PAPER UJIAN P3 SKRIPSI TEKNIK SISTEM PERKAPALAN 2009

PAPER UJIAN P3 SKRIPSI – TEKNIK SISTEM PERKAPALAN 2009

KAJIAN NUMERIK GAYA TAHANAN PADA PERENCANAAN KAPAL BERSAYAP WISE SEBAGAI ALTERNATIF PENGGANTI CREW BOAT 20 PAX DENGAN PENDEKATAN CFD Endah Suwarni Jurusan Teknik Sistem Perkapalan , Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Email : [email protected]

Teknologi kapal bersayap Wise yang memanfaatkan fenomena “bantalan udara” (air cushion) yang ditimbulkan oleh sayap pada kondisi terbang rendah untuk melaju dengan menggunakan bahan bakar yang hanya sekitar 60% dari kondisi pesawat terbang tinggi. Dengan karakteristik operasional take-off dan landing di air, serta hanya terbang setinggi 1- 2 meter di atas permukaan air, sehingga hal ini merupakan salah satu cara untuk mengurangi tahanan gesek dimana tahanan gesek dapat mencapai 50 % dari tahanan total yang disebabkan oleh gesekan badan kapal di air. Di samping itu dengan bentuk planning hull , kapal bersayap Wise akan mendapat gaya angkat hydrodynamic lift dan aerodinamic lift pada saat bergerak dengan cepat. Sehingga dengan adanya gaya angkat tersebut drag yang terjadi dapat diturunkan. Dengan bentuk sayap yang optimal akan menambah lift force sehingga drag yang dihasilkan dapat berkurang, sedangkan dengan posisi stephull yang sesuai akan dapat menurunkan luas bidang basah pada lambung, dan menghindari terjadinya ’sticking’ antara bawah lambung kapal dengan permukaan air sehingga hall kapal bersayap Wise dapat meluncur dan melayang di atas permukaan air. Kegiatan riset konsep desain kendaraan ‘Wing In Surface Effect’ berkembang dengan pesat pada tahun 1960-an yang banyak dilakukan para ahli di negara USSR, USA dan JAPAN. Salah satu desain yang sukses pada saat itu dikenal ‘Ekranoplans’ di Rusia. Hingga saat ini telah banyak dijumpai konsep desain kendaraan ‘Wing In Ground Effect’ dengan style dan type yang berbeda setelah banyak industri rancang bangun melihat dan mempertimbangkan prospek komersial kendaraan Wise tersebut. Dengan mempertimbangkan waktu tempuh operasional yang singkat dari kapal bersayap Wise maka dapat dikatakan kapal Wise dapat digunakan sebagai moda transportasi alternative pengganti kapal crew boat disamping perlu juga pertimbangan-pertimbangan lainnya baik secara ekonomis maupun secara teknis.

Abstrak Waktu tempuh operasional suatu alat transportasi menjadi salah satu pertimbangan dalam perencanaan alat transportasi tersebut. Semakin cepat waktu yang ditempuh maka semakin efisien waktu digunakan untuk berbagai tujuan. Demikian halnya dengan pengoperasian kapal crew boat yang sebagian besar mempunyai waktu tempuh operasional yang cukup lama. Dengan perancangan kapal bersayap Wise yang mempunyai waktu tempuh yang cepat karena mempunyai speed cruise di atas 90 knot maka kekurangan efisien waktu dari pengoperasian kapal crew boat dapat diatasi. Melalui analisa numerik CFD , tahanan kapal bersayap Wise dapat diprediksi di awal sehingga dapat memberikan inputan data dalam perancangan kapal bersayap Wise dengan lebih profesional.

1.PENDAHULUAN Pada umumnya kapal crewboat dioperasikan di daerah-daerah pekerjaan offshore, di daerah kepulauan dimana alat transportasi diperlukan untuk berbagai tujuan. Misalnya sebagai crew boat yang digunakan sebagai suffer atau keperluan regular crew change untuk para pekerja offshore eksplorasi migas yang banyak di daerah lepas pantai. Sebagai contoh eksplorasi migas di blok Kangean. Perjalanan pengoperasian crew boat dapat memakai waktu sekitar 6 jam bahkan sampai 12 jam dengan kecepatan service ratarata 25-30 knot. Sehingga waktu yang sebaiknya digunakan oleh para pekerja/pelaku eksplorasi migas menjadi tidak efisien dikarenakan terlalu lama dalam perjalanan. Tetapi dengan memanfaatkan transportasi Wise perjalanan dapat dipersingkat menjadi sekitar 4 jam per trip. Oleh karena itu , telah banyak dilakukan penelitian dan pengembangan teknologi terutama akan kebutuhan alat transportasi yang mampu beroperasi pada kecepatan jauh lebih tinggi dan tentunya dengan efisiensi bahan bakar yang bisa diterima dengan menggunakan teknilogi kapal Wise.

1

Endah Suwarni 420 7100 601


2.SISTEMATIKA PENULISAN Kulit Muka (Cover luar) Judul Tugas Akhir Abstrak atau uraian singkat Tugas Akhir Halaman Pengesahan Kata Pengantar Daftar Isi Daftar Gambar, Grafik, Diagram Daftar Simbol BAB I PENDAHULUAN BAB II TINJAUAN PUSTAKA BAB III METODOLOGI BAB IV OPTIMASI DESAIN BAB V ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN BAB VI PENUTUP DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

Gb1. Lift dan drag pada airfoil Suatu obyek dimana dapat menghasilkan gaya angkat pada pergerakan di udara dikenal dengan lifting bodies, dengan perbedaan bentuk body dapat menghasilkan gaya angkat dengan efisiensi terbesar yang ditimbulkan dari sayap. Efisiensi dari lifting body ditentukan dari rasio lift dengan drag dari body tersebut (L/D). Dengan bentuk body tertentu dapat menghasilkan gaya angkat terbesar dengan drag yang kecil pada efisiensi terbesarnya. WIG Craft menggunakan fenomena yang disebut Ground Effect atau bisa juga disebut dengan Surface Effect yaitu, dimana terdapat boundary yang berada di bawah (dekat) dari permukaan sayap bagian bawah. Hasilnya sangat efektif meningkatkan Static Pressure di bawah sayap dan menambah rasio Lift-Drag. Boundary merubah aliran udara di sekitar sayap dan menyebabkan penambahan gaya angkat dan pengurangan drag dari sayap.

3.TINJAUAN PUSTAKA 1.

TAHANAN TOTAL (RT) Seperti kapal yang bergerak pada air tenang, kapal mengalami gaya aksi yang melawan dari arah gerakan. Gaya tersebut adalah tahanan air dari gerakan kapal , yang mana disebut tahanan total kapal (RT). Gaya tahanan ini digunakan untuk menghitung EHP kapal. Untuk tahanan kapal pada air tenang ada beberapa factor yaitu kecepatan kapal, bentuk hull / badan kapal ( draft, beam, length, wsa) dan temperature air. Faktor-faktor penting yang mempengaruhi adalah tahanan gesek kapal, efek viscous dari gerakan air pada badan kapal, energi/daya yang diperlukan untuk membuat dan menjaga karakteristik kapal (gelombang bow dan stern), dan tahanan udara . Maka total tahanan kapal adalah = RT = RV + RW + RAA Dimana :RT = tahanan total = tahanan viscous RV RW = tahanan gelombang RAA = tahanan tambahan (udara dan appendages) 2. LIFT DAN DRAG Bagaimana penggambaran Wise/Wige craft berbeda dengan pesawat terbang konvensional diperlukan untuk pertama adalah mempelajari beberapa konsep dasar aerodinamika dasar. Seperti sayap yang bergerak di udara akan menimbulkan gaya resultan yang dapat diuraikan menjadi lift dan drag. Bentuk lain dari drag juga dapat ditunjukkan dimana hasil dari tegangan gesek sebagai gerakan aircraft melalui udara diteruskan sebagai parasitic drag. Total drag adalah kombinasi dari parasitic drag dan induced drag.

Gb 2. Wing in surface effect Boundary menimbulkan perubahan aliran udara yang disebabkan oleh boundary tidak mempertimbangkan aliran di bawah sayap untuk meluas seperti di udara bebas. Dalam kaitannya dengan tekanan total dari aliran udara, penambahan gaya angkat adalah tekanan static di bawah sayap. Tekanan total dari aliran dapat dibagi antara tekanan static (tekanan permukaan) dan tekanan dinamic (tekanan yang disebabkan oleh velocity). Sebagai tekanan total yang tetap konstan melewati daerah aliran, penjumlahan dari tekanan statik dan dinamik harus juga konstan. Sebagai aliran yang dipaksakan ke dalam daerah antara sayap dan boundary. Penurunan tekanan dinamik diubah dalam tekanan statik dan sering disebut dengan ram pressure. Hasil dari perubahan distribusi tekanan menyebabkan penambahan gaya angkat dan perubahan karakteristik aerodinamik dari sayap.

2



untuk mengolah simulasi konputer dengan hasil yang mendekati riil, maka dibutuhkan spesifikasi komputer yang memadai. Berbagai spesifikasi yang digunakan adalah sebagai berikut -Sistem Operasi Window XP Profesional SP2, Window XP 64 a. Processor Intel Pentium 4 Duel Core b. Memori (RAM) minimal 1 G c. VGA minimal 128 MB d. Layar monitor dengan resolusi minimal 1024 x 768 pixel. b). Materi Materi yang digunakan dalam penelitian Tugas Akhir ini adalah hasil data pengujian dan desain model Wise 8 yang telah dimodifikasi untuk digunakan sebagai Wise craft dengan berpenumpang 20 seater. Sehingga dapat dianalisa besarnya gaya tahanan dengan menggunakan CFD (Computating Fluid Dynamic). 3.2. Prosedur Penulisan Metodologi penulisan pada tugas akhir ini mencakup semua kegiatan yang dilaksanakan untuk memecahkan masalah atau melakukan proses analisa terhadap permasalahan tugas akhir. Langkah pertama : Studi Literatur yang berupa konsep kapal planning yang merupakan dasar dari kapal bersayap WiSE secara geometric dan hidrodinamis, tipe-tipe dari kapal cepat, teori Wise ,spesifikasi kapal crew boat 20 penumpang dan Hoverwing 20 seater sebagai bahan pembanding . Langkah kedua : estimasi perhitungan desain yang berupa perhitungan estimasi payload dan lifting , perhitungan luas area sayap yang dibutuhkan untuk mengcover lifting yang terjadi dan air foil yang digunakan. Langkah ketiga : Desain geometri model, dimana parameter studi untuk mendapatkan desain geomatri model adalah main dimension komponen kapal bersayap Wise, data hidrostatik. Kemudian melakukan meshing dan iterasi , bila gagal maka kembali ke desain geometri model dan melakukan meshing dan iterasi lagi. Setelah mendapatkan hasil meshing dan iterasi , dilanjutkan dengan free surface CFD berupa Pre Ansys, Solver Ansys dan Post Ansys. Bila terdapat kegagalan akan kembali ke proses desain geometri model.

Gb 3. Daerah aliran masuk dan keluar dari ground effect Koefisien Maksimum Lift (CLmax) ditentukan oleh karakteristik kecepatan rendah dari sayap, dan kecepatan saat take off dan landing. Penambahan pada CLmax memungkinkan take off rendah dan landing speed sehingga hal ini dapat mengurangi take off run dan lower landing load pada struktur. CLmax juga membatasi stall speed dari sayap , yang mana dapat menyebabkan slow speed limit pada craft dan mempengaruhi karakteristik stall pada sayap. Fenomena yang disebut Ground Effect atau Surface Effect ini dapat diilustrasikan sebagai berikut :

Gb. 4. Ilustrasi ground effect SOFTWARE FREE SURFACE CFD (Computational Fluid Dynamic) Arti dari CFD adalah suatu teknologi komputasi yang memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zatzat yang mengallir. Dengan software CFD dapat mensimulasikan aliran fluida , perpindahan panas, reaksi kimia dan interaksi fluida dengan struktur hanya dengan pemodelan di computer. 3.

4.METODOLOGI 3.1.

Alat dan materi Dalam pengerjaan Tugas Akhir ini, alat dan bahan yang digunakan adalah sebagai berikut : a) Alat Dalam melakukan penelitian dan optimasi desain, alat yang digunakan untuk proses pembuatan model dan analisa menggunakan simulasi dengan bantuan komputer, sehingga memerlukan spesifikasi komputer yang memadai. Dengan kemajuan teknologi modern yang dapat menghasilkan

3



= 94 knots Range (no reserve) = 500 km Efficient Cruise height = 1.75 m Max wave height take-off= 0.75 m Max wave height cruise= 2.5 m Price : 1.4 jt Euro Rp 19.6 M (Capital Cost) Waktu tempuh dengan Hoverwing : v (speed) = 94 knots = 175km/h t (waktu tempuh) = 320km = 2 jam 175km / h t (waktu tempuh) untuk 1 trip = 2 x 2 jam = 4 jam

Dari CFD dilanjutkan ke analisa data numerik dan akan dilakukan verifikasi atau validasi data dengan data hasil experiment di TT, bila ditemukan ketidaksesuaian maka dilakukan revisi desain geometri model. Langkah keempat : Kesesuaian dari analisa data numerik CFD dengan data hasil experiment akan mencapai suatu kesimpulan.

5.OPTIMASI DESAIN DATA PEMBANDING: SPESIFIKASI CREW BOAT 20 PAX : LOA = 13.1 m LWL = 10.6 m LPP = 12.0 m B = 3.9 m T = 0.51 m Lightship Displacement= 7.0 Ton Working Displacement = 8.2 Ton Machinery : Main Engine (2) Cummins MerCruiserDiesel6BTA 5.9 (315 HP @ 2800 rpm) Gearbox , no gearbox required direct couple to waterjetPropulsion Castoldi Waterjet TD282 Performance : Maximum speed 30 knots Cruising speed 25 – 30 knots Capacities : Fuel 1100 liter Water 200 liter Price : USD 220,000/unit Rp 2.09 M (Capital Cost) Rute = Surabaya – Kangean Jarak (s) = 170 mil laut = 314.84 km = 320 km (pembulatan) Waktu tempuh dengan crewboat : v (speed) = 30 knots = 55.56 km/h

ESTIMASI LOAD Estimasi Load pada Wise Craft 20 seater Jumlah penumpang = 20 pax - Load penumpang = 20 x @100 kg = 2000 kg = 2 ton - Load bagasi = 20 x @20 kg = 400 kg = 0.4 ton - Load Wise craft : - W engine = 330 lb = 149.68 kg = 0.14968 ton - W fuel oil = Power (TO) 500 shp SFC (TO) 0.647 lb/shp hr = 500 hp x 0.647lb/hp hr x (170NMil/94 knot) x 1.3 x 10-6 = 372 kw x 393.549 gr/kwh x (170/94) x 1.3 x 10-6 = 0.344 ton` W konstruksi + Instalasi = ± 6000 kg = 6 ton W total =2 + 0.4 + 0.14968 + 0.344 + 6 = 8.89 ton = 9 ton W total adalah massa = 9000 kg w=mxg w = 9000 kg x 10 m/s2 w = 90000 kg m/s2= 90000 N=90kN

320 km

t (waktu tempuh) = = 55 . 56 km / h 6 jam t (waktu tempuh) untuk 1 trip = 6 x 2 = 12 jam SPESIFIKASI HOVERWING 20 SEATER : Length = 22.44 m Width = 17.34 m Wings folded = 6.30 m Height = 4.94 m Payload = 2.460 Ton Take-off weight = 8.994 Ton Cruise Power = 500 HP Performance : Cruise Speed = 175 km/h

(Ref : Hukum Bernoulli)

4



F1-F2 = mg Lift = Lift = ρ udara standar v kecepatan

DESAIN BENTUK SAYAP VARIASI 1 Sesuai dengan luasan sayap yang diperoleh pada perhitungan di atas dapat berupa persegi panjang atau taper section. Bila berbentuk persegi panjang dimensi sayap 14.68 x 5.87 m. Untuk bentuk sayap berupa taper section dapat dimodifikasi dengan asumsi luas area sayap sama (belum termasuk luas area fuselage) dengan dimensi sbb :

W(gravity) ½ ρv2.A.CL = 2.38x10-3 slug/ft3 = 1.226 kg/m3 = 175 km/h = 48.611 m/s

Gb.5 Koefisien Lift (CL) : Lift coefficient for different values of h/c. Line of constant CL = 0.6 is for airfoil in unbounded air

Gb.6 Dimensi sayap variasi 1 Airfoil yang digunakan tipe NACA Munk 15 dengan angle of attack 3o. (Ref. JOURNAL OF THEORETICAL AND APPLIED MECHANICS 45, 2, pp. 425-436, Warsaw 2007 ; NUMERICAL INVESTIGATION OF AIRFOIL IN GROUND PROXIMITY)

(Ref. JOURNAL OF THEORETICAL AND APPLIED MECHANICS 45, 2, pp. 425-436, Warsaw 2007 : NUMERICAL INVESTIGATION OF AIRFOIL IN GROUND PROXIMITY)

Rasio h/c yang diambil adalah 0.2 CL = 0.72 Lift = 1 × 1.226kg / m 3 × (48.611m / s ) 2 xAxC L 2

A

=

2 × 90000kg.m / s 2 1.226kg / m 3 × (48.611) 2 m 2 / s 2 × 0.72

Gb.7. Airfoil sayap

2

= 86.29 m AR (Aspec-Ratio) = 2.5 AR

=

2.5

=

Span 2 S

=

OPTIMASI DESAIN 1 Penggambaran desain geometri dilakukan di acad (autocad) atau dapat dilakukan di maxsurf yang disave as sebagai file IGES, kemudian diexport geometry di ICEM CFD ansys. Setelah melakukan edit gometry kemudian repair dan meshing. Tahap selanjutnya file icem cfx sebagai inputan untuk ansys pre, solver dan post.

b2 A

b2 86.29m 2

b = 14.68 m c (chord) = A/b = 86.29/14.68 = 5.87 m Desain sayap dibuat tapersection : c (mean) = 2 .0 + 8 .8 2

= 5.4 m Jika h/c yang diambil adalah 0.2 h/c = 0.2 h = 0.2 x c = 0.2 x 5.4 m = 1.08 m Gb.4.7.Post-Ansys desain sayap variasi 1

5



6.ANALISA DESAIN BENTUK SAYAP VARIASI 2 Airfoil yang digunakan tipe NACA Munk 15 dengan angle of attack 3o. Tetapi dengan dimensi yang berbeda sehingga besar area sayap juga berbeda. Hal ini dilakukan karena hasil running pada desain bentuk sayap variasi pertama tidak menimbulkan gaya tekan ke atas atau lifting yang cukup untuk mengatasi beban load yang telah diprediksi sebelumnya.

Grafikdi bawah ini menunjukkan perbedaan drag dari airfoil dengan angle of attack 3o dan airfoil dengan angle of attack 12o.

Grafik di bawah ini menunjukkan lift dari airfoil dengan angle of attack 3o dan airfoil airfoil dengan angle of attack 12o.

Gb. 8. Desain sayap variasi 2. b = 14. m Desain sayap dibuat tapersection : c (mean) = 2.5 + 10 = 6.25 m

Dengan melihat hasil dari running desain sayap variasi 2, pada kecepatan 100 knot tidak ada peningkatan gaya angkat lift dan terjadi peningkatan pada drag. Sehingga desain variasi 2 tidak dapat digunakan.

2

OPTIMASI DESAIN 2

7.KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diambil dari pengerjaan tugas akhir ini adalah sebagai berikut : 1. Dengan perubahan angle of attack dari 3o menjadi angle of attack 12o maka dapat meningkatkan gaya ke atas lifting sebesar sekitar 68320 N atau 68.32 kN pada kecepatan 110 knot sehingga dari perhitungan prediksi awal yang memperkirakan beban load yang harus dapat diangkat adalah 90 kN dan pada perhitungan numerik free surface mendapatkan lifting 104.31 kN. 2. Drag yang didapatkan dari analisa free surface CFD adalah 44.63 kN, sehingga PE yang harus disediakan untuk mengatasi drag tersebut adalah 3368.84 HP.

Gb.9.Post – Ansys desain sayap variasi 2 DESAIN BENTUK SAYAP VARIASI 3 Airfoil yang digunakan tipe NACA Munk 15 dengan angle of attack 12o.

Gb.10. Dimensi sayap variasi 3 OPTIMASI DESAIN 3

Gb.11. Post-Ansys desain sayap variasi 3

6



8.DAFTAR PUSTAKA [1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

Kyoungwoo Park, Byeong Sam Kim, Juhee Lee, and Kwang Soo Kim. World Academy of Science and Technology 52 – 2009; Aerodynamics and Optimization of Airfoil Under Ground Effect,2009. Hanno Fischer and Klaus Matjasic: presented at the RTO AVT Sysposium on "Fluid Dynamic Problems of Vehicles Operating near or in the Air-Sea Interface" held in Amsterdam, The Nederlands published in RTO MP-15; The Hoverwing Technology-Bridge between WIG and ACV, 5-8 October 1998. Tomasz Abramowski, JOURNAL OF THEORETICAL. AND APPLIED MECHANIC45, 2, pp. 425-436: NUMERICAL INVESTIGATION OF AIRFOIL IN GROUND PROXIMITY, 2007. Hee Jung Kim Æ Ho Hwan Chun Æ Kwang Hyo Jung, J Mar Sci Technol ; Aeronumeric optimal design of a wing-inground-effect craft,2008. Leon Bennett, Alexander Frank, Thomas McLoughlin, Richard Moreton, Samuel Randell, Seng Wong, SCHOOL OF MECHANICAL ENGINEERING MECH. ENG. 3016 AERONAUTICAL ENGINEERING I, Wing in Ground Effect (WIG) aircraft Aerodynamics. Graham K Taylor MBA (Hypercraft Associates WIG/Ekranoplan Commercialisation Commercial and Business Management), 2002, “Are You Missing The Boat? The Ekranoplanes in The 21ST Century ñ Its Possibilities and”, Presented at the 18th Fast Ferry Conference - Nice , France - Peb 2002. “19XRW Hoverwing™ Wing In Groundeffect Hovercraft”, Universal Hovercraft - 1218 Buchanan Street, Rockford, IL 61101 - Ph: (815) 943-1200 Fx: (815) 943-1800 - www.hovercraft.com.

7


PAPER UJIAN P3 SKRIPSI TEKNIK SISTEM PERKAPALAN 2009

Recommend Documents