ITS Undergraduate 17691 Paper 970429

1

Analisa Pengaruh Penambahan Stern Flap Pada Kapal Planing Hull Dalam Usaha Untuk

Menguranggi Tahanan Kapal

Dosen Pembimbing : Irfan Syarif Arief ST.,MT. (1969 1225 1997 02 1001)

Dosen Pembimbing : Edi Jatmiko ST.,MT. (1978 0706 2008 01 1012)

Mahasiswa Pelaksana : M. Novan H.A (42 06 100 040)

Jurusan Teknik Sistem Perkapalan - Fakultas Teknologi Kelautan

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Surabaya, 2011

Abstrak

Seorang Marine Engginer mempunyai tanggung jawab untuk ikut serta dalam usaha

memerangi krisis energy saat ini. Pada dasarnya system propulsi pada kapal yang terdiri dari

propulsor, power plant dan ship hull diusahakan seeffisien mungkin, sehingga kebutuhan energy untuk

propulsi kapal sekecil mungkin. Hal ini tengah menjadi tujuan utama dalam usaha untuk menggurangi

pemakaian energy disaat krisis energy melanda dunia. Penghematan pemakaian bahan bakar dan

energy pada kapal dapat dilakukan dengan cara perancangan yang tepat pada hidrodinamis dan

propulsinya.

Pemakaian bahan bakar tidak akan lepas dari dunia perkapalan. Dan disaat krisis energi

saat ini, perlu adanya suatu inovasi atau usaha yang perlu dikembangkan. Oleh karena itu dalam

penelitian Analisa Pengaruh Penambahan Stern Flap Pada Kapal Planing Hull Dalam Usaha

Untuk Menguranggi Tahanan Kapal. Peneliti berusaha untuk melakukan study ilmiah tentang

penambahan stern flap yang dikatakan dapat memberi pengaruh dalam mengurangi tahanan kapal

berkurangnya tahanan dari kapal, diharapkan dapat menggurangi pemakaian bahan bakar sehingga

dapat menjadi salah satu inovasi dalam usaha memerangi global warming.

Dari hasil analisa yang telah dilakukan menunjukan dengan adanya penambahan stern flap

dapat mengurangi besarnya tahanan pada kapal planning hull. Hasi paling besar didapatkan pada

model stern flap dengan panjang chord 2.5% Lpp, 100% B, dan sudut flap 0. Hasil analisa

menunjukkan pengurangan paling besar 2.70 % pada kecepatan 30 knot, dan rata-rata pengurangan

sebesar 2.40%.

Keyword : Marine Engginer, krisis energi, stren flap, tahanan, planning hull.

1.1. Latar Belakang

Disaat seluruh dunia mengalami isu akan

energi berbagai cara dilakukan untuk

menggurangi pemakaian energi. Penggunaan

energi memang tidak bisa dipisahkan dalam

dunia industry perkapalan. Didunia perkapalan

sendiri telah banyak perkembangan yang telah

dilakukan untuk menangapi masalah itu. Para

enginer belomba-lomba untuk melakukan suatu

terobosan yang diharapkan dapat salah satu cara

untuk memeranginya. Keinginan untuk

meningkatkan efisiensi propulsi karena tingginya

biaya bahan bakar untuk operasional sebuah

kapal mempunyai pengaruh yang sangat besar

dalam perencanaan sebuah kapal. Meskipun

harga harga minyak saat ini lebih rendah dari

tahun lalu, namun masih ada perkiraan bahwa

harga itu akan kembali naik ke tingkat yang lebih

tinggi dimasa depan. Karena itu keinginan untuk

menghemat masih sangat tinggi dan tetap

mengusahakan setiap cara yang memungkinkan

untuk menurunkan biaya operasional bahan

bakar.

2

Salah satu hal yang paling berpengaruh

dalam pemakaian energi dari kapal adalah

tahanan kapal tersebut. Seperti yang telah kita

ketahui kapal merupakan benda yang komplek

dan rumit, dikarenakan kapal dapat bergerak

dengan kecepatan tertentu di melalui fluida air

baik diatas maupun dibawah permukaaan air. Hal

ini menyebabkan kapal mengalami gaya hambat

(resistance) oleh air. Oleh karena itu kapal

membutuhkan energi tertentu untuk dapat

melawan tahanan tersebut. Besar kecilnya

tahanan tergantung akan kecepatan dari kapal.

Dengan mengurangi tahanan yang dialami kapal

maka akan berpengaruh dalam pemakaian energi.

Salah satu usaha yang dikatakan mampu

mengurangi tahanan adalah dengan penambahan

stern flap pada buritan kapal

Pada penelitian ini akan diuji pengaruh

penambahan stern flap pada kapal jenis planning

hull agar dihasilkan suatu tahanan yang optimum

dari kapal. Analisa aliran fluida dilakukan dengan

metode CFD (Computational Fluid Dinamics).

Atas dasar itu penulis mengangkat judul

Analisa Pengaruh Penambahan Stern Flap

Pada Kapal Planing Hull Dalam Usaha Untuk

Menguranggi Tahanan Kapal. Diharapkan

dari penelitian ini akan didapatkan pembuktian

adanya pengaruh stern flap dalam pengurangan

tahanan kapal.

1.1. Perumusan Masalah

Dari urain diatas dapat dibuat rumusan

masalah yang terjadi. Analisa akan dilakukan

untuk penambahan stern flap pada kapal

planning. Melakukan simulasi untuk

memodelkan pengaruh penambahan stern flap

terhadap tahanan pada kapal planning. Analisa

akan dilakukan pada model-model stern flap.

Dari analisa diharapkan akan didapatkan model

stern flap yang optimum dalam mengurangi nilai

tahanan.

1.2. Batasan Masalah

Dari permasalahan yang harus

diselesaikan di atas maka perlu adanya

pembatasan masalah serta ruang lingkupnya agar

dalam melakukan analisa nantinya tidak melebar

dan mempermudah dalam melakukan analisa,

batasan tersebut yaitu :

Analisa akan dilakukan terbatas pada

model kapal fast patrol jenis planning hull

sebagai berikut :

Prinsiple Dimension :

Length Over All (LOA) : 17.32 m

Length of Hull : 16.00 m

Length Water Line (LWL) : 13.73 m

Length of Perpendiculer : 13.50 m

Breadth Maximum : 4.20 m

Breadth Moulded : 3.80 m

Draft Design : 0.75 m

Speed : 30 knot

Stern Flap akan dianalisa sesuai panjang,

sudut dan lebar yang ditentukan. Variasi stern

flap dilakukan pada panjang (chord) antara 0.5 %

- 2.5 % LPP dan lebar (span) antara 50%-100% B

dan sudut 0. Penelitian dilakukan menggunakan

simulasi computer dengan menggunakan metode

CFD. Analisa biaya tidak diperhitungkan

1.3. Tujuan

Tujuan penulisan Skripsi ini adalah

Untuk merancang suatu model penambahan stern

flap pada kapal jenis planning hull. Mengetahui

seberapa besar pengaruh pemberian stern flap

terhadap tahanan kapal planning hull.

Menentukan bentuk stern flap yang optimum

untuk model kapal planning hull. Pembuktian

pangaruh stern flap pada pengurangan tahanan

kapal jenis planning hull.

2.1. Planning Hull

Planning hull merupakan bentuk

lambung yang memiliki nilai perbandingan antara

kecepatan dan panjang kapal benilai lebih dari 3.

Sebuah kapal dikatakan berbentuk planning hull ketika nila Froude Numbernya Fn > 1.2. Tetapi,

Fn = 1.0 juga digunakan sebagai batas terendah

dari Planning Hull. Kapal planning hull biasanya digunakan

pada kapal patrol, kapal penangkap ikan, kapal

service, dan kapal-kapal kompetisi olahraga. Planning hull bias dibedakan menjadi 2 jenis

yaitu : planning hull kecepatan tinggi dan

planning hull chine ganda.

Planning hull kecepatan tinggi digunakan untuk menguranggi tekanan negatif pada

3

lambung saat kapal mencapai kecepatan tinggi.

Ini bermaksud untuk memiliki aliran separasi pada daerah transom dan sepanjang lambung.

Aliran separasi sepanjang sisi lambung

disempurnakan dengan adanya hard chine.

Gambar 1. Planing hull kecepatan tinggi (Savitsky

1992)

Planing hull chine ganda memiliki dua

chine yaitu : chine bawah dan chine atas. Aliran

akan terpisah dari chine bawah pada kecepatan

tinggi, sedangkan chine atas menyebabkan lebar

kapal yang besar saat kecepatan rendah. Chine

atas harus dipilih untuk menghindari aliran

separasi dari chine bawah pada kecepatan tinggi.

Gambar 2. Planing hull chine ganda (Savitsky 1992)

2.1.1. Savitskys Formula

Savitsky mengenalkan perhitungan

empiris untuk gaya angkat, drag dan center of

pressure coefficient. Koefisien angkat dapat

dihitung dengan :

dimana

Dan

Dimana :

CL0 = lift coefficient untuk deadrise = 0 ( = 0)

CL = lift coefficient

FL0 = lift force untuk deadrise = 0 ( = 0)

FL = lift force

W = nilai rata rata permukaan basah

= sudut trim dalam derajat

= sudut dari deadrise

B = lebar

Cv = koefisien kecepatan = U/(gB)0.5

U = kecepatan kapal

Perhitungan diatas valid untuk 2

15 dan W 4.

Posisi longitudinal dari titik pusat gaya

tekan dapat dihitung dengan :

2.2. Stren Flap

Stern flap adalah salah satu penambahan appendage yang berupa penambahan panjang

pada buritan kapal. Interaksi dengan lambung

terjadi pada trim kapal, mengurangi tahanan

propulsi dan meningkatkan kecepatan kapal. Parameter paling penting dari stern flap adalah

panjang chord (Lf), sudut flap () dan flap span sepanjang transom. Dari berbagai penelitian stern flap memiliki efek dalam performa kapal seperti

stern wedge. Semua stern flap tergantung pada

ukuran dan tipe dari kapal yang digunakan. Stern flap menyebabkan gaya angkat

keatas pada transom dan merubah distribusi

tekanan pada buritan kapal. Pada kapal planning

hull stern flap berpengaruh pada sudut trim 4 5 derajat. Sedangkan pada displacement hull stern

flap mengakibatkan kenaikan sudut trim 0.1-0.3

derajat. Hal ini tidak berpengaruh signifikan pada pengurangan tahanan kapal. Keuntungan dasar

pada kapal dengan penambahan stern flap pada

kapal adalah perubahan alur aliran disekitar

propeller. Aliran ini memberikan pengurangan drag pada bagian buritan dan merubah tahanan

gelombang pada kapal.

Gambar 3. Gambar Lokasi Stern Flap

4

Keuntungan dasar pada penambahan

stern flap adalah :

Mengurangi tahanan pada powering.

Penelitian menunjukan bahwa

pengurangan bekisar 5 12%

Meningkatkan kecepatan maksimum.

Merubah sistem gelombang transom.

Stern Flap menyebabkan aliran pada

bawah lambung menurun pada lokasi

penambahan panjang. Penurunan flow velocity

akan meningkatkan tekanan pada bawah

lambung, hal ini menyebabkan pengurangan gaya

hisap afterbody (pengurangan bentuk drag).

Tinggi gelombang dan energi gelombang pada

buritan dapat dikurangi dengan adanya stern flap.

2.2.1. Efek Hidrodinamis Pada Stern Flap a. Perubahan Aliran Buritan

Stern flap mengurangi kecepatan aliran dan meningkatkan tekanan dinamis pada bawah

lambung. Peningkatan daerah tekanan

menyebabkan gaya angkat yang lebih besar yang

menghasilkan efek positif dalam pergerakan arah kapal.

Stern flap meningkatkan kecepatan aliran

keluar pada trailing edge dibandingkan dengan transom tanpa flap. Peningkatan kecepatan ini

akan mengurangi kecepatan aliran perpisahan dan

menjadikan aliran perpisahan yang lebih bersih yang menghasilakn pengurangan pada tahanan

viscous pressure.

b. Perubahan Sistem Gelombang Pemindahan aliran disekitar daerah

buritan tanpa stern flap diakibatkan oleh

hilangnya energi seperti eddy-making, tubulensi

dan adanya white water. Pada kecepatan yang sama stern flap mengakibatkan daerah aliran

dengan mengurangi : tinggi, slope dan

gelombang pecah. Dengan adanya stern flap

dapat menguranggi tinggi gelombang pada sistem gelombang daerah dekat buritan dan daerah jauh

buritan.

c. Gaya Angkat dan Drag Stern flap dapat menghasilkan gaya

angkat dan drag pada semua kecepatan dan

kondisi. Keuntungannya adalah interaksi dengan lambung dan propeller sehingga dapat

menguranggi tahanan kapal. Gaya angkat dan

drag meningkat lebih besar seiring dengan

peningkatan panjang chord, span dan sudut.

Gambar 4. Sistem Gelombang Transom

2.3. Tahanan Kapal Kapal harus didesain seefisien mungkin

ketika bergerak di air dengan gaya eksternal yang seminimum mungkin. Secara garis besar antara

Tahanan Kapal (Ship Resistance) dan Propulsi

Kapal (Ship Propulsion) memiliki hubungan yang sangat erat, dan saling mempunyai ketergantungan diantara keduanya. Namun demikian, pada prakteknya Tahanan Kapal dan

Propulsi Kapal dibahas terpisah. Tahanan Kapal diaplikasikan untuk mencari kebutuhan Gaya

Dorong (Thrust) yang dibutuhkan oleh kapal,

agar kapal dapat bergerak dengan kecepatan dinas (Service Speed) yang sesuai dengan

perencanaannya. Sedangkan, pada Propulsi Kapal

adalah menekankan pada bagaimana

menyediakan besarnya Gaya Dorong (Thrust) dari system penggerak kapal, dan bagaimana

interaksi antara alat gerak kapal tersebut terhadap

aliran fluida yang melintasi badan kapal (Hull). Tahanan umumnya dibagi menjadi dua

komponen yang diberikan oleh aturan yang

berbeda :

1. Skin friction resistance yang diberikan

oleh Reynolds number.

2. Residuary resistance yang diakibatkan

adanya gelombang diberikan oleh Froude

number.

Kapal yang bergerak maju dengan

kecepatan tertentu akan mengalami gaya hambat

oleh fluida yang memiliki arah berlawanan

dengan arah gerak kapal. Gaya hambat tersebut

5

disebabkan oleh gaya fluida, yang dalam hal ini

cenderung mengarah pada fluida air yang dinilai

cukup besar hambatannya terhadap gerak kapal.

Gaya hambat yang disebabkan fluida inilah yang

disebut sebagai resistance atau tahanan kapal.

Resistance merupakan istilah yang biasa

digunakan dalam hydrodinamika, sedangkan

dalam aerodinamika benda-benda yang terbenam

biasa digunakan istilah drag. Dalam kurva

tahanan terdapat badan kapal yang bergerak

diatas dan dibawah permukaan air yang

mempunyai viskositas. Absisnya merupakan

Froude Number.

Oleh karena itu tahanan kapal (RT)

didefinisikan sebagai gaya yang dibutuhkan kapal

dengan kecepatan konstan (U). Tenaga yang

dibutuhkan menggerakan kapal adalah :

2.3.1. Froude Number dan Reynolds Number

Bilangan Froude adalah sebuah bilangan tak bersatuan yang digunakan untuk mengukur

resistensi dari sebuah benda yang bergerak

melalui air, dan membandingkan benda-benda dengan ukuran yang berbeda-beda. Timbulnya

panjang gelombang sama dengan panjang dari

lambung kapal, sehingga pada kondisi kecepatan kritis ini telah ditetapkan persamaan dari Froude

number atau jenis aliran sebagai berikut :

Besar froude number yang diberikan

pada persamaan di atas, merupakan batas maksimal pada kondisi displacement hull.

Sedangkan untuk persamaan Froude number

pada kondisi planning hull yang biasa digunakan ialah Volumetric Froude Number :

31

g

VF

Dalam mekanika fluida, bilangan Reynolds adalah rasio antara gaya inersia (vs) terhadap gaya viskos (/L) yang mengkuantifikasikan hubungan kedua gaya

tersebut dengan suatu kondisi aliran tertentu. Bilangan ini digunakan untuk mengidentikasikan

jenis aliran yang berbeda, misalnya laminar dan

turbulen. Bilangan Reynold merupakan salah satu

bilangan tak berdimensi yang paling penting

dalam mekanika fluida dan digunakan, seperti

halnya dengan bilangan tak berdimensi lain, untuk memberikan kriteria untuk menentukan

dynamic similitude. Jika dua pola aliran yang

mirip secara geometris, mungkin pada fluida yang berbeda dan laju alir yang berbeda pula,

memiliki nilai bilangan tak berdimensi yang

relevan, keduanya disebut memiliki kemiripan dinamis. Reynolds number dirumuskan dengan :

Dimana,

: viskositas kinematis ( : viskositas r : density

2.3.2. Jenis Tahanan Kita dapat membagi tahanan pada air

tenang menjadi :

1. Viscous water resistance 2. Air resistance 3. Wave resistance 4. Spray resistance 5. Residual Resistance

2.3.2.1. Viscous Water Resistance Komponen tahanan yang utama

disebabkan oleh gaya gesek pada permukaan basah lambung. Teori boundary layer (lapisan

batas) digunakan untuk menjelaskan efek dari

kecepatan fluida. Itu berarti kecepatan hanya pada permukaan lambung kapal. Dua lapisan

batas sepanjang plat datar dapat digunakan untuk

menjelaskan karakteristik penting dari aliran

viskositas. Kita dapat menjadikan daerah basah lambung sebagai plat datar.

Gambar 5. Lapisan Batas Sepanjang Plat Datar

Rumus empiris untuk viscous water

resistance :

6

International Towing Tank Conference

(ITTC) memberikan rumus korelasi dari koefisien gesek (CF) untuk permukaan lambung

halus :

Kekasaran plat juga berpengaruh besar

pada tahanan viscous. Nilai ini berdasarkan pada nilai AHR (Average Hull Roughnes). Pada

bangunana kapal baru nilai AHR berkisar antara

75-150m. Rumus empiris untuk mencari koefisien gesek kekasaran lambung (CF) :

[ ]

Maka nilai CF adalah :

Dimana S adalah area permukaan basah

dari lambung. Biasanya nilai S dapat

diestimasikan saat kecapatan nol. Bagaimanapun nilai S sesungguhnya berubah seiring dengan

terjadinya peninggian free surface pada lambung.

Pada planning hull nilai S dibagi menjadi dua bagian.

Gambar 6. Sistem Koordinat dan Symbol Kapal Planning

Ini menyatakan bahwa separasi dari chine

akan dimulai pada x = xs = Lk Lc , ketika xs :

Maka

Permukaan basah S1 dari haluan (x=0)

sampai ketika pemukaan basah chine dimulai (x

= xs).

(

(

) )

Permukaan basah dari x = xs sampai

daerah transom dirumuskan dengan :

2.3.2.2. Air Resistance

Tahanan udara tanpa adanya angin

dirumuskan dengan :

Dimana a adalah masa jenis udara dan A

adalah luas area bangunan diatas permukaan air.

Usaha untuk membuat design yang streamline

pada superstructure untuk kapal cepat adalah usaha untuk memperkecil CD. Nilai CD berkisar

antara 0.50.7. Karena nilai a hanya 1.25 kgm-3

untuk udara kering pada 10 C sedangkan nilai untuk air laut pada 10C adalah 1026.9 kgm

-3,

maka tahanan udara hanya berpengaruh kecil.

2.3.2.3. Wave Resistance Wave resistance (RW) disebabkan oleh

gelombang yang diakibatkan oleh pergerakan

kapal diatas air sesuai dengan kecepatan konstan (U) pada kondisi air tenang. Wave resistance

dipengaruhi oleh luas permukaan basah lambung

dan Froude number. Jika kapal berada pada perairan dangkal, RW sangat dipengaruhi oleh

ketinggian air. Bagian pentting dari wave

resistance adalah energi pada area jauh

gelombang yang disebabkan oleh kapal.

Gambar 6. Bentuk Gelombang Kapal

7

Area jauh gelombang pada air dalam

dapat diklasifikasikan menjadi gelombang tranverse dan divergent (gambar 11). Panjang

gelombang tranverse dirumuskan dengan :

Sedangkan panjang gelombang divergent dirumuskan dengan :

Lunde (1951) memberikan rumus wave

resistance :

Nilai W diberikan pada grafik, notasi WD adalah nilai koefisien pada gelombang

divergent dan WT adalah nilai koefisien pada

gelombang tranverse. Nilai WD dan WT

diberikan untuk mengetahui kontribusi gelombang divergent dan gelombang traverse.

Nilai W,WD dan WT diberikan sebagai fungsi

dari Frouder number (Fn=U / Lg).

2.3.2.4. Spray Resistance Spray resistance terjadi karena adanya

tekanan yang tinggi yang tidak berubah dan besarnya tekanan gradient pada belakang

lambung dekat dengan aliran bebas. Gaya angkat

hidrodinamic pada spray akan mempengaruhi trim pada kapal dan tahanan lambung.

Total spray resistance dapat dihitung

mengunakan rumus empiris :

Dimana nilai kecepatan spray berbanding terbalik dengan kecepatan wedge.

Dan kecepatan wedge dirumuskan

dengan .

Sedangkan spray sheet pada sectional ( dirumuskan .

(

)

2.3.2.5. Residual Resistance 1. Added Wave Resistance

Semua jenis tahanan yang telah

dijelaskan diatas ditunjukan pada saat kapal

bergerak pada kecepatan tetap pada garis lurus di air tenang. Tahanan sisa yang disebabkan oleh

gelombang, angin dan pergerakan kapal juga

haruss dipertimbangkan. Tahanan sisa pada gelombang sering disalah artikan sebagai tahanan

gelombang. Tahanana sisa gelombang (RAW)

adalah akibat dari interaksi antara peristiwa gelombang dengan kapal.

Gambar 7. Grafik Tahanan RAW

Ketika rasio /L sangat besar, gerakan relative antara kapal dan air menjadi nol. Itu

berarti kapal tidak menyebabkan gelombang yang tidak tetap, dan itu berarti RAW menjadi nol.

2. Pressure Resistance

Gambar 8. Bentuk Prismatic Planning Hull

Penjelasan :

= Berat Kapal Lcg = Longitunal center of gravity

T = Gaya Dorong

Rv = Viscous Resistance = Trim Angle (pada radian) FL = Lift Force

N = Gaya Normal

8

Savitsky memberikan rumus empiris dari

pressure resistance (Rp) :

2.4. Computational Fluid Dynamics

Computational Fluid Dynamic (CFD)

merupakan ilmu sains dalam penentuan

penyelesaian numeric dinamika fluida. CFD

adalah pendekatan ketiga dalam studi dan

pengembangan bidang dinamika fluida selain

pendektan teori dan eksperimen murni. Pada

abad ke 17, dasar-dasar dinamika fluida

eksperimental diperkenalkan di Inggris dan

Perancis. Pada abad ke-19 memperlihatkan

pengembangan dinamika fluida secara teoritis.

Kemudian sepanjang abad ke-20, studi dan

praktik dalam dinamika fluida melibatkan

penggunaan teori murni dan eksperimen

murni.hali ini terjadi hingga awal 1960-an. Pada

akhirnya tahun 1970 dikembangkan CFD dengan

berbagai keterbatasan. Adapun beberapa

keuntungan yang diperoleh dengan menggunakan

CFD antar lain :

Meminimumkan waktu dan biaya dalam

mendesaign suatu produk, bila proses

design tersebut dilakukan dengan uji

eksperimen dengan akurasi tinggi.

Memiliki kemampuan sistem studi yang

dapat mengendalikan percobaan yang

sulit atau tidak mungkin dilakukan

dengan eksperimen.

Memiliki kemampuan untuk studi

dibawah kondisi berbahaya pada saat

atau sesudah melewati titik kritis

(termasuk studi keselamatan dan

kecelakaan)

Keakuratannya akan selalu dikontrol

dalam proses design.

2.4.1. Persamaan Dasar Dinamika CFD

Pada dasarnya semua jenis CFD

menggunakan persamaan dasar dinamika fluida

yaitu persamaan kontinuitas, momentum dan

energy. Tiga prinsip dasar fisika yang dipakai

dalam prinsip dasar CFD yaitu.

a) Hukum kekekalan massa

b) Hukum kedua newton

c) Hukum kekekalan energy

Untuk mendapatkan persamaan dasar

gerak fluida, dipakailah beberapa filosofi yaitu.

a) Memilih prnsip fisika dasar dari

hukum-hukum fisika diatas.

b) Menerapkan prinsip-prinsip fisika di

dalam model aliran.

2.4.2. Teori Dinamika Fluida CFD

Computational Fluid Dynamics (CFD)

merupakan salah satu ilmu sains dalam

menentukan penyelesaian numeric dinamika

fluida dan merupakan pendekatan ketiga dalam

pengembangan bidang dinamika fluida selain

pendekatan secara eksperiman dan teori.

Berikut adalah beberapa keuntungan dari

penyelesain dengan CFD antara lain:

1. Efisiensi waktu dan biaya dalam

mendesain suatu produk, dengan begitu

dapat diperoleh hasil yang baik dan

akurasi tinggi.

2. Memiliki kemampuan sistem studi yang

dapat melakukan percobaan yang sulit

dilakukan melalui eksperimen.

3. Memilki kemampuan studi dibawah

kondisi yang berbahaya pada saat atau

sesudah melewati titik kritis.

4. Keakuratannya akan selalu di control

dalam proses desain.

Dalam desain kerjanya problem yang ada

perlu dideskripsikan kedalam software CFD

dengan menggambarkan model yang akan

dianalisa, sifat-sifat yang ada disekitar model dan

juga menentukan kondisi batasnya. Kemudian

dalam solver akan problem yang ada akan

dihitung dengan persamaan yang ada. Dari hasil

perhitungan akan didapatkan hasil output dari

running program CFD.

Computational Fluid Dynamics (CFD)

merupakan analisa system yang mencakup aliran

fluida, perpindahan panas, dan fenomena yang

terkait, sperti reaksi kimia dengan simulasi yang

berbasis computer. Program ini sangat berguna

dan dapat diaplikasikan pada bidang industry dan

non industry. Code CFD tersusun atas logaritma

numeric, sehingga dapat digunakan untuk

9

menyelesaikan problem pada suatu aliran fluida.

Code CFd terdiri atas tiga elemen utama yaitu

Pre Processor (CFX Bulid), Solver manager dan

post processor (visualize).

3. Metodologi Penelitian

Untuk mendukung keberhasilan

penelitian ini maka harus ada kejelasan metode

yang menjadi kerangka acuan dalam pelaksanaan

penelitian. Kerangka ini berisi tahapan-tahapan

yang dilakukan untuk menyelesaikan

permasalahan dari penelitian ini. Dimulai dari

identifikasi masalah sampai dokumentasi

Laporan Tugas Akhir, serta langkah-langkah

dalam simulasi Maxsurf dan ANSYS CFD.

3.1. Tahap Awal

Pada tahap awal pengerjaan tugas akhir

ini difokuskan pada identifikasi dan perumusan

masalah, perumusan masalah ini terkait dengan

desain planning hull dan stern flap,

perkembangannya serta beberapa penelitian yang

terkait.

Pemahaman teori dasar mengenai

tahanan pada kapal planning hull dan stern flap

serta segala aspek mengenai desain stern flap

sangatlah membantu, yang diperoleh dari

literature, buku dan data internet.

Selanjutnya adalah tahapan pengumpulan

data. Data yang diperlukan adalah data dimensi

kapal , planning hull setelah divalidasi maka akan

ditentukan dimensi stern flap. Data kemudian

dikelolah dan dibandingkan.

3.2. Simulasi Model

3.2.1. Pengambaran Model

Simulasi model dimulai dengan

pembuatan kapal planning yang akan dibuat

sebagai dasar analisa. Pembuatan model kapal

dilakukan pada software Maxsurf Pro dengan

LOA 17m. Setelah itu dilakukan analisa tahanan

dengan Hullspeed.Proses selanjutnya adalah

mengimport model pada ANSYS ICEM, pada

ANSYS ICEM akan dilakukan lagi pembentukan

surface pada model.

Agar dapat dianalisa maka model yang

telah dibuat harus memiliki boundary condition

dandomain. Boundary condition merupakan

kondisi atau jenis batas area kerja fluida misal

sisi masuk (inlet), sisi keluar (outlet), objek

simulasi.Sedangkan domain menunjukkan jenis

fluida kerja yang geometri yang telah menjadi

permukaan (surface) selanjutnya diberi yang

berupa susunan partikel berbentuk tetra (proses

meshing). Pemberian volume domain

menggunakan software ANSYS ICEM dimana

semakin kecil ukuran tetra maka semakin tinggi

juga keakurasian simulasi.

Setelah dilakukan proses validasi tahanan

dengan mengunakan 3 metode yang berbeda

yaitu : manual (metode savitsky), HullSpeed dan

ANSYS. Maka dapat dibuat model stern flap

dengan variasi yang diberikan yaitu: panjang sten

flap bernilai 0.5 %, 1.5% dan 2.5% LPP, lebar

span bernilai 50% dan 100% B, dan sudut flap

bernilai 0. Proses pengambaran model juga

menggunakan cara yang sama dengan

pengambaran lambung kapal.

Gambar 9. Flow Chart Skripsi

10

4. Analisa Data

4.1. Pembuatan Model Kapal

Pada penulisan skripsi ini studi kasus

dilakukan pada kapal planning hull dengan

principal dimesion :

Length Over All (LOA) : 17.32 m

Length of Hull : 16.00 m

Length Water Line (LWL) : 13.73 m

Length of Perpendiculer : 13.50 m

Length Center Grav. (LCG) : 5.183 m

Breadth Maximum : 4.20 m

Breadth Moulded : 3.80 m

Draft Design : 0.75 m

Cb : 0.41

Sudut Deadrise () : 20

Speed : 30 knot Kapal ini dikatakan termasuk jenis

planning karena memiliki nilai SLR > 3.

SLR = Vk /Lwl

= 30 / 45.04 = 4.46

Merancang suatu model menggunakan software Maxsurf juga mengandung unsur

manual yakni dalam hal membuat konstruksi

body plan sehingga sesuai dengan bentuk yang diinginkan. Sehingga didapat suatu model yang

akan dianalisa tahanannya pada software

Hullspeed.

Gambar 10. Model Kapal Planing Hull

4.2. Analisa Model Setelah dilakukan pemodelan kapal yang

akan dianalisa, maka tahap selanjutnya adalah

proses validasi model untuk mengetahui besarnya

nilai tahanan pada model dengan segala parameter tahanannya. Model akan dianalisa

menggunakan 3 proses untuk mengetahui

besarnya tahanan pada model.

4.2.1. Analisa Tahanan Manual Perhitungan tahanan secara manual

dilakukan dengan menggunakan metode savitsky.

Dengan memberikan batasan bahwa kapal telah

mengalami mode planning. Dengan parameter

yang ada maka perhitungan tahanan dapat dilakukan. Dan hasil perhitungan tahanan

manual.

Vs Vs (m/s) Rt (KN)

23 11.83 20.95

24 12.35 20.99

25 12.86 21.12

26 13.38 21.09

27 13.89 21.21

28 14.40 21.21

29 14.92 21.12

30 15.43 21.25

4.2.2. Analisa Tahanan Hullspeed Analisa tahanan pada hull speed

dilakukan dengan 3 metode, yaitu : metode

Savitsky Pre Planing, metode Savitsky Planing.

Hasil analisa tahanan mengunakan hullspeed adalah sebagai berikut.

4.2.3. Analisa Tahanan Ansys CFD Pada simulasi ini metode yang digunakan

adalah metode free surface sehingga terdapat dua

jenis fluida yang masuk kedalam simulasi yaitu

air laut dan udara.

11

Pada analisa ini kapal diletakan pada sebuah

kotak dengan ukuran P x L x T = 40 x 30 x 20. Setelah

itu memberi boundary condition pada tiap-tiap bagian

domain. Inlet boundary pada simulasi ini metode yang digunakan adalah metode free surface sehingga

terdapat dua jenis fluida yang masuk kedalam simulasi yaitu air laut dan udara. Parameter kecepatan yang

diberikan divariasikan saat kapal sudah memasuki

tahap planning yaitu pada kecepatan 23 knot sampai

30 knot. Outlet merupakan bagian dari domain

stationer dengan parameter yang dipakai adalah

tekanan statis dengan ekspresi DownPres Atm yang

bersifat relative terhadap tekanan fluida pada domain.

Pada analisa ini kapal dijadikan boundary sebagai wall

dengan parameter no slip yang artinya tidak terdapat

gesekan pada model apabila dilewati fluida kerja.

Pada part back dan front akan dijadikan boundary

sebagai symmetry. Pada bagian top (atas) jadikan sebagi opening yang artinya aliran fluida yang bekerja

pada percobaan dianggap tidak akan memantul lagi

kedalam. Sedangkan pada bagian bottom (bawah)

dijadikan sebagai boundary wall karena diibaratkan

sebagai dasar.

Berikut ini hasil dari simulasi pada ANSYS

CFD.

Hasil analisa tahanan mengunakan ANSYS

CFD.

Va

(Knot)

Vs

(m/s)

Va

(m/s) Rt (N)

Rt

(KN)

23 11.83 11.06 20770.94 20.77

24 12.35 11.53 20959.92 20.96

25 12.86 11.99 21257.53 21.26

26 13.38 12.47 21398.11 21.40

27 13.89 12.96 21661.18 21.66

28 14.40 13.44 21838.15 21.84

29 14.92 13.92 21898.52 21.90

30 15.43 14.39 22194.03 22.19

4.3. Validasi Tahanan Dari hasil ketiga cara analisa tahanan

maka didapatkan nilai tahanan pada masing-

masing cara.

Vs (Knot)

Resistance (kN)

MANUAL HULL

SPEED ANSYS

23 20.95 22.14 20.77

24 20.99 22.41 20.96

25 21.12 22.64 21.26

26 21.09 22.83 21.40

27 21.21 22.99 21.66

28 21.21 23.15 21.84

29 21.12 23.30 21.90

30 21.25 23.47 22.19

20.00

21.00

22.00

23.00

24.00

22 23 24 25 26 27 28 29 30

Re

sist

ance

(KN

)

Knot

Manual

Hull speed

ANSYS

12

4.4. Pemodelan Stern Flap Parameter dari design stern flap adalah

panjang chord, lebar (span) dan sudut (angle).

Untuk analisa ini variasi dilakukan pada panjang

chord dan lebar (span) dari stern flap. Parameter

sudut ditetapkan pada 0 karena banyak penelitian yang membuktikan stern flap memiliki

keuntungan yang lebih besar saat diberi sudut 0.

Berikut ini tabel variasi yang akan digunakan pada analisa:

Stern

Flap

#

Chord

(m)

Chord

(%

Lpp)

Span

(m)

Span

(% B)

Sudut

( )

1 0.3375 2.5 3.8 100 0 2 0.2025 1.5 3.8 100 0

3 0.0675 0.5 3.8 100 0

4 0.3375 2.5 1.9 50 0

5 0.2025 1.5 1.9 50 0

6 0.0675 0.5 1.9 50 0

Setelah pengambaran stern flap selesai,

maka tahap selanjutnya yaitu pemodelan.

Pemodelan dilakukan seperti saat pemodelan pada kapal tanpa stern flap (bare hull).

4.5. Pembahasan Dengan data-data yang telah diperoleh

dari analisa yang dilakukan pada ANSYS CFD, maka dibuat suatu perbandingan nilai yang

didapatkan.Perbandingan dilakukan untuk

mengetahui efek yang dihasilkan dengan adanya

stern flap pada kapal.Data yang dibandingkan antara hasil analisa lambung kapal dengan model

dari stern flap.

Ship

Speed

(knot)

Model Resistance (kN)

Bare

Hull

Stern

Flap

1

Stern

Flap

2

Stern

Flap

3

Stern

Flap

4

Stern

Flap

5

Stern

Flap

6

23 20.77 20.34 20.45 20.68 20.53 20.65 20.83

24 20.96 20.49 20.60 20.91 20.78 20.84 21.06

25 21.26 20.75 20.88 21.13 20.88 20.98 21.22

26 21.40 20.88 21.07 21.21 21.12 21.31 21.36

27 21.66 21.13 21.36 21.58 21.39 21.50 21.59

28 21.84 21.28 21.41 21.75 21.50 21.73 21.76

29 21.90 21.37 21.57 21.64 21.56 21.69 21.78

30 22.19 21.59 21.70 21.91 21.86 22.00 22.08

Dari data dapat dibuat suatu grafik untuk

mempermudah pembacaan dari data.Dari grafik dapat dilihat mana konfigurasi stern flap yang

paling optimum.

4.5.1. Performa Model Stern Flap Dari data tabel maka dapat dibuat suatu

analisa seberapa besar pengaruh penambahan

stern flap pada pengurangan tahanan kapal. Dari data-data yang telah didapatkan dari

masing-masing model stern flap, maka dapat

disimpulkan pengaruh dari tiap-tiap model terhadap pengurangan tahanan. Dengan

membandingkan pengaruh dari masing-masing

model maka akan didapatkan model stern flap yang paling optimum.

20.00

21.00

22.00

22 23 24 25 26 27 28 29 30

Rt (kN)

Knot

Bare Hull

Stern Flap 1

Stern Flap 2

Stern Flap 3

Stern Flap 4

Stern Flap 5

Stern Flap 6

13

Dari data yang dihasilkan terlihat stern flap

1 memberikan pengaruh yang paling besar dalam penggurangan tahanan dibandingkan dengan

model-model stern flap yang lain.

Performa Model Stern Flap 1

Panjang Chord 0.3375 m

Lebar Span 3.8 m

Sudut 0

Rata-rata Pengurangan

Tahanan 2.40%

Pengurangan Tahanan Maksimum

2.71% @ 30 knot

5. Kesimpulan Setelah melakukan semua perhitungan

dan simulasi model yang direncakan, dan

berdasarkan hasil analisa serta pembahasan maka dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai

berikut :

1. Dari grafik perbandingan nilai tahanan model kapal tanpa stern flap (bare hull)

dengan model kapal dengan stern flap

(gambar 4.23) terlihat bahwa dengan

adanya penambahan stern flap pada kapal besarnya nilai tahanan dapat dikurangi.

2. Hasil simulasi menunjukkan pada model stern flap 1 dengan panjang chord 0.3375

m (2.5% Lpp), lebar span 3.8 m (100% B)

memberikan pengurangan tahanan terbesar 0.6 kN (2.71 %) pada kecepatan 30 knot.

3. Hasil simulasi menunjukkan pada model stern flap 2 dengan panjang chord 0.2025 m (1.5% Lpp), lebar span 3.8 m (100% B)

memberikan pengurangan tahanan terbesar

0.49 kN (2.22 %) pada kecepatan 30 knot.


m (0.5% Lpp), lebar span 3.8 m (100% B)



5. Hasil simulasi menunjukkan pada model stern flap 4 dengan panjang chord 0.3375 m (2.5% Lpp), lebar span 1.9 m (50% B)




m (2.5% Lpp), lebar span 1.9 m (50% B) memberikan pengurangan tahanan terbesar


7. Hasil simulasi menunjukkan pada model

stern flap 4 dengan panjang chord 0.0675

m (2.5% Lpp), lebar span 1.9 m (50% B) memberikan pengurangan tahanan terbesar


8. Dari semual model stern flap, model stern flap 1 adalah yang paling optimum dalam

mengurangi tahanan pada kapal dengan

2.40% pengurangan, dan pengurangan paling besar 2.70 % pada kecepatan 30

knot.

6. Daftar Pustaka

1. Tupper Eric, Introduction to Naval Architecture, 3rd Ed, 2002, Great Britain.

2. Eric Tupper & K.J.Rawson, Basic Ship Theory Volume 2, Ship Dynamic and

Design, 5th

Edn ; 2001; India

3. Savistky, Daniel., On the Subject Of High Speed Monohull ; 2003; Athens

4. Lord, Lindsay, Naval Architect Of Planning Hull, 3

rd Edn ; 1963 ;

Maryland

5. Faltinsen,ODD.M., Hydrodinamic Of High-Speed Marine Vehicle, 1

st Edn ;

2005 ; USA

6. Savitsky, Daniel., Hydrodinamic Design Of Planning Hull ; 1964.

14

7. Thomas C. Gillmer & Bruce Johnson, Introduction To Naval Architecture, 1987, Naval Institute Press.

8. Cumming, D., Overview of Hydrodynamic Research Effort to

Derive a New Stern Design for the

HALIFAX Class Frigates , 2007; Canadian Marine Hydromechanics and

Structures Conference. 9. Salas M, Rosas J. & Luco R.,

Hydrodinamic Analysis of The Performance Stern Flap in a Semi

Displacement Hull; 2003; Chile.

10. ITTC Recommended Procedure 7.5-

02-03-01.4, 1978 ITTC Performance Prediction Method,1999

11. www.ansys.com/cfxtoturial

Documents

ITS Undergraduate 17691 Paper 970429