Seminar Nasional IPTEK Penerbangan dan Antariksa XX-2016

Seminar Nasional IPTEK Penerbangan dan Antariksa XX-2016

SIMULASI MITIGASI PENGARUH IONOSFER TERHADAP KINERJAGLOBAL VALIDASI METODE KOMPUTASI DINAMIKAFLUIDA DENGAN HASIL EKSPERIMEN PADA MODEL KAPAL SELAM STANDAR DRDC Yudiawan Fajar Kusuma, Sulistiya Balai Besar Teknologi Aerodinamika, Aeroelastika dan Aeroakustika - BPPT e-mail: [email protected], sulistiya @bppt.go.id

Abstrak Computational Fluid Dynamics (CFD) telah dilakukan pada model kapal selam standar untuk berbagai konfigurasi. Keluaran parameter adalah koefisien gaya dan momen. Model kapal selam yang digunakan adalah model kapal selam dari Defence Research and Development Canada (DRDC). Model ini telah diuji di terowongan angin Institute for Aerospace Research (IAR). Hasil eksperimen dan CFD akan dibandingkan. Hal ini bertujuan untuk mengetahui seberapa dekat hasil CFD dengan hasil eksperimen. Karena yang dikeluarkan oleh DRDC tidak disertai nilai pasti, kecuali nilai nol, sehingga yang akan dibandingkan secara tren. Simulasi akan dilakukan dalam empat model konfigurasi yaituhull, hull-tail, hull-sail dan full body (hull, sail, and tail).Hasil komputasi menunjukkan bahwa pada semua konfigurasi memiliki kecenderungan pola grafikuntuk koefisien gaya aksial yang sama dengan hasil eksperimen. Tetapi pada konfigurasi hull-tail terjadi perbedaan untuk alfa -300 – (-200) dan 200 – 300. Pada grafik koefisien momen untuk konfigurasi hull dan hull-sail memiliki bentuk yang sama. Untuk konfigurasi hull-tail dan full body grafik momen gradiennya negatif jika dibandingkan dengan hasil eksperimen yang menunjukkan gradien grafik momen positif. Kata kunci: kapal selam, komputasional, konfigurasi, eksperimen, terowongan angin. Abstract Computational Fluid Dynamics have been carried out on a standard submarine model for various configurations. The output parameters are force and moment coefficients. The model is adopted from Defence Research and Development Canada (DRDC).They had tested this model in the Institute for Aerospace Research (IAR) wind tunnel. Experimental results and CFD results will be compared. This has aim to know how close CFD can approach the experimental results. Since DRDC keep the exact number of the coefficients unknown ,except the zero points , therefore it can only be said about the trend. The investigation covered four model configurations , e.g hull, hull-tail, hull-sail and full body (hull, sail, and tail). Results showed that all configurations have the same pattern for axial force coefficient with experiment result. But for hul-tail configuration shows difference for range of incidence (alpha) -300 to 200 and +200 to +300.. The moment coefficient curves have the same pattern for hull only and hull-tail configurations. However they showed difference pattern for hull-tail and full body configurations. For hull-tail and full body configurations, moment coefficient curves had negative gradient while the experiment result showed positive moment coefficients gradient. Keyword: submarine, computational, configuration, experiment, wind tunnel

1. PENDAHULUAN Dalam beberapa tahun belakangan ini isu-isu pertahanan dan keamanan berkaitan dengan masalah kedaulatan Negara Kesatuan Republik Indonesia(NKRI) semakin sering bermunculan seperti masalah klaim batas wilayah, masalah pertahanan dan keamanan pulau-pulau di sekitar NKRI, ambang batas laut (ambalat) antara Indonesia dan Malaysia. Untuk menanggapi masalah-masalah tersebut serta menjaga kedaulatan NKRI maka kelengkapan alat utama sistem pertahanan (alutsista) TNI sangat diperlukan. Salah satu alutsista laut yang strategis dan sarat dengan muatan teknologi tinggi, serta mempunyai efek daya

1


gentar yang tinggi terhadap lawan adalah kapal selam karena dapat bergerak di bawah permukaan air laut dan memiliki sistem anti radar[9]. Pemerintah saat ini sedang memesan tiga unit kapal selam ke Korea Selatan yang disertai perjanjian pengadaan Kapal Selam tersebut salah satu syarat yang diminta pemerintah adalah adanyaTransfer of Technology (ToT) dari Korea Selatan ke Indonesia sebagai upaya untuk membangun kemandirian dalam memproduksi teknologi kapal selam.Untuk menunjang penguasaan teknologi kapal selam, kesiapan fasilitas dan penguasaan teknologi di dalam negeri juga harus dibangun sejak proses rancang bangun (design) sampai dengan tahap akhir pabrikasi (manufacturing). Perancangan bentuk kapal selam sangat berkaitan dengan karakteristik dinamika saat kapal bergerak atau bermanuver didalam medan fluida. Analisis dinamika fluida kapal selam dapat dilakukan dengan metode eksperimen maupun komputasi. Metode komputasi memiliki keunggulan dapat memberikan visualisasi aliran serta lebih menghemat waktu dan biaya bila dibandingkan dengan metode eksperimen, sedangkan metode eksperimen memiliki kelebihan dapat mengkondisikan lingkungan yang sebenarnya yang belum dapat dilakukan dengan menggunakan komputasi.Sampai saat ini kedua metode ini selalu digunakan secara bersama-sama sehingga perlu dilakukan studi perbandingan untuk menunjukkan keakuratan hasil data dari kedua metode tersebut[6]. Penelitian ini membandingkan karakteristik dinamika fluida hasil komputasi dengan hasil eksperimen menggunakan model kapal selam standarDRDC. Hasil eksperimen yang dikeluarkan oleh DRDC tidak disertai nilai sehingga yang akan dibandingkan adalah pola grafiknya. Dalam penelitian ini, komputasi dilakukan dengan menggunakansoftware Fluent[2]. Fluent adalah salah satu perangkat lunak simulasi numerik dinamika fluida yang menggunakan metode volume hingga. Fluent menyediakan fitur eksekusi perhitungan numerik dengan menggunakan masukan mesh yang fleksibel, sehingga dapat menyelesaikan kasus aliran fluida denganmesh (grid) dengan cara yang relatif mudah. Jenis mesh yang didukung oleh fluent adalah tipe 2D triangular-quadrilateral, 3D tetrahedralhexahedral-pyramid-wedge, dan mesh campuran (hybrid). Fluent juga memungkinkan untuk memperhalus atau memperbesar mesh yang sudah ada. Parameter-parameter yang digunakan dalam komputasi mengacu pada eksperimen yang dilakukan di terowongan anginIAR[4]. Selain itu komputasi numerik juga bertujuan untuk mengetahui karakteristik aliran di sekitar kapal selam.

2. METODOLOGI 2.1. Geometri, Mesh dan Kondisi Batas Geometri kapal selam yang akan dimodelkan adalah kapal selam model standar dari Defence Research and Development Canada (DRDC)[4]. Deskripsi geometri model kapal selam ditunjukkan pada Gambar 2-1. Ada empat konfigurasi bentuk geometri yang akan dilakukan simulasi, diantaranya: hull body, hull and tail, hull and sail dan full body (hull, sail, and tail). Panjang hull yang digunakan oleh DRDC tidak diketahui sehingga dimensi panjang hull kapal selam yang akan digunakan sesuai dengan panjang kapal selam tipe U209/1300 Cakra-Nanggala dengan panjang 59.57 m yang diskalakan 1:10 menjadi 5.957 m serta perhitungan geometri model standar DRDC merujuk pada pengujianStatic Test Rig (STR) terowongan angin 9 x 9 m di Institute for Aerospace Research (IAR)dengan panjang model 6 m[4].

2


Gambar 2-1. Deskripsi geometri kapal selam.

Mesh dibuat dengan menggunakan software Hexpress Numeca di Unit Pusat Teknologi Industri Manufaktur BPPT (PTIM)[3]. Software ini memiliki kelebihan yaitu automesh sehingga lebih cepat waktu yang dibutuhkan untuk membentuk suatu mesh. Bentuk mesh pada kasus kali ini adalah perpaduan unstructured dan structured yang menyesuaikan bentuk geometri kapal selam. Jumlahgrid pada masingmasing konfigurasi adalah sebagai berikut: • Full body : 2.551.135 cell hexahendraldan kubis • Hull alone : 1.823.136 cell hexahendraldan kubis • Hull & tail : 1.058.595 cellhexahendraldan kubis • Hull & sail : 2.069.934 cellhexahendraldan kubis Tebal layer pertama dekat dinding adalah 5 x 10-5 m, dengan rasio tebal layer selanjutnya 1.2. Berikut gambar meshing di permukaan dinding (Gambar 2-2) dan di sekitar permukaan kapal selam (Gambar 2-3).

Gambar 2-2. Mesh di permukaan dinding kapal selam.

Gambar 2-3. Mesh di permukaan kapal selam pada bidang simetri.

Kondisi batas yang digunakan untuk memodelkan aliran dalam komputasi kali ini ada 2, yaitu pressure far-fielddan wall. Kondisi pada daerah farfield mewakili kondisi aliran bebas jauh dari benda kapal selam. Sedangkan kondisi batas wall adalah kondisi batas permukaan dinding. Gambar kondisi batas komputasi ditunjukkan oleh Gambar 2-4, kondisi batas farfield mengambil jarak 5 (lima) kali panjang bentangan ke arah belakang, 2,5 kali panjang bentangan ke atas dan bawah, 2,5 kali panjang bentangan ke arah depan sedangkan ke arah samping kanan dan kiri mengambil jarak 3 kali panjang bentangan[5].

3


Gambar 2-4. Kondisi batas komputasi[5].

2.2. Komputasi Numerik Persamaan atur yang digunakan dalam simulasi aliran fluida ini adalah persamaan Navier Stokes.Persamaan ini telah memasukan efek viskositas yang memungkinkan besarnya gaya-gaya seperti misalnya tahanan friksi dan tahanan tekanan dapat diprediksi dengan cukup akurat[7]. Demikian juga aliran turbulen dapat dimodelkan dengan baik. Model turbulensi yang digunakan adalahk-omega SST yang mempunyai kelebihan memodelkan aliran di dekat dinding maupun aliran yang jauh dari dinding dan free stream flow[7]. Bilangan Reynold yang digunakan adalah 24.45 x 106 pada kecepatan 60 m/s dan tekanan 101325 Pa dengan model fluida udara (gas ideal). Hasil komputasi berupa koefisien gaya dan momen aerodinamika ( , , ), yang didefinisikan sebagai berikut: =

(1)

=

(2)

=

(3)

dimana FL adalah gaya angkat, FD adalah gaya hambat, M adalah momen angguk terhadap titik tengah ditambah 10% panjang model kearah depan, U adalah kecepatan fluida, ρ adalah massa jenis fluida, A adalah luas daerah frontal model, dan L adalah panjang model. Kemudian koefisien gaya angkat ( ) dan koefisien gaya hambat ( ) ditransformasikan ke system koordinat benda pada kapal selam (Gambar 2-5) menjadi koefisien gaya normal ( ) dan gaya tangensial/ axial ( ) dengan α adalah sudut serang kecepatan angin[8]. (4) (5)

Gambar 2-5. Sistem gerak kapal selam,body axis[8].

Dalam gambar di atas untuk x, y, z adalah sistem koordinat benda. Untuk u,v,w adalah kecepatan koordinat dalam arah x, y, z. Untuk X, Y, Z adalah gaya aerodinamika dalam arah x, y, z. Untuk p, q, r adalah momen pada arah x, y, z. Untuk K, M, N adalah momen gaya dalam arah x, y, z. Komputasi dilakukan dengan menggunakan dua perangkat komputer berkapasitas CPU 16 core RAM 32 GB dan CPU 20 core RAM 64 GB. Dengan spesifikasi tersebut dibutuhkan waktu 24 jam untuk satu konfigurasi sudut serang (untuk kemudian disebut alfa).

4


3. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil komputasi untuk konfigurasi hull menunjukkan tendensi yang sama untuk grafik koefisien gaya normal dan koefisien momen dengan hasil eksperimen diIAR (Gambar 3-1 dan3-3).Gradien terhadap alfa bernilai negatif (Gambar 3-1) dan gradien terhadap alfa bernilai positif (Gambar 3-3).Sedangkan untuk koefisien gaya axial trennya hampir sama, bentuknya simetris, akan tetapi nilai minimumnya tidak pada sudut 00 melainkan terjadi pada sudut -100 dan 100 (Gambar 3-2).

(a)

(b)

Gambar 3-1. Grafik koefisien gaya normal terhadap alfa untuk konfigurasihull (a) hasil komputasi (b) Experiment hull alone; normal force[4].

(a)

(b)

Gambar 3-2. Grafik koefisien gaya tangensial(axial) terhadap alfa untuk konfigurasi hull (a) hasil komputasi (b) Experiment hull alone; axial force[4].

(a)

(b)

Gambar 3-3. Grafik koefisien gaya tangensial(axial) terhadap alfa untuk konfigurasi hull (a) hasil komputasi (b) Experiment hull alone; axial force[4]. 5


Hasil komputasi untuk konfigurasi hull-sail menunjukkan tendensi yang sama dengan konfigurasihull saja untuk semua koefisien gaya dan momen aerodinamika ( , , ). Grafik dan tendensinya sudah sesuai dengan hasil eksperimen di wind tunnel IAR/STR (Gambar 3-4 dan 3-6). Sedangkan untuk grafik walaupun sama-sama berbentuk mangkuk, akan tetapi pada hasil komputasi bentuknya tidak simetris.Nilai minimumnya terjadi pada sudut datang 80 (Gambar 3-5).

(a)

(b)

Gambar 3-4. Grafik koefisien gaya normal terhadap alfa untuk konfigurasihull-sail (a) hasil komputasi (b) Experiment hull alone; normal force[4].

(a)

(b)

Gambar 3-5. Grafik koefisien gaya tangensial(axial) terhadap alfa untuk konfigurasi hull-sail (a) hasil komputasi (b) Experiment hull-sail; axial force[4].

(a)

(b)

Gambar 3-6. (a) Grafik koefisien momen terhadap alfa hasil komputasi konfigurasihull-sail (b) Experiment hull-sail; pitching moment[4].

6


Hasil berbeda ditunjukkan pada konfigurasi hull dan tail untuk koefisien momen angguk. Untuk sudut -100 sampai 100 menunjukkan gradien positif dan gradien negatif untuk sudut -200 sampai -100 dan 100sampai 200 (Gambar 3-9). Begitu juga untuk konfigurasi full body memiliki tendensi koefisien momen angguk berbeda dengan konfigurasi hull saja dan hull-sail, dan sama dengan konfogurasi hull-tail.Hanya saja pada konfigurasi full body gradien positif terjadi pada sudut -50sampai 50 dan gradien negatif pada sudut -200sampai -50 dan 50sampai 200 (Gambar 3-12). Sedangkan untuk grafik tendensinya sudah sesuai dengan hasil eksperimen STR/IAR (Gambar 3-7 dan 3-10).

(a) (b) Gambar 3-7. Grafik koefisien gaya normal terhadap alfa untuk konfigurasihull-tail (a) hasil komputasi (b) Experiment hull alone; normal force[4].

(a) (b) Gambar 3-8. Grafik koefisien gaya tangensial(axial) terhadap alfa untuk konfigurasi hull-tail (a) hasil komputasi (b) Experiment hul-tail; axial force[4].

Gambar 3-8 menunjukkan grafik koefisien gaya tangensial (axial) terhadap alfa untuk konfigurasi hull-tail. Terlihat bahwa grafik CA memiliki tendensi yang sama dengan eksperimen dari alfa -200 sampai 200, akan tetapi terjadi perbedaan pada alfa -300 – (-200) dan 200 – 300hal ini dapat disebabkan pada alfa tersebut kenaikan gaya hambat jauh lebih besar dari kenaikan gaya angkatnya sehingga dengan kenaikan alfa gaya aksialnya menurun (persamaan 2-5).

(a)

(b) 7


Gambar 3-9. (a) Grafik koefisien momen terhadap alfa hasil komputasi konfigurasihull-tail (b) Experiment hull-tail; pitching moment[4].

(a) (b) Gambar 3-10. Grafik koefisien gaya normal terhadap alfa untuk konfigurasifull body (a) hasil komputasi (b) Experiment full body; normal force[4].

(a) (b) Gambar 3-11. Grafik koefisien gaya tangensial(axial) terhadap alfa untuk konfigurasi full body (a) hasil komputasi (b) Experiment full body; axial force[4].

(a) (b) Gambar 3-12. (a) Grafik koefisien momen terhadap alfa hasil komputasi konfigurasifull body (b) Experiment full body; pitching moment[4].

Perbandingan grafik hasil komputasi pada berbagai konfigurasi ditunjukkan Gambar 3-13. Untuk grafik trennya sama hanya berbeda nilanya. Nilai tertinggi terjadi pada konfigurasi full body dan terendah pada konfigurasi hull saja (Gambar 3-13a).Untuk grafik berbentuk mangkuk dengan nilai minimum drag paling kecil terjadi pada konfigurasi full body dan nilai minimum drag terbesar terjadi pada konfigurasi hull saja (Gambar 3-13b). Sedangkan untuk grafik tendensiyang sama ditunjukkan pada konfigurasi hull saja dan hull-sail, dan berbeda untuk konfigurasi hull-sail dan full body. Penambahan 8


konfigurasi tail memberikan kontribusi terhadap kesetabilan momen angguk. Sedangkan penambahan konfigurasi sail berfungsi sebagai ruang kendali kapal selam yang berakibat pada penambahan gaya hambat dan mengurangi gaya aksialnya (Gambar 3-13b).

(a)

(b)

(c) Gambar 3-13. Hasil komputasi berbagai konfigurasi (a) koefisien gaya angkat (b) koefisien gaya hambat (c) koefisien momen angguk.

4. KESIMPULAN Validasi metode komputasi terhadap metode eksperimen perlu dilakukan agar dapat mengetahui seberapa besar perbedaan pola grafik koefisien gaya dan momen yang dihasilkan serta untuk mengetahui pola aliran disekitar model kapal selam. Hasil komputasi menunjukkan bahwa koefisien gaya normal untuk semua konfigurasi menunjukkan tendensi yang sama dengan hasil eksperimen di terowongan angin STR/IAR yang dilakukan oleh DRDC. Koefisien gaya aksial berbentuk mangkuk dan memiliki kecenderungan semakin besar sudut datang semakin besar koefisien gaya axialnya, begitu pula untuk sudut negatif semakin besar negatif sudut semakin besar koefisien gaya angkatnya. Tetapi pada konfigurasi hull-tail terjadi perbedaan pada alfa -300 – (-200) dan 200 – 300 hal ini dapat disebabkan pada alfa tersebut kenaikan gaya hambat jauh lebih besar dari kenaikan gaya angkatnya sehingga dengan kenaikan alfa gaya aksialnya menurun. Grafik koefisien momen untuk konfigurasihull saja dan hull-sail memiliki bentuk yang sama, tetapi berbeda dengan konfigurasi hull-tail dan full body. Pada konfigurasi hull-tail dan full body grafik momen gradientnya ke arah negatif jika dibandingkan dengan hasil eksperimen yang menunjukkan gradient grafik momen positif sehingga penambahan konfigurasi tail menberikan kontribusi terhadap kesetabilan momen angguk. Sedangkan penambahan konfigurasi sail berfungsi sebagai ruang kendali kapal selam yang berakibat pada penambahan gaya hambat dan mengurangi gaya aksialnya. 9


UCAPAN TERIMA KASIH Terimakasih kepada Kepala Balai Besar Teknologi Aerodinamika Aeroelastika dan Aeroakustika (BBTA3) dan Kepala Bidang LayananTeknologi Aerodinamika Aeroelastika dan Aeroakustika (BLTA3) atas fasilitas dan dukungan dalam melakukan kegiatan penelitian. PERNYATAAN PENULIS Penulis dengan ini menyatakan bahwa seluruh isi menjadi tanggung jawab penulis.

DAFTAR PUSTAKA 1)

Allen, J.H. and Perkins, E.W.,1951,Characteristics of Flow over Inclined Bodies of Revolution. (NACA Research Memorandum A50L07), National Advisory Committee for Aeronautics.

2)

Fluent 6.3.26, 2006, Flow Modeling Software. Fluent Inc.

3)

HEXPRESS 3.1-2, 2014, Mesh Generation Preprocessor, NUMECA International, Inc.

4)

Mackay, M., 2003,The Standard Submarine Model : A Survey of Static Hydrodynamics Semiempirical Predictions, DRDC Atlantic TR 2003-079.

5)

Bettle, M.C., Gerber, A.G., Watt, G.D., 2013,Using Reduced Hydrodynamic Models to Accelerate the Predictor-Corrector Convergence of Implicit 6-DOF URANS Submarine Manoeuvring Simulations. Computers & Fluids Volume 102, 10 October 2014, Pages 215–236 doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.compfluid.2014.02.023.

6)

Anderson, J. D., 1995, Computation Fluid Dynamic Basic With Application. USA: John Wiley & Sons Inc.

7)

Tuakia, F., 2008, Dasar-Dasar CFD Menggunakan FLUENT. Bandung: Informatika.

8)

Jones, D.A., Clarke,D.B. Brayshaw,I.B. Barillon,J.L. and Anderson, B., 2002,The Calculation of Hydrodynamic Coefficients for Underwater Vehicle,DSTO-TR-1329, DSTO Platforms Sciences Laborator, Victoria , Australia.

9)

Erwandi, 2010, Rancang Bangun dan Uji Hidrodinamika (Resistance, Propulsion, Dan Manouver Test) Sistem Propulsi dan Sistem Kontrol/Kemudi Model Kapal Selam Mini 22 m. UPT BPPH – BPPT

10


DAFTAR RIWAYAT HIDUP PENULIS 1 YUDIAWAN FAJAR KUSUMA, lahir di Sidoarjo pada 18 Agustus 1988.Menamatkan pendidikan S1 di Jurusan Fisika Universitas Airlangga tahun 2010. Saat ini bekerja sebagai pegawai negeri sipil di lingkungan Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT), masuk mulai tahun 2012, menjadi salah satu Perekayasa di satuan kerja Balai Besar Teknologi Aerodinamika Aeroelastika dan Aeroakustika (BBTA3) di Bidang Pengkajian dan Penarapan Teknologi Aerodinamika Aeroelastika dan Aeroakustika, khususnya Kelompok Mekanika Fluida di daerah PUSPITEK, Tangerang Selatan. DAFTAR RIWAYAT HIDUP PENULIS 2 SULISTIYA, lahir di Pekalongan pada 10 September 1987.Menamatkan pendidikan S1 di Jurusan Fisika Universitas Diponegoro tahun 2009. Saai ini bekerja sebagai pegawai negeri sipil di lingkungan Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT), masukmulaitahun 2014, menjadi salah satu Perekayasa di satuan kerja Balai Besar Teknologi Aerodinamika Aeroelastika dan Aeroakustika (BBTA3) di Bidang Pengkajian dan Penarapan Teknologi Aerodinamika Aeroelastika dan Aeroakustika, khususnya Kelompok Mekanika Fluida di daerah PUSPITEK, Tangerang Selatan.

11

Seminar Nasional IPTEK Penerbangan dan Antariksa XX-2016

Recommend Documents