“STUDI PERANCANGAN VOITH TURBO FIN BERULIR PADA TUGBOAT DENGAN PENDEKATAN CFD” Kentas Warih Partono *) Ir. Surjo Widodo Adji, MSc. **) Irfan Syarif Arief, ST.,MT. **) *) Mahasiswa Teknik Sistem Perkapalan FTK-ITS **) Dosen Teknik Sistem Perkapalan FTK-ITS Abstrak Era globalisasi memaksa setiap individu untuk dapat kompetitif dalam persaingan di segala bidang. Hal ini mendorong semua pihak untuk dapat menjadi lebih baik hingga dampaknya juga terjadi pada dunia perkapalan dengan lahirnya inovasi-inovasi terbaru, salah satunya adalah voith turbo fin. Voith turbo fin berperan penting dalam sistem propulsor dan maneuvering pada kapal tug. Voith turbo fin diklaim mampu menghasilkan steering force 25% lebih besar daripada konvensional voith turbo. Inovasi ini menggerakkan penulis untuk mencoba melakukan eksperimen dengan melakukan perubahan pada desain voith turbo fin. Perubahan yang dimaksud yaitu dengan menambahkan ulir pada voith turbo fin yang telah ada. Desain baru ini penulis beri nama voith turbo fin berulir. Selanjutnya penulis akan melakukan perbandingan antara voith turbo fin konvensional dengan voith turbo fin berulir. Hal-hal yang dibandingkan antara lain adalah nilai gaya yang terjadi pada objek yang diteliti, tekanan dan kecepatan / velocity fluida pada objek yang diteliti. Dalam melakukan perbandingan juga akan dilakukan variasi pada eksperimen yang akan dilakukan, variasi tersebut dilakukan pada ukuran / dimensi objek yang diteliti. Dari variasi percobaan akan diketahui seberapa besar pengaruh perubahan ukuran / dimensi pada pengoperasian VTF berulir terhadap besarnya perubahan tekanan (pressure), kecepatan (velocity) dan gaya. Skripsi ini diharapkan dapat menjadi acuan untuk mengetahui bagaimana pengaruh penggunaan voith turbo fin berulir pada tugboat. Keywords : Voith Turbo Fin, steering force, CFD. I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Dewasa ini, perkembangan sistem propulsor kapal menunjukkan peningkatan yang signifikan, mulai dari kemampuan manouver yang handal, bentuk desain yang unik, dan berbagai inovasi lainnya. Salah satu sistem propulsor yang belum lama dikembangkan di dunia perkapalan adalah Voith Turbo Fin. Keunikan pada sistem propulsor yang satu ini adalah menghasilkan steering force 25% lebih besar daripada konvensional voith turbo, Voith Turbo Fin (VTF) berfungsi sebagai alat kemudi. VTF ( voith turbo fin ) diletakkan pada bagian haluan kapal.(Santiago Iglesias Baniela dan Enrique Garcı´a Melo´ n,2006) VTF dapat mentransfer steering force yang sangat tinggi melalui tow line. VTF juga menghasilkan steering force yang lebih besar dibandingkan rudder konvensional pada kapal. Pergerakan VTF dipengaruhi oleh aliran pada fin ( skeg ) dan hal ini dapat menyebabkan efek langsung pada besarnya steering force. Daerah operasi VTF yaitu pada kecepatan 0 – 12 knots. VTF mempunyai tabung putar (rotating tube) pada tepi fin (skeg). Operasi VTF pada sudut-sudut yang relatif besar dapat dilakukan tanpa adanya
pemisahan aliran fluida sehingga aliran pada VTF adalah laminer. Pada skripsi ini, penulis berusaha membuat penambahan desain baru pada VTF konvensional yang telah ada, penulis menambahkan ulir pada voith turbo fin. Aliran fluida yang terjadi pada VTF tersebut akan dianalisa menggunakan metode CFD (Computational Fluid Dynamics) dan software yang digunakan adalah CFX di laboratorium Perancangan dan Rekayasa Jurusan Teknik Sistem Perkapalan FTK–ITS Surabaya. 1.2 Perumusan Masalah a. Permasalahan Permasalahan utama yang akan diteliti dalam penelitian ini adalah bagaimana menentukan jarak optimal antara kedua rudder VCR agar dihasilkan gaya lift yang besar. Detail permasalahan yang akan dianalisa pada tugas akhir ini adalah: a. Bagaimana menentukan gaya steering yang terjadi dari VTF berulir maupun konventional VTF? b. Apabila konfigurasi dimensi pada VTF berulir akan diaplikasikan, bagaimana performance VTF ditinjau dari interaksi fluida terhadap VTF itu sendiri?
c.
d.
Apabila konfigurasi dimensi ulir pada VTF berulir akan diaplikasikan, bagaimana performance VTF ditinjau dari interaksi fluida terhadap VTF itu sendiri? Berapa nilai gaya yang terjadi pada VTF berulir dibanding dengan konvensional VTF?
b. Batasan masalah Batasan permasalahan pada penulisan tugas akhir ini adalah : • Penelitian yang dilakukan menggunakan simulasi komputer dengan menggunakan metode CFD dan software yang digunakan adalah ANSYS 11.0.. • Penelitian yang dilakukan dengan mengabaikan faktor aliran fluida dari lambung. • Penelitian yang dilakukan tidak meliputi upaya peningkatan efisiensi propulsif kapal, melainkan hanya membandingkan kemampuan manouvering kapal dengan menggunakan VTF berulir dan kapal dengan konvensional VTF.
I.5 Manfaat Tugas Akhir Di harapkan Tugas Akhir ini akan memberikan Manfaat Sebagai berikut : a. Dapat mengetahui kemampuan manouvering dari kapal tug yang menggunakan voith turbo fin berulir. b. Mengetahui dampak dari penggunaan VTF berulir secara ilmiah, sehingga dapat memprediksi konsekuensi yang diterima saat mengaplikasikan desain ini. c. Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya yang berhubungkan dengan penelitian ini.
II. METODOLOGI Metodologi yang dipakai untuk penyelesaian tugas akhir ini secara lengkap dapat dilihat pada gambar dibawah dengan tahapan-tahapan seperti berikut :
1.3 Batasan Masalah Untuk menegaskan dan lebih memfokuskan permasalahan yang akan dianalisa dalam penelitian tugas akhir ini, maka akan dibatasi permasalahanpermasalahan yang akan dibahas, antara lain : a. Voith turbo fin berulir yang akan dianalisis. b. Tipe foil yang digunakan untuk penggambaran model VTF adalah NACA 0025 c. Ketebalan dari sirip yang digunakan sebesar 0,005 m, 0,01m dan 0,015m diletakkan pada dua sisi VTF yang terkena aliran fluida. Jumlah penambahan sirip sebanyak, 5 buah,dan 10 buah d. Sudut manuevering / masuk aliran fluida yang mengenai VTF diatur hanya sebesar 450 e. Penelitian yang dilakukan dengan mengabaikan faktor aliran fluida dari lambung. f. Analisa biaya tidak diperhitungkan. g. Upaya peningkatan waktu yang dibutuhkan untuk melakukan manoeuvring tidak dilakukan, melainkan hanya membandingkan kemampuan manouvering kapal dengan menggunakan VTF berulir dan kapal dengan konvensional VTF.
I.4 Tujuan Penulisan Di dalam Penulisan tugas akhir ini, penulis mempunyai tujuan untuk : a. Mengetahui seberapa besar pengaruh variasi dimensi / ukuran VTF pada pengoperasian VTF berulir terhadap besarnya perubahan tekanan (pressure), kecepatan fluida dan gaya tersebut. b. Mengetahui seberapa besar pengaruh variasi ulir VTF pada pengoperasian VTF berulir terhadap besarnya perubahan tekanan (pressure), kecepatan fluida dan dan gaya tersebut. c. Menentukan besarnya steering force yang dihasilkan oleh VTF berulir dan konvensional VTF.
Gambar 1. Flow Chart Pengerjaan Tugas Akhir
III. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN 4.1 Umum Dalam bab berikut ini akan dilakukan tahap analisa data berupa proses pemodelan dan simulasi pada Voith Turbo Fin (VTF) beserta pembahasannya. Pertama akan diuraikan proses penggambaran model dari data – data yang diperoleh. Kemudian pada subbab berikutnya akan dilakukan proses simulasi dengan menggunakan metode CFD. Hasil dari proses simulasi akan digunakan sebagai parameter untuk melakukan perhitungan validasi dan proses variasi model VTF pada subbab selanjutnya. Sehingga didapat hasil yang optimal dari proses simulasi variasi model VTF yang dibuat. Adapun data – data utama VTF yang dibutuhkan untuk proses penggambaran model dan simulasi pada percobaan ini direncanakan sebagai berikut : • Tinggi Skeg : 4 m • Tinggi Silinder : 4 m • Diameter Slinder : 0.8 m • Panjang Skeg : 3.6 m • Tinggi Ulir : 0.01 m • Va : 8 knot
4.3 Simulasi Model VTF konventional dan modifikasi yang telah dibuat pada subbab sebelumnya disimulasi dengan menggunakan software CFD. Data yang didapat dari proses simulasi nantinya juga digunakan sebagai validasi dengan menggunakan perhitungan matematis. Ada beberapa langkah yang harus dilakukan dan ditentukan pada proses simulasi dengan menggunakan software CFD ini, yaitu : ¾ Domain Domain merupakan daerah batas atau ruang lingkup fluida dimana fluida tersebut berada dan bekerja. Pada simulasi ini akan dibuat satu domain yaitu domain stationer dimana fluida yang bekerja pada domain tersebut adalah air. area yang meliputi ke dalam domain ini yaitu vtf. Aliran fluida yang bekerja pada saat melewati domain ini bergerak translasi.
4.2 Voith Turbo Fin Dari data-data utama diatas, akan dibuat bentuk VTF konvensional dan juga beberapa variasi bentuk VTF. Variasi bentuk VTF meliputi variasi ulir, tinggi, panjang dan lebar. gambar 4.3 domain stationer
gambar 4.1 model conventional vtf
¾ Boundary Boundary atau bisa juga disebut kondisi batas dibuat untuk mengetahui karakteristik benda dan fluida agar mendekati dengan kondisi yang sebenarnya. Pada simulasi ini, terlebih dahulu model akan diletakkan dalam sebuah balok sebagai pembatas aliran fluida yang akan dilewati dengan panjang 12 m,lebar dan tinggi 10 m. 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 (vtf) serta silinder pembatas aliran fluida. Inlet Pada simulasi digunakan dua inlet untuk dua jenis domain yang telah dibuat sebelumnya, yang pertama yaitu inlet untuk domain stationer dengan parameter input berupa Vs (kecepatan dinas kapal) yaitu 8 knot atau 4,11 m/s.
gambar 4.2 model vtf berulir
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. Silinder yang digunakan untuk meletakkan model vtf ditetapkan sebagai wall dengan parameter opening, dimana aliran fluida yang bekerja pada percobaan dianggap tidak akan memantul kembali ke dalam silinder jika mengenai silinder pembatas tersebut. Sedangakn 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 = 65 Timescale control = Automatic time scale Convergence criteria (residual target) = 1 x 10-4 Iterasi diatas 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.
Gambar 4.4- Kontur kecepatan fluida dan streamline aliran fluida.
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 4.5 - Kontur velocity dari aliran fluida yang bekerja pada domain stationer.
Gambar 4.6 - Kontur tekanan dari aliran vector fluida bidang x-z Gambar 4.3- Kontur tekanan dan gaya pada kemudi
3.3 Analisa Data Dari Proses Simulasi Pada tahap analisa ini, data yang diperoleh dari proses simulasi diambil untuk menentukan proses validasi dan variasi dari percobaan yang dilakukan.
Harga (–) menunjukan arah gaya lift ke arah sumbu y minus. Dari simulasi program CFD, dengan memakai function calculator diperoleh harga gaya lift rudder sebesar 1.198.680 N atau 1.198,68 kN.
3.3.1 Validasi Validasi yang dilakukan adalah membandingkan data gaya steering yang didapat dari hasil simulasi menggunakan software CFD dengan hasil perhitungan manual berdasarkan persamaan sebagai berikut : L = 0,5 x CL x ρ x V2 x A
Tabel 4.1 : Validasi harga gaya lift pada rudder Validasi VTF Gaya steering
Dimana, CL = coefficient of lift = 2 x π x (α/180°) = 2 x 3,14 x (45/180) = 1,57 α = angle of attack (sudut belokan kemudi) = 45° ρ = density of fluid = 1025,9 kg/m3 V = kecepatan fluida (speed service) = 4,11 m/s A = luasan foil (rudder) keseluruhan. = 49,716 m2. Untuk luasan rudder secara keseluruhan, agar lebih valid nilainya diambil dari proses post pada tahap simulasi dengan menggunakan function calculator, sehingga : L = 0,5 x 1,57 x 1025,9 x 4,112 x 49,716 = 1.087.763,3727 N = 1.087,763 kN Setelah mendapatkan hasil gaya lift yang didapat dari perhitungan matematis secara manual, untuk selanjutnya adalah mendapat data gaya lift dari proses simulasi CFD dengan parameter-parameter seperti boundary condition dan domain yang telah dijabarkan pada subbab sebelumnya. Data yang gaya lift yang didapat pada simulasi CFD diambil pada proses post dengan menggunakan function calculator seperti berikut ini :
Perhitungan Manual
1.087,763 kN
Simulasi CFD
1.198,68 kN
3.3.2 Variasi Pada model Voith Turbo Fin berulir dilakukan variasi untuk mendapatkan gaya steering yang lebih besar daripada Voith Turbo Fin konvensional.Variasi yang dilakukan berupa perubahan dimensi / ukuran dari Voith Turbo Fin dan dari sirip / ulir. t
s
c Gambar 4.12 - Model konvensional vtf Panjang skeg (span) ditunjukkan dengan variable “c”, ketebalan skeg (chord) ditunjukkan dengan variable “t”, sedangkan tinggi silinder ditunjukkan dengan variable “s”. T’ T
s
Gambar 4.9- Harga gaya lift pada rudder
c Gambar 4.12 - Model vtf modifikasi
Panjang skeg (span) ditunjukkan dengan variable “c”, ketebalan skeg (chord) ditunjukkan dengan variable “t”, sedangkan tinggi silinder ditunjukkan dengan variable “s”, ketebalan sirip / ulir (chord) ditunjukkan dengan variable “ t’ ”. Selain variable diatas, variasi juga dilakukan pada jumlah sirip / ulir pada model yang ditunjukkan dengan variable “n”. Dari variasi yang dilakukan langkah selanjutnya adalah membandingkan hasil variasi-variasi VTF modifikasi terhadap hasil variasi VTF konvensional. Pada variasi dilakukan pembandingan dari perbedaan dimensi pada VTF, antara lain : ∼ ( t + t’) / c ∼ c/s ∼ n/s Nilai perbandingan dari variasi VTF modifikasi dapat dilihat pada tabel berikut : Mod
T
n
T'
C
S
(t+t')/c
C/S
n/S
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6
10 10 10 5 5 5 10 10 10 5 5 5 10 10 10 5 5
0.01 0.015 0.005 0.01 0.015 0.005 0.01 0.015 0.005 0.01 0.015 0.005 0.01 0.015 0.005 0.01 0.015
4 4 4 4 4 4 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 4 4 4 4 4
4 4 4 4 4 4 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5
0.202 0.203 0.201 0.202 0.203 0.201 0.231 0.233 0.23 0.231 0.233 0.23 0.152 0.153 0.151 0.152 0.153
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1.143 1.143 1.143 1.143 1.143
2.5 2.5 2.5 1.25 1.25 1.25 2.86 2.86 2.86 1.43 1.43 1.43 2.86 2.86 2.86 1.43 1.43
18
0.6 5 0.005 4 3.5 0.151 1.143 1.43 Tabel 4.2 : Nilai perbandingan variasi terhadap dimensi Sedangkan nilai perbandingan untuk model VTF konventional dapat diliihat pada tabel berikut :
KONVENTIONAL MODEL 1 MODEL 2
T
C
S
T/C
0.8 4 4 0.2 0.8 3.5 3.5 0.228571429
C/S 1 1
MODEL 3 0.6 4 3.5 0.15 1.14286 Tabel 4.3 : Nilai perbandingan variasi terhadap dimensi
Variasi yang telah ditentukan tersebut kemudian disimulasikan dengan tahap-tahap yang sama seperti yang telah dijelaskan pada subbab sebelumnya. Berikut adalah detail simulasinya : Dom
Name
Loc
Type
Settings Flow Regime = Subsonic Normal Speed = 8 [Knot] Mass And Momentum Stationery Inlet Inlet Inlet = Normal Speed Turbulence = Medium Intensity and Eddy Viscosity Ratio Wall Influence On Flow = No Slip Stationery VTF VTF Wall Wall Roughness = Smooth Wall Flow Regime = Subsonic Mass and Momentum = Opening Pressure and Direction Relative Pressure = 1 Stationery Wall Wall Opening atm Flow Direction = Normal to Boundary Condition Turbulence = Medium (Intensity = 5%) Flow Regime = Subsonic Mass And Momentum = Static Stationery Outlet Outlet Outlet Pressure Average statis Pressure = 1 [atm] Tabel 4.4 :Boundary Condition untuk simulasi variasi VTF
4.4.3 Data yang Diperoleh dari Hasil Simulasi Variasi VTF Data yang diperoleh dari hasil simulasi vtf modifikasi berupa data numerik adalah harga gaya steering, pressure dan velocity, data numeric tersebut dapat ditabulasikan pada tabel-tabel berikut: Dimensi ( CxTxSxT'xn )
Force
4x0.8x4x0.01x10 4x0.8x4x0.015x10
-1492520 -1293210
4x0.8x4x0.005x10 -1274150 Tabel 4.5 : Harga gaya steering pada c/s = 1 dan n/s = 2.5 Dimensi ( CxTxSxT'xn ) 4x0.8x4x0.01x5 4x0.8x4x0.015x5
3.5x0.8x3.5x0.01x10 3.5x0.8x3.5x0.015x10
-1495130 -1297280
Force -881379 -880822
3.5x0.8x3.5x0.005x10 -884358 Tabel 4.7 : Harga gaya steering pada c/s = 1 dan n/s = 2.857143 Dimensi ( CxTxSxT'xn ) Force 3.5x0.8x3.5x0.01x5 3.5x0.8x3.5x0.015x5
-884321 -883997
3.5x0.8x3.5x0.005x5 -884653 Tabel 4.8 : Harga gaya steering pada c/s = 1 dan n/s = 1.428571 Dimensi ( CxTxSxT'xn ) 4x0.8x3.5x0.01x10 4x0.8x3.5x0.015x10
Force -887373 -886231
4x0.8x3.5x0.005x10 -888722 Tabel 4.9: Harga gaya steering pada c/s = 1.4285 dan n/s = 2.857143 Dimensi ( CxTxSxT'xn ) 4x0.8x3.5x0.01x5 4x0.8x3.5x0.015x5
Pressure
4x0.8x4x0.01x10 4x0.8x4x0.015x10
101816 103600
4x0.8x4x0.005x10 103747 Tabel 4.11 : Harga pressure pada c/s = 1 dan n/s = 2.5 Dimensi ( CxTxSxT'xn ) 4x0.8x4x0.01x5 4x0.8x4x0.015x5
Pressure 101848 103800
4x0.8x4x0.005x5 103807 Tabel 4.12 : Harga pressure pada c/s = 1 dan n/s = 1.25
Force
4x0.8x4x0.005x5 -1136170 Tabel 4.6 : Harga gaya steering pada c/s = 1 dan n/s = 1.25 Dimensi ( CxTxSxT'xn )
Dimensi ( CxTxSxT'xn )
Force -889362 -889030
4x0.8x3.5x0.005x5 -889600 Tabel 4.10 : Harga gaya steering pada c/s = 1.4285 dan n/s = 1.428571
Dimensi ( CxTxSxT'xn ) 3.5x0.8x3.5x0.01x10 3.5x0.8x3.5x0.015x10
Pressure 102999 103070
3.5x0.8x3.5x0.005x10 103225 Tabel 4.13: Harga pressure pada c/s = 1 dan n/s = 2.857143 Dimensi ( CxTxSxT'xn ) 3.5x0.8x3.5x0.01x5 3.5x0.8x3.5x0.015x5
Pressure 103361 103403
3.5x0.8x3.5x0.005x5 103464 Tabel 4.14: Harga pressure pada c/s = 1 dan n/s = 1.428571 Dimensi ( CxTxSxT'xn ) 4x0.8x3.5x0.01x10 4x0.8x3.5x0.015x10
Pressure 103611 103441
4x0.8x3.5x0.005x10 103710 Tabel 4.15: Harga pressure pada c/s = 1.428571 dan n/s = 2.857143 Dimensi ( CxTxSxT'xn ) 4x0.8x3.5x0.01x5 4x0.8x3.5x0.015x5
Pressure 103764 103717
4x0.8x3.5x0.005x5 103743 Tabel 4.16: Harga pressure pada c/s = 1.428571 dan n/s = 1.428571 Dimensi ( CxTxSxT'xn )
Velocity
4x0.8x4x0.01x10 4x0.8x4x0.015x10
3.84426 3.23208
4x0.8x4x0.005x10 3.44106 Tabel 4.17: Harga velocity pada c/s = 1 dan n/s = 2.5
• Dimensi ( CxTxSxT'xn )
Velocity
4x0.8x4x0.01x5 4x0.8x4x0.015x5
3.87162 3.30497
4x0.8x4x0.005x5 3.38614 Tabel 4.18: Harga velocity pada c/s = 1 dan n/s = 1.25 Dimensi ( CxTxSxT'xn ) 3.5x0.8x3.5x0.01x10 3.5x0.8x3.5x0.015x10
Velocity 3.36221 3.329939
3.5x0.8x3.5x0.005x10 3.54627 Tabel 4.19: Harga velocity pada c/s = 1 dan n/s = 2.857143 Dimensi ( CxTxSxT'xn )
Velocity
3.5x0.8x3.5x0.01x5 3.5x0.8x3.5x0.015x5
3.43062 3.37822
3.5x0.8x3.5x0.005x5 3.46787 Tabel 4.20: Harga velocity pada c/s = 1 dan n/s = 1.428571 Dimensi ( CxTxSxT'xn )
•
tanda minus pada harga gaya steering di atas menunjukkan gaya angkat yang bekerja pada kemudi berlawanan arah dengan sumbu y dari model percobaan. gaya lift yang didapat untuk kondisi VTF pada belokan 45°.
Gaya steering yang paling optimal pada hasil simulasi VTF didapat pada rasio c/s = 1 dan rasio n/s = 2.5 pada dimensi 4m untuk span, 0.8m untuk chord, 4m untuk tinggi, 0.01m untuk chord sirip / ulir, 10 buah jumlah sirip / ulir yaitu sebesar 1495130 N. Selisih gaya steering yang didapat dengan konventional vtf sebesar ± 24.5 %. 3.5 Pembahasan 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. 3.5.1 Hubungan Antara Gaya kemudi dengan Dimensi VTF Untuk c/s dan n/s yang Sama.
Velocity
4x0.8x3.5x0.01x10 4x0.8x3.5x0.015x10
3.18919 3.20191
4x0.8x3.5x0.005x10 3.2464 Tabel 4.21: Harga velocity pada c/s = 1.428571 dan n/s = 2.857143 Dimensi ( CxTxSxT'xn )
Velocity
4x0.8x3.5x0.01x5 4x0.8x3.5x0.015x5
3.2531 3.24624
4x0.8x3.5x0.005x5 3.30311 Tabel 4.22: Harga velocity pada c/s = 1.428571 dan n/s = 1.428571 Data yang diperoleh dari hasil simulasi konvensional vtf ditabulasikan pada tabel-tabel berikut : Dimensi ( CxSxT ) 4x4x0.8
Force
Pressure
-1198680
103262
Velocity
3.40303 3.5x3.5x0.8 -880745 103378 3.51613 Tabel 4.23: Hasil simulasi pada c/s = 1 Dimensi Force Pressure Velocity ( CxSxT ) 4x3.5x0.6 -885062 103711 3.36405 Tabel 4.24: Hasil simulasi pada c/s = 1.14286 Keterangan :
Grafik 4.1: Hubungan gaya kemudi dengan dimensi sirip pada c/s = 1 dan n/s = 2.5 Hal pertama yang dibahas yaitu mengenai karakteristik hubungan gaya steering yang terjadi akibat variasi dimensi yang dimodelkan pada rasio c/s dan n/s yang sama.Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa penentuan panjang kord dari sirip / ulir cukup berpengaruh terhadap nilai dari steering force. Gaya steering terbesar terjadi pada panjang kord sirip / ulir 0,01m, hal ini dikarenakan pada panjang kord sirip / ulir 0,01m mampu mengarahkan aliran dengan cukup optimal serta memiliki gaya hambat yang relative kecil, hal ini tidak terjadi pada panjang kord sirip / ulir yang lebih kecil yaitu 0,005m yang kurang mampu mengarahkan aliran fluida dengan baik. Sedangkan untuk panjang kord sirip / ulir 0,015m terjadi gaya hambat yang lebih besar sehingga gaya steering yang dihasilkan lebih kecil daripada panjang kord 0,01m. Karakterisitk ini berlaku sama untuk dimensi panjang span 4m, panjang kord 0,8m, tinggi 4m. Untuk lebih lengkapnya lihat grafik berikut ini dengan rasio c/s dan n/s yang berbeda dari grafik sebelumnya.
Grafik 4.2: Hubungan gaya kemudi dengan dimensi sirip pada c/s = 1 dan n/s = 1.25 Keadaan berbeda terjadi pada pada variasi model yang lain. Pada grafik 4.3 terlihat bahwa gaya steering yang terbesar terjadi pada panjang sirip / ulir 0,005. Semakin panjang kord sirip atau ulir maka gaya steering yang terjadi semakin kecil. Hal ini memperlihatkan bahwa gaya hambat yang diakibatkan penggunaan sirip / ulir berpengaruh pada besarnya gaya steering yang dihasilkan. Karakteristik ini berlaku sama untuk dimensi panjang span 3,5m, panjang kord 0,8m, tinggi 3,5m dan panjang span 4m, panjang kord 0,6m, tinggi 3,5m. Untuk lebih lengkapnya lihat grafik berikut ini dengan rasio c/s dan n/s yang berbeda dari grafik sebelumnya.
Grafik 4. 5 - Hubungan gaya kemudi dengan dimensi sirip pada c/s = 1.428 dan n/s = 1.428
Grafik 4. 6 - Hubungan gaya kemudi dengan dimensi sirip pada c/s = 1.428 dan n/s = 2.857
3.6.2 Hubungan Antara Koefisien Lift Dengan Dimensi VTF Untuk C,S,T Yang Sama. Dari data numeric yang didapatkan melalui proses simulasi yang berupa besaran force, dapat ditentukan besarnya koefisien lift yang terjadi pada tiap model. Koefisien lift (CL atau CZ) adalah koefisien yang berhubungan dengan dimensi lift yang dihasilkan oleh sebuah foil, tekanan dinamika fluida aliran di sekitar foil, dan area planform foil. Besarnya koefisien lift dirumuskan sebagai berikut: Grafik 4. 3 - Hubungan gaya kemudi dengan dimensi sirip pada c/s = 1 dan n/s = 2.857
Dimana : - CL adalah koefisien lift - L adalah gaya lift - ρ adalah massa jenis air laut - v adalah kecepatan fluida - A adalah luas permukaan model
Grafik 4. 4 - Hubungan gaya kemudi dengan dimensi sirip pada c/s = 1 dan n/s = 1.428
Dengan menggunakan rumus diatas besarnya CL dapat dicari untuk setiap model. Hasilnya kemudian diplotkan dalam grafik perbandingan antara koefisien lift dengan dimensi VTF. Untuk lebih lengkapnya lihat grafik berikut ini :
panjang drag sirip / ulir bernilai paling kecil maka luasannya pun bernilai kecil, sehingga CL yang terjadi menjadi lebih besar dibandingkan dengan yang lainnya. 3.6.3 Hubungan Antara Koefisien Drag Dengan Dimensi VTF Untuk C,S,T Yang Sama. Berikut ini adalah daftar nilai gaya geser atau hambat yang terjadi pada setiap model yang didapatkan melalui proses simulasi :
Grafik 4. 7 - Hubungan koefisien lift dengan dimensi vtf pada c = 4, s = 4 Pada grafik diatas dapat dilihat bahwa nilai CL terbesar terjadi pada c = 4, s = 4, dan t = 0,01. Karakteristik ini sama seperti yang terjadi pada perbandingan gaya steering untuk ukuran c = 4, s = 4, dan t = 0,01 yang dijabarkan pada subbab sebelumnya. Keadaan berbeda terjadi pada pada variasi dimensi VTF yang lain. Untuk lebih lengkapnya lihat grafik berikut ini dengan ukuran c dan s yang yang berbeda dari grafik sebelumnya.
Grafik 4. 8 - Hubungan koefisien lift dengan dimensi vtf pada c = 3.5, s = 3.5
Fd
Cd
MODEL 1 MODEL 2
1.03E+06 1049770
0.379513128 0.603353409
MODEL 3
660312
0.591243465
MODEL 4
921365
0.381669583
MODEL 5
1.05E+06
0.605025927
MODEL 6 MODEL 7
664064 682893
0.529552868 0.390752329
MODEL 8
684126
0.390901189
MODEL 9
679867
0.392491517
MODEL 10
682196
0.392090917
MODEL 11
682272
0.392134598
MODEL 12
682033
0.392227133
MODEL 13
735414
0.422792816
MODEL 14
735605
0.422442795
MODEL 15
734419
0.423255489
MODEL 16 MODEL 17
737199 737360
0.423703792 0.423623902
ULIR
MODEL 18 737009 0.423767015 Tabel 4.25: Hasil simulasi gaya hambat/seretan dan perhitungan koefisien drag Nilai CD diatas perhitungan rumus berikut :
Grafik 4. 9 - Hubungan koefisien lift dengan dimensi vtf pada c = 4, s = 3.5 Dari grafik 4.8 dan grafik 4.9 dapat dilihat karakteristik yang terjadi. Pada panjang drag sirip / ulir 0,005 memiliki nilai CL yang paling besar, hal ini dikarenakan faktor luasan area yang berbanding terbalik dengan factor gaya yang terjadi. Dengan
didapatkan
melalui
Dimana : - Cd adalah koefisien drag - Fd adalah gaya drag - ρ adalah massa jenis air laut - v adalah kecepatan fluida - A adalah luas permukaan model Dari tabulasi data pada tabel diatas kemudian dibuat grafik perbandingan antara koefisien drag dan dimensi model VTF. Berikut ini adalah grafik perbandingan koefisien drag dan variasi dimensi VTF pada model :
4.1
Grafik 4. 10 - Hubungan koefisien drag dengan dimensi vtf pada c = 4, s = 4
Grafik 4. 11 - Hubungan koefisien drag dengan dimensi vtf pada c = 3.5, s = 3.5
Kesimpulan Setelah melakukan semua simulasi model yang direncanakan, dan berdasarkan hasil analisa serta pembahasan maka dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Modifikasi dengan penambahan sirip / ulir pada vtf sangat mempengaruhi besar nilai gaya steering yang dihasilkan. Hal ini disebabkan luas permukaan vtf semakin besar sehingga gaya yang diterima oleh vtf dapat didistribusikan merata, tetapi hal ini juga mempengaruhi gaya hambat yang diterima oleh vtf. Kedua hal tersebut saling berhubungan karena akan mempengaruhi nilai resultan gaya yang dihasilkan yang akan mempengaruhi manuevering. 2. Dari beberapa variasi penambahan jumlah sirip yang dilakukan (5 buah, dan 10 buah) gaya steering yang paling optimal pada hasil simulasi VTF didapat pada rasio c/s = 1 dan rasio n/s = 2.5 pada dimensi 4m untuk span, 0.8m untuk chord, 4m untuk tinggi, 0.01m untuk chord sirip / ulir, 10 buah jumlah sirip / ulir yaitu sebesar 1495130 N. 3. Selisih gaya steering terbesar yang didapat dengan konventional vtf sebesar ± 24.5 %. 4. Nilai koefisien lift (CL) terbesar terjadi pada c = 4, s = 4, dan t = 0,01 yaitu sebesar 1,7186. Dari analisa yang dilakukan diketahui bahwa nilai koefisien lift sangat dipengaruhi oleh luasan area dari model dimana hubungan antara koefisien lift dan luasan area adalah berbanding terbalik. 5. Besar gaya hambat / seret ( FD )yang terjadi pada setiap model berpengaruh besar pada hasil koefisien drag (Cd) yang didapat. Semakin besar gaya seret maka semakin besar nilai koefisien drag yang diperoleh. Nilai koefisien drag terbesar terjadi pada rasio c/s = 1 dan n/s = 2.5 dengan dimensi c = 4, t = 0.8, t’ = 0.015, s = 4, dan n = 5 yaitu sebesar 0.605026
Grafik 4. 12 - Hubungan koefisien drag dengan dimensi vtf pada c = 4, s = 3.5 4.2 Pada grafik 4.10, 4.11, dan 4.12 dapat dilihat bahwa koefisien drag memiliki nilai yang paling besar pada t’ = 0,015m. Perlu diperhatikan bahwa gaya hambat / seret yang terjadi pada setiap model berpengaruh besar pada hasil Cd yang didapat, sehingga walaupun panjang kord sirip / ulir semakin besar maka belum tentu hasil Cd yang didapat semakin besar pula, karena factor yang sangat berpengaruh pada nilai Cd adalah gaya seret / hambat itu sendiri.
Saran Ada beberapa hal yang dirasa perlu dikembangkan untuk penelitian – penelitian selanjutnya dan sejenis. Untuk itu saran-saran yang diberikan oleh penulis untuk penelitian-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. Memperbanyak variasi dimensi VTF yang akan disimulasi. 3. Menambah variasi penambahan jumlah sirip dan dimensi sirip yang digunakan atau bahkan menambahkan variasi baru dengan berbagai macam bentuk sirip yang digunakan
untuk analisis yang lebih dalam dan pengaruhnya terhadap gaya steering yang dihasilkan.
DAFTAR PUSTAKA Iglesias Baniela, Santiago dan Garcia Melon,Enrique. 2006. The Voith Turbo Fin (VTF) A New System To Improve The Performance Of Escort Tractor Voith Tugs. United Kingdom: The Royal Institute Of Navigation. Halvald, Sv. Aa. 1983. Tahanan dan Propulsi Kapal. Surabaya: Airlangga University Press. http://www.ansys.com/products/cfx-features.asp dikunjungi 12 November 2008. http://haacer07.wordpress.com/ dikunjungi 12 November 2008. http://duniaaeromodeling.blogsome.com/2008/06/30/th e-basic-of-propeller/ dikunjungi 12 November 2008. Lammeren, Van W.P.A. 1948. Resistance, Propulsion and Steering of Ship. Netherlands: The Technical Publishing Company H. Stam-Harlem. Dwi
Ananto,Galih (2008), Analisa Kemampuan Maneuvering Voith Cycloidal Rudder Dibandingkan dengan Konvensional Rudder Pada Kapal Single Screw Propeller Dengan pendekatan CFD. Tugas Akhir Jurusan Teknik Sistem Perkapalan FTK – ITS : Surabaya.
Tuakia, Firman. 2008. Dasar-Dasar CFD Menggunakan FLUENT. Bandung: Informatika.
