ANALISA MODEL KAPAL SELAM DENGAN VARIASI PANJANG LAMBUNG DAN SUDUT TALI BUSUR HALUAN MENGGUNAKAN METODE COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS DAN TAL Muhammad Ikhwan Kurniawan 1, Yanuar 2 1,2 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia Kampus Baru UI Depok, 16424, Indonesia E-mail: ikhwankurniawan@hotmail.co.id Abstrak Efisiensi bahan bakar menjadi isu yang sangat penting di masyarakat maupun dalam dunia maritim. Pada sebuah kapal, efisiensi bahan bakar erat kaitannya dengan tahanan kapal, semakin besar tahanan kapal, semakin besar juga konsumsi bahan bakar. Untuk kapal-kapal lambung tunggal seperti kapal selam, pengurangan tahanan kapal dapat dilakukan dengan meningkatkan rasio L/D untuk kapal selam sirkular atau L/B untuk kapal-kapal lambung tunggal lainnya. Akan tetapi untuk kapal selam, besarnya rasio L/D belum tentu membuat tahanan kapal semakin kecil. Semakin panjang lambung kapal, semakin besar tahanan gesek. Semakin pendek lambung kapal, semakin besar tahanan tekan. Penelitian ini dilakukan untuk mendapatkan rasio L/D pada model kapal selam dengan nilai tahanan total terkecil. Dalam penelitian ini dilakukan pengujian terhadap lima model kapal selam dengan rasio L/D masing-masing 5,1; 5,6; 6,0; 6,5 dan 6,8 menggunakan pendekatan komputasi dan eksperimental pada kecepatan 0,65 m/s s.d. 0,98 m/s. Pendekatan komputasi dilakukan dengan menggunakan software Ansys CFX dengan menggunakan model turbulen RNG k-ε. Sedangkan pendekatan eksperimental dilakukan di kolam uji menggunakan load cell untuk mengakuisisi data. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa model dengan rasio L/D 6,0 memiliki nilai tahanan terkecil. Kata kunci: CFD; kapal selam; lambung tunggal; rasio L/D; tahanan kapal Computational Fluid Dynamics and Experimental Analysis of Submarine Model s Resistance with Hull Length and Bowstring Angle Variation Abstract Fuel efficiency have became a very important issue in our society and in maritime industry. It is closely related to the ship resistance. When the ship have high resistance, the fuel that it needed is more than the low one. For monohull ships like submarine, the resistance can be reduced by increasing L/D ratio for circular submarine or L/B ratio for another monohull. But on a submarine, increasing L/D ratio is not always make the resistance reduced. Longer hull make friction resistance higher. Shorter hull make pressure resistance higher. This research are conducted to get L/D ratio with lowest resistance. Five submarine models, having L/D ratio 5.1, 5.6, 6.0, 6.5 and 6.8, are tested using computational and experimental approach at 0.65 m/s until 0.98 m/s of velocity. The RNG k-ε turbulence model is used in computational approach with Ansys CFX solver. In experimental approach, submarine models are tested on towing tank with load cell transducer for data acquisition. The result shows that model with L/D ratio 6.0 has lowest resistance. Keywords : CFD, L/D ratio, monohull, ship resistance, submarine 1
Pendahuluan Berbagai upaya telah dilakukan untuk mengurangi besarnya tahanan kapal. Upayaupaya tersebut di antaranya dengan menerapkan teknologi air cushion, hydrofoil, planning ship, SWATH, wing in ground, penggunaan kapal multihull serta dengan meningkatkan rasio L/B [5]. Pada kapal selam yang dalam keadaan fully submerged, komponen terbesar tahanan pada lambung adalah tahanan tekan (pressure resistance) dan tahanan gesek (friction resistane) [1]. Kedua komponen tahanan ini sangat dipengaruhi oleh bentuk dari lambung kapal selam itu sendiri. Untuk kondisi displacement yang sama, tahanan tekan dan tahanan gesek pada kapal selam dapat diperkecil dengan mengubah rasio L/B. Penelitiaan ini bertujuan untuk mendapatkan rasio L/B dengan nilai tahanan terkecil pada kapal selam sirkular. Tinjauan Pustaka Kapal yang bergerak baik di permukaan maupun di bawah permukaan air selalu mengalami gaya yang berlawanan dengan arah gerak kapal tersebut, yang lebih dikenal dengan tahanan kapal. Besarnya tahanan kapal sangat dipengaruhi oleh kecepatan kapal tersebut bergerak, luas permukaan di bawah garis air dan bentuk kapal itu sendiri. Kapal yang bergerak jauh di bawah permukaan air tidak akan memiliki tahanan gelombang [1]. Komponen tahanan yang dimiliki hanya tahanan viskos, yaitu tahanan gesek dan tahanan tekan. Hubungan koefisien tahanan total dengan tahanan total yang terjadi pada kapal selam terbenam penuh adalah C T = R T 1 2 ρu2 A WS (1) Di mana ρ adalah massa jenis air, U adalah kecepatan upstream, A WS adalah luas bidang basah dan R T adalah besarnya tahanan total [2]. Metodologi Penelitian Penelitian ini dilakukan dengan komputasi CFD dan eksperimen ada kolam percobaan. Model kapal selam yang diuji dalam penelitian ini terdiri atas lima model kapal selam dengan 2
panjang yang berbeda namun memiliki displacement yang sama. Parameter selengkapnya dapat dilihat pada tabel 3.1. Parameter Desain Tabel 1. Parameter Desain Model Kapal Selam Model Kapal Model 1 Model 2 Model 3 Model 4 Model 5 L 0,224 0,244 0,264 0,281 0,304 D 0,044 0,044 0,044 0,044 0,044 φ 0,73 0,67 0,62 0,58 0,54 Δ 0,24 0,24 0,24 0,24 0,24 L/D 5,1 5,6 6,0 6,5 6,8 θ 44 34 24 34 52 Komputasi CFD Berdasar hasil grid independent test yang telah dilakukan, jumlah elemen yang digunakan untuk setiap model tidak sama. Selengkapnya disajikan dalam tabel 3.2. Tabel 2. Jumlah Elemen Model Model 1 Model 2 Model 3 Model 4 Model 5 Rasio L/D 5,1 5,6 6,0 6,5 6,8 Jumlah Elemen 246.814 405.515 403.506 198.051 236.338 Pada komputasi CFD, jarak inlet adalah sejauh L dari haluan, outlet sejauh 3L dari buritan dan eksterior boundary berjarak L dari permukaan terluar model kapal selam [3]. Model turbulen yang digunakan adalah RNG k-ε [4] dan solver yang digunakan adalah ANSYS CFX. Gambar 1. Computational Domain 3
Eksperimen Metode eksperimen dilakukan pada kolam percobaan dengan p = 3m, l = 0,88m dan t = 0,5m dengan peralatan pendukung: 1. Load cell 2. Motor AC 3. AC Voltage regulator 4. Kolam percobaan 5. Kereta penarik 6. Laptop untuk DAQ Gambar 2. Susunan Alat Pendukung Eksperimen Baik komputasi maupun eksperimen, dilakukan dalam kondisi fluida yang sama, yaitu air pada suhu 20 C dengan µ = 1,003 10-3 N s/m 2 dan ρ = 998,2 kg/m 3. Setiap model diberi variasi kecepatan U mulai dari 0,65 m/s s.d. 0,98 m/s baik untuk komputasi maupun eksperimen. Hasil dan Pembahasan 0.200 0.150 TOTAL (N) 0.150 TOTAL (N) 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 (a) Model 1 (L/D 5,1) (b) Model 2 (L/D 5,6) 4
0.150 0.150 TOTAL (N) TOTAL (N) 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 (c) Model 3 (L/D 6,0) (d) Model 4 (L/D 6,5) 0.150 TOTAL (N) 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 (e) Model 5 (L/D 6,8) Gambar 3. Komparasi Hubungan Kecepatan dengan Tahanan Total Hasil Komputasi dan Eksperimental Gambar 3. menunjukkan komparasi nilai tahanan total hasil pengujian eksperimental dengan nilai tahanan total hasil komputasi. Dari grafik tersebut terlihat sedikit perbedaan hasil antara pengujian eksperimental dengan komputasi, akan tetapi masih memiliki kecenderungan yang sama. Semakin tinggi bilangan Froude, nilai tahanan total semakin besar karena tahanan merupakan fungsi kuadrat dari kecepatan dan bilangan Froude adalah fungsi linear dari kecepatan. (N) 0.070 0.030 0.076 0.052 0.051 0.053 0.057 0.010 TOTAL 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 RASIO PANJANG:DIAMETER TEKANAN GESEK (N) 0.120 0.101 0.074 0.068 0.067 0.069 TEKANAN GESEK TOTAL 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 RASIO PANJANG:DIAMETER (a) U = 0,65 m/s (b) U = 0,75 m/s 5
(N) 0.140 0.120 0.129 0.086 0.085 0.086 0.094 GESEK TOTAL 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 RASIO PANJANG:DIAMETER TEKANAN (N) 0.180 0.160 0.140 0.120 0.156 0.104 0.103 0.103 0.113 TOTAL 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 RASIO PANJANG:DIAMETER TEKANAN GESEK (c) U = 0,85 m/s (d) U = 0,94 m/s Gambar 4. Hubungan Rasio L/D dengan Nilai Tahanan Gambar 4. menunjukkan hubungan rasio L/D dengan nilai tahanan pada beberapa kecepatan U. Pada keempat kecepatan U yang berbeda, peningkatan rasio L/D dari 5,1 ke 5,6 berdampak penurunan nilai tahanan total secara drastis. Dari rasio L/D 5,6 ke 6,0 terjadi penurunan nilai tahanan total yang sangat kecil. Kemudian berangsur-angsur nilai tahanan total terus bertambah pada rasio L/D 6,5 dan 6,8. Nilai tahanan total terendah terjadi pada rasio L/D 6,0. Pada rasio L/D 5,1 komponen tahanan tekan bernilai lebih besar dari tahanan gesek, tetapi pada L/D 5,6; 6,0; 6,5 dan 6,8 nilai tahanan gesek lebih besar dari tahanan tekan. TOTAL (N) 0.180 0.160 0.140 0.120 L:D=5,1 L:D=5,6 L:D=6,0 L:D=6,5 L:D=6,8 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 KECEPATAN Gambar 5. Komparasi Hubungan Kecepatan dengan Nilai Tahanan Total Setiap Model Kapal Selam Secara umum untuk rentang kecepatan 0,65 m/s s.d. 0,98 m/s, nilai tahanan total pada rasio L/D 5,6; 6,0 dan 6,5 lebih kecil dari nilai tahanan total pada rasio L/D 5,1 dan 6,8. Pada ketiga rasio L/D ini perbedaan nilai tahanan total cukup rendah. Berdasar data di atas, dapat dikatakan bahwa rasio L/D lambung kapal selam yang optimum berada pada kisaran 5,6 s.d. 6
6,5, tetapi hal ini masih perlu penelitian lebih lanjut terutama pada kecepatan yang lebih rendah. Komponen tahanan tekan sangat dipengaruhi oleh gradien tekanan antara bagian depan dan belakang objek yang bergerak di dalam fluida, termasuk kapal selam. Pada penelitian ini, gradien tekanan atau perbedaan tekanan antara haluan dengan buritan berpengaruh terhadap besarnya komponen tahanan tekan. Gradien tekanan tersebut disebabkan oleh adanya separasi aliran dalam lapisan batas. (a) Model 1 (b) Model 2 (c) Model 3 (d) Model 4 (e) Model 5 Gambar 6. Kontur Tekanan Total di Sekeliling Model Kapal Selam pada Kecepatan 0,65 m/s Gambar 6 menunjukkan kontur tekanan di sekeliling model kapal selam pada kecepatan U = 0,65 m/s. Pada model 1, separasi aliran terjadi lebih awal dibanding model lainnya, sehingga perbedaan tekanan antara haluan dan buritan lebih besar. Hal ini mengakibatkan nilai tahanan tekan pada model 1 lebih besar dibanding model lainnya. Separasi aliran pada model 2, model 3 dan model 4 terjadi paling akhir (mendekati ujung buritan), sehingga perbedaan tekanan antara haluan dan buritan lebih kecil dibanding 7
model 1 dan model 5. Akibatnya tahanan tekan pada ketiga model ini lebih kecil dibanding dua model lainnya. Komponen tahanan gesek adalah komponen tahanan yang sangat dipengaruhi oleh luas bidang basah kapal. Pada penelitian ini, besarnya tahanan gesek model kapal selam berbedabeda sehubungan dengan adanya perbedaan luas bidang basah model. Tabel 3. Luas Bidang Basah dan Tahanan Gesek pada Beberapa Kecepatan U Model Model 1 Model 2 Model 3 Model 4 Model 5 Luas Bidang Basah (m 2 ) 0,0235 0,0261 0,0268 0,0274 0,0283 R f pada U = 0,65 m/s (N) 0,036 0,044 0,045 0,046 0,047 R f pada U = 0,75 m/s (N) 0,047 0,058 0,060 0,060 0,061 R f pada U = 0,85 m/s (N) 0,060 0,074 0,076 0,074 0,077 R f pada U = 0,94 m/s (N) 0,072 0,090 0,092 0,089 0,093 GESEK (N) 22 23 24 25 26 27 28 29 30 LUAS BIDANG BASAH (x 10-3 m 2 ) U = 0,65 m/s U = 0,75 m/s U = 0,85 m/s U = 0,94 m/s Gambar 7. Grafik Hubungan Luas Bidang Basah dan Tahanan Gesek pada Beberapa Kecepatan U Tabel 4.11 dan Gambar 7 menunjukkan hubungan antara luas bidang basah dengan tahanan gesek model kapal selam. Model 1 memiliki luas bidang basah terkecil sehingga memiliki nilai tahanan gesek terkecil pada setiap variasi kecepatan. Sebaliknya, model 5 memiliki luas bidang basah terbesar sehingga nilai tahanan geseknya terbesar di antara model lainnya pada setiap variasi kecepatan. Kesimpulan 1. Peningkatan rasio L/D pada lambung kapal selam tidak menjamin berkurangnya tahanan kapal. 8
2. Pada penelitian ini, tahanan model kapal selam terkecil dimiliki oleh model dengan rasio L/D 6,0. 3. Semakin besar rasio L/D pada model kapal selam, semakin besar tahanan gesek yang bekerja. 4. Semakin kecil rasio L/D pada model kapal selam, kemakin besar nilai tahanan tekan. Saran Rasio L/D yang digunakan pada penelitian ini nilainya 5,1 s.d. 6,8 dan kecepatan 0,65 m/s s.d. 0,98 m/s. Untuk itu perlu dicoba penelitian pada rasio yang lebih besar atau lebih kecil dan pada kecepatan yang lebih rendah. Daftar Pustaka [1] Bertram, Volker. (2000). Practical ship hydrodynamics. Oxford: Butterworth- Heinemann. [2] Harvald, SV. AA. (1992). Tahanan dan Propulsi Kapal (Terj. dari Resistance and Propulsion of Ship, Jusuf S.). Surabaya: Airlangga University Press. [3] ITTC. (2011). Practical Guidelines for Ship CFD Application: Recommended Procedures and Guidelines. [4] Qi Xiao-ni dan Liu Yong-qi. (2011). Eksperimental and Numerical Studies of Aerodynamic Performance of Trucks. Journal of Hydrodynamics, 23, 752-758. [5] Saeed Seif M, Taghi Tavakoli M,. (2004). New Technologies for Reducing Fuel Consumption in Marine Vehicles. Paper dipresentasikan pada simposium SORTA XVI, Kroasia. [6] Tarakka, Rustan, Harinaldi dan Budiarso. (2012, Oktober). Pengaruh Ukuran Grid dan Model Turbulensi pada Analisis Komputasi Drag Aerodinamika Bluff Body Model Kendaraan. Paper dipresentasikan pada Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XI & Thermofluid IV, Yogyakarta. 9