’, B, H. Beranik and Newman Report 2511, 1973. [8] Hydrofoil Data Bank. A collection of most of the reports written by or for the Hydrofoil Development Project. These reports are available on two CDs from the Intemational Hydrofoil Society, P.O. Box 51, Cabin John, Maryland, 20818. or ordered from www.foils.org [9] Besnard, E., Schmitz, A., Tzong, G., Kaups, K., Hefazi, H., Hess, J., Chen, H.H., and Cebeci, T., 1998, “Hydrofoil design and optimization for fast ships,” Report AE-98-1, Aerospace Engineering
Note : (*) Based on referenced [7] (**) Based on 1965 NCRDC SUPRAMAR Tank Test (***) Based on the Boeing Co.estimate (****) Based on Referenced [8]
Gambar.10. Skema kontrol lift Awal mula terjadinya kavitasi tergantung pada kecepatan dan dan kedalaman pada saat foil beroperasi. Optimasi pada dua dimensi dikembangkan untuk mencari yang “terbaik” bebas kavitasi ( maksimum gaya lift) untuk memberikan perbandingan maksimum antara ketebalan dan chordnya (t/c). Optimasi ini telah di jabarkan oleh Besnard et all(1998b)[9]. Koefisian gaya lift yang paling tinggi (dua-dimensi) dimana suatu foil dapat beropersai dan mengkalkulasi gaya resultan drag (friction+form) dan juga foil di design sedemikian rupa sehingga tidak ada aliran arus separasi yang juga dapat meningkatkan drag. Pendekatan optimasi desain sudah dikembangkan dan berjalan dengan sukses untuk beberapa aplikasi high-lift termasuk desain sebaliknya (pressure matching), optimasi untuk maksimum koefisien lift sebuah airfoil dalam beberapa bentuk variasi dan memaksimalkan rasio L/D dari semua elemen airfoil dengan menyesuaikan posisi relatif mereka, Besnard et all (1998a)[16]. Sebuah analisa desain untuk kecepatan dan berat yang tetap, optimum desain didapatkan dengan kombinasi kecepatan-berat dengan perbandingan L/D yang maksimum dan bebas kavitasi. Gaya resultan lift-to-drag rasio dikalkulasikan sepanjang Break Horse Power (BHP) :
6
Department, California State University, Long Beach. [10] Besnard, E., Schmitz, A., Boscher, E., Garcia, N., and Cebeci, Th.1998, “TwoDimensional Aircraft High Lift System Design and Optimization,” Paper No. 980123.
7
1
1
