analisa aliran dan tekanan pada bulbous bow dengan … · 2020. 4. 26. · 2.1 pengertian umum...

ix

ANALISA ALIRAN DAN TEKANAN PADABULBOUS BOW DENGAN DIMPLE (CEKUNGAN)

MENGGUNAKAN PENDEKATAN CFD

NamaMahasiswa : Achmad Irfan SantosoNRP : 4209 100 086Jurusan : Teknik Sistem PerkapalanDosenPembimbing : 1. Irfan Syarif Arief, ST., MT.1. 2. Ir. Toni Bambang Musriyadi, PGD.

Abstrak

Aliran fluida pada suatu permukaan berpengaruh besarpada besarnya gaya yang terjadi pada permukaan tersebut,modifikasi pada permukaan tersebut diperlukan untukmengurangi gaya tersebut. Dan dalam penelitian ini modifikasitersebut adalah penggunaan dimple (cekungan) pada permukaanbulbous bow yang nantinya agar gaya yang ditimbulkan aliranaliran tersebut berkurang. Penilitian menggunakan pendekatanCFD dan menggunakan software, Penggunaan software inidilakukan untuk menggambar model yang akan dibuat, analisamodel, serta perhitungan nilai yang akan dicari. Tujuan daripenelitian ini adalah untuk mempercepat turbulensi danmengurangi tekanan dan gaya geser pada permukaan bulbousbow. Hasil dari penelitian ini adalah aliran yang terjadi padapermukaan bulbous bow menjadi cepat turbulen dan nilai tekanandan gaya geser berkurang dibandingkan dengan bulbous bowtanpa modifikasi.

Kata kunci : Aliran, Tekanan, Gaya Geser, Bulbous bow,Dimple

x

“Halaman ini sengaja dikosongkan”

xi

ANALYSIS OF FLOW AND PRESSURE OFBULBOUS BOW WITH DIMPLE USING CFD

1.

Student Name : Achmad Irfan SantosoNRP : 4209 100 086Department : Marine EngineeringSupervisor : 1. Irfan Syarif Arief, ST., MT.2. 2. Ir. Toni Bambang Musriyadi, PGD.

Abstract

Fluid flow on the surface influence on the magnitude ofthe force that occurs on the surface, the surface modification isnecessary to reduce the force. And in this study using themodified dimple on the surface of the bulbous bow that willreduced the force created of the stream flow. The studies usingCFD approach and using the software, use this software is madeto draw a model that will be made, analysis models, andcalculating the value to be searched. The purpose of this study isto accelerate turbulence and reduce the pressure and drag force onthe surface of the bulbous bow. Results from this study is the flowthat occurs on the surface of the bulbous bow into a turbulent anddecrease of pressure and draf force values compared with bulbousbow without modification.

Keyword : Flow, Pressure, Drag Force, Bulbous bow, Dimple

xii


5

BAB IITINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pengertian umum tentang bulbous bow

Secara teoritis bulbous bow dengan bentuk tertentu bekerjadengan cara mempercepat aliran fluida di daerah permukaan diatas bulb, sehingga menimbulkan daerah dengan tekanan yangrendah di permukaan fluida. daerah bertekanan rendah tersebutkemudian bereaksi dengan tekanan gelombang di haluan di manareaksi yang terjadi bersifat mengurangi efek dari gelombang yangdatang dari haluan. Yang pada akhirnya akan mengurangi tekananpada lambung dan mengurangi hambatan, pada kasus-kasus yangumumnya terjadi, pemasangan bulbous bow dapat mempengaruhinilai daya dorong efektif yang diperlukan untuk menggerakkankapal, hal ini dapat dimengerti karena seperti yang diketahuibahwa daya dorong efektif berhubungan langsung dengan fungsibesarnya tahanan pada lambung kapal serta kecepatan kapal.

Gambar 2.1 Bulbous bow pada kapal

6

Bulbous bow hanya menunjukkan peranannya pada kondisikecepatan yang relatif tinggi, pengurangan daya dorong efektifakibat berkurangnya tahanan terjadi secara signifikan padakondisi ini, namun sebaliknya ketika kapal berlayar dengankecepatan rendah bulbous bow sama sekali tidak bermanfaat jikadibandingkan dengan kapal tanpa bulb karena pemasangannyahanya akan menambah hambatan dan berat kapal. Pada kecepatantertentu dan tidak terlalu rendah bulbous bow tidak memberikanefek apapun, hal ini disebabkan adanya keseimbangan antara nilaipengurangan efek tekanan gelombang haluan denganpenambahan hambatan oleh bulb itu sendiri. Seperti yangdijelaskan pada grafik dibawah ini.

Gambar 2.2 Grafik perbandingan ada tidaknya bulbous bow

Peranan bulbous bow dalam merubah tekanan dan dayapendorong kapal dapat dituliskan dengan beberapa penyebab.Secara prinsip adalah sebagai berikut :

7

- Terjadi pengurangan tekanan akibat gelombang di daerahpressure field oleh bulbous bow yang kemudianmengaikbatkan pengurangan besarnya wave makingresistance

- Pengaruh bagian atas bulbous bow dan daerahperpotongannya dengan lambung menyebabkanmenurunnya komponen aliran fluida di daerah haluankapal

- Terdapat penambahan hambatan gesek antara permukaanlambung kapal dengan fluida karena bertambahnyasurface area oleh luasan bulbous bow

- Berubahnya efisiensi propulsi oleh peran bulbous bowpada area aliran fluida di sekitar lambung kapal.

- Terjadinya perubahan pada wave braking resistance.

Bentuk bulbous bow memegang peranan penting dalammenentukan besarnya manfaat yang diberikan. Bentuk yangoptimum sangat bergantung pada besarnya Froude number.Bulbous bow cenderung memberikan performa yang baik ketikakapal bergerak melampaui batas kecepatan tertentu dalam artiankapal bergerak dengan kecepatan yang relative tinggi. Froudenumber sendiri merupakan fungsi dari kecepatan kapal yangsecara detail ditunjukkan bahwa kecepatan kapal berbanding lurusdengan nilai bilangan ini, jadi ketika kapal tersebut memilikibilangan Froude number yang besar maka tingkat keoptimumanbulb akan lebih besar untuk bentuk yang sama, namun nilai Fntidak hanya ditentukan oleh kecepatan kapal tetapi juga olehpanjang kapal. Sehingga memang benar bahwa desain bentukbulbous bow ditentukan oleh Fn.

8

Adapun gambar tipe – tipe bulbous bow yang dipakaidisajikan pada gambar berikut :

Gambar 2.3 Tipe – tipe bulbous bow

2.2 Computational Fluid Dynamic (CFD)

CFD merupakan analisa sistem yang melibatkan aliranfluida, perpindahan panas, dan fenomena yang terkait lainyaseperti reaksi kimia dengan menggunakan simulasi komputer.Metode ini meliputi fenomena yang berhubungan dengan aliranfluida seperti sistem liquid dua fase, perpindahan massa danpanas, reaksi kimia, dispersi gas atau pergerakan partikeltersuspensi.

Secara umum kerangka kerja CFD meliputi formulasipersamaan-persamaan transport yang berlaku, formulasi kondisibatas yang sesuai, pemilihan atau pengembangan kode-kodekomputasi untuk mengimplementasikan teknik numerik yang

9

digunakan. Suatu kode CFD terdiri dari tiga elemen utama yaitupre-processor, solver dan post processor.

2.2.1 Pre-processor

Pre-processor meliputi masukan dari permasalahan aliranke suatu program CFD dan transformasi dari masukan tersebut kebentuk yang cocok digunakan oleh solver. Langkah-langkahdalam tahap ini adalah sebagai berikut :

- Pendefinisian geometri yang dianalisa- Grid generation, yaitu pembagian daerah domain menjadi

bagian-bagian lebih kecil ynag tidak tumpang tindih- Seleksi fenomena fisik dan kimia yang perlu dimodelkan- Pendefinisian properti fluida- Pemilihan boundary condition (kondisi batas) pada

kontrol volume atau sel yang berhimpit dengan batasdomain

- Penyelesaian permasalahan aliran (kecepatan, tekanan,temperatur dan sebagainya) yang didefinisikan pada titiknodal dalam setiap sel. Keakuratan penyelesaian CFDditentukan oleh jumlah sel dalam grid.

2.2.2 Solver

Solver dapat dibedakan menjadi tiga jenis yaitu finitedifference, finite element dan metode spectral. Secara umummetode numeric solver tersebut terdiri dari langkah-langkahsebagai berikut:

- Prediksi variabel aliran yang tidak diketahui denganmenggunakan fungsi sederhana

10

- Diskretisasi dengan subtitusi prediksi-prediksi tersebutmenjadi persamaan-persamaan aliran utama yangberlaku dan kemudian melakukan manipulasi matematis

- Penyelesaian persamaan aljabar. Pada proses solver,terdapat 3 persamaan atur aliran fluida yang menyatakanhukum kekekalan fisika, yaitu : 1) massa fluida kekal; 2)laju perubahan momentum sama dengan resultansi gayapada partikel fluida (Hukum II Newton); 3) lajuperubahan energi sama dengan resultansi laju panas yangditambahkan dan laju kerja yang diberikan pada partikelfluida (Hukum I Termodinamika).

2.2.3 Post-processor

Post processing merupakan tahap visualisasi dari tahapansebelumnya. Post processor semakin berkembang denganmajunya engineering workstation yang mempunyai kemampuangrafik dan visualisasi cukup besar. Alat visualisasi tersebut antaralain:

- Domain geometri dan display- Plot vectore- Plot kontour- Plot 2D dan 3D surface- Particle tracking- Manipulasi tampilan (translasi, skala dan sebagainya)- Animasi display hasil dinamik

Dalam simulasi, model-model yang digunakandidiskretisasi dengan metode formulasi dan diselesaikan denganmenggunakan bermacam-macam algoritma numerik. Metodediskretisasi dan algoritma yang terbaik digunakan tergantung daritipe masalah dan tingkat kedetailan yang dibutuhkan.

11

2.3 Aliran fluida2.3.1 Laminer

Adalah aliran fluida yang ditunjukkan dengan gerakpartikel-partikel fluidanya sejajar dan garis-garis arusnya halus.Dalam aliran laminer, partikel-partikel fluida seolah-olahbergerak sepanjang lintasan-lintasan yang halus dan lancar,dengan satu lapisan meluncur secara mulus pada lapisan yangbersebelahan. Sifat kekentalan zat cair berperan penting dalampembentukan aliran laminer. Aliran laminer bersifat steadymaksudnya alirannya tetap. menunjukkan bahwa di seluruh aliranair, debit alirannya tetap atau kecepatan aliran tidak berubahmenurut waktu.

Aliran fluida pada pipa, diawali dengan aliran laminerkemudian pada fase berikutnya aliran berubah menjadi aliranturbulen. Fase antara laminer menjadi turbulen disebut alirantransisi. Aliran laminar mengikuti hukum Newton tentangviskositas yang menghubungkan tegangan geser dengan lajuperubahan bentuk sudut. Tetapi pada viskositas yang rendah dankecepatan yang tinggi aliran laminar tidak stabil dan berubahmenjadi aliran turbulen.

Bisa diambil kesimpulan mengenai ciri- ciri aliran laminaryaitu: fluida bergerak mengikuti garis lurus, kecepatan fluidanyarendah, viskositasnya tinggi dan lintasan gerak fluida teraturantara satu dengan yang lain.

12

Gambar 2.4 Aliran Laminer

2.3.2 Turbulen

Kecepatan aliran yang relatif besar akan menghasilakanaliran yang tidak laminar melainkan komplek, lintasan gerakpartikel saling tidak teratur antara satu dengan yang lain.Sehingga didapatkan Ciri dari lairan turbulen: tidak adanyaketeraturan dalam lintasan fluidanya, aliran banyak bercampur,kecepatan fluida tinggi, panjang skala aliran besar danviskositasnya rendah. Karakteristik aliran turbulen ditunjukkanoleh terbentuknya pusaran-pusaran dalam aliran, yangmenghasilkan percampuran terus menerus antara partikel partikelcairan di seluruh penampang aliran.

Untuk membedakan aliran apakah turbulen atau laminer,terdapat suatu angka tidak bersatuan yang disebut Angka Reynold(Reynolds Number). Angka ini dihitung dengan persamaansebagai berikut :

Re = (4 v R)/ϑDimana:Re = Angka Reynold (tanpa satuan)V = Kecepatan rata-rata (ft/s atau m/s)R = Jari-jari hydraulik (ft atau m)

13

ϑ = Viskositas kinematis, tersedia dalam tabel sifat-sifat cairan(ft2/s atau m2/s)

Menurut hasil percobaan oleh Reynold, apabila angkaReynold kurang daripada 2000, aliran biasanya merupakan aliranlaminer. Apabila angka Reynold lebih besar daripada 4000, aliranbiasanya adalah turbulen. Sedang antara 2000 dan 4000 alirandapat laminer atau turbulen tergantung pada faktor-faktor lainyang mempengaruhi.

Gambar 2.5 Aliran Tubulen

2.3.3 Boundary Layer

Boundary layer merupakan suatu konsep untuk aliran yangterhambat, pertama kali diperkenalkan oleh Prandtl 1904. Lapisanbatas dapat dianalisa, dimana propel kecepatannya dapatberkembang yang benrbanding lurus dengan jarak penampang.Hal ini dapat dijumpai pada suatu penampang, propel kecepatanpada awal penampang akan terbentuk seragam dan kemudianlambat laun sepanjang penampang akan mengalamiperubahanpropel kecepatan karena gaya-gaya gesekan telah memperlambatfluida di dekat dinding penampang.

14

Kecepatan akhir yang tekembang penuh tercapai. Padadaerah masuk, fluida dekat tengah – tengah penampangtampaknya tidak dipengaruhi oleh gesekan. Sedangkan fluidadimana pada dindingnya telah dipengaruhi gesekan. daerahdimana efek gesekan terlihat jelas itu disebut titik lapisanbatas(separation point). sewaktu fluida sudah berada pada lapisanseparation point, lapisan batas ini tumbuh dan memenuhi seluruhpenampang.

2.3.4 Aliran Viscous

Gambar dibawah ini menunjukkan aliaran fluida aliranfluida,

Gambar 2.6 Aliran fluida pada plat rata

2.3.5 Dimple

Bola yang digunakan pada olahraga golf memiliki bentukdan konfigurasi yang khusus, yaitu permukaannya yang memiliki

15

dimple – dimple kecil, Bentuk ini ternyata memiliki pengaruhpada aerodinamika dari bola golf tersebut. Bola golf dibuatberlubang-lubang untuk membuat pergeseran lapisan pada udarasemakin lambat karenaada lapisan kecil pada alur/lubang bolapada permukaan sehingga memperpanjang jarak geseran lapisanudara pada lapisan paling dekat pada permukaan, jadi kecepatanudara pada permukaan naik sehingga beda kecepatan denganlapisan diatasnya lebih kecil halini juga dapat mengurangitimbulnya turbulensi pada bagian akhir bola.

Gambar 2.7 Aliran udara pada permukaan dimple

2.3.6 Drag

Gaya hambat adalah komponen gaya fluida pada bendayang searah dengan arahaliran fluida atau gerakan benda. Gayahambat dibedakan menjadi gaya hambat bentuk (form drag) dangaya hambat gelombang (wave drag). Dengan pendekatan bahwapada aliran tidak timbul gelombang maka pembahasan gayahambat hanyalah gaya hambat bentuk saja, untuk selanjutnyadisebut gaya hambat. Dari analisa tanpa dimensi dapat ditentukan

16

gaya hambat diduga merupakan fungsi sebagai berikut :Parameter tanpa dimensi tersebut dinyatakan sebagai koefisiengaya hambat, CD pada persamaan dibawah ini :

Ada dua drag yang terjadi pada bola golf, yaitu skinfriction drag (gaya hambatakibat gesekan dengan udara deganbola) dan pressure drag (gaya hambat akibat olakanalirandibelakang bola). Pada bola licin, aliran dari depan akan bolaterbelah ke sekitar bola, bergerak ke belakang, namun aliranterlepas sebelum sampai diujung belakang, dan terjadi ulakan2kecil dibelakang bola. Alirannya adalah aliran laminar. Pada bolagolf yang memiliki dimple, pelepasan aliran ini ini dapat ditunda,artinya titik pelepasan aliran dapat dapat digeser lebih kebelakang, olakannya pun lebih sedikit. Aliran pada boladengandimple adalah aliran turbulen. Pressure drag pada aliran turbulenlebih kecil dari aliran laminer. Jadi, dengan memberi dimple padabola (menambahkan kekasaran/ roughness) memang akanmeningkatkan skin friction drag, tetapi pengurangan/reduksiterhadap pressure drag nya jauh lebih besar, sehingga dragtotalnya lebih kecil.

2.3.7 Lift

Gaya angkat adalah komponen resultan gaya fluida tegaklurus terhadap aliranfluida. Besarnya gaya angkat untuk

17

mengangkat benda dengan bidang angkat umumnya didefinisikansebagai:

Bidang angkat adalah bentuk-bentuk yang mampumanghasilkan daya angkat seperti : layang-layang, aerofoil,hidrofoil, baling-baling atau kipas. Dari persamaan 2.15maka persamaan koefisien gaya angkat adalah :

Gejala tentang gaya angkat diawali dari mekanika fluida klasik,yang kemukakan oleh Newton tahun 1672 dan di teliti olehMagnus tahun 1853 dan menghasilkan efek Magnus yaitu :munculnya gaya angkat pada aliran fluida tidak bergesekansekitar sebuah silinder akibat diberikan vortek bebas atausirkulasi.

18


19

BAB IIIMETODOLOGI

Metodologi penelitian merupakan kerangka dasar daritahapan penyelesaian tugas akhir yang mencakup semua kegiatanyang akan dilaksanakan untuk memecahkan masalah ataumelakukan proses analisa terhadap permasalahan skripsi ini.Metodologi tugas akhir ini dapat dilihat secara lengkap melaluigambar metodologi pengerjaan. penjelasan untuk seluruh prosesdapat dijelaskan sebagai berikut :

3.1 Identifikasi dan Perumusan Masalah

Pada proses ini akan dilakukan suatu identifikasi danperumusan masalah yaitu tentang analisa aliran pada bulbous bowdengan dimple menggunakan pendekatan computational fluiddynamics (cfd). Analisa aliran tersebut dengan menggunakanvariasi kecepatan aliran yang mengarah pada bulbous bow dengandimple, yang diharapkan nantinya dapat mengurangi gesekandengan air laut.

3.2 Studi Literatur

Tahap selanjutnya adalah melakukan studi literatur dengantujuan untuk merangkum teori-teori dasar, acuan secara umumdan khusus, serta untuk memperoleh berbagai informasipendukung lainnya yang berhubungan dengan pengerjaan tugasakhir ini. Studi literatur ini dapat diperoleh dari buku, jurnal,paper atau dari internet yang mendukung bahasan dari tugas akhirini. Selain itu bisa juga dengan melakukan tanya jawab denganpihak yang berkepentingan dan berkompeten pada bahasan ini.

20

3.3 Pengumpulan data

Selama penulisan tugas akhir ini penulis melakukanpengumpulan data untuk menyelesaikan pengerjaan tugas akhirini, baik data tersebut dari internet ataupun dari penelitian-penelitian sebelumnya. Data yang diambil untuk pengerjaan tugasakhir ini adalah konsep-konsep dasar aliran dan analisa aliranpada bola golf, serta data dari penelitian sebelumnya tentanganalisa efek penggunaan dimple pada plat datar dengan rasiodiameter dan rasio kecekungan yang sudah dianalisa.

3.4 Penentuan parameter desain

Dalam penelitian ini desain yang akan dibuat memilikipersyaratan tertentu. Hal ini dilakukan untuk mempermudahdalam pembuatan desain tersebut. Diantaranya adalah diketahui badalah diameter dari dimple dan t adalah ketebalan plat. Beberapasyaratnya antara lain :

a. Jika b = ½ t, maka maksimal kedalaman dimple adalahmelebihi setengah ketebalan plat

b. Jika b > ½ t, maka maksimal kedalaman dimple adalahmelebihi setengah kedalaman plat

c. Jika b < ½ t, maka maksimal kedalaman dilmple adalahtidak sampai melebihi setengah kedalaman plat.

Syarat-syarat tersebut diatas akan sangat berpengaruh padapenentuan rasio. Dalam penelitian ini digunakan 2 rasio, yaiturasio kecekungan atau rasio diameter plat terhadap tebal plat danada rasio diameter dimple terhadap sisi bujur sangkar.

21

a. Rasio kecekungan (Rc)

Merupakan rasio perbandingan antara diameter dimpleyang akan didesain terhadap ketebalan plat. Rasio ini nantinyaakan berpengaruh terhadap tingkat kedalaman dimple dariketebalan plat. Untuk memenuhi persyaratan pertama ini, makadiameter dimple yang akan dibuat adalah setengah dari ketebalanplat.

Rc = b/2r

Keterangan :Rc = Rasio kecekunganb = Diameter dimple (m)r = Jari-jari bola (m)

Jika diameter dimple adalah b, maka kedalaman dimpleyang akan terbentuk adalah ½ t, sehingga titik pusat bola beradatepat pada titik pusat lingkaran dimple. Untuk lebih jelasnyaperhatikan gambar 3.1.

Gambar 3.1 Rasio dimple terhadap ketebalan plat

Jika r = ½ b, maka kedalaman dimple maksimal yangterbentuk adalah ½ t, sehingga titik pusat bola berada tepat padatitik pusat lingkaran dimple. Sehingga dari pengertian inimenghasilkan persamaan :

22

Rc = b/r, nilainya adalah 2

Jika r/b, nilainya adalah 0,5,

Agar rasio yang terbentuk bernilai 1 maka,

Rc = 2r/b

Dengan persamaan diatas maka akan terbentuk rasiokecekungan yang nilainya sebesar 1, akan tetapi apabila titikpusat bola diatas titik pusat lingkaran dimple maka nilai rasiomaksimal bisa melebihi dari 1, sehingga terbentuklah persamaanrasio baru yaitu :

Rc = b/2r

b. Rasio diameter dimple terhadap sisi bujur sangkar (RDs)

Merupakan rasio perbandingan antara besar diameterdimple yang akan didesain terhadap sisi-sisi bujur sangkarpembentuk dimple. Rasio ini nantinya akan berpengaruh terhadapbesar jarak antara dimple satu dengan dimple yang lainnya.Rumusnya adalah sebagai berikut :

RDs = b/s

Keterangan :RDs = Rasio diameter dimple terhadap sisi bujur sangkarb = diameter dimple (m)s = sisi bujur sangkar (m)

Untuk lebih jelasnya perhatikan gambar 3.2.

23

(a) (b)

Gambar 3.2 Rasio diameter dimple terhadap sisi bujur sangkar

Pada gambar diatas dapat diketahui bahwa denganmemasukkan rumus diatas gambar 3.2 (a) mempunyai rasiodiameter sebesar 1. Sedangkan pada gambar 3.2 (b) mempunyairasio diamater sebesar 0,8.

3.5 Pembutan Model

Pembuatan model bulbous bow menggunakan softwareMaxsurf yang kemudian diubah ke format cfd. Model bulbousbow yang akan dibuat berdasarkan pada batasan masalah yangsudah ditentukan.

Gambar 3.3 Bulbous bow tanpa dimple

24

Gambar 3.4 Bulbous bow dengan dimple

3.6 Pengujian Model dan Pencatatan Data

Setelah pembuatan model yang akan diuji selesai langkahselanjutnya yaitu pengujian model dan pencatatan data, pengujianmodel dilakukan pada ANSYS. Pengujian model ini bertujuanuntuk mengetahui aliran dan gaya gesek yang terjadi akibatadanya variasi kecepatan aliran.

3.7 Analisa Data dan Pembahasan

Setelah simulasi pada ANSYS CFX selesai, selanjutnyaadalah analisa data dan pembahasan yaitu membandingkan datayang sudah didapat dari pengujian model pada tiap – tiap variableserta menampilkan data tersebut dalam grafik.

3.8 Kesimpulan dan Saran

Setelah dilakukan analisa data dan pembahasan selanjutnyaadalah menarik kesimpulan dari analisa data yang sudahdilakukan dan memberikan saran-saran atau rekomendasi yangrelevan sebagai pertimbangan di waktu yang akan datang.

25

3.9 Diagram alur pengerjaan tugas akhir

MULAI

Study Literatur

Pembuatan Model

Simulasi ErrorError

Analisa Data dan Pembahasan

Kesimpulan

SELESAI

- Paper- Jurnal- Buku- Internet

Pengambilan Data

Pengujian Model

Identifikasi danPerumusan Masalah

26


27

BAB IVANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

4.1 Umum

Pada bab ini akan dijelasakan mengenai langkah – langkahanalisa data berupa pembuatan model dan simulasi menggunakansoftware Ansys CFD (Computation Fluid Dynamics). Pembuatanmodel didasarkan pada batasan yang telah dijelaskan pada babsebelumnya. Langkah – langkah ini saling berkaitan dan tidakdapat dipisah satu dengan yang lain. Terdapat beberapa tahapanyang perlu dilakukan untuk mendapatkan suatu model sehinggadapat dilanjutkan ke proses running.

4.2 Variasi Model

Pada bab sebelumnya telah dijelaskan bahwa variasi yangdilakukan dalam penelitian ini adalah variasi kecepatan aliranyang melalui model dengan 2 model yaitu bulbous bowpermukaan rata dan bulbous bow permukaan dengan dimple.

Adapun data – data utama yang diperlukan untuk prosespembuatan model dan simulasi pada penelitian ini direncanakansebagai berikut :

Panjang Bulbous bow : 3 mTinggi Bulbous bow : 1 mVariasi Rc : 0,3 cm (diambil yang terbaik

dari penelitian sebelumnya)

28

Variasi RDc : 0,8 cm (diambil yang terbaikdari penelitian sebelumnya)

Variasi kecepatan : (10;12;14;16) Knot

4.3 Penggambaran Model

Pada sub-bab ini akan dijelaskan bagaimana langkah –langkah penggambaran model bulbous bow. dilakukan untukmendapatkan data yang nantinya akan dianalisa sesuai dengantujuan dan rumusan masalah. Model yang akan dirancangdidasarkan pada batasan masalah. Ada beberapa tahapan yangperlu dilakukan untuk mendapatkan suatu model sehingga dapatdilanjutkan ke proses running dan solver. Langkah-langkah inisaling berkaitan dan tidak dapat dipisahkan satu sama lainnya.Penggambaran model ini dilakukan tahap demi tahap dimulai daripenentuan koordinat hingga meshing.

Pada model ini akan dilakukan beberapa variasidiantaranya variasi permukaan plat bulbous bow yaitu permukaanrata dan permukaan dengan dimple, dan masing – masing bulbousbow akan divariasi dengan kecepatan aliran 10 knot, 12 knot, 14knot, 16 knot. Keseluruhan running yang dilakukan sebanyak 8kali running.

Langkah awal yang dilakukan untuk penggambaran modelyaitu menentukan koordinat. Koordinat ini diperoleh dari studiliteratur tentang bulbous bow. Berikut adalah gambar plotkoordinat bulbousbow secara 3 dimensi.

29

Gambar 4.1 Koordinat bulbous bow

Setelah melakukan pengeplotan, titik-titik tersebutdihubungkan dengan garis (line). Proses ini dilakukan padavariasi bulbous bow. Sedangkan variasi kecepatan alirandilakukan pada saat running. Apabila garis-garis tersebut sudahdihubungkan, maka dilakukan pembuatan surface agar dapatmelakukan proses selanjutnya. Berikut adalah gambar surfacedari bulbous bow.

Gambar 4.2 Surface bulbous bow

Apabila proses tersebut sudah dilakukan maka dapatdilakukan proses selanjutnya yaitu pembuatan dimple pada

30

permukaan bulbous bow yang rata, dengan batasan masalah yangsudah ditentukan diawal, yaitu dengan rasio kecekungan sebesar0,3 cm dan rasio diameter dimple terhadap sisi bujur sangkarsebesar 0,8 cm. Berikut adalah gambar plot koordinatbulbousbow dengan dimple secara 3 dimensi dan juga gambarsurface dari bulbous bow dengan dimple.

Gambar 4.3 Koordinat bulbous bow dengan dimple

Gambar 4.4 Surface bulbous bow dengan dimple

31

Tahap sebelum masuk menuju ke grid (meshing) adalahmembagi surface kedalam part yang sesuai dengan bulbous bowseperti pada inlet, outlet, wall, bulbous bow, dan dimple.Selanjutnya dilakukan pemberian body dan disini hanya diberi 1body karena tidak ada perbedaan fluida yang melalui model.

Gambar 4.5 Part surface secara keseluruhan

Proses selanjutnya adalah proses meshing. Pada proses ini,part yang ukurannya kecil dan lebih detail memerlukan grid(mesh) yang lebih halus (ukuran mesh-nya kecil), sedangkanuntuk part yang ukurannya besar dan tidak terlalu detail cukupdengan grid (mesh) yang agak kasar (ukuran mesh-nya besar).Pada simulasi kali ini, mesh yang paling mendetail adalah partdimple karena ukurannya yang relatif kecil dan banyak.Kemudian dilanjutkan mesh pada part bulbous bow yang cukupmendetail dan diteruskan meshing pada part yang tidal terlalumendetail yaitu pada inlet, wall, dan outlet.

32

Gambar 4.6 Meshing pada bulbous bow

Gambar 4.7 Meshing part keseluruhan

Tahap berikutnya dalam simulasi dinamakan CFX pre.CFX pre merupakan langkah lanjut dari CFX build. CFX buildberfungsi untuk memasukkan inputan data sebelum melakukansimulasi.

33

Gambar 4.8 Tampilan pada CFX-Pre

Langkah pertama yang dilakukan di CFX pre adalahmembuat domain. Pada model ini ada 1 domain, yaitu : bulbousbow, dimple, inlet, outlet, dan wall.

Hal lain yang juga perlu diperhatikan adalah jumlah iterasiyang diinginkan, kemudian baru melakukan running dengan jeniskeluaran proses ini adalah file result atau disingkat “res”. Darisini kemudian melangkah ke proses selanjutnya yaitu prosessolver. Dengan menggunakan inputan file definition dari tahappre, proses running solver dijalankan untuk membaca persamaan-persamaan dari simulasi yang telah dilakukan, sehingga outputparameter yang akan dicari dapat ditampilkan.

Dari hasil running dapat dibaca pada CFX-Post dengan fileekstensi *.cst. langkah terakhir dari rangkaian proses simulasiadalah proses post. Proses post adalah tahapan yang mana fileresult dari solver divisualisasikan melalui gambar dan animasiberupa tampilan dan sebagainya. Data yang dibutuhkan akandidapatkan baik secara visual maupun nominal.

34

4.4 Model Hasil Simulasi

Dari model – model yang disimulasikan akan diperolehdata berupa luas (m2), Tekanan (Pa), Force (N) pada permukaanbulbousbow baik tanpa dimple maupun dengan dimple. Terdapat2 model dengan 4 variasi kecepatan aliran, sehingga dari modeltersebut didapat 8 data. Data – data tersebut akan digunakanuntuk analisa aliran dan gaya gesek yang terjadi pada permukaanmodel. Hasil simulasi tersebut berupa kontur tekanan dan jugaaliran pada permukaan model yang dapat dilihat pada gambardibawah ini.

Gambar 4.9 Kontur Tekanan pada Bulbous bow rata

Gambar 4.10 Streamline Aliran pada bulbous bow rata

35

Gambar 4.11 Kontur Tekanan pada Bulbous bow dengandimple

Gambar 4.12 Streamline Aliran pada Bulbous bow dengandimple

4.5 Analisa Data Hasil Simulasi

Pada tahap analisa ini, data yang diperoleh dari prosessimulasi diambil variasi dari percobaan yang telah dilakukanadalah berikut ini.

36

Tabel 4.1 Hasil variasi kecepatan pada bulbous bowpermukaan rata dan bulbous bow dengan dimple terhadap tekanandan Gaya Gesek.

No. Nama Model V [Knot] P [N/m2] Fdrag[KN]1

Bulbous bow tanpa dimple

10 26,72 19,752 12 37,19 27,483 14 49,20 36,364 16 62,71 46,345

Bulbous bow dengandimple

10 26,30 19,446 12 36,56 27,027 14 48,31 35,708 16 61,52 45,47

4.6 Pembahasan

Semua data yang ada didalam sub-bab analisa data hasilsimulasi tersebut akan diplotkan kedalam bentuk grafik untukmengetahui karakteristik dari masing – masing model yang telahdivariasikan. Berikut adalah grafik dari data tersebut.

37

Gambar 4.13 Grafik perbandingan tekanan dengan kecepatanpada model

Dari grafik tersebut dijelaskan bahwa kecepatanberbanding lurus dengan tekanan pada permukaan model, danpada grafik tersebut terlihat bahwa nilai tekanan pada bulbousbow dengan dimple relatif lebih kecil dibandingkan denganbulbous bow tanpa dimple, selisih penurunan nilai tekanannyasebesar 1%. Hal ini disebabkan karena adanya faktor pemberianvariasi atau cekungan pada permukaan bulbous bow yangmengakibatkan aliran laminer pada permukaan model akanberkurang sehingga nilai tekanannya akan berkurang.

38

Gambar 4.14 Grafik perbandingan gaya geser dengan kecepatanpada model

Dari grafik tersebut dijelaskan bahwa kecepatanberbanding lurus dengan gaya geser pada permukaan model, danpada grafik tersebut terlihat bahwa nilai gaya geser pada bulbousbow dengan dimple relatif lebih kecil dibandingkan denganbulbous bow tanpa dimple, selisih penurunan nilai tekanannyasebesar 1%. Hal ini disebabkan karena adanya faktor pemberianvariasi atau cekungan pada permukaan bulbous bow yangmengakibatkan aliran laminer pada permukaan model akanberkurang sehingga nilai gaya gesernya akan berkurang.

39

4.6.1 Pembahasan pada Bulbous bow Permukaan Ratadengan variasi kecepatan aliran 10 Knot

Pada bulbous bow permukaan rata dengan variasikecepatan 10 Knot mempunyai bentuk aliran yang laminerdikarenakan permukaan model yang rata dan halus. Alirantersebut dapat dilihat pada gambar hasil simulasi berikut.

Gambar 4.15 Aliran pada bulbous bow permukaan ratadengan variasi kecepatan 10 Knot

Gambar diatas menjelaskan tentang velocity factor, jadikontur warna yang ditunjukkan pada gambar diatas yangberwarna biru dan merah menunjukkan permukaan model yangpertama kali mengenai aliran fluida, fluida dengan kecepatantertentu yang kemudian mengenai permukaan model seluruhnyadan kemudian diterusakan ke permukaan bagian belakang danaliran yang berwarna oranye menunjukkan aliran yang mengalamipenurunan kecepatan dikarenakan adanya gaya gesek yangdiakibatkan dari permukaan model dibagian depan.

40

Pada bulbous bow permukaan rata dengan variasikecepatan 10 knot mempunyai nilai tekanan pada permukaanmodel sebesar 26,7206 Pa, angka tersebut didapat dari calculationpada ansys cfx. Dan berikut kontur tekanan pada permukaan.

Gambar 4.16 Kontur tekanan pada bulbous bow permukaanrata dengan variasi kecepatan 10 Knot

Gambar diatas menunjukkan kontur tekanan padapermukaan bulbous bow tanpa dimple dengan warna yangberbeda ditiap permukaannya, hal tersebut dikarenakan alirantersebut mengenai permukaan model dari arah depan sehinggatekanan pada permukaan akan terus berkurang sampai kebelakang, kontur warna merah menunjukkan angka tekanan yangpaling besar, dan warna tersebut terdapat pada bagian depanmodel, hal tersebut disebabkan karena permukaan tersebut yangpertama kali mengenai aliran fluida sehingga mempunyai tekananyang besar, dan kontur warna biru mempunyai angka tekananyang paling kecil. Warna hijau dominan pada permukaan modeldengan angka tekanan rata – rata.

41





42




43





44




45





46




47

4.6.5 Pembahasan pada Bulbous bow dengan Dimpledengan variasi kecepatan aliran 10 Knot

Pada bulbous bow dengan dimple dengan variasi kecepatan10 knot mempunyai bentuk aliran yang turbulan dikarenakanadanya dimple yang mengakibatkan aliran yang mengenaipermukaan model terjadi kelokan. Aliran pertama yang masihmengenai permukaan rata dan halus masih dalam kondisi laminernamun setelah mengenai dimple yang diberi dipermukaan modelmengakibatkan aliran laminer tersebut menjadi turbulen. Berikutadalah gambar aliran yang terjadi pada permukaan bulbous bowdengan dimple.

Gambar 4.23 Aliran pada bulbous bow dengan dimpledengan variasi kecepatan 10 Knot

Gambar diatas menunjukkan velocity factor padapermukaan model, warna merah menunjukkan permukaan modelyang pertama kali mengenai aliran fluida, fluida dengankecepatan tertentu kemudian yang kemudian mengenaipermukaan model seluruhnya dan kemudian diterusakan ke

48

permukaan bagian belakang. Pada permukaan dibagian tengahterlihat adanya kelokan yang mengenai dimple dan pada bagiantersebut terlihat warna kontur aliran kuning dan hijaumenunjukkan pengurangan gesekan pada bagian permukaantersebut, jika dibandingkan dengan bulbous bow permukaan ratapada bagian tengahnya dominan dengan warna oranye yangberarti angka velocity factor-nya lebih besar dibandingkan denganbulbous bow dengan dimple. Dan pada bagian akhir aliran konturwarna menjadi biru diakibatkan kecepatan aliran menjadiberkurang akibat gesekan dengan permukaan model dibagiandepan.

Pada bulbous bow dengan dimple dengan variasi kecepatan10 Knot mempunyai nilai tekanan pada permukaan model sebesar26,30135 Pa, angka tersebut didapat dari calculation pada ansyscfx. Dan berikut kontur tekanan pada permukaan.

Gambar 4.24 Kontur tekanan pada bulbous bow dengandimple dengan variasi kecepatan 10 Knot

49

Gambar tersebut menunjukkan kontur tekanan padapermukaan bulbous bow dengan dimple dengan warna yangberbeda di tiap permukaannya hal tersebut dikarenakan alirantersebut mengenai permukaan model dari arah depan sehinggatekanan pada permukaan akan terus berkurang sampai kebelakang, kontur warna merah menunjukkan angka tekanan yangpaling besar, dan warna tersebut terdapat pada bagian depanmodel, hal tersebut disebabkan karena permukaan tersebut yangpertama kali mengenai aliran fluida sehingga mempunyai tekananyang besar, dan kontur warna biru mempunyai angka tekananyang paling kecil.

Dari gambar tersebut juga dapat dilihat perbedaan konturtekanan pada bulbous bow permukaan rata dengan bulbous bowdengan dimple yang mana tekanan yang berada pada permukaantengah atau yang terdapat dimple cenderung warnanya biru hijauatau tekanannya lebih kecil dibandingkan dengan permukaan rata.Hal tersebut sesuai dengan hasil perhitungan pada solver ansysdan tekanan tersebut dapat berkurang dikarenakan pemberiandimple – dimple pada permukaan bulbous bow.

50




Gambar diatas menunjukkan velocity factor padapermukaan model, warna merah menunjukkan permukaan modelyang pertama kali mengenai aliran fluida, fluida dengankecepatan tertentu kemudian yang kemudian mengenai

51

permukaan model seluruhnya dan kemudian diterusakan kepermukaan bagian belakang. Pada permukaan dibagian tengahterlihat adanya kelokan yang mengenai dimple dan pada bagiantersebut terlihat warna kontur aliran kuning dan hijaumenunjukkan pengurangan gesekan pada bagian permukaantersebut, jika dibandingkan dengan bulbous bow permukaan ratapada bagian tengahnya dominan dengan warna oranye yangberarti angka velocity factor-nya lebih besar dibandingkan denganbulbous bow dengan dimple. Dan pada bagian akhir aliran konturwarna menjadi biru diakibatkan kecepatan aliran menjadiberkurang akibat gesekan dengan permukaan model dibagiandepan.



52



53





54




55



56





57




58


Dari gambar tersebut juga dapat dilihat perbedaan kontur tekananpada bulbous bow permukaan rata dengan bulbous bow dengandimple yang mana tekanan yang berada pada permukaan tengahatau yang terdapat dimple cenderung warnanya biru hijau atautekanannya lebih kecil dibandingkan dengan permukaan rata. Haltersebut sesuai dengan hasil perhitungan pada solver ansys dantekanan tersebut dapat berkurang dikarenakan pemberian dimple– dimple pada permukaan bulbous bow.

59

BAB VKESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Dari hasil pengujian dan analisa terhadap bulbous bow

permukaan rata dengan bulbous bow dengan dimple didapat

beberapa kesimpulan sebagai berikut :

1. Perbandingan nilai gaya gesek pada bulbous bow

modifikasi dengan bulbous bow standar sebesar 1%.

2. Aliran yang terjadi pada bulbous bow permukaan rata

cenderung laminer dibandingkan dengan bulbous bow

dengan dimple yang cenderung turbulen, dan Tekanan

pada bulbous bow permukaan rata lebih besar

dibandingkan dengan bulbous bow dengan dimple.

5.2 Saran

Dari hasil pengujian dan analisa terhadap bulbous bow

permukaan rata dengan bulbous bow dengan dimple ini, penulis

memberikan beberapa saran sebagai berikut :

1. Diharapakan penelitian ini dapat dikembangkan lebih

lanjut dengan memberikan dimple pada seluruh bagian

kapal dibawah sarat air.

60

2. Dari hasil simulasi ansys cfd agar dapat dilanjutkan

simulasi nyata pada kapal model yang ada untuk

memperoleh nilai yang mendekati nyata.

analisa aliran dan tekanan pada bulbous bow dengan … · 2020. 4. 26. · 2.1 pengertian umum...

Documents