Testing Position Step Hull at the National Corvette Battleship the Size of 90 meters With CFD Analysis Approach Galih Budiarto Department Of Marine Engineering, Ocean Engineering Faculty, ITS, Surabaya
[email protected]
ABSTRACT Ships Corvette is one of the types of warships, the ship Corvette itself has a different dimension types of patrol vessels. In addition, the Corvette has a maneuverable vessel that serves to pursue the enemy, so the Corvette hull shape is more slender. In manouver performance improvement, necessary step testing hull position and influence to speed. To overcome the problems arising from the attainment of speed boats, much the way that used is by making changes or modifications to the engine, hull and propulsor.One way is to design the hull modifications Step Hull. The principle of using the Step Hull is to reduce the surface area wet (weted surface area) due to the emergence of turbulence under the hull, and will add power to press the older ships (lifting force), so that by itself would reduce resistance and increase the efficiency it will generate more speed high-power engine is smaller and needs less fuel. Based on the above thinking, so in this final step will be testing the position of the National Corvette Hull on the ship 90 m, which will get more accurate results on the design of National Corvette ship 90 m through the approach of Computational Fluid Dynamics Analysis (CFD).
KEY WORDS Step Hull, kapal Corvette Nasional, CFD, Lifting Force
PENDAHULUAN Latar Belakang Kapal Corvette merupakan salah satu dari jenis kapal perang, kapal Corvette sendiri mempunyai jenis dimensi yang berbeda dari kapal patrol. Selain itu juga, kapal Corvette memiliki maneuverable yang berfungsi untuk mengejar musuh, sehingga bentuk lambung kapal Corvette lebih ramping. Dalam peningkatan performa maneuvernya, diperlukan pengujian posisi step hull dan pengaruhnya terhadap kecepatan. Untuk mengatasi permasalahan yang timbul dari pencapaian kecepatan kapal, banyak cara yang digunakan yaitu dengan melakukan perubahan atau modifikasi pada engine, hull dan propulsor. Salah satu cara pada modifikasi hull ialah desain Step Hull. Prinsip dari penggunaan Step Hull tersebut ialah mengurangi luasan permukaan basah (weted surface area) karena timbulnya turbulensi dibawah badan kapal, dan akan menambah daya tekan keatas kapal (lifting Force), sehingga dengan sendirinya akan mengurangi tahanan dan menaikkan efisiensi maka akan menghasilkan kecepatan yang lebih tinggi dengan daya mesin lebih kecil dan kebutuhan bahan bakar lebih sedikit.
Pada Program Penulisan Thesis yang berjudul “ PENGUJIAN POSISI STEP HULL PADA KAPAL PERANG CORVETTE NASIONAL UKURAN 90 METER DENGAN PENDEKATAN ANALISIS CFD ”, yang mana akan didapatkan hasil yang lebih akurat pada desain kapal Corvette Nasional 90 meter melalui pendekatan analisis Computational Fluid Dynamics (CFD).
Perumusan Masalah Berdasarkan uraian pada bab latar belakang maka permasalahan-permasalahan yang akan dijadikan bahasan adalah bagaimana pengujian Step Hull untuk hasil yang optimal pada kapal perang Corvette Nasional ukuran 90 meter dengan menggunakan metode analisis Computational Fluid Dynamic ( CFD ).
Batasan Masalah Untuk menyederhanakan pembahasan masalah yang terjadi pada penulisan Thesis ini agar lebih terfokus dan terarah, maka dalam hal ini batasan masalah yang diambil adalah : 1. Kapal yang digunakan pada pengujian Step Hull adalah kapal Perang Corvette Nasional ukuran 90 meter. 2. Analisa CFD digunakan untuk pendekatan / referensi awal terhadap lambung kapal. 3. Bahasan konstruksi dan permesinan kapal tidak dibahas secara mendalam.
Tujuan Penulisan Secara umum tujuan dari penulisan Thesis ialah sebagai berikut : 1. Dapat merancang Step Hull yang optimal untuk meningkatkan effisiensi kapal perang Corvette Nasional ukuran 90 meter produksi dalam negeri. 2. Mendapatkan nilai Ship Resistance dari pemodelan hulls 3. Memperoleh gaya tekan ke atas (lifting force) dari penggunaan step hull
Manfaat Penulisan Tugas Thesis ini diharapkan bermanfaat bagi berbagai pihak yang membutuhkan. Adapun manfaat yang dapat diperoleh antara lain ; 1. Memberikan kontribusi ilmiah untuk pengembangan konsep Step Hull dari yang sudah ada. 2. Untuk referensi penelitian selanjutnya yang berhubungan dengan permasalahan yang sama.
1
DASAR TEORI Saat ini tim di JTSP sedang mengembangkan rancangan kapal perang Corvette Nasional 90 meter. Kapal perang Corvette adalah salah satu dari banyak jenis kapal perang yang ada di dunia. Kata Corvette sendiri berasal dari bahasa perancis yaitu Corvair yang berarti setara. Fungsi korvet sebagian besar terdiri dari patroli pantai, melawan perang kecil, dan mendukung armada besar. Kapal Corvette merupakan salah satu dari jenis kapal perang, kapal Corvette sendiri mempunyai jenis dimensi yang berbeda dari kapal patrol. Selain itu juga, kapal Corvette memiliki maneuverable yang berfungsi sebagai mengejar musuh, sehingga bentuk lambung kapal Corvette lebih ramping. Dalam peningkatan performa maneuvernya, diperlukan pengujian posisi step hull dan pengaruhnya terhadap kecepatan. Berdasarkan pemikiran diatas, maka dilakukan pengujian posisi step hull pada kapal perang corvette nasional ujuran 90 meter yang pokok pembahasannya tertuju pada modifikasi bentuk lambung kapal. Satu hal yang paling penting pada setiap kapal secara umum adalah lambung. Sebuah “Hull”, atau bagian bawah sebuah kapal yang berfungsi sebagai daya apung yang mencegah kapal dari tenggelam. Perancangan pada lambung kapal akan mempengaruhi stabilitas kapal, kecepatan kapal, konsumsi bahan bakar, draft/kedalaman yang diperlukan dalam kaitannya dengan kedalaman perairan yang akan disinggahi serta kedalaman laut pelayaran yang dilalui oleh kapal tersebut. “Hull” sendiri mempunyai beberapa bentuk yang berbeda, masing-masing bentuk mempunyai bentuk unik yang cara penanganannya berbeda dan karakteristik performancenya. Lambung kapal memiliki berbagai type sesuai dengan karakteristik dari bentuk lambung itu sendiri. Disini ada beberapa type dan karakteristik lambung kapal, yaitu ; a) Planning Hulls Planning Hulls adalah perancangan bentuk lambung yang bertujuan untuk menanbah kecepatan, disini “Planning Hull” mempunyai bentuk “V” dengan menggunakan step hull untuk menambah gaya keatas sehingga mengurangi gesekan antara air dan lambung. Pada umunya bentuk Planning Hull dioperasikan pada perairan yang tenang.
Gambar 1 : Contoh kapal yang menggunakan Planning Hull
b) Displacement Hulls Displacement Hull adalah bentuk lambung kapal yang bulat, bentuk Displacement Hull banyak digunakan pada kapal secara umum karena sangat efisien. Kapal yang memiliki bentuk lambung seperti itu memiliki stabilitas yang tinggi dan jangkuan pelayarannya yang jauh. Tapi karena bentuk lambung Displacement Hull bulat, maka pada Displacement Hull memiliki kecepatan yang reatif rendah. Dibawah ini adalah contoh kapal yang menggunakan bentuk Displacement Hull dan bulbous bow.
Gambar 2 : Contoh kapal yang menggunakan Displacement Hull
Ada beberapa variasi bentuk Planning Hull dan Displacement Hull, diantaranya ialah ; • Flat Bottom
Gambar 3 : Flat Bottom Flat bottom dapat dengan mudah mendapatkan gaya keatas dengan kecepatan yang sangat tinggi. Flat bottom biasanya digunakan pada perairan yang tenang seperti danau kecil, sungai yang tidak memiliki ombak yang besar. Flat bottom memiliki stabilitas yang sangat rendah, karena itu digunakan pada perairan yang tenang. •
Round Bottom
Gambar 4 : Round Bottom
2
Round bottom memiliki bentuk lambung yang bulat, round bottom sangat efisien karena memiliki stabilitas yang tinggi dan memiliki jarak pelayaran yang jauh.. Bentuk lambung Round bottom memiliki kecepatan yang relativf rendah karena bentuk keel, chines, dan stabilitas yang besar. •
•
Tunnel Hull
Deep -V- Hull Gambar 7 : Tunnel Hull Ketika melihat catamaran, disitu akan terdapat Tunnel Hull. Tunnel Hull pada dasarnya memiliki dua -V- yang tergabung pada sebuah area platform/cockpit. Tunnel Hull sangat popular karena ini lebih memiliki stabilitas dan kecepatan yang tinggi. Gambar 5 : Deep -V- Hull Lambung “V” didesain untuk beroperasi pada kecepatan yang tinggi seperti pemecah gelombang. “V hull” lebih lembut daripada flat bottom atau round bottom dan “V-Hull” tidak seefisien flat atau round bottom karena membutuhkan mesin yang lebih besar untuk mencapai keecepatan yang tinggi.
•
Cathedral Hull
Gambar 6 : Cathedral Hull Cathedral Hull atau multi lambung, dua atau lebih yang saling berdekatan. Kombinasi lambung ini digunakan untuk menambah stabilitas bentuk lambung. Kantong udara yang terbentuk diantara lambung juga akan memberikan daya angkat, dapat membantu kapal naik dengan mudah dan meningkatkan efisiensi.
STEP HULL Step adalah bidang pada lambung yang bertujuan untuk mengurangi jumlah permukaan lambung yang tercelup air, atau biasa disebut juga bentuk “V”. Steps memiliki bukaan yang besar pada sisi outboard pada lambung untuk memberi udara yang bertujuan untuk menyedot kebawa. Pada umumnya, stepped hull dapat meningkatkan kecepatan sekitar 10 – 15 % yang diinginkan antara memakai stepped hull dengan yang tidak memakai stepped hull dengan power pada mesin yang sama. Suatu alasan mengapa stepped hulls lebih efektif adalah area/bagian yang tercelup air bisa dibagi beberapa beam dibandingkan dengan panjang kapal, lebar (highaspect) permukaan lebih effisien, rendah (low-aspect) pada saat kondisi gesekan terhadap air. Jadi, dibalik sebuah ide tentang Stepped Hull adalah untuk mengurangi permukaan yang tercelup air seperti teori pada pesawat terbang. Banyak yang mengira bahwa stepped hull mengurangi lapisan/permukaan lambung yang terkena air, tetapi sesungguhnya pada konsep step hull ini adalah untuk meminimalkan bagian lambung.
Gambar 8 : Kapal yang menggunakan Step Hull
3
FILOSOFI DESAIN Kapal cepat pada saat beroperasi, mulai dari kecepatan v = 0 knot sampai dengan kecepatan tinggi dapat di lihat akan melampaui tiga tahapan (fase) kecepatan sebagai berikut:
Mode Displacement (0,0
0,5), puncak gelombang kedua akan berada jauh di belakang buritan dan tahanan sedikit menurun.
Mode Semi Planning (0,61,2) Pada fase semiplaning berat kapal akan disangga lebih banyak oleh gaya angkat hidrodinamik dari pada hidrostatik (yang bersamaan dengan ini akan menurun secara teratur). Gaya angkat hidrodinamik ini timbul karena adanya deviasi aliran di sekitar dasar kapal bagian buritan, sehingga mengakibatkan kapal trim. Dari berbagai pengukuran tes model didapat bahwa pada fase ini titik berat kapal akan naik. Pada sekitar Fn = 0,6, VCG mencapai ketinggian yang sama dengan pada saat V = 0 knot dan selanjutnya VCG terus naik sampai kecepatan karakteristik Fn = 1,2 dicapai. Dari kecepatan v = 0 knot sampai dengan Fn=0,9 haluan kapal akan terus naik ke arah permukaan, sedangkan buritanya akan berangsur-angsur terbenam. Pada sekitar 0,9 < Fn <1,2 buritan kapal akan mulai naik lagi, tetapi tidak begitu besar sampai dengan
Gambar 9 : Ketebalan Step Hull
Tabel 1 : Performance Factor for Racing Stepped Hulls
Variasi Step hull dari optimasi sudut luncur lebih dari kecepatan rata - rata. Tahanan hiydrodynamic adalah hampir konstan. tahanan dari propeller shaft, shaft strut dan rudder, dapat menigkatkan kecepatan. Grafik dari performence factor menunjukkan data actual speed dari racing stepped hulls. Data yang di dapat dan mengacu pada angka-angka di dalam grafik Tabel 1. Perlu dihitung berdasar urutan menurut tahun ketika kecepatan-kecepatan itu diporoleh. Peningkatanpeningkatan yang urutan dalam faktor power mencerminkan pengembangan mesin dan bukan pengembangan hull. kebanyakan perahu-perahu berada pada hampir di garis batas. Bandingkan Limit Lines di grafik Performance Factor. Ada sejumlah pertimbangan mengapa stepped hull yang menjadi tidak popular untuk kapal pesiar dan sesuai dengan kapal high speed. Tiga point dari hydroplanes dan kofigurasi dari modern hull seperti tunnel hull, menggunakan gaya aerodynamic lift untuk menaikan efisiensi kapal. Berat kapal mengunakan udara untuk menahan , tidak harus menggunakan air. Udara mempunyai tahanan jauh lebih kecil dibanding air.
4
C12 = 48.2(T/L-0.02)^2.078 + 0.479948 Jika 0.02
munculnya haluan. Dengan demikian trim akan tetap naik sampai dengan Fn = 1,2 dicapai. Pada mode semiplaning gelombang haluan mengecil dan bergeser ke belakang serta dilengkapi oleh spray. Dibelakang transom (buritan rata) terjadi lembah gelombang, yang bentuk dan ukurannya sangat bergantung pada bentuk buritan kapal, trim dan terutama juga pada gaya angkat hidrodinamis.
Mode Planing Penuh (Fn > 1,2) Mode planing murni dapat ditandai dengan kondisi dimana hampir seluruh berap kapal disangga oleh gaya angkat hidrodinamik, dan hanya sebagian kecil berat kapal yang bertumpu pada gaya hidrostatik (yang juga kecil). Meskipun kapal hampir seluruhnya meluncur di permukaan air, dan permukaan basahnya menjadi sangat kecil demikian juga trim kapal mulai menurun dibandingkan dengan pada fase semiplaning, tetapi tekanan hidrodinamik menjadi sangat besar sebagai akibat kecepatan tinggi yang diperoleh dari gaya dorong propeller. Pada fase planing murni, bagian kapal yang terbenam sangat kecil, sehingga gelombang yang terbentuk hampir hilang sama sekali.
RF Merupakan tahanan yang diakibatkan oleh kekentalan fluida. Menurut (Principle of Naval Architecture Vol. II, 90) RF = 0.5 ρ V^2 Cf (1 +k1) S………………….....(1) Dimana Cf Berdasarkan ITTC-1957 diperoleh : Cf = 0.075/(logRn-2)^2………….………………(2) Perhitungan Koefisien Faktor Bentuk (1+k1) Setelah menentukan koefisien RF , maka langkah berikunya adalah menentukan koefisien bentuk (1+k1), dimana : (1 + k1) = C13{0.93+C12(B/LR)^0.92497 (0.95 Cp)^0.521448(1Cp+0.0225lcb)^0.6906..(3) Dimana C12 : C12 = (T/L)^0.2228446 Jika T/L > 0.05
Cstern -10
Normal section shaped U-shaped section with Hogner stern
0 +10 + 10
Kemudian, setelah menentukan besarnya konstanta c yang menunjukkan fungsi dari bentuk buritan atau stern kapal. Maka untuk nilai C13 : C13 : 1 + 0.003 Cstern
PERHITUNGAN TAHANAN KAPAL Dalam perhitungan tahanan pada kapal perang Corvette Nasional ukuran 90 meter, metode yang digunakan adalah metode Holtrop yang tentunya nanti akan ada beberapa hal atau persamaan yang merujuk pada ketentuan – ketentuan yang berhubungan dengan perhitungan tahanan kapal tersebut seperti Principle of Naval Architecture Vol. II, ITTC (International Towink Tank Conference) 1957, Biro Klasifikasi Indonesia ( BKI ) dan lain sebagainya. Persamaan-persamaan yang digunakan untuk menghitung tahanan kapal dengan metode Holtrop adalah:
Afterbody from V-shaped sections
RAPP Merupakan tahanan tambahan. RAPP : 0.5 ρ V^2 SAPP (1 + k2)eq CF……….(4) Dimana ; (1 + k2)eq = ∑(1 + k2) SAPP / ∑ SAPP……….(5) Untuk nilai dari (1 + k2), sesuai dengan data yang ada dalam Tabel 25 buku Principle of Naval Architecture Vol.2, hal. 92, merupakan fungsi dari tipe tonjolan atau tambahan pada badan kapal, adalah sebagai berikut Tabel 3 : Koefisien (1 + k2) Type of appendage
Rudder of single-screw ship
Value of (1 + k2) 1.3 to 1.5
Spade-type rudders of twin-screw ships Skeg-rudders of twin-screw ships Shaft brackets Bossings Bilge keels Stabilizer fins Shafts Sonar dome
2.8 1.5 to 2.0 3.0 2.0 1.4 2.8 2.0 2.7
RW wave-making & wave-breaking resistance RW = C1 + C2 + C5 ▼ ρg exp {m1Fn^d + m2 cos(λFn^-2)....(6) Dimana ; C1 = 2223105 C7^3.78613 (T/B)^1.07961 (90-ig)^-1.37565… ………….(7) ig = 1 + 89 exp{-(L/B)^0.80856(1-CWP)^0.30484 (1-CP-0.00225lcb)^0.34576(100▼/L^3)^0.16} C7 = 0.229577(B/L)^0.33333 Jika B/L < 0.11 B/L Jika 0.11 0.25 C2 = exp (-1.89 C3^0.5)…….…………(8) C5 = 1 – 0.8 AT / (BT CM)…………….(9) λ = 1.446 CP – 0.03 L/B Jika L/B < 12 1.446 CP – 0.36 Jika L/B >12
5
m1 = 0.0140407 L/T – 1.75254 ▼^1/3/L + 4.79323 B/L – C16……………………...(10) C16 = 8.07981CP – 13.8673CP^2 + 6.984388CP^3 Jika CP<0.8 1.73014 – 0.7067 CP Jika CP > 0.8 M2 = C15 CP^2 exp (-0.1 Fn^-2……..(11) C15 = -1.69385 + (L/▼^1/3-8)/2…….(12)
RB Adalah nilai koreksi pada kapal yang memakai Bulbous Bow. Karena pada kapal perang Corvette Nasional tidak memakai Bulbous Bow, maka tidak ada koreksi. RB = 0.11 exp(-3PB^02)Fni^3ABT^1.5 ρg /(1 + Fni^2)….(13) Dimana ; PB = sebuah ukuran untuk emergence bow PB = 0.56 ABT^0.5/(TF – 1.5 hB) Fni = Froude Number berdasarkan area yang tercelup Fni = V/(g(TF-hB-0.25(ABT) ^0.5+0.15V^2)^0.5
RTR adalah tahanan tambahan tekanan pada bagian buritan yang tecelup . RTR = 0.5 ρ V^2 AT C6………………………………..(14) Dimana ; C6 = 0.2(1-0.2 FNT) Jika FNT < 5 C6 = 0 Jika FNT > 5
RA Merupakan nilai koreksi yang berhubungan dengan bentuk atau model kapal. RA = 0.5 ρ V^2 S CA………...…..(15) Dimana ; C4 = TF/L Jika TF/L < 0.04 C4 = 0.04 Jika TF/L > 0.04 CA = 0.006(L+100)^0.16-0.00205+0.003 (L/7.5)^0.5 CB ^4 C2(0.04-C4)
RTotal Merupakan tahanan total pada kapal RTotal = RF(1 + k1) + RAPP + RW +RB +RTR +RA
CFD ( Compatutational Fluid Dynamic ) Pada dasarnya semua jenis CFD menggunakan persamaan dasar (governing equation) dinamika fluida yaitu persamaan kontinuitas, momentum dan energi. Persamaan-persamaan ini merupakan pernyataan matematis untuk tiga prinsip dasar fisika : Hukum Kekekalan Massa (The Conservation of Mass) Hukum Kedua Newton (Newton’s Second Law of Motion) Hukum kekekalan Energi Untuk mendapatkan persamaan dasar gerak fluida, filosofi berikut selalu diikuti : Memilih prinsip fisika dasar dari hukum– hukum fisika (Hukum Kekekalan Massa, Hukum Kedua Newton, Hukum Kekekalan Energi). Menerapkan prinsip-prinsip fisika di dalam model aliran.
Dari penerapan, diuraikan persamaan matematis yang meliputi prinsip-prinsip fisika dasar.
TEORI DINAMIKA FLUIDA CFD Computational Fluid Dynamics merupakan ilmu sains dalam penentuan penyelesaian numerik dinamika fluida. Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah pendekatan ketiga dalam studi dan pengembangan bidang dinamika fluida selain pendekatan teori dan eksperimen murni. Adapun beberapa keuntungan yang diperoleh dengan menggunakan CFD antara lain : a) Meminimumkan waktu dan biaya dalam mendesain suatu produk, bila proses desain tersebut dilakukan dengan uji eksperimen dengan akurasi tinggi. b) Memiliki kemampuan sistem studi yang dapat mengendalikan percobaan yang sulit atau tidak mungkin dilakukan melalui eksperimen. c) Memiliki kemampuan untuk studi dibawah kondisi berbahaya pada saat atau sesudah melewati titik kritis (termasuk studi keselamatan dan skenario kecelakaan). d) Keakuratannya akan selalu dikontrol dalam proses desain. Computational Fluid Dynamics (CFD) merupakan analisa sistem yang mencakup aliran fluida, perpindahan panas, dan fenomena yang terkait, seperti reaksi kimia dengan menggunakan simulasi berbasis komputer (numeric). Tehnik ini sangat berguna dan dapat diaplikasikan pada bidang industri dan non industri. Kode CFD terstruktur atas logaritma numeric, sehingga dapat digunakan untuk menyelesaikan problem pada suatu aliran fluida.
Elemen Code Computational Fluid Design (CFD)
Pre Processor (CFX Build) Pada tahap awal pemrograman ini terdiri dari input masalah aliran untuk CFD melalui interface, kemudian mengubahnya menjadi bentuk yang sesuai dengan format yang dikehendaki oleh bagian solver. Pada tahap ini perlu dilakukan input permasalahan sesuai dengan aturan pada software, meliputi: a. Membentuk geometri benda dan daerah sekeliling benda sebagai domain komputasi. b.Membentuk Grid Generation atau membagi domain yang telah ditentukan menjadi bagian yang lebih kecil (subdomain).
6
influx massa dihitung menggunakan rumus : ρU = m/∫s dA
c. Penentuan fenomena fisika dan kimia dari model. d.Penentuan sifat-sifat fluida, seperti pendefinisian harga densitas, viskositas, temperatur fluida dan lain-lain. e.Penentuan kondisi batas model geometri, lokasi pembuatan kondisi batas harus ditentukan baik pada daerah disekeliling benda maupun pada aliran yang diperhitungkan. f.Penentuan besar kecilnya atau kekasaran grid (mesh). Analisa masalah aliran yang berupa kecepatan, tekanan atau temperatur didefinisikan sebagai suatu daerah yang berupa simpul-simpul tiap cell. Jumlah cell dalam grid (mesh) menentukan akurasi penyelesaian CFD. Pada umumnya semakin banyak cell semakin akurat penyelesaianya. Daerah yang memiliki perubahan bentuk yang sangat tajam, biasanya proses meshing dilakukan dengan sangat halus, sedang untuk daerah yang lain dilakukan agak kasar.
Solver Manager Solver dapat dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu finite difference, finite element dan finite volume. Secara umum metode numerik solver tersebut terdiri dari langkah-langkah sebagai berikut : a. Perkiraan variabel yang tidak diketahui dengan menggunakan fungsi sederhana. b.Diskretisasi dengan substitusi perkiraanperkiraan tersebut dengan persamaanpersamaan aliran yang berlaku dan berbagai manipulasi matematik. c. Penyelesaian dari persamaan aljabar Boundary Condition Inlet adalah input aliran fluida pada kondisi normal tanpa adanya fenomena yang terjadi. Massa dan Momentum Momentum yang terjadi pada aliran fluida yang dipengaruhi oleh massa dan kecepaan dengan vector kecepatan U, V dan W. arah yang diambil dalam perlakuan terhadap boundary adalah arah normal terhadap domain. Komponen kecepatan aliran (Cartisien Velocity Vector) adalah dengan resultan : U inlet = U specj + V speci + W speck Tekanan Total Tekanan total, Ptot, untuk fluida didefinisikan sebagai Ptot = P stat Kecepatan Laju Aliran Massa Batas laju aliran massa, ditentukan sepanjang arah komponen, dimana
Boundary Condition Outlet Kecepatan Outlet Komponen kecepatan outlet boundary adalah komponen a. cartisien velocity. U outlet = U speci + V specj + W speck b.Tekanan Outlet Fluida Tekanan outlet fluida adalah tekanan static inlet ditambah perubahan tekanan yang terjadi
Boundary Condition Wall Tekanan Statis Rata-Rata Wall Relative Static Pressure adalah : Pav = PdA A ∫ PdA Mass Flow Rate Out Distribusi massa di daerah wall ditentukan oleh aliran berat massa. Heat Transfer Perpindahan panas ditentukan adiabatic pada Wall boundary kapal karena pengaruh energi panas yang begitu kecil terhadap nilai lift sehingga : Q wall = 0 Post Processor Pada step ini akan ditampilkan hasil perhitungan yang telah dilakukan pada tahap sebelumya. Hasil perhitungan dapat dilihat berupa data numerik dan data visualisasi aliran fluida pada model. Data numerik yang diambil adalah data nilai variabel sifat fluida, data sifat fluida yang dapat di ambil adalah sebagai berikut: a) Density b) Density Viscosity c) Eddy Viscosity d) Heat Transfer Coeffitient e) Mach Number f) Pressure g) Pressure Gradient h) Shear Strain Rate i) Specific Capacity Heat Transfer Rate j) Static Entalpy k) Temperature l) Thermal Conductivity m) Total Entalpy n) Total Temperatur o) Total Pressure p) Turbulence Kinetic Energy q) Velocity r) Wall Heat flux
7
ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN Pada bab ini akan diuraikan langkah-langkah pembuatan model dan dilanjutkan dengan langkah simulasi dengan menggunakan bantuan perangkat lunak Computational Fluid Dinamic (CFD). Perancangan model didasarkan pada batasan-batasan yang telah dijelaskan pada bab awal tulisan ini. Ada beberapa tahapan yang harus dilalui untuk bisa mendapatkan datadata hasil simulasi yang selanjutnya akan diolah untuk dianalisa lebih lanjut. Antara satu tahap dengan tahap yang lain saling terkait dan tidak bisa dipisahkan.
Data Model Kapal Pada kapal yang digunakan sebagai obyek penelitian pada tugas akhir ini adalah kapal Corvette Nasional ukuran 90 meter dengan penambahan Step Hull pada posisi tertentu. Dari berbagai variasi model yang akan disimulasikan, data utama kapal yang dijadikan sebagai acuan adalah sebagai berikut :
Gambar 10 : General Arrangement PRINCIPLE DIMENSION LOA = 90 meter LWL = 85.31 meter LPP = 84 meter B (moulded) = 13 meter H(moulded) = 7.35 meter Draught (T) = 3.5 meter Speed Max = 28 knots Engine power = 2 x 8715 HP Accomodation = 85 persons
IV.3 Validasi Model Validasi model dilakukan untuk membandingkan nilai yang terdapat pada software Maxsurf dengan perhitungan manual yang metode perhitungan dengan menggunakan metode Holtrop. Disini validasi model digunakan untuk menjamin keakuratan dan ketepatan proses simulasi. Setelah dilakukannya proses validasi maka dilanjutkan pada variasi setiap model dan dari setiap variasi model akan disimulaskan. Untuk hasil validasi dari software Maxsurf adalah sebagai berikut :
Tabel 4 : Hasil dari software Ship Building (Maxsurfpro) Speed
Holtrop
Holtrop
1 2 3 4 5 6 7
(kts) 3.5 4.2 4.9 5.6 6.3 7 7.7
Resistance (kN) 7.12 10.01 13.32 17.06 21.2 25.75 30.73
Power (kW) 12.82 21.62 33.58 49.14 68.71 92.74 11.73
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
8.4 9.1 9.8 10.5 11.2 11.9 12.6 13.3 14 14.7 15.4 16.1 16.8
36.15 42.02 48.38 55.23 62.59 70.46 78.91 87.82 97 106.85 117.92 130.05 142.14
156.2 196.72 243.89 298.31 360.61 431.36 511.5 600.85 698.61 808 934.21 1077.17 1228.44
21
17.5
153.03
1377.73
22 23 24 25 26 27 28 29
18.2 18.9 19.6 20.3 21 21.7 2.4 23.1
162.63 171.73 181.35 192.24 204.9 219.67 236.76 280.7
1522.66 1669.77 1828.6 2007.6 2213.57 2452.23 2728.28 3335.72
30 31
23.8 24.5
328.34 375.9
4020.1 4737.85
32 33 34 35 36
25.2 25.9 26.6 27.3 28
423.6 474.7 526.08 577.74 629.68
5491.54 6324.93 7198.97 8113.96 9070.2
No
Penggambaran Model Penggambaran model kapal dengan modfikasi pada bagian lambung kapal yaitu step hull secara tiga dimensi dilakukan dengan 2 tahap. Tahap yang pertama adalah pemodelan lambung kapal kapal Corvette Nasional ukuran 90 meter dengan variasi posisi step hull dengan menggunakan Maxsurf Pro. Tahap yang kedua adalah penggambaran model dengan software CFD (ICEM), yang kemudian disimulasikan dengan pendekatan CDF Solver.
Penggambaran model 3 dimensi Proses pemodelan ini menggunakan ship building Maxsurft Pro, ini merupakan tahap awal pemodelan bentuk 3 dimensi lambung step hull. Dalam proses ini
9
juga menggambarkan variasi dari posisi step hull pada lambung kapal. Sedangkan parameter dari posisi step hull model adalah sebagai berikut : a) Variasi Model A
b)
c)
Gambar 11 : Variasi Model A Variasi Model B
Parameter desain step hull pada setiap variasi, dengan kenaikan step hull yaitu 20% dari sarat air sebesar 0.7 meter. Setelah penggambaran 3 dimensi pada software Maxsurf Pro, langkah selanjutnya adalah penggambaran kembali atau Re-desaign pada software CFD. Berikut ini adalah langkah-langkah dalam proses pengerjaan : 1. Peng-konversian file dari model tiga dimensi Maxsurf Pro menjadi DXF file. 2. File ber-ektensi DXF tersebut dilakukan ReDesign pada CFD untuk dilakukan pengaplikasian surface dan meshing model. Tipe meshing yang digunakan adalah Tetragonal dengan metode smooth (advancing). •
Variasi Model A Pada CFD
•
Gambar : 14 Variasi Model A Pada CFD Variasi Model B Pada CFD
Gambar 12 : Variasi Model B Variasi Model C
Gambar : 15 Variasi Model B Pada CFD •
Variasi Model C Pada CFD
Gambar 13 : Variasi Model C Dari parameter diatas terdapat 4 variasi posisi penempatan step hull. Jarak antara posisi step hull dengan variable A adalah jarak dengan jarak dari midship 2 meter. Variasi posisi step hull adalah : 1. Variasi Model A Pada variabel model A, posisi step hull terletak pada posisi midship kapal. Dengan garis air (T) 3,5 meter. 2. Variasi Model B Pada variabel model B, posisi step hull terletak pada posisi 2 meter dibelakang midship kapal. Dengan garis air (T) 3,5 meter. 3. Variasi Model C Pada variabel model C, posisi step hull terletak pada posisi 2 meter didepan midship kapal. Dengan garis air (T) 3,5 meter.
Gambar 16 : Variasi Model C Pada CFD
Simulasi Setiap Variasi Model Setelah model kapal di meshing maka proses simulasi dapat dilakukan dengan CFD Solver. Pada pemograman ini parameter simulasinya berbasis free Surface. Sehiga perlu dilakukan input parameter sesuai dengan aturan. Pada software CFD ini input parameter meliputi : a) Pembentukan geometri benda dan daerah sekeliling benda sebagai domain komputasi.
10
b)
c)
d)
e)
f)
Pembentukan Grid Generation atau membagi domain yang telah ditentukan menjadi bagian yang lebih kecil (sub-domain) Penentuan fluida yang akan dialirkan, pada simulasi ini menggunakan dua fluida yaitu air dan udara. Penentuan sifat-sifat fluida, seperti pendefisian harga densitas, viskositas, temperatur fluida dan lain-lain Penentuan kondisi batas model, lokasi pembuatan kondisi batas model harus ditentukan baik pada daerah sekeliling benda maupun pada aliran yang diperhitungkan. Diskretiasi dengan sibstitusi perkiraanperkiraan tersebut dengan persamaanpersamaan aliran yang berlaku dan berbagai manipulasi matematik.
IV.6 Data Hasil Simulasi Dari empat variasi model yang telah dibuat, simulasi CFD solver dilakukan dengan input parameter tiga kecepatan, yaitu 20, 24, 28 knots. Dari hasil simulasi dan analisa yaitu : a) Ships resistance Hasil data ini merupakan nilai dari software Ship Building (maxsurfpro) yang hasilnya mempresentasikan nilai tahanan kapal. b) Lift Force Hasil data ini merupakan nilai gaya “force” pada function calculator CFD solver yang hasilnya mempresentasikan besar gaya angkat kapal. c) Average Total Pressure Merupakan nilai tekanan rata-rata yang terdistribusi pada seluruh permukaan lambung kapal. d) Average Water Velocity Merupakan kecepatan rata-rata fluida air yang mengalir padda permukaan lambung. Dengan parameter pendataan yang telah ditentukan, didapatkan data-data hasil simulasi variasi model A, variasi model B, variasi model C sebagai berikut :
Tabel 4.6.1 : Hasil simulasi pada software CFD Speed
Speed
Resistance
Lift
MODEL
A
B
C
(Ave) Tot
(Ave) water
Pressure
Velocity
(knot)
(m/s)
(N)
(N)
(Pa)
(m/s)
20
10.2888
187381.1
84438000
144079
9.139
24
12.34656
341937.2
84354700
164035
11.0846 12.8521
28
14.40432
629680.5
84245200
185842
20
10.2888
187900.5
90746600
145489
9.284
24
12.34656
343928.5
90656700
164823
11.171 13.054
28
14.40432
638013.8
90550200
188035
20
10.2888
188687.4
90757800
145028
9.338
24
12.34656
340536.5
90667300
164519
11.23
28
14.40432
626094.9
90560300
187629
13.012
IV.7 Pembahasan Sesuai dengan tujuan skripsi ini, dimana dengan analisa yang dilakukan akan didapatkan posisi step hull pada kapal perang Corvette Nasional ukuran 90 meter yang paling optimal dengan tinjauan dengan tahanan kapal, gaya angkat (lift force), total pressure dan kecepatan aliran fluida. Dari hasil simulasi, parameter perbandingan yang akan dianalisa adalah sebagai berikut : a) Perbandingan parameter tahanan kapal yang terjadi terhadap variasi kecepatan kapal. b) Perbandingan parameter gaya angkat (lifting force) lambung kapal terhadap variasi kecepatan kapal. c) Perbandingan parameter tekanan yang terdistribusi diseluruh lambung kapal terhadap variasi kecepatan kapal. d) Perbandingan parameter kecepatan fluida air (water velocity) terhadap variasi kecepatan kapal. e) Perbandingan parameter tahanan kapal terhadap gaya angkat (lifting force) lambung kapal. f) Perbandingan parameter tahanan kapal terhadap total pressure yang terdistribusi pada lambung kapal. g) Perbandingan parameter tahanan kapal terhadap water velocity yang terdistribusi pada lambung kapal. IV.7.1. Perbandingan parameter tahanan kapal yang terjadi terhadap variasi kecepatan kapal. Analisa ini dilakukan untuk menunjukkan variasi model yang paling optimal dari segi tahanan kapal yang terjadi. Dari data yang ada, hasil perbandingan tahanan yang terjadi terhadap variasi kecepatan pada setiap model sebagai berikut :
11
Gambar 4.7.1.1 : Perbandingan speed dengan resistance
Pada grafik dapat diamati korelasi antara speed terhadap gaya angkat (lifting force) kapal. Dari grafik dapat dilihat terjadi trend penurunan lift disetiap kenaikan kecepatan kapal pada setiap variasi model. Dari grafik dapat dilihat juga terjadi perbedaan nilai lift pada setiap variasi model kapal. Pada variasi model A memiliki nilai lift yang lebih rendah dibandingkan pada variasi model B, dan C. Di bawah ini merupakan grafik perubahan Lift pada setiap variasi model pada setiap kenaikan kecepatan kapal:
Pada gambar dapat diamati korelasi antara resistance terhadap Speed yang menunjukkan kenaikan resistance pada setiap kenaikan kecepatan kapal. Kenaikan resistance tersebut terjadi pada variasi model A, B dan C. Berikut ini adalah grafik resistance pada setiap variasi model :
Gambar 4.7.2.2: Lifting force pada setiap variasi model
Gambar 4.7.1.2 : Resistance pada setiap variasi model Pada grafik dapat diamati perubahan resistance pada kecepatan yang sama. Pada kecepatan kapal 20 knots variasi model A mengalami kenaikan resistance pada setiap variasi model. Tapi pada kecepatan 24 ke 28 knots terjadi kenaikan resistance pada variasi model A dan B namun pada variasi model C mengalami penurunan. IV.7.2. Perbandingan parameter gaya angkat (lifting force) lambung kapal terhadap variasi kecepatan kapal. Analisa parameter ini dilakukan untuk menunjukkan gaya angkat (lifting force) kapal terhadap variasi kecepatan. Dari data yang ada, hasil perbandingan lift force kapal terhadap variasi kecepatan kapal pada setiap variasi model sebagai berikut :
Pada grafik terjadi perubahan lift pada setiap variasi modelnya. Terjadi kenaikan dari variaisi model A ke B yang signifikan, kemudian dari variasi model B ke C terjadi penurunan nilai lift. Pada posisi variasi model C memiliki nilai lift yang paling tinggi dibandingkan pada setiap variasi model dengan nilai lift sebesar 90560300 N pada kecepatan 28 knots. IV.7.3. Perbandingan parameter total pressure yang terdistribusi diseluruh lambung kapal terhadap variasi kecepatan kapal. Analisa parameter ini dilakukan untuk menunjukkan tekanan total yang terdistribusi diseluruh lambung kapal terhadap variasi kecepatan. Dari data yang ada, hasil perbandingan total pressure yang terdistribusi diseluruh lambung kapal terhadap variasi kecepatan kapal pada setiap variasi model sebagai berikut :
Grafik 4.7.3.1 : Perbandingan speed dengan total Pressure
Gambar 4.7.2.1 : Perbandingan speed dengan lifting Force
Pada grafik dapat diamati korelasi antara speed terhadap total pressure yang terdistribusi keseluruh lambung kapal. Dari grafik dapat dilihat terjadi trend kenaikan total pressure disetiap bertambahnya kecepatan kapal pada setiap variasi model. Dari grafik dapat dilihat
12
juga terjadi perbedaan nilai total pressure pada setiap variasi model kapal Dibawah ini merupakan grafik perubahan total pressure pada setiap variasi model pada setiap kenaikan kecepatan kapal :
Gambar 4.7.4.2 : water velocity pada setiap variasi Model
Gambar 4.7.3.2 : total pressure pada setiap variasi Model Pada grafik terlihat jelas perubahan total pressure pada setiap variasi modelnya. Terjadi trend kenaikan pada variasi kecepatan kapal yaitu pada variasi kecepatan 20, 24 dan 28 knots pada setiap variasi model A dan B. Tapi pada variasi model C mengalami kenaikan total pressure pada kecepatan 20 ke 24 knots, sedangkan pada kecepatan 24 ke 28 knots total pressure yang terdistribusi berkurang.
Pada grafik setiap variasi kecepatan memiliki trend grafik yang sama. Dari variasi model A ke B terjadi kenaikan nilai kecepatan aliran (water velocity), begitu juga pada variasi model B ke C terjadi kenaikan. IV.7.5. Perbandingan parameter tahanan kapal terhadap gaya angkat (lifting force) lambung kapal. Analisa parameter ini dilakukan untuk menunjukkan korelasi antara nilai tahanan (resistance) kapal terhadap gaya angkat (lift force) kapal. Dari data yang ada, hasil perbandingan tahanan kapal terhadap gaya angkat kapal pada setiap variasi model sebagai berikut:
IV.7.4. Perbandingan parameter kecepatan fluida air (water velocity) terhadap variasi kecepatan kapal. Analisa parameter ini dilakukan untuk menunjukkan korelasi antara nilai water velocity kapal terhadap kecepatan kapal. Dari data yang ada, hasil perbandingan water velocity terhadap kecepatan kapal pada setiap variasi model sebagai berikut:
Gambar 4.7.5.1 : Perbandingan resistance dengan lift
Gambar 4.7.4.1 : perbandingan speed dengan water Velocity Pada grafik dapat diamati korelasi antara kecepatan (speed) terhadap kecepatan aliran air (water volocity) kapal. Dari grafik terjadi trend kenaikan kecepatan aliran air di setiap kenaikan kecepatan kapal. Pada setiap variasi model memiliki kecepatan aliran air (water velocity) yang berbeda-beda. Untuk melihat perbedaan kecepatan aliran setiap variasi model bisa dilihat pada grafik dibawah ini:
Pada grafik dapat diamati korelasi antara resistance terhadap gaya angkat (lift) kapal. Dari grafik dapat dilihat terjadi trend penurunan lift di setiap kenaikan tahanan kapal. Dari grafik juga dapat dilihat terjadi perbedaan nilai lift pada setiap variasi model kapal. IV.7.6. Perbandingan parameter tahanan kapal terhadap total pressure yang terdistribusi pada lambung kapal. Analisa parameter ini dilakukan untuk menunjukkan korelasi antara nilai tahanan (resistance) kapal terhadap total pressure yang terdistribusi pada lambung kapal. Dari data yang ada, hasil perbandingan tahanan kapal terhadap total pressure kapal pada setiap variasi model sebagai berikut:
13
BAB V KESIMPULAN V.1
Gambar 4.7.6.1 : Perbandingan resistance dengan total Pressure Pada grafik dapat diamati korelasi antara resistance terhadap total pressure yang terdistribusi pada lambung kapal. Dari grafik dapat dilihat terjadi trend kenaikan di setiap kenaikan tahanan kapal pada setiap variasi model A, B dan C. IV.7.7. Perbandingan parameter tahanan kapal terhadap water velocity yang terdistribusi pada lambung kapal. Analisa parameter ini dilakukan untuk menunjukkan korelasi antara nilai tahanan (resistance) kapal terhadap water velocity yang terdistribusi pada lambung kapal. Dari data yang ada, hasil perbandingan tahanan kapal terhadap water velocity pada lambung kapal pada setiap variasi model sebagai berikut:
Gambar 4.7.7.1 : Perbandingan resistance dengan water Velocity Pada grafik dapat diamati korelasi antara resistance terhadap water velocity yang terdistribusi pada lambung kapal. Dari grafik dapat dilihat terjadi trend kenaikan di setiap kenaikan tahanan kapal pada setiap variasi model A, B dan C.
Kesimpulan Dari hasil simulasi pada setiap variasi model posisi step hull pada kapal perang Corvette Nasional ukuran 90 meter, dapat ditarik beberapa kesimpulan dari setiap variasi model antara lain sebagai berikut: 1. Pada variasi model C memiliki nilai tahanan yang paling kecil dibandingkan dengan variasi model A dan B sebesar 626094.9 N. Dan juga nilai lift paling tingi terletak pada variasi model C dibandingkan dengan variasi model A dan B sebesar 90757800 N pada kecepatan 20 knots, 90667300 N pada kecepatan 24 knots dan 90560300 N pada kecepatan 28 knots. 2. Pada variasi model B memiliki nilai total pressure yang terdistribusi pada lambung kapal paling besar yaitu sebesar 145489 (Pa) pada kecepatan 20 knots, 164823 (Pa) pada kecepatan 24 knots, dan 188035 pada kecepatan 28 knots. 3. Pada variasi model C memiliki nilai total pressure yang terdistribusi pada lambung kapal paling tinggi pada kecepatan 20, 24 dan 28 knot. Nilai tertinggi pada water velocity yang terdistribusi pada lambung kapal adalah sebesar 9.338 m/s pada kecepatan 20 knots, 11.23 m/s pada kecepatan 24 knots dan 13.124 m/s pada kecepatan 28 knots. 4. Dari analisa tersebut, maka ditarik suatu kesimpulan bahwa posisi step hull yang paling tepat adalah pada variasi model C. Hal ini dikarenakan nilai resistance pada variasi model C memiliki nilai resistance yang paling rendah daripada variasi model A dan B sebesar 626094.9 N pada kecepatan 28 knots, dan nilai lift tertinggi terletak pada variasi model C yaitu sebesar 90560300 N pada kecepatan 28 knots. Walaupun nilai water velocity paling tinggi terletak pada variasi model C pada kecepatan 20, 24 dan 28 knots, namun selisih antara nilai water velocity terhadap nilai terendah tidak terlalu signifikan. V.2 Saran Pada pengerjaan Tugas Akhir ini masih terdapat kekukarangan-kekurangan, diantaranya adalah terbatasnya source dan durasi waktu pengerjaan, sehingga ada beberapa variasi dari posisi step hull tidak tersimulasikan dan mungkin memiliki nilai yang lebih optimal. Bertolak dari kondisi tersebut, penulis menyarankan pada penelitian-penelitian selanjutnya untuk dilakukan pengujian ulang pada variasi-variasi posisi step hull dengan menggunakan lebih banyak parameter lain untuk mendapatkan hasil yang lebih optimal.
14
DAFTAR PUSTAKA 1. Harrington, Roy L. 1992. Marine Engineering. The Society Of Naval Architects And Marine Engineers 601. Pavonia Avenue, Jersey City. 2. Holtrop, J. and Mennen, G.G.J., ‘An approximate power prediction method’, International Shipbuilding Progress, Vol. 29, July 1982. 3. Procedings 15th ITTC, The Hague, 1978. 4. Kobus Potieter. “ Understanding design and performance stepped hulls”. 5. Watson, D.G.M, ”practical ship Desain ”, Elsevier, 1998
15
