Fenomena Interaksi Aliran Pada Kapal Catamaran

8/16/2019 Fenomena Interaksi Aliran Pada Kapal Catamaran

1/125

Analisa fenomena interaksi aliran pada

kapal katamaran dengan simulasi numerik

dan uji terowongan angin

RONALD M H4109203341

Program Pasca Sarjana Teknologi KelautanINSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

S U R A B A Y A2012


2/125

Catamarans History

• Petualang dan saudagar Inggris,William Dampier, berkeliling dunia mencari peluang bisnis

sekitar tahun 1690-an dan tiba di Pantai Tenggara India di Tamil Nadu, teluk Bay . Di sana,

William Dampier menemukan perahu komunitas nelayan dengan dua lambung yangterpisah dan saling terikat,dikenal dengan Kattumaran.

• Katamaran berasal dari bahasa Tamil yaitu Kattu (to tie =mengikat) dan maram (wood,

tree=kayu), sehingga kattumaran diartikan sebagai kayu yang terikat bersama-sama.

Defenisi umum kattumaran lebih dikenal sebagai kapal dengan dua lambung yangdigabungkan.

• Bentuknya terbuat dari kayu, sedikit lebih kecil dari rakit, bagian belakang selalu terbenam

di dalam air dan hanya bisa mengangkut satu orang. Jenis kapal yang diamati William

Dampier ditulis dalam buku “On the coast of Coromandel ”, tahun 1697 dan dia menyebut

kapal tersebut dengan Catamarans.

catamarans


3/125


4/125

Latar Belakang

Pertumbuhan Katamaran

sbg AMV yang pesat

Djatmiko & Panunggal (199X) ; Utama (1999); Moraes (2004);

Papanikoloau (2005); Sahoo (2006)

Di sebabkan:Luas geladak yang besar: Penataan ruangan lebih baik

Stabilitas yang lebih nyaman: lengan stabilitas >momen kopel >

Draft yang lebih kecil: muatan >>

Karakteristik hambatan: daya penggerak <

Gambar 1. Database kapal Fast Marine Vehicles -NTUA-SDL (Papanikoloau, 2005).

Djatmiko & Panunggal (199X)

Riset tentang Katamaran

berkembang

Struktur

A Design Procedure for Catamaran Cross Structure Loads

(Dalingga dan Tikka, 1986) Hidrodinamika

Optimization Scheme

for Quick Choice of Favourable Hull Form Ratios

for Hard-Chine Catamarans (Subramanian, 2006)

REVIEW OF ADVANCED MARINE VEHICLES CONCEPTS

Apostolos Papanikolaou (2005), National Technical University of

Athens, Ship Design Laboratory, Greece (NTUA-SDL)

Transportasi dan Produksi

Hambatan Katamaran

• Estimasi Hambatan diperlukan pada tahap proses desain

• Hambatan Katamaran masih sering dibahas dalam forum ilmiah (Jamaluddin, 2011)

• Hambatan katamaran lebih kompleks dibandingkan monohull karena dipengaruhi

interaksi lambung yang menyebabkan interferensi (interferensi hambatan

gelombang dan interferensi hambatan viskos)

• Kajian terhadap Interferensi hambatan gelombang sudah banyak dilakukan,

sedangkan untuk kajian terhadap interferensi Hambatan viskos masih sangat minim

(Utama, 1999; Jamaludin, 2010)

• Fenomena interaksi aliran dapat diketahui melalui interferensi yang diakibatkan oleh

jarak antara lambung

Interferensi Hambatan• Body atau Viscous Resistance Interference: disebabkanoleh aliran asimetris di sekitar demihull dan

berpengaruh pada aliran viskos seperti perubahan

bentuk lapisan batas dan longitudinal vortices.

• Wave Resistance Interference: ditimbulkan oleh interaksi

antara sistem gelombang oleh masing-masing demihullUji Terowongan Angin

• Pendekatan yang memungkinkan mengkaji komponenhambatan viskos dan efek interaksi adalah denganmembuat free surface seolah-olah sebuah bidang datarsehingga efek wave making dapat dieliminasi (Utama,1999; Armstrong, 2003)

• Dibuat model yang direfleksi pada sarat penuh (bidangrefleksi menjadi datar) (Couser, 1997) gelombang

permukaan tidak diperhitungkan, sehingga hambatan full viskos.

• Teknik pengujian model refleks (tidak memperhitungkanwave making) dapat dilakukan di terowongan angin

• Pengujian terowongan angin diawali oleh Lackenby(1965) dan penggunaan refleks model diawali oleh

Joubert dan Matheson (1970) pada model Lucy Ashton. Simulasi Numerik


5/125

Background

• Jamaluddin dkk (2010) melakukan eksperimen untuk meneliti faktor bentuk ( form factor) pada demihull dan katamaran dengan berbagai konfigurasi lambung di kolam

tarik.

• Geometri model yang digunakan adalah displasemen katamaran dengan lambung

simetris (symmetrical hull ) dan lambung tidak simetris (asymmetrical hull).

• Variasi jarak melintang antara lambung adalah S/L 0.2, 0.3 dan 0.4. Kesimpulan dari

penelitian yang dilakukan adalah faktor bentuk viskos katamaran secara signifikan lebih

besar dibandingkan dengan demihull .

• Namun ditemukan variasi efek interaksi hambatan viskos karena perbedaan jarak

demihull .

• Jamaluddin dkk (2010) menyarankan untuk melakukan penelitian lebih lanjut tentang

interferensi hambatan viskos dengan melakukan kajian di terowongan angin.

• Kajian di terowongan angin dilakukan pada model tanpa strip turbulen


6/125

Previous Research

Armstrong, T. (2003). The effect of Demihull Separation on frictional resistance of

Catamaran. Seventh international Conference on Fast Sea Transportation, FAST (hal. 22-30).

Ischia-Italy: Ischia.

Mitchell, R. R., & Webb, M. B. (7-10 January 2008). A study of the base pressure distribution

of a Slender Body of Square Cross-Sectrion. AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit ,

1-8.

Utama, I. K. A. P (1999). Investigation of the Viscous Resistance Components of Catamaran

Forms. Ph.D Thesis, UK: University of Southampton.

Utama, I. K. A. P & Molland, A. F. (2001). Experimental and Numerical Investigations into

Catamaran Viscous Resistance. FAST , 295-304.

Rajagopalan, G., Schaller, D., & Wadcock, A. J. (2008). Experimental and Computational

Simulation of a Model Ship in a Wind Tunnel . Aerospace Engineering and

MechanicalEnginerring , Iowa State University Ames, IA, AIAA


7/125

T UJUAN

Tujuan penelitian ini adalah• Mencari besar interferensi hambatan viskos dengan menghitung nilai

koefisien tekanan dan kecepatan aliran di sekitar model lambung kapal

melalui eksperimen di terowongan angin

• Melakukan perhitungan interferensi hambatan viskos melalui simulasi

numerik (CFD). Sebagai data tambahan, simulasi numerik juga dilakukan

pada model untuk mengetahui perubahan hambatan dan kecepatan dengan

variasi yaw angle 2o, 4o, 6o, 8o dan 10o.


8/125

M ANFAAT

• Memperoleh pemahaman yang lebih baik tentang hambatan yang dialami

oleh kapal katamaran terutama hambatan viskos dan interferensi

hambatan viskos sehingga menambah pengetahuan dalam memprediksi

hambatan kapal katamaran, untuk menentukan daya mesin kapal dalam

tahapan pleriminary desain.• Memberikan informasi ilmiah kepada praktisi bidang perkapalan

terhadap fenomena aliran dan interferensi pada lambung (ganda)

katamaran untuk dapat memperkaya sistem data base untuk tujuan

saintifik.


9/125

B ATASAN M ASALAH

• Pengujian model fisik di lakukan dengan terowongan angin dan

simulasi numerik dilakukan dengan ANSYS CFX versi 14.

• Displasement Hull berbentuk round bilge dengan S/L = 0.2, 0.3 dan

0,4 dengan rasio L/B = 9,63.

•

Input kecepatan diperoleh dari batasan maksimum RPM terowonganangin (1400 RPM).

• Analisa wave making tidak dibahas.

• Tekanan atmosfer pada pengujiaan dianggap 1,01325x105 Pa.

• Pada simulasi numerik bentuk meshing menggunakan general

meshing.


10/125

D ASAR TEORIAda 2 interferensi hambatan yang berhubungan dengan kapal katamaran (Pien, 1976), yaitu

(1) interferensi hambatan kekentalan yang diakibatkan oleh pola aliran yang tidak simetris di sekeliling badan kapal

serta pengaruh aliran kekentalan seperti peristiwa pembentukan lapisan batas

(2) interferensi hambatan gelombang yang timbul akibat interaksi di antara sistem gelombang dari lambung

penyusun katamaran.

Efek interferensi tersebut dalam dijelaskan menjadi :

i. Body interference, aliran air di sekitar demihull bersifat asimetris terhadap centerline demihull, begitu juga

penyebaran tekanan disekitarnya. Hal ini diakibatkan oleh pengaruh demihull yang lain dan menyebabkan

bertambahnya komponen hambatan yang dihasilkan yaitu berupa;

• Gangguan kecepatan aliran fluida meningkat di sekeliling demihull terutama di daerah antara kedua lambung

(tunnel side). Pertambahan kecepatan dikarenakan adanya peningkatan hambatan gesek dan modifikasi bentuk lambung kapal.

• Timbulnya aliran fluida di bawah lunas searah sumbu y kapal, yang biasanya diabaikan pada kapal monohull

karena pengaruhnya sangat kecil, pada lambung katamaran besarnya kecepatan aliran ini 5-7 % dari

kecepatan kapal.

• Adanya perbedaan ketinggian gelombang pada bagian stern kapal di sebelah dalam dan luar demihull.

• Gangguan kecepatan fluida pada tunnel side dapat merubah struktur boundary layer

• Gelombang akibat gerakan demihull satu dapat mencapai demihull yang lain sehingga merubah luasan

lambung yang tercelup air, yang berarti juga mempengaruhi besarnya hambatan gesek. ii. Wave interference, sebagai implikasi dari 2 lambung yang berjalan berdampingan, interferensi gelombang dapat

diamati sebagai berikut;

• akibat dari perubahan penyebaran tekanan maka wave making resistance dapat berubah. Dengan kata lain

pola gelombang pada demihull dapat berbeda dengan asumsi ketika demihull diisolasi

• interaksi gelombang dari masing-masing demilhull dapat bersifat saling meniadakan.

• Pertemuan antara gelombang yang dihasilkan oleh haluan masing-masing lambung di centerline dapat

bersuperposisi mnghasilkan gelombang yang sangat besar • Pola gelombang di stern kapal bagian luar dan dalam tunnel shg menyebabkan berubahnya aliran


11/125

D ASAR TEORI

CAT W CAT F CAT CAT T

C C k C 1

k k 11

W F C C k 1

W F T C C k C )1(

Metode ITTC 1978 memberikan persamaan Koefisien Hambatan Total untuk Katamaran:

Di mana:

Ø : Faktor interferensi hambatan bentuk ( form)

: Faktor interferensi hambatan gelombang (wave)

σ : Faktor interferensi hambatan viskos (viscous)

Ø digunakan dalam perhitungan pengaruh perubahan tekanan di sekitar lambung (demihull ). Untuk tujuan

praktis, Ø dan σ dapat dikombinasikan (Insel dan Molland, 1992) ke dalam interferensi hambatan viskos

yakni faktor , dimana

Karena Interferensi hambatan gelombang tidak dibahas maka

.

sehingga

F T C k C )1(


12/125

Flow chart

MULAI

STUDY

LITERATUR

DESAIN MODEL

UJI TEROWONGAN ANGIN

PROFIL KECEPATAN KOEFISIEN TEKANAN, Cp

Parameter Lingkungan

SIMULASI NUMERIK

VISKOS PRESSURE COEFFICIENT, CVP

VIS. PRESSURE

VIS. KECEPATAN

INTERFERENSI

HAMBATAN VISKOS

SELESAI


13/125

Model ling

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

CL

BL 1

BL 2

BL 3

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10BASE LINE

1

2

3

DWL

BL1BL2BL3

WL 0

WL 1

WL 2

WL 3

CL

DWL

BL 1

BL 2

BL 3

BL 2 BL 1 CLBL 2

BL 1

WL 0

WL 1

WL 2

WL 3

DWL

1

2

3

DWL

T

B

LPP

Vessel

DWL

WL 1

WL 2 WL 3DWL

WL 1

WL 2WL 3

CL

BL 1

BL 2

BL 3

BL 1

BL 2

BL 3

B L1 B L 2 B L 3

26

47,5

457,26

40.7241

mm

mm

mm

PRINCIPAL DIMENSION

Catamaran

• Ukuran Model (LPP = 457, 25 mm; B =47,5 mm; dan T =26 mm)disesuaikan

dengan ukuran Test Section di terowongan angin (Armstrong, 2003)

• Untuk mempertimbangkan block effect dan memberikan hasil yang lebih teliti

• Koreksi blok effect dilakukan terhadap hasil perhitungan CV

Pressure tape pada Model

Model

Model yang digunakan adalah reflex model


14/125

Experimental Test

Pressure Tape (pipa kapiler)

Termometer

Data AkuisisiPressure Transducer

Selang Pressure Tape

Pitot Statik Tube


15/125

Pitot Static Tube

Pitot Static Tube digunakan untuk mengukur kecepatan free stream yang

merupakan gabungan static pressure probe dan stagnation pressure probe. Aliran freestream masuk melalui lubang yang berada di depan probe. Kemudian udara dimasukkan ke dalam

sebuah manometer yang berisi cairan kerosin sehingga diketahui perbedaan tekanan p0-p yang

disebut juga dengan tekanan dinamik. Pitot statict tube digeser melalui alat dengan

pergeseran sebesar 5 mm.


16/125

P T


17/125

Data Akuisisi

Berfungsi untuk membaca data tekanan dari pressure transducer yang

diberikan dalam analog mV, dimana Analog mV untuk diubah jadi Pressure

.

Pressure Tap

Pressure Tap berbentuk kawat tembaga berupa pipa kapiler yang

disambung dengan selang penghubung dan dihubungankan dari permukaan

benda uji (model). inside diameter sebesar 0,8 mm. Pressure tape berfungsi

untuk mengukur besarnya tekanan static di sepanjang permukaan benda uji

dengan menghubungkan ke manometer dan ke pressure transducer. Data

pengukuran dibaca melalui Data Akuisisi.

Pressure TransducerBerfungsi sebagai sensor tekanan yang dihubungkan

dengan masing-masing pressure tape melalui selang penghubung.


18/125

Experimental Test

-Jenis = Subsonic, Open Circuit Wind Tunnel

-Daya Listrik = 240 Volt/Single Phasa 50 Hz, 1.5 kW -Dimensi Utama = 2980 x 1830 x 800 mm

-Bidang uji (Test Section) = 660 x 660 mm

-Panjang Bidang Uji = 1880 mm

-RPM max = 1400

--Akurasi Pengukuran = 1 mN

Widodo, W. A., (2009)


19/125

Experimental Test


20/125

Experimental Test

Model Test Set Up

S/L 0,2 S/L 0,3 S/L 0,4

Perbedaan warna pada model menunjukkan bahwa model tersebut menggunakan model yang direfleksipada sarat kapal (Utama,1999;Armstrong; 2003)


21/125

Eks perimen

demiC

cat C IF

V

V

2/3

2

C

CSA

V

V

F

V

C

C k 1

F

V

C

C k 1

F VP V C C C '

VP VP C xWSA

CSAC

'

dsC C P VP .

VLRe

T

baT

1

2

1

Viskositas Dinamis

a =atmosfer condition (1,458 x 10-6

kg/m.sK1/2

)b = 110,4 K

Cengel dan Cimbala (2010).

RT

P

(Utama, 1999;

Armstrong, 2003

dan Molland,

2011)

(Armstrong, 2003)

ESDU (1980) dan Blackwell (2011).

h

Nilai Pressure Transduser

titik p p 1

stream p p 2

Parameter CFD

Cf = ITTC 1957

Utama, 1999;

(Armstrong, 2003;

Jamaludin, 2011)

Alat Ukur

Temperature

Kecepatan (V)

Asumsi tekanan di seksi uji

Pstatik =1 Atm

Untuk mempermudah

analisis dan eksperimen

Menggambarkan naik turunnya fluida

Viskositas Kinematis

Data Eksperimen

Blockage Correction

CVcorection

(Ariwibowo dkk, 2006)

(Widodo, 2010 )

Utama (1999) menjelaskan bahwa nilai CVP berdasarkan luas

bidang basah (wetted surface area, WSA) lambung kapal dan

CP berdasarkan cross sectional area (CSA), maka Cvp dapatdihitung dengan mengalikan perbandingan CSA/WSA


22/125

-0.600

-0.400

-0.200

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

C p

% L

Cp In S/L 0,2

Hasil Eksperiment


23/125

-0.400

-0.200

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

C p

% L

Cp Inner S/L 0,3

Hasil Eksperiment


24/125

-0.400

-0.200

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

C p

% L

Cp Inner S/L 0,3

Hasil Eksperiment

Cp Inner S/L 0 2


25/125

-0.600

-0.400

-0.200

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

0 20 40 60 80 100

C p

% L

Cp Inner S/L 0,2

-0.400

-0.200

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

0 20 40 60 80 100

C p

% L

Cp Inner S/L 0,3

-0.400

-0.200

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

0 20 40 60 80 100

C p

% L

Cp Inner S/L 0,4

Hasil Eksperiment

Jarak antara lambung yang semakin kecil akan

menyebabkan penurunan nilai Cp (Utama, 1999)

Pada kondisi ideal (isentropis), tekanan udara di

dalam seksi uji umumnya berharga konstan. Akan

tetapi pada kenyataannya terdapat gesekan udara

dengan permukaan pitot statik tube/pressure

tape sehingga mengurangi tekanan yang

dirasakan model (Ariwibowo, 2006)


26/125

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 20 40 60 80 100 120

C p

% L

Elipsoid Vs Ship Model

Elipsoid S/L 0,27 V= 20 m/s (Utama, 1999)

Katamaran S/L 0,3 V=15,4 m/s

Pada jarak antara lambung 0,27 dengan model kapal katamaran S/L 0,3, akan ditemukan perbedaan tren pada

persentase panjang > 70%. Sedangkan pada persentase dibawah nilai tersebut trend grafik masih menunjukkan

kesamaan. Perbedaan tersebut karena kedua bentuk yang berbeda. Selain itu juga karena perbedaan kecepatan dan

jarak antara lambung yang digunakan. Pada ujung-ujung elipsoid bentuknya tidak transom seperti pada model

katamaran, sehingga tekanan akan meningkat dan menyebabkan koefisien tekanan juga meningkat.


27/125

L

S

y

30% L

Hasil EksperimenProfil Kecepatan

0

10

20

30

40

50

0.6 0.7 0.8 0.9 1

y

V/Vmax

Velocity Profile S/L 0,2

Re 2,89 x 10^5

Re 3,47 x 10^5

Re 4,05 x 10^5

Re 4,46 x 10^5

Mellvil & Jones, 1936


28/125

L

S

y

30% L


0

10

20

30

40

50

60

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

y

V/Vmax


Re 2,89 x 10^5

Re 3,47 x 10^5

Re 4,05 x 10^5

Re 4,46 x 10^5


29/125

0

10

20

30

40

50

60

0.6 0.7 0.8 0.9 1

y

V/Vmax

Velocity Profile S/L = 0,4

Re 2,89 x 10^5

Re 3,47 x 10^5

Re 4,05 x 10^5

Re 4,46 x 10^5

L

S

y

30% L



30/125

0

10

20

30

40

50

60

0.6 0.7 0.8 0.9 1

y

V/Vmax

Velocity Profile S/L = 0,4

L

S

y

30% L


0

10

20

30

40

50

60

0.5 0.7 0.9

y

V/Vmax


0

10

20

30

40

50

0.6 0.7 0.8 0.9 1

y

V/Vmax


Re 2,89 x 10^5

Re 3,47 x 10^5

Re 4,05 x 10^5Re 4,46 x 10^5


31/125

Hasil Eksperiment

S/L Ave Vin/Vout

0,2 1,051

0,3 1,041

0,4 1,038

1.036

1.038

1.040

1.042

1.044

1.0461.048

1.050

1.052

0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

A v e V i n / V o u t

S/L

Average Velocity Profile

Average Velocity Profile

L

S

y

30% L


32/125

0.9910

0.9915

0.9920

0.9925

0.9930

0.9935

0.9940

0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

Average Pressure (Pin/Pout)

Hasil Eksperimen

S/L

Pin/Pout

L

S

y

30% L


33/125

Hasil Eksperimen

Model Re (105) CVP

CVP'

CF C

V koreksi

S/L 0,2

2,8941 0,1700 0,0031 0,0063 0,0094

3,4729 0,1584 0,0029 0,0060 0,0089

4,0517 0,1274 0,0023 0,0058 0,0081

4,4569 0,1832 0,0021 0,0056 0,0077

S/L 0,3

2,8941 0,0881 0,0024 0,0063 0,0087

3,4729 0,0920 0,0022 0,0060 0,0082

4,0517 0,0745 0,0020 0,0058 0,0077

4,4569 0,0670 0,0018 0,0056 0,0074

S/L 0,4

2,8941 0,0912 0,0017 0,0063 0,0084

3,4729 0,0885 0,0020 0,0060 0,0080

4,0517 0,0729 0,0018 0,0058 0,0076

4,4569 0,0645 0,0017 0,0056 0,0073

Perhitungan koefisien hambatan viskos

Model Re (105) CVP CVP' CF CV koreksi

Demi

2,89 0,0842 0,0015 0,0063 0,0078

3,47 0,0883 0,0016 0,0060 0,0076

4,05 0,0728 0,0013 0,0058 0,0071

4,46 0,0644 0,0012 0,0056 0,0068

Cat = 0,003532

Demi=0,000442

demiC

cat C IF

V

V

F

V

C

C k 1

F

V

C

C k 1

F VP V C C C '

VP VP C xWSA

CSAC

'

dsC C P VP .


34/125

Hasil Eksperiment

0.00300

0.00400

0.00500

0.00600

0.00700

0.00800

0.00900

2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00

C V

Re (105)

CV Demihull

Percobaan Towing Tank Percobaan Wind Tunnel

Rataan Persentase perbedaan Wind Tunnel Vs Terowongan Angin 3,24%


35/125

Hasil Eksperiment

0.00300

0.00400

0.00500

0.00600

0.00700

0.00800

0.00900

0.01000

2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00

C V

Re (105)

CV S/L 0,2

SL 02 Towing Tank SL 02 Wind Tunnel

Rataan Persentase perbedaan Wind Tunnel Vs Terowongan Angin adalah 2,33%


36/125

Hasil Eksperimen

0.00300

0.00400

0.00500

0.00600

0.00700

0.00800

0.00900

0.01000

2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00

C

V

Re (105)

CV S/L 03

SL 03 Towing Tank S/L 03 Wind Tunnel


H il k i


37/125

Hasil Eksperimen

0.00300

0.00400

0.00500

0.00600

0.00700

0.00800

0.00900

0.01000

2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00

C V

Re (105)

CV S/L 04

SL 04 Towing Tank SL 04 Wind Tunnel


H il Ek i


38/125

Hasil Eksperimen

Perhitungan Interferensi hambatan viskos

Cat = 0,003532

Demi=0,000442

Model Re (105) 1 + k k

Mono

2,89 1,2657 0,246

3,47 1,2697 0,270

4,05 1,2307 0,231

4,46 1,2087 0,209

Model Re (105) 1 + k Interferensi

S/L 0,2

2,89 1,4959 1,1993

3,47 1,4835 1,1668

4,05 1,4039 1,1392

4,46 1,3723 1,1338

S/L 0,3

2,89 1,3845 1,1100

3,47 1,3645 1,0732

4,05 1,3402 1,0875

4,46 1,3148 1,0863

S/L 0,4

2,89 1,3764 1,0790

3,47 1,3371 1,0517

4,05 1,3178 1,0694

4,46 1,2978 1,0723

H il Ek i t


39/125

1.0000

1.1000

1.2000

1.3000

1.4000

1.5000

1.6000

2.50 3.00 3.50 4.00 4.50

Re (105)

Form Factor

Demi

S/L 0,2

S/L 0,3

S/L 0,4

Hasil Eksperiment

S/L 0,2 terhadap S/L 0,3 dan S/L 0,4 masing-masing adalah 6,05% dan 7,36%.

penurunan viscous form faktor S/L 0,3 terhadap S/L 0,4 adalah 1,38% .

H il Ek i


40/125

1.00

1.05

1.10

1.15

1.20

1.25

2.50 3.00 3.50 4.00 4.50

C v C a t / C

v d e m i

Re (105)

Interferensi Hambatan Viskos

S/L 0,2

S/L 0,3

S/L 0,4

S/L 02 –S/L 0,3 6,08%

S/L 02 –S/L 0,4 7,91%

S/L 03 –S/L 0,4 1,95%

Interferensi

Hasil Eksperimen

1.00

1.02

1.04

1.06

1.08

1.10

1.12

1.14

1.16

1.18

0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

C v C a t / C v d

e m i

Re (105)

Rataan Interferensi Hambatan Viskos

Interferensi

N i l Si l ti


41/125

Numerical Simulation


42/125

N merical Sim lation


43/125


CFD

Fluid

Problem

Physics of Fluids

Navier-Stokes Equations

Discretized Form Grids

Computer Program

Simulation Result

Fluid Mechanics

Mathematics

Numerical Methods Geometry

Program Language

Computer

Comparison and Analisis

Proses Computational Fluid Dynamics (Zuo, 2010)

NAVIERS STOKES EQUATIONS: Partial differential equation defining

the unsteady viscous flow of fluids (ANSYS, 2010)

DISCRETIZATION: the process of dividing geometry into

smaller pieces (finite elements) to prepare for analysis, iemeshing (ANSYS, 2010)


44/125



45/125


Metode Diskritisasi CFD

Metode Diskritisasi untuk memecahkan Persamaan

Diferensial Parsial antara lain:

• Metode Beda Hingga (finite difference method)

• Metode Elemen Hingga (finite element method)

• Metode Volume Hingga (finite Volume method)

• Metode Elemen batas (boundary element method)

• Metode skema resolusi tinggi (high resolution scheme

method)

CFD merupakan pendekatan persoalan yang asalnya kontinum (memiliki jumlah sel tak

terhingga) menjadi model diskrit (Jumlah sel terhingga)

Metode Diskritisasi CFX adalah metode volume hingga (ANSYS, 2010)

Metode volume hingga menggunakan finite difference pada diskritisasi spatial dan temporal.

Metode ini mengintegrasi persamaan konservasi massa dan momentum sepanjang sel masing-

masing sebelum variabel didekati oleh nilai pada pusat sel. Persamaan tersebut diintegrasi

mengunakan weight residual methods.

Umumnya solver RANS berdasarkan Finite Volume Methods.



46/125


Proses Computational Fluid Dynamics dengan menggunakan CFX

>> Geometry

>> Mesh creation

>> Fluid definition

>> Problem definition

>> Solution

>> Viewing of Results

For most packages, the data stream is:

CAD (usually)

Mesh Generator

Pre-processor

Solver

Post-processor

(Dyson, 2004; ANSYS, 2010)


47/125

Pre-Processor

• Input model( file) yang sudah di-mesh

• Pendefenisikan karakteristik fisik model,

properti fluida dan juga boundary

condition


48/125

Solver

• Persamaan diferensial partial diintegralkan di sepanjang volume kontrol pada daerahyang ditinjau. Hal ini ekivalen dengan penerapan hukum konservasi (massa,momentum, dan energi) untuk masing-masing volume kontrol

• Persamaan integral tersebut diubah kepada sebuah sistem persamaan aljabar dengan

menghasilkan sejumlah pendekatan, dimana persamaan aljabar tersebut diselesaikansecara iteratif.

• Suatu pendekatan iteratif diperlukan karena sifat non linear dari persamaan dansebagai solusi yang mendekati solusi eksak. Hal ini disebut sebagai Convergen. Untukmasing-masing iterasi, error atau residual dilaporkan sebagai ukuran keseluruhankonservasi sifat aliran (ANSYS, 2010).

• Masalah CFD pada umumnya adalah non-linear, dan diperlukan teknik solusimenggunakan proses iteratif untuk turut meningkatkan penyelesaian sampai'konvergensi' tercapai

• Convergence is a major issue with the use of CFD software (www.


49/125

Post-Processor

• Merupakan komponen yang digunakan untuk menganalisa,memvisualisasi dan memperlihatkan hasil secara interaktifmisalnya:

– Visualisasi dari volume geometri dan kontrol – Vector plot yang menunjukkan arah dan besarnya aliran

– Visualisasi dari variasi variabel skalar (variabel yang besarnya saja,bukan arah, seperti suhu, tekanan dan kecepatan

– Animasi

– Kuantitafif perhitungan numerik

– Tabel dan Grafik – Hardcopy dan online output

ANSYS Workbench


50/125

ANSYS Workbench

Meshing


51/125

Meshing

“When a flow is both frictionless and irrotational , pleasant things happen.” F.M. White

Yang,dkk (2000)

Bogdán Yamaji, Attila Aszódi (2006)

Dinham dkk (2008)

Szelangiewicz dan Abramowski(2009)Hopfensitz, dkk (2010).

Boundary Condition


52/125

Boundary Condition

Outlet

(prel=0)

Wall

1.free slip condition

2. no slip condition)

Inlet

(pref =1 Atm)

Model

(No slip condition)

Mitchell dan Webb (2008)

Boundary Condition


53/125

Boundary Condition

Heat transfer isothermal (karena temperatur fluida adalah uniform)

dengan temperatur fluida sebesar 30oC (sesuai dengan rata-rata suhu

pengujian). Digunakan untuk memprediksi temperatur Reference pressure 1 atm (sesuai dengan kondisi tekanan udara luar)

Reference pressure adalah merupakan data tekanan absolut dimana dari

nilai ini, seluruh nilai tekanann yang lain diambil. CFX memecahkan tekanan statik

yang terjadi terjadi dalam bidang aliran.ref stat abs P P P

semua tab basic setting dipertahankan mengikuti default awal

(Mitchell dan Webb, 2008)

model

wallinlet

Outlet

fluida

Boundary Condition


54/125

Boundary Condition

Dinding yang rata

Tegangan geser ≠ 0

MODEL

Bilangan Mach < 1

Kecepatan Uji

Bila level

turbulensi tidak

diketahui secara

detail

k W jV iU U spec spec specinlet

INLET

Boundary Condition


55/125

Boundary Condition

Tidak terjadi up stream

disturbance (mitchell dan Web,

2008)

Bilangan Mach < 1

OUTLET

Jika reference Pressure diset 1 ATM maka relativepressure harus diset 0 (ANSYS, 2010)

Tegang Geser ≠ 0

Dinding Rata

WALL

Uwall = 0



56/125


Elemen Jumlah

Nodes

Tahanan

(N) Persentase(%)

345742 60498 0,09317 -

933391 164624 0,08709 6,98743 1322085 233392 0,08322 4,64554

1694506 299260 0,08098 2,77342

2449397 433416 0,08068 0,36091

Hantoro dan Utama (2010) menyatakan bahwa apabila

menggunakan sebuah model yang terbuka/bersentuhan

dengan atmosfer, maka domain fluida yang digunakanharus lebih besar untuk meminimalisai efek dari walls.

Hantoro dan Utama (2010) mengatakan bahwa

model yang diuji dengan menggunakan terowongan

angin, domain harus mengikuti model ukuran dan

bentuk terowongan angin.

Grid Independence


57/125

Grid Independence

0.070

0.075

0.080

0.085

0.090

0.095

0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000

T a h a n

a n ( N )

Jumlah Elemen

Grid Independence

Grid Indepence

Apabila grafik perubahan hambatan telah menunjukkan bentuk yang Asymtotik terhadap jumlah

elemen, dengan persentase


58/125

Model Turbulensi• Aliran turbulen dikenali dengan adanya medan kecepatan yang berfluktuasi di

mana fluktuasi tersebut membawa berbagai besaran seperti momentum, energi,

konsentrasi partikel. Model turbulen didekati dengan pendekatan ReynoldsAveraged-Navier Stokes (RANS) dan Large Eddy Simulation (LES). Kedua

pendekatan ini memerlukan model yang dirata-ratakan (time-average, ensemble

average) (Tuakia, 2008).

• Model turbulensi yang digunakan adalah shear stress transport ( SST).

• Penelitian Harinaldi dkk (2010) dalam menentukan pengaruh model turbulensi

sistem pendingin komponen mikroelektrik menyatakan bahwa model SST

memberikan hasil yang paling akurat jika dibandingkan dengan turbulensi yang

lain.

• Dinham dkk (2008) yang menyebutkan bahwa model turbulensi SST merupakanmodel yang cocok diaplikasikan pada bidang hidrodinamika dan saat ini dianggap

sebagai model 2 persamaan terbaik karena memiliki simulasi lapisan batas dengan

akurasi yang tinggi. Model SST menggabungkan model turbulensi k-epsilon

standar yang memiliki kelebihan untuk aliran free stream dan k-omega yang

memiliki kelebihan untuk aliran di sekitar dinding.

Hasil Eksperimen


59/125

Hasil Eksperimen

Perbedaan hasil uji Wind Tunnel Vs Terowongan Angin disebabkan:

-aliran di terowongan angin tidak bisa dijamin 100% sebagai aliran uniform mengingat

kekasaran dan bentuk test section, sebab setiap fluida yang mengalir di dekat benda solid

adalah aliran non-uniform (MIT lecture note, 2010)

-perbedaan temperatur pengujian

-asumsi tekanan di test section yang dianggap 1 Atm, Pada kondisi ideal (isentropis),tekanan udara di dalam seksi uji umumnya berharga konstan. Akan tetapi pada

kenyataannya terdapat gesekan udara dengan permukaan pitot statik tube/pressure tape

sehingga mengurangi tekanan yang dirasakan model

-test set up (posisi kelevelelan)

-kehalusan permukaan model, memberi pengaruh terhadap uncertainty faktor sekitar 2-4%

(Dryen, 1953)

Convergence Criteria


60/125

Convergence Criteria

RMS Residual level diperlukan untuk menormalisasi nilai persamaan residual:1e-4 relative loose convergence, but maybe sufficient for many engineering application.

1e-5 good convergence, and ussually sufficient for most engineering application.

1e-6 or lowervery tight convergence, occasionally required for geometrically sensitive

problems.

Convergence criteria = 10^-5 (Dinham, dkk 2008; Ansys, 2010)



61/125

A

B


No slip condition

Free slip condition



62/125


Additional Simulation



63/125

Re 2,89x105

(A), Re 3,47x105

(B), Re 4,05 x105

(C), Re 4,46 x105

AB

C D



64/125

Re 2,89x105

(A), Re 3,47x105

(B), Re 4,05 x105

(C), Re 4,46 x105

AB

C D



65/125

Re 2,89x105

(A), Re 3,47x105

(B), Re 4,05 x105

(C), Re 4,46 x105

AB

C D



66/125

Re 2,89x105

(A), Re 3,47x105

(B), Re 4,05 x105

(C), Re 4,46 x105

AB

C D



67/125

Re 2,89x105

(A), Re 3,47x105

(B), Re 4,05 x105

(C), Re 4,46 x105

AB

C D



68/125

Re 2,89x105

(A), Re 3,47x105

(B), Re 4,05 x105

(C), Re 4,46 x105

AB

C D



69/125

Re 2,89x105

(A), Re 3,47x105

(B), Re 4,05 x105

(C), Re 4,46 x105

AB

C D



70/125

Re 2,89x105

(A), Re 3,47x105

(B), Re 4,05 x105

(C), Re 4,46 x105

AB

C D


71/125

Vektor Kecepatan



72/125

Persentase perbedaan Free slip Vs No Slip ±4,2%

0.00800

0.00810

0.008200.00830

0.00840

0.00850

0.00860

0.00870

0.00880

0.00890

2.5 3 3.5 4 4.5 5

C V

Re (105)

CV (Free sleep)

S/L = 0,2 S/L=0,3 S/L = 0,4 Demihull



73/125

0.0081

0.0082

0.0083

0.0084

0.0085

0.0086

0.00870.0088

0.0089

0.0090

0.0091

0.0092

2.5 3 3.5 4 4.5 5

C V

Re (105)

CV (No Sleep)

S/L = 0,2 S/L=0,3S/L = 0,4 Demihull


74/125

Rasio CV free slip/no slipMODEL Re (105) Ratio Cv MODEL Re (105) Ratio Cv

Demi

2,89 1,0269

S/L 03

2,89 1,0346

3,47 1,0256 3,47 1,0324

4,05 1,0227 4,05 1,0310

4,46 1,0218 4,46 1,0279

S/L 02

2,89 1,0331

S/L 04

2,89 1,0291

3,47 1,0322 3,47 1,0255

4,05 1,0308 4,05 1,02514,46 1,0302 4,46 1,0230

1.0200

1.0220

1.0240

1.0260

1.0280

1.0300

1.0320

1.0340

1.0360

2.5 3 3.5 4 4.5

C v n s / C v f s

Re (105)

Cv no slip/Cv free slip

Demi S/L 02

S/L 0,3 S/L 04



75/125

Re (105)S/L 0,2 S/L 0,3 S/L 0,4

CFD T. Angin CFD T. Angin CFD T. Angin

2,890,0091 0,0094 0,0090 0,0087 0,0090 0,0084

3,47 0,0088 0,0089 0,0087 0,0082 0,0086 0,0080

4,05 0,0085 0,0081 0,0084 0,0077 0,0084 0,0076

4,46 0,0083 0,0077 0,0083 0,0074 0,0082 0,0073

Perbandingan C V CFD dan Terowongan Angin

Numerical and Experiment


76/125

0.007

0.008

0.008

0.009

0.009

0.010

2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

C V

Re (105)

CV S/L 0,2

Towing Tank Terowongan Angin CFD

Perbedaan persentase rataan CFD dengan eksperimen

terowongan angin adalah 3,94%

Perbedaan persentase rataan CFD dengan eksperimen towing

tank adalah 3,18%



77/125

0.007

0.008

0.008

0.009

0.009

0.010

2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

C V

Re (105)

CV S/L 0,3


Perbedaan persentase rataan CFD dengan eksperimen terowongan

angin adalah 6,38%

Perbedaan persentase rataan CFD dengan eksperimen towing

tank adalah 2,03%



78/125

Perbedaan persentase Maksimum CFD dengan eksperimen terowongan angin adalah 6,2%

Perbedaan persentase rataan CFD dengan eksperimen towing tank adalah

2,95%

0.0050

0.0055

0.0060

0.0065

0.0070

0.0075

0.0080

0.0085

0.0090

0.0095

2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

C V

Re (105)

CV S/L 0,4




79/125

Free slip Condition

0.998

1.000

1.002

1.004

1.006

1.008

1.010

1.012

1.014

1.016

2.5 3 3.5 4 4.5 5

C V c a t /

C V d e m i

Re (105)

Interference

S/L 0,2 S/L 0,3 S/L 0,4


80/125



81/125

0.70

0.80

0.90

1.00

1.10

1.20

1.30

2.5 3 3.5 4 4.5

I n t e r f e r e n s i

Re (105)

Interferensi Hambatan Viskos

S/L 02 CFD S/L 03 CFD S/L 04 CFD

S/L 0,2 WT S/L 0,3 WT S/L 04 W T

Grafik interferensi WT dan CFD

menunjukkan konsistensi, dimana

interferensi paling besar terjadi pada S/L

0,2 diikuti S/L 0,3 dan 0,4

Yaw Angle 2o


82/125

Yaw Angle S/L 0,2


83/125

Yaw Angle S/L 0,3


84/125

Yaw Angle S/L 0,4


85/125



86/125

0.008

0.009

0.01

0.011

0.012

0.013

0.014

0.015

0 2 4 6 8 10

C V

Angle of Attack (o)

Cv

Demihull

S/L 0,2

S/L 0,3

S/L 0,4



87/125

-0.005

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0 2 4 6 8 10

C S F

Angle of Attack (o)

CSF

Demihull

S/L 0,2

S/L 0,3

S/L 0,4



88/125

10.0000

10.2000

10.4000

10.6000

10.8000

11.0000

11.2000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

V m a

x

Angle of Attack (o)

Vmax

Demihull

S/L 0,2

S/L 0,3

S/L 0,4

Kesim pulan


89/125

• Uji terowongan angin dan penggunaan simulasi numerik mampu memberikan informasi tentang

perubahan tekanan dan kecepatan aliran dalam memahami perilaku interaksi komponen

hambatan viskos pada kapal katamaran.

• Peningkatan rasio jarak antara lambung akan mengakibatkan penurunan nilai distribusi tekanan.

Koefisien tekanan terendah dialami oleh S/L yang lebih kecil (S/L 0,2) dan terbesar dialami oleh

S/L yang lebih besar (S/L 0,4 )

• Rasio jarak antara lambung mempengaruhi profil kecepatan, peningkatan rasio jarak antara

lambung menyebabkan penurunan nilai rasio kecepatan, sehingga S/L yang rendah akanmenyebabkan rasio kecepatan yang lebih tinggi dan berlaku juga sebaliknya.

• Hasil simulasi numerik dan eksperimen menunjukkan bahwa interferensi hambatan viskos

terbesar terjadi pada S/L 0,2 diikuti S/L 0,3 dan 0,4. Perbedaan antara hasil tank test dengan CFD

berada di bawah 4% sedangkan antara simulasi numerik dengan eksperimen di terowongan

angin berada di bawah 7%. Perbedaan yang masih dibawah 7% menyimpulkan bahwa akurasi

simulasi numerik cukup signifikan.

• Penambahan sudut serang menyebabkan kenaikan koefisien drag, gaya samping serta

kecepatan. Rataan CV terbesar hingga terendah dialami S/L 0,2 ; S/L 0,3 dan S/L 0,4 pada sudut

di bawah 60.Sedangkan CSF katamaran terbesar dialami S/L 0,4 nilainya hampir sama dengan

demihull(< 2%). Diikuti oleh S/L 0.3 dan S/L 0,2.

Saran


90/125

• Untuk memperkecil kesalahan antara simulasi numerik dengan eksperimen, maka perlu

dilakukan berbagai variasi model turbulensi, misalnya dengan model turbulensi k-, k-, RNG k-

dan sebagainya.

• Selain karena pengaruh model turbulensi, tingkat stabilitas dan akurasi pada strategi

penyelesaian (solution strategy ) juga perlu divariasikan dengan tingkat stabilitas dan akurasi yang

lain. Bila pada simulasi numerik ini menggunakan Hybrid Differencing Scheme (HDS) karena

menggunakan default CFX, maka perlu mencoba orde lain seperti Upwind Differencing Scheme

(UDS) dan the Quadratic Upstream Interpolation for Convective Kinetics (QUICK).• Meshing juga turut berperan penting dalam memperbaiki hasil simulasi numerik. Pemahaman

terhadap meshing dengan menggunakan CFX-mesh, meshing dengan Ansys Mechanical dan ICEM

CFD masih perlu ditingkat, karena meshing yang teratur akan memberikan hasil yang jauh lebih baik

bila dibandingkan dengan meshing general .

Scientific Publication


91/125

Title Remarks ISSN

Investigasi Interferensi Hambatan

Viskos Katamaran Menggunakan UjiTerowongan Angin

Majalah Pengkajian Industri

(Jurnal terakreditasi LIPI)

under review

Wind Tunnel Investigation Into The

Drag Characteristics Of A Pair Of

Demihull Catamaran In Proximity

ASIA PASIFIC HYDRODYNAMICS

(International Seminar) in

Malaysia

Accepted to presented

Analisa Distribusi Tekanan dan

Kecepatan Aliran pada Kapal Katamaran

tanpa Turbulen Stimulator dengan Uji

Terowongan Angin

Proceeding-SENTA 2011

(Seminar Nasional)

ISSN 1412-2332

A study into the selection of Mono and

Multihull Vessels for Better Sea

Transportation System

Proceeding UGM Yogyakarta

2011

(Seminar Internasional UGM)

ISSN No. 979-545-0270-1

CFD Analysis for Passenger LogisticCarrier with Hull Form Variation

Proceeding-SNPs 2011(Seminar Nasional)

ISSN No. 9-545-0270-1

Design of Passenger Logistic Carrier in

Province of Moluccas by multifunction

concept

Proceeding-SNPs 2010

(Pemakalah)

ISSN No. 979-545-0270-1


92/125

Terimakasih

CF


93/125

CF

• Min (2008), penerapan form factor sulit untukditentukan

Perbedaan Simulasi


94/125

Perbedaan hasil uji Wind Tunnel Vs Terowongan Angin Vs CFD disebabkan:

-aliran di terowongan angin tidak bisa dijamin 100% sebagai aliran uniform mengingat

kekasaran dan bentuk test section, sebab setiap fluida yang mengalir di dekat benda

solid adalah aliran non-uniform (MIT lecture note, 2010)

-perbedaan temperatur pengujian

-asumsi tekanan di test section yang dianggap 1 Atm, Pada kondisi ideal (isentropis),

tekanan udara di dalam seksi uji umumnya berharga konstan. Akan tetapi pada

kenyataannya terdapat gesekan udara dengan permukaan pitot statik tube/pressure

tape sehingga mengurangi tekanan yang dirasakan model

-test set up (posisi kelevelelan)

-kehalusan permukaan model, memberi pengaruh terhadap uncertainty faktor sekitar 2-4%

(Dryen, 1953)


95/125



96/125

Perbedaan interference Terowangan Angin dengan CFD (No slip Condition)

8,68% dan free slip condition (9,2%)

0.9800

1.0000

1.0200

1.0400

1.0600

1.0800

1.1000

1.1200

1.1400

1.16001.1800

0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

i n t e

r f e r e n c e

S/L

Interference Average

free slip no slip wind tunnel

Kontribusi


97/125

Kontribusi

• Inovasi analisa dan evaluasi interferensihambatan viskos melalui eksperimen wind

tunnel dan CFD (bagaimana menganalisa

hambatan viskos melalui perubahan tekanan)

• Mengevaluasi interferensi hambatan viskos

melalui paramater perubahan tekanan dankecepatan dan aliran di sekitar lambung


98/125



99/125

Variabel Pressure dengan range Global



100/125

Velocity Contour



101/125

Asumsi dalam Simulasi CFD• Fluida bergerak dalam kondisi steady

• Aliran udara dianggap (uniform)

• Fluida dalam keadaan incompressible

1.Aliran Inviscid dan Viscous Aliran fluida berdasarkan viskositasnya dibagi menjadi dua bagian yaitu aliran inviscid dan viscous. Pada aliran inviscid efek

dari viskositas (kekentalan) fluida diabaikan (μ = 0). Sebenarnya aliran fluida dengan viskositas sama dengan nol ini tidak ada.

Namun untuk menyederhanakan analisa beberapa fenomena aliran mengabaikan dapat mengabaikan viskositas. Untuk aliran fluida

di i k it tid k di b ik k li it di b t li i (F d Al 1994)


102/125

dimana viskositas tidak diabaikan maka aliran itu disebut aliran viscous (Fox dan Alan, 1994).

1.Aliran Laminar dan Aliran Turbulen

Berdasarkan struktur alirannya, aliran fluida dibedakan menjadi aliran laminar dan aliran turbulen. Untuk aliran laminar

kecepatan pada suatu titik akan tetap terhadap waktu. Sedangkan aliran turbulen kecepatannya akan mengindikasikan suatu

fluktuasi yang acak. Dalam aliran turbulen, profil kecepatan pada suatu titik dihasilkan dari gerak acak partikel fluida berdasarkan

waktu dalam jarak dan arah.1.Aliran Compressible dan I ncompressibl e

Aliran di mana perubahan massa jenis dapat diabaikan disebut inkompresibel. Ketika perbedaan massa jenis aliran tidak

diabaikan, aliran ini disebut kompresibel. Pada kenyataannya tidak ada fluida yang massa jenisnya konstan, tetapi ada beberapa

masalah aliran fluida yang dapat disederhanakan dengan menganggap massa jenisnya konstan. Hal ini tidak mengurangi keakuratan

solusi yang didapat. Parameter yang menjadi acuan utama untuk menentukan suatu aliran kompresibel atau tidak, dilihat dari nilai

Mach Number (M), yang didefinisikan sebagai rasio antara kecepatan aliran lokal terhadap kecepatan suara lokal (Fox dan Alan,

1994).

1.Aliran Internal dan Eksternal

Aliran yang dibatasi oleh suatu permukaan batas seperti pipa atau pembuluh disebut aliran internal. Aliran mengalir padabenda yang terbenam di dalam fluida yang tak berbatas diistilahkan aliran eksternal. Aliran internal dan eksternal keduanya dapat

berupa aliran laminer atau turbulen, kompresibel atau inkompresibel (Gerhart dan Richard, 1985).

1.Aliran Uniform dan Steady

Aliran uniform adalah aliran yang memiliki kecepatan yang besar dan arahnya sama pada setiap titik di dalam fluida tersebut.

Sedangkan non uniform flow memiliki kecepatan yang tidak sama pada setiap titik. Setiap fluida yang mengalir di dekat benda solid

adalah aliran non-uniform, tetapi bila ukuran dan bentuk penampang arus aliran adalah konstan, maka aliran bisa dianggap sebagai

aliran uniform.

Aliran steady adalah aliran dengan salah satu kondisi aliran (kecepatan, tekanan dan penampang) berbeda tetapi tidak

berubah sepanjang waktu. Apabila aliran tersebut mengalami perubahan tekanan, kecepatan dan penampang dengan waktu, maka

aliran tersebut adalah un-steady .

1.Aliran Potensial

Aliran potensial merupakan masalah aliran dimana aliran dapat diwakili oleh fungsi potensial skalar. Dapat dijelaskan bahwa

sebuah fungsi potensial (x, z, t) merupakan fungsi kontinu yang memenuhi hukum dasar mekanika fluida yaitu konservasi massa dan

momentum yang menganggap aliran sebagai aliran incompressible, inviscid dan irrotational .


103/125

Dengan demikian aliran potensial adalah merupakan aliran ideal dan aliran irrotasional yang disederhanakan menjadi:

1.Aliran Irrotational

Aliran irrosional aliran dimana partikel fluida tidak berotasi akibat tidak ada tegangan geser. Dengan demikian gaya yang dialami selalu tegak

lurus terhadap permukaan.

1.Fluida Ideal

Fluida ideal adalah fluida yang incompressible, two-dimensional , irrotational , steady, and nonviscous flow ( frictionless flow, an invisvid flow)

Pembagian Aliran


104/125

Pembagian Aliran

• Kerapatan (densitas):• aliran termampatkan (compressible) ada

perubahan densitas

• Aliran tak termampatkan (incompressible)densitas konstan, tidak mengalami perubahankerapatan

• Pada kenyataan: tidak ada aliranincompressible, sehingga aliran invisciddianggap incompressible ( konstan)

Pembagian Aliran


105/125

Pembagian Aliran

• Kekentalan:

• aliran viskos (viscid flow) ada kekentalan

(gesekan/gaya hambat)

• Aliran tak viskos (inviscid flow) tidak mengalamigaya gesekan (gaya hambat=nol, frictionless)

• Aliran yang melewati permukaan benda akan

membentuk lapisan batas, hal ini disebabkan efekviskositas yang menyebabkan timbulnya gaya

geser

Aliran Irrotational


106/125

Aliran Irrotational

• Tidak ada shear stress (the fluid particles arenot rotating).)

• Gaya selalu normal terhadap permukaan,

karena tekanan• Di dekat boundary layer viskositas memainkan

peranan penting dan aliran adalah rotational

dan viscid


107/125

• boundary layer yang secara umum dapat diartikansebagai suatu daerah yang masih dipengaruhi olehtegangan geser.

• Boundary layer akan terbentuk akibat adanya suatualiran fluida viscous yang melintasi suatu kontur

permukaan. Efek yang ditimbulkan akibat terbentuknyaboundary layer adalah adanya hambatan pada aliran

fluida yang berada di dekat dinding permukaan.

Boundary Layer adalah suatu lapisan tipis pada permukaan padat tempat

fluida mengalir, dimana di dalam lapisan tersebut pengaruh

viskosits maupun gaya inertia sangat berarti

9.1. Konsep Boundary Layer


108/125

Note:

Pada awalnya Boundary layer adalahlaminar .

Transisi ke turbulent terjadi pada jarak

tertentu dari titik stagnasi, tergantung pada:

- kecepatan free stream- kekasaran permukaan padat

- gradient tekanan

Titik separasi terjadi pada daerah adverse

pressure gradient

Fluida dalam boundary layer padapermukaan body membentuk viscous wake

di belakang titik separasi.

9.1. Konsep Boundary Layer


109/125

109

Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi

Transisi Boundary layer antara lain:

- Gradient tekanan

- Kekasaran permukaan

- Perpindahan panas

- Gaya bodi

- Gangguan pada free stream

Daerah transisi dari laminarke Turbulen:

2 x 105 < Rex < 3 x 106

(biasanya diambil Rex = 5 x 105)

μ

x U ρRe

x


110/125

• Pada pelat datar, transisi terjadi pada Re dari3,5x105 hingga 2,8x106.

• We can define a potential function,! (x, z, t) ,

as a continuous function that satisfies the• basic laws of fluid mechanics: conservation of

mass and momentum, assuming

i ncompressible, inviscid and irrotational flow.


111/125

• Ideal flow ( fluid mechanics) Fluid flow which isincompressible, two-dimensional, irrotational,

steady, and nonviscous

inviscid flow: Flow of an inviscid fluid. Also knownas frictionless flow; ideal flow; nonviscous flow.

•


112/125

• Persamaan dasar fluida pada dasarnyadikembangkan dari ketiga prinsip dasar fisika

yaitu kekekalan massa, kekekalan momentum,

dan kekekalan energi

•

Persamaan Navier Stokes


113/125

Persamaan Navier Stokes


114/125

Form Factor:Adanya tambahan kecepatan aliran di sekeliling kapalAdanya tekanan pada pusat kekentalan akibat perpanjangan garis gesek sepanjang kapal

POTENTIAL flow . Fluids flow problems where the flow can be represented by scalar


115/125

potential function

The freestream is the air far upstream of an aerodynamic body, that is, before the

body has a chance to deflect, slow down or compress the air. Freestreamconditions are usually denoted with a \infty symbol, e.g. V_\infty, meaning the

freestream velocity

Freestream adalah udara jauh hulu dari tubuh aerodinamis, yaitu

sebelum tubuh memiliki kesempatan untuk membelokkan,

memperlambat atau memampatkan udara. Kondisi freestreambiasanya dinotasikan dengan simbol infty \, misalnya V_ \ infty,

yang berarti kecepatan freestream

The pressure coefficient is a parameter for studying the flow of incompressible

fluids such as water, and also the low-speed flow of compressible fluids such as air.

The relationship between the dimensionless coefficient and the dimensionalnumbers

Koefisien tekanan adalah parameter untuk mempelajari aliran cairan

mampat seperti air, dan juga aliran kecepatan rendah cairan kompresibel

seperti udara. Hubungan antara koefisien berdimensi dan jumlah dimensi


116/125

Kurva Cp


117/125

Kurva Cp

• Cp bernilai nol (0) berarti bahwa tekanan di titik perhitungan adalah sama

dengan tekanan pada aliran bebas (free stream). Dengan demikian, besar

kecepatan di titik perhitungan juga sama dengan besar kecepatan free stream.

• Cp bernilai negatif (di bawah nol) mengandung arti bahwa tekanan di titik

perhitungan lebih kecil dibandingkan tekanan free stream. Dengan demikian

kecepatan di titik tersebut lebih besar dibandingkan dengan kecepatan free

stream.

• Cp bernilai 1, maka tekanan tersebut adalah tekanan stagnasi dan titik tersebut

merupakan titik stagnasi.Pada keadaan ini, kecepatan di titik tersebut adalah

sama dengan nol.


118/125

Hambatan menurut ITTC


119/125

Hambatan menurut ITTC

Hambatan gelombang mengandung komponen fluida ideal (inviscid ) dan

hambatan kekentalan meliputi hambatan akibat tegangan geser ( friction drag)

dan komponen tegangan kekentalan (viscous pressure)

• Hambatan sisa, R R

Hambatan sisa adalah kuantitas yang merupakan hasil pengurangan dari hambatan total badan kapal atau merupakan kuantitas hasil

pengurangan koefisien hambatan total dengan koefisien hambatan gesek. Nilai perhitungan hambatan ini diperoleh dengan menggunakan rumus.

Secara umum, bagian yang terbesar dari hambatan sisa pada kapal niaga adalah hambatan gelombang (wavemaking resistance). Unsur lainnya


120/125

adalah hambatan tekanan dan hambatan gesek tambahan sebagai akibat bentuk benda yang tiga dimensi

• Hambatan viskos, R V

Hambatan viskos adalah komponen hambatan yang berhubungan dengan energi yang dikeluarkan akibat pengaruh viskos.

• Hambatan Tekanan, Rp

Hambatan tekanan adalah komponen hambatan yang diperoleh dengan cara mengintegralkan tegangan normal ke seluruh permukaan benda menurut arah gerakan benda.

• Hambatan Tekanan Viskos, R PV

Hambatan tekanan viskos adalah komponen hambatan yang diperoleh dengan cara mengintegralkan tegangan normal akibat viskositas

dan turbulensi. Kuantitas ini tidak dapat langsung diukur kecuali pada benda yang terbenam seluruhnya, dalam hal ini sama dengan hambatan

tekanan. Hambatan kekentalan meliputi hambatan akibat tegangan geser ( friction drag ) dan komponen tegangan kekentalan (viscous pressure).

Hambatan viskos pada lambung kapal terdiri dari hambatan tekanan ( pressuredrag) dan hambatan gesek ( friction drag atau shear force). Hambatan gesek

merupakan gaya hambatan akibat adanya viskositas fluida yang menyinggung

permukaan lambung secara tangential dan hambatan tekanan merupakan

gaya normal akibat tekanan fluida disekitar lambung.

Hambatan gelombang (wave making resistance), R W Hambatan gelombang adalah komponen hambatan yang terkait dengan energi yang dikeluarkan sehingga menimbulkan gelombang

ravitasi atau bekerjanya gaya normal fluida pada seluruh badan kapal. Hambatan gelombang terjadi karena tekanan fluida yang bekerja dalam

rah normal terhadap lambung kapal. Hambatan gelombang mengandung komponen fluida ideal ( inviscid ). Komponen ini dipisahkan menjadi

ua bagian yaitu hambatan pola gelombang (R WP) dan hambatan pemecahan gelombang (R WB). Estimasi hambatan pemecah gelombang dibahas


121/125

leh Hogben (1974).

Hambatan Pola Gelombang (wave pattern Resistance), R WPHambatan pola gelombang adalah komponen hambatan yang disimpulkan dari hasil pengukuran elevasi gelombang yang jaun dari kapal

tau model. Dalam hal ini, medan kecepatan bawah permukaan ( subsurface velocity field ) yang berarti momentum fluida, dianggap dapat

ikaitkan dengan pola gelombang dengan menggunakan teori linier. Hambatan yang disimpulkan demikian itu tidak termasuk hambatanemecahan gelombang (wavemaking resistance).

Hambatan Pemecahan Gelombang, R WB

Hambatan pemecahan gelombang adalah komponen hambatan yang terkait dengan pemecahan gelombang yang berada di buritan kapal.

Hambatan Semprotan ( spray resistance), R S

Hambatan semprotan adalah komponen hambatan yang terkait dengan energi yang dikeluarkan sehingga menimbulkan semprotan.

Ada beberapa komponen hambatan tambahan R A, yang penting untuk diperhatikan karena akan mempengaruhi hambatan total kapal,

aitu:

Hambatan Anggota Badan (appendage resistance)

Hambatan ini terjadi akibat adanya tonjolan anggota badan pada permukaan kapal. Contoh: bos poros, penyangga poros ( shaft brackets)an poros, lunas bilga, daun kemudi dan sebagainya. Jika tanpa anggota badan maka hambatannya disebut hambatan polos (bare resistance)

Hambatan Kekasaran

Hambatan ini terjadi akibat kekasaran, misalnya kekasaran akibat korosi dan fouling (pengotoran) pada badan kapal.

Hambatan Udara

Hambatan ini dialami oleh bagian badan kapal yang berada di atas permukaan air dan bangunan atas ( superstructure) sehingga

enyebabkan hambatan karena gerakan kapal yang juga menyusuri udara.

Hambatan Kemudi ( steering resistance)

Untuk mempertahankan kelurusan lintasan, koreksi kedudukan umumnya dilakukan dengan memakai daun kemudi. Pemakaian daun

emudi menyebabkan timbulnya komponen hambatan tambahan yang disebut hambatan kemudi.

Total. Ct

Skin friction CfoResid ar Cr


122/125

Skin friction. Cfo

(equivalent flat plate)

Residuary. Cr

Friction. Cf

(tangential stress)

Form effect on

skin friction

Viscous. Cv

Wake resistance

Viscous pressure

Transom drag

Wave breaking

and spray

Total. Ct

Pressure. Cp

(normal stress)

Wave. Cw Induced drag

Wave pattern. Cwp

Couser, 1997


123/125

Sahoo, 2007

Pressure


124/125

25

35

45

55

65

75

5 7 9 11 13 15 17

M a x P r e s s u r e

Kecepatan

Pressure

S/L 0,2

S/L 0,3

S/L 0,4Demihull

S/L 02 Pressure (Pa) S/L 03 Pressure (Pa)


125/125

( ) ( )

V MIN MAX V MIN MAX

10 -24,18 29,38 10 -27,02 29,13

12 -36,67 42,06 12 -40,68 41,7114 -51,78 56,99 14 -57,15 56,52

15,4 -64,79 68,78 15,4 -70,09 68,21

Demi Pressure (Pa) S/L 04 Pressure (Pa)

V MIN MAX V MIN MAX

10 -26,4 27,55 10 -25,38 28,11

12 -39,98 39,44 12 -38,18 40,22

14 -55,99 53,44 14 -53,15 56,12

15,4 -68,81 64,49 15,4 -67,86 65,74

Documents

Fenomena Interaksi Aliran Pada Kapal Catamaran