1 Kajian Perbaikan Performansi Pada Hydrofoil Kapal

Kajian Perbaikan Performansi Pada Hydrofoil Kapal Cepat Dengan
Penambahan Sirip Menggunakan Metode Computational Fluid Dynamic
(CFD)
Dedi Budi Purwanto (1), Ridho Hantoro (2), I Ketut Aria Pria Utama (3)……………………………..
Mahasiswa Program Mater Pascasarjana FTK ITS(1)
Mahasiswa Program Doktoral Pascasarjana FTK ITS (2)
Pengajar pada Jurusan Teknik Perkapalan FTK ITS (3)
E-mail. [email protected] (1),
ABSTRAK
Salah satu aspek yang penting dalam prinsip kerja kapal hydrofoil adalah pada saat
pemilihan tipe foil yang akan digunakan sebagai strut-foil system. Sebuah hydrofoil yang terpasang
di area bawah lambung kapal berfungsi memberi gaya angkat dinamis sehingga badan lambung
kapal terangkat diatas permukaan air. Alasan pemakaian dari hydrofoil adalah ketika lambung
kapal mulai terangkat dari air dan berat kapal akan ditopang oleh foil sehingga memperkecil luas
hambatan yang terjadi akibat gaya gesek antara lambung kapal yang tercelup dengan air, foil
memberikan efek meningkatkan gaya angkat pada kapal ketika kecepatan ditambahkan.
Pada dasarnya hydrofoil yang tercelup penuh mempunyai kualitas kendali dan
performansi kecepatan yang baik. Sistem kendali pada hydrofoil yang tercelup digunakan untuk
untuk menstabilkan pergerakan dan meningkatkan stabilitas kapal. Tetapi Hydrofoil yang tercelup
penuh dalam mengikuti arus laut mempunyai performansi olah gerak kapal sangat kurang.
Kajian ini yang dilakukan pada makalah ini memberikan informasi mengenai fenomena
aliran maupun gaya-gaya yang terjadi pada penambahan maupun modifikasi foil. Tujuan dari
penelitian adalah untuk menggambarkan pola-pola aliran yang terbentuk pada hydrofoil. Dan
analisa desain untuk kecepatan dan berat yang tetap, optimum desain didapatkan dengan
kombinasi kecepatan-berat dengan perbandingan L/D yang maksimum dan bebas kavitasi. Gaya
resultan lift-to-drag rasio dikalkulasikan sepanjang Break Horse Power (BHP).
Key: Hydrofoil,Strut-foil,Drag,Lift,kavitasi
bara). Sampai saat ini, minyak bumi masih
merupakan sumber energi yang utama
dalam memenuhi kebutuhan di dalam
negeri. Selain untuk memenuhi kebutuhan
energi di dalam negeri, minyak bumi juga
berperan sebagai komoditi ekspor. Peranan
minyak bumi yang besar tersebut terus
berlanjut, sedangkan cadangan minyak
bumi semakin menipis. Kita menghadapi
masa kritis dalam keputusan penggunaan
energi. Apakah tetap bergantung kepada
bahan minyak dengan berbagai macam
konsekuensinya (jumlah yang semakin
terbatas, harga yang tidak menentu,
bahaya polusi udara, dan lain-lain), atau
segera beralih ke berbagai pilihan sumber
energi alternatif.
Menyadari ketergantungan yang
sangat besar kepada bahan bakar fosil
tersebut, maka sejak beberapa waktu yang
lalu telah dilakukan usaha untuk menekan
1. Pendahuluan
Indonesia yang merupakan salah
satu Negara berkembang, penyediaan
energi merupakan faktor yang sangat
penting dalam mendorong pembangunan.
Seiring
dengan
meningkatnya
pembangunan terutama pembangunan di
sektor industri, adanya pertumbuhan
ekonomi dan pertumbuhan penduduk,
kebutuhan akan energi terus meningkat.
Penyediaan energi di masa depan
merupakan permasalahan yang senantiasa
menjadi perhatian semua bangsa, karena
bagaimanapun juga kesejahteraan manusia
dalam kehidupan modern sangat terkait
dengan jumlah dan mutu energi yang
dimanfaatkan.
Pada saat ini, sebagian perindustrian
di darat maupun maritime di Indonesia
masih banyak bergantung pada tersedianya
bahan bakar fosil (minyak bumi dan batu
1
pertumbuhan penggunaan bahan bakar
fosil. Usaha yang telah dilakukan
pemerintah adalah dengan mengeluarkan
Peraturan Presiden no.5 tahun 2006
tentang kebijakan energi nasional. Salah
satu tujuan dan sasaran kebijakan energi
nasional seperti yang tertuang di dalam
Peraturan Presiden no.5 tahun 2006
tentang kebijakan energi nasional adalah
terwujudnya konsumsi energi (primer)
yang optimal pada tahun 2025 dari energi
baru dan energy terbarukan lainnya,
khususnya tenaga air skala kecil, tenaga
surya, dan tenaga angin menjadi lebih dari
5%.
Untuk mendukung kebijaksanaan
pemerintah, perlu dilakukan langkahlangkah pencarian sumber-sumber energy
alternatif. Banyak hal yang bisa kita
lakukan antara lain memodifikasi foil yang
berupaya untuk peningkatan performansi.
Gambar.1. Penambahan sirip pada
propeller oleh Jatmiko.
Eksperimen penambahan sirip pada
propeller dilakukan di laboratorium
circular tank, dari pengujian didapatkan
kecepatan laju aliran fluida, kecepatan
yang didapatkan pada putaran rpm yang
sama dengan menambahakan sirip pada
daerah trailing edge mampu menambah
kecepatan laju aliran fluida.
Selain penambahan sirip pada
propeller yang telah dilakukan oleh
Jatmiko, penelitian tentang penambahan
endplates pada foil juga telah dilakukan
oleh Timbobong[3], prinsip kerja utama
dari stingray adalah memberikan angle of
attack yang positif atau negatif kepada
sayap stingray relative terhadap arah arus
laut, sehingga sayap stingray akan
bergerak naik turun. Dari perhitungan
dengan menggunakan program CFX,
memperlihatkan bahwa penggunaan foil
endplates dengan panjang chord 4.5 meter
dengan profil NACA 0015 bisa
mengurangi induced drag 2%-5% [3].
2. Penelitian Tentang Modifikasi
Foil.
Pada sarana transportasi laut dengan
kecepatan tinggi harus memperhatikan
kedalaman hydrofoil yang tercelup dari
permukaan bebas karena pada dasarnya
akan mempengaruhi karakteristik kavitasi
yang terjadi. Pada dasarnya hydrofoil yang
tercelup penuh mempunyai kualitas
kendali dan performansi kecepatan yang
baik. Sistem kendali pada hydrofoil yang
tercelup
digunakan
untuk
untuk
menstabilkan pergerakan maupun manuver
dan meningkatkan stabilitas kapal. Tetapi
Hydrofoil yang tercelup penuh dalam
mengikuti
arus
laut
mempunyai
performansi olah gerak kapal sangat
kurang [1].
Pengembangan model foil dengan
menambahkan sirip pada sekitar daerah
trailing edge pada sebuah propeller
dilakukan
oleh
Jatmiko[2]
dengan
menambahkan sirip di daerah trailing edge
dari propeller standart yang bertujuan
untuk meningkatkan laju aliran fluida
sehingga
tekanan
turun.
Semakin
meningkatnya perbedaan tekanan diantara
leading edge dan trailing edge akan
meningkatakan
laju
aliran
yang
melewatinya.
Gambar.2. Penambahan endplate pada
foil NACA 0015.
Gustavo R.S. Assi [4] melakukan
eksperimen (gambar.3) pada silinder
bundar yang diberikan beberapa variasi
tambahan plate di daerah trailing edge
yang bertujuan untuk mengurangi Gaya
drag untuk menekan pusaran air yang
menimbulkan getaran.
2
dibagi ke dalam tiga bagian utama yaitu :
starting vortex, trailing vortex, dan bound
vortex. Misalkan sebuah aerofoil dengan
lebar tidak terhingga di suatu media fluida
yang diam. Karena lebar dari aerofoil
tidak terhingga, maka tinjauan di sini
dapat disederhanakan dalam daerah aliran
2 dimensi. Penampang aerofoil tersebut
digerakkan dari posisi diam dengan suatu
percepatan sampai mencapai kecepatan v,
dan dipertahankan konstan. Pertama-tama
aliran fluida akan mempunyai pola seperti
(Gambar.5), di mana titik stagnasi tidak
berimpit dengan ujung belakang (trailing
edge) dari penampang aerofoil.
Gambar.3. Perlengkapan eksperimen
dalam water tunnel oleh Gustavo R.S.
Assi.
Pada eksperimennya, G.R.S.Assi
menganalisa efek dari penambahan plate
yang berakibat berubahnya kecepatan
aliran maupun gaya drag yang dihasilkan.
Dengan penambahan beberapa variasi
penempatan plate ternyata mampu
mereduksi gaya drag yang dihasilkan oleh
silinder bundar dan hasilnya sangat
bervariasi.
Gambar.5. Stagnation point pada upper
surface di belakang aerofoil.
Begitu aerofoil mulai bergerak, saat
itu juga timbul aliran sepanjang trailing
edge. Karena adanya tekanan yang tinggi
di daerah belakang titik stagnasi, maka
akan menyebabkan partikel-partikel fluida
yang mengalir menyusuri sepanjang
trailing edge akan terlempar dijauhkan
dari permukaan trailng edge. Gerakangerakan dari partikel fluida tersebut akan
merupakan sirkulasi (vortex) kecil-kecil
yang merupakan suatu free vortex yang
terlepas dari boundary layer yang
menyelubungi penampang aerofoil. Vortex
tersebut disebut sebagai starting vortex
atau initial vortex. Vortex semacam ini
terjadi pada sayap pesawat pada saat
tinggal landas. Starting vortex ini yang
menyebabkan
terjadinya
rangkaian
tertutup yang akan merubah bentuk atau
pola aliran streamline yang menyelubungi
penampang aerofoil tersebut. Sesaat
kemudian titik stagnasi akan begerak dan
bergeser ke belakang mendekati trailing
edge. Kekuatan dari starting vortex dan
sirkulasi bertambah besar sampai suatu
harga di mana pada saat itu titik stagnasi
telah sampai dan berhenti di titik ujung
belakang trailing edge, dan kemudian
starting vortex tersebut akan hanyut
menjadi satu dengan aliran fluidanya
(Gambar.6).
Gambar.4. Variasi penambahan plate
Dari beberapa variasi penambahan
plate yang telah diuji pada towing tank,
penurunan drag yang paling besar
diperoleh dengan penambahan parallel
plate sebesar 38% dan mampu mengurangi
pusaran air yang terjadi pada daerah
belakang
trailing
edge
sehingga
getarannya pun ikut tereduksi,
3. Sistem Vortex
Sistim vortex pada aerofoil yang
bergerak di dalam suatu fluida dapat
3
aliran fluida, sehingga pada saat
berikutnya
memungkinkan berubahnya
besar dan arah gaya fluida.
Bila suatu medan aliran fluida (air
atau udara, misalnya) terhalang atau
terganggu
oleh
gerakan
sebuah
strukturbenda maka pola aliran fluida
tersebut akan berubah dari kondisi
stasionernya
lalu
kemudian mencari
kondisi kesetimbangan barunya. Misalkan
pada kasus sebuah silinder yang berada
dalam aliran steady, maka akan terjadilah
suatu pola aliran tertentu di sekeliling
permukaan silinder tersebut. Ternyata,
pola aliran ini salah satunya tergantung
pada suatu parameter yang disebut
Angka Reynolds (Reynolds number),
Re. Parameter
aliran
fluida
ini
didefinisikan dengan:
.........................................(1)
Gambar.6. Stagnation point pada trailing
edge.
Tekanan pada bagian atas sayap
lebih rendah daripada tekanan pada bagian
bawah sayap. Karena adanya perbedaan
tekanan ini, maka pada bagian atas sayap
fluida akan cenderung mengalir dari tepi
sayap ke arah dalam root sayap. Pada
bagian bawah sayap fluida akan cenderung
mengalir ke daerah yang bertekanan
rendah atau cenderung untuk mengalir ke
arah luar. Karena adanya perbedaan
kecepatan pada spanwise, maka akan
menyebabkan kombinasi kedua aliran ini
pada trailing edge dan akan membentuk
gulungan fluida dalam bentuk streamwise
vortices yang kecil, yang didistribusikan
sepanjang bentangan sayap. Gulungan
gulungan ini akan membentuk gulungan
fluida yang lebih besar pada tepi sayap
seperti pada (Gambar.7). Pada saat
aerofoil bergerak ke depan, maka gerakangerakan fluida ini akan membentuk
rangkaian vortex di bagian belakang sayap
yang disebut trailing vortex. Bound vortex
atau lifting vortex adalah vortex yang
menghasilkan Gaya angkat pada sayap.
Sistim vortex yang terdiri dari bound
vortex dan trailing vortex pada tepi
sayap disebut horseshoe vortex.
dimana D adalah diameter silinder, U
adalah kecepatan datangnya aliran fluida
dan v menyatakan viskositas kinematis
fluida. Berdasarkan banyak percobaan
visualisasi aliran yang telah dilakukan,
nilai Re inilah yang akan menentukan
bagaimana bentuk pola aliran yang akan
terjadi. Penggolongan visualisasi vortex
berdasarkan nilai Re salah satunya
diberikan oleh Sumer and Fredsoe dalam
thesis Aronsen[5].
Pada Re > 3.105, maka pasangan
vortices yang terbentuk pada kasus aliran
air melalui sebuah silinder menjadi tidak
stabil oleh gangguan/usikan kecil,
sehingga salah satu vortek akan tumbuh
lebih besar dari yang lainnya.
Gambar.7. horseshoe vortex.
Pada
aspek
aliran
yang
menyebabkan struktur bergerak, maka
hubungan aliran
fluida-struktur
yang
merupakan suatu sistem interaktif dan
berinteraksi secara dinamis menjadi penting
untuk
dikaji.
Gaya
dari
fluida
menyebabkan struktur berdeformasi. Pada
saat struktur terdeformasi maka hal ini
berarti mengubah orientasinya terhadap
Gambar.8. Skema mekanisme terjadinya
pelepasan vortek (vortex shedding) pada
sebuah silinder dalam aliran steady
(penampang 2
searah
4
Vorticity dalam Vortek A berputar
jarum jam (CW), sedangkan
ketika kecepatan ditambahkan. Setelah
lambung kapal terangkat dari air sampai
batas maksimum, gaya angkat yang
diperlukan konstan. Sebuah hydrofoil
dikapal mempunyai berat yang sensitif dan
harus di operasikan pada kecepatan relatif
tinggi yang bertujuan untuk memberikan
gaya lift dinamis yang diingikan untuk
menopang berat dengan ukuran foil yang
layak[6].
vorticity dalam Vortek B berputar
berlawanan arah jarum jam (CCW).
Selanjutnya gerakan aliran vorticity yang
CCW akan memotong aliran vorticity
yang mensuplay Vortek A, sehingga
Vortek A terlepas lalu menjadi vortek
bebas dan akhirnya terseret aliran ke arah
belakang/menjauhi silinder. Setelah vortek
A terlepas, terbentuklah vortek baru
menggantikan vortek A yaitu Vortek C.
Maka selanjutnya, Vortek B akan
mengalami hal yang sama dengan Vortek
A sebelumnya, yaitu pertama, ukuran dan
kekuatannya makin membesar lalu
terpotong oleh Vortek C dan akhirnya
terlepas menjadi vortek bebas. Proses
seperti ini akan berlangsung
terusmenerus setiap terjadi pelepasan vortek
baru pada setiap sisi silinder dan
menghasilkan getaran pada silinder
Sehingga dari situ dapat dipahami
bahwa pelepasan vortek hanya akan
terjadi jika terdapat interaksi antara dua
lapisan geser (shear layer) pada dua sisi
silinder. Secara teoritik hal ini bisa
dihindarkan dengan cara meniadakan
interaksi tersebut. Misalnya dengan cara
memberikan suatu pelat pemisah di
bagian belakang silinder di antara dua
lapisan
tersebut.
Maksudnya
agar
interaksi antar vortek bisa dicegah,
sehingga akhirnya tidak terjadi pelepasan
vortek.
Maka perkembangan selanjutnya,
konsep inilah yang mendasari timbulnya
berbagai macam upaya dengan cara
menambahkan struktur-struktur bentuk
tertentu
pada
permukaan
silinder
(suppression devices) dalam rangka
mengurangi
terjadinya
pelepasan
vortek.
Gambar.9. Kurva tahanan untuk hydrofoil
craft
Pada kapal hydrofoil kebanyakan
mempunyai corak yang berbeda pada
strut-foil sistemnya dengan kapal hydrofoil
yang lain. Pada dasarnya tipe foil sistem di
bagi menjadi Surface piercing foil dan
Completely submerged. Selain perbedaan
utama yang dibutuhkan berkenaan dengan
maksimum kecepatan, hambatan utama
akan muncul karena air mempunyai
kecepatan yang tinggi sehingga terjadi
kavitasi. Kecepatan aliran tinggi di sekitar
strut, foils, dan tambahan lainnya dijaga
dengan mengurangi lokal pressure. Ketika
total tekanan pada sebuah titik dalam
cairan turun dibawah tekanan uap air,
bentuk cavities menghasilkan perubahan
radikal kepada karakteristik aliran.
Ketika memilih tipe kontrol lift
yang akan digunakan dalam hydrofoil,
pertama harus membuat pertimbangan
keseimbangan
antara
kesederhanaan
mekanik,
keandalan,
power
yang
dihasilkan, batasan kontrol gaya angkat,
pengalaman lapangan dan biaya. Beberapa
cara dapat digunakan untuk mengkontrol
lift antara lain dapat di lihat pada gambar
berikut:
4. Hydrofoil Craft
Sebuah hydrofoil yang terpasang di
area bawah lambung kapal berfungsi
memberi gaya angkat dinamis sehungga
badan lambung kapal terangkat diatas
permukaan air. Alasan pemakaian dari
hydrofoil adalah ketika lambung kapal
mulai terangkat dari air dan berat kapal
akan ditopang oleh foil sehingga
memperkecil luas hambatan yang terjadi
akibat gaya gesek antara lambung kapal
yang tercelup dengan air, foil memberikan
efek meningkatkan gaya angkat pada kapal
5
W
V
........(2)
Dimana; L(koefisien lift) dan D(koefisien
drag). Dari persamaan diatas dapat
diperoleh bahwa dengan penambahan
rasio L/D semakin besar maka daya yang
dibutuhkan akan semakin berkurang, akan
tetapi tidak akan berpengaruh pada
kecepatan
yang
dibutuhkan
untuk
menopang pada suatu beban yang sama.
5. Rangkuman dan Kesimpulan
6. Daftar Pustaka
[1]. Weist, W.R., Mitchell, W.I., 1976. The
Automatic Control System for Boeing
Commercial Jetfoil. In: IEEE, NAECON’
76 Record, pp. 366–375
[2] Jatmiko, edi. 2005 “Studi Penyempurnaan
Rancangan Screw Propeller Untuk
Peningkatan Efisiensi Kapal” Laporan
Tugas Akhir, ITS. Surabya
[3] Timbobong, Deus,2008”Pemodelan Gaya
Hidrodinamika Pada Sayap Stringray
Dengan Lifting Line Theory”,Laporan
Tugas Akhir, ITS. Surabaya.
[4] G.R.S. Assi, 2008,” Low drag solutions
for suppressing vortex-induced vibration
of circular cylinders” Department of
Aeronautics, Imperial College, London
SW7 2AZ, UK
[5] Kristoffer Høyem Aronsen, An
Experimental Investigation of In-line and
Combined In-line and Cross-flow Vortex
Induced Vibrations, Thesis for the degree
doctor philosophiae, Trondheim,
Norwegian University of Science and
Technology, December 2007
[6] EIIsworth, W.M. and O’Neill, W.C."The
U.S. Navy Hydrofoil Development
Program,A Status Report , Naval
Research and Development Center
Technical note SDD-OH50-62.Nov.1970
[7] Bender, E, and RemingtonP," Hydrofoil
DesignF or Minimum Power’, B, H.
Beranik and Newman Report 2511, 1973.
[8] Hydrofoil Data Bank. A collection of
most of the reports written by or for the
Hydrofoil Development Project. These
reports are available on two CDs from the
Intemational Hydrofoil Society, P.O. Box
51, Cabin John, Maryland, 20818. or
ordered from www.foils.org
[9] Besnard, E., Schmitz, A., Tzong, G.,
Kaups, K., Hefazi, H., Hess, J., Chen,
H.H., and Cebeci, T., 1998, “Hydrofoil
design and optimization for fast ships,”
Report AE-98-1, Aerospace Engineering
Note :
(*) Based on referenced [7]
(**) Based on 1965 NCRDC SUPRAMAR Tank
Test
(***) Based on the Boeing Co.estimate
(****) Based on Referenced [8]
Gambar.10. Skema kontrol lift
Awal mula terjadinya kavitasi
tergantung pada kecepatan dan dan
kedalaman pada saat foil beroperasi.
Optimasi pada dua dimensi dikembangkan
untuk mencari yang “terbaik” bebas
kavitasi ( maksimum gaya lift) untuk
memberikan perbandingan maksimum
antara ketebalan dan chordnya (t/c).
Optimasi ini telah di jabarkan oleh
Besnard et all(1998b)[9]. Koefisian gaya
lift yang paling tinggi (dua-dimensi)
dimana suatu foil dapat beropersai dan
mengkalkulasi gaya resultan drag
(friction+form) dan juga foil di design
sedemikian rupa sehingga tidak ada aliran
arus
separasi
yang
juga
dapat
meningkatkan drag.
Pendekatan optimasi desain sudah
dikembangkan dan berjalan dengan sukses
untuk beberapa aplikasi high-lift termasuk
desain sebaliknya (pressure matching),
optimasi untuk maksimum koefisien lift
sebuah airfoil dalam beberapa bentuk
variasi dan memaksimalkan rasio L/D dari
semua
elemen
airfoil
dengan
menyesuaikan posisi relatif mereka,
Besnard et all (1998a)[16]. Sebuah analisa
desain untuk kecepatan dan berat yang
tetap, optimum desain didapatkan dengan
kombinasi
kecepatan-berat dengan
perbandingan L/D yang maksimum dan
bebas kavitasi. Gaya resultan lift-to-drag
rasio dikalkulasikan sepanjang Break
Horse Power (BHP) :
6
Department, California State University,
Long Beach.
[10] Besnard, E., Schmitz, A., Boscher, E.,
Garcia, N., and Cebeci, Th.1998, “TwoDimensional Aircraft High Lift System
Design and Optimization,” Paper No. 980123.
7
1
1