1 STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH GAYA

STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH GAYA GELOMBANG LAUT TERHADAP
PEMBANGKITAN GAYA THRUST HYDROFOIL SERI NACA 0012 DAN NACA 0018
(Syahroni Hidayat, Sarwono, Ridho Hantoro)
Jurusan Teknik Fisika
Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya - 60111
email : [email protected]
Abstrak
Laut menyediakan energi alternatif yang melimpah seperti gelombang dan arus laut. Perkembangan pemanfaatan
sumber energi ini pada akhirnya memberikan potensi untuk dapat diteliti dan dikembangkan, seperti pada kapal ramah
lingkungan Suntory Mermaid II yang memanfaatkan tenaga penggerak mekanis berupa hydrofoil. Terdapat berbagai jenis
hydrofoil dan salah satunya adalah NACA. Telah dilakukan penelitian pengaruh gaya gelombang terhadap pembangkitan
gaya dorong (thrust) hydrofoil seri NACA 0012 dan 0018 sebagai alternatif penggerak mekanis kapal dengan variasi
kedalaman dengan metode eksperimen dan simulasi. Dari eksperimen diperoleh nilai gaya Fx dan Fy maksimum sebesar
0.00369 N dan 0.0191 N pada sudut pitch maksimum ±10o, sedangkan dari simulasi sebesar 0.00389 N dan 0.0192 N.
Untuk error terkecil perhitungan antara nilai Fx dan Fy eksperimen dan simulasi terjadi pada kedalaman air 22 cm untuk
kedua seri NACA. Lebih spesifik NACA 0018 dengan span 20 cm memiliki error perhitungan terkecil dengan Fx, 6.17 %
dan Fy, 1.6 %. Berdasarkan eksperimen, tidak ada perbedaan nilai gaya Fx dan Fy yang dibangkitkan antara hydrofoil
seri NACA 0012 dan NACA 0018, karena pada kedalaman yang sama sudut osilasi maksimum kedua seri hydrofoil juga
sama yaitu pada kedalaman 22 cm ± 10o - ±11o dengan Fx 0.00369 N - 0.0038 N dan Fy 0.0191 N – 0.0195 N, dan pada
kedalaman 24 cm dan 26 cm ±14o - ± 16o dengan Fx 0.006 N - 0.0085 N dan Fy 0.024 N – 0.028 N.
Kata kunci : gelombang laut, energi alternatif, thrust, hydrofoil
I.
PENDAHULUAN
Laut menyediakan sumber energi alternatif dan
terbarukan yang melimpah seperti gelombang dan arus
laut. Pemanfaatan kedua energi ini telah mulai
dikembangkan di luar negeri dan di Indonesia.
Perkembangan penelitian pemanfaatan energi gelombang
dan arus laut pada akhirnya memberikan potensi untuk
dapat diteliti dan diterapkan dalam pengembangan kapal
ramah lingkungan dengan memanfaatkan energi
terbarukan. Sebagai salah satu contoh, seorang professor
Jepang telah mengembangkan kapal katamaran Suntory
Mermaid II dengan tenaga penggerak mekanis berupa
hydrofoil.
dapat dibangkitkan sebagai alternatif penggerak kapal
dengan menggunakan simulasi CFD.
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Gelombang Laut
Gelombang adalah pergerakan naik dan turunnya
air dengan arah tegak lurus permukaan air yang
membentuk kurva sinusoidal. Gelombang laut adalah
penjalaran energi yang membawa energi dari laut lepas
ke tepi pantai. Adapaun pencetus gelombang laut dapat
disebabkan oleh angin (gelombang angin), daya tarik
bumi-bulan-matahari (gelombang pasang surut), gempa
(vulkanik atau tektonik) didasar laut (gelombang
tsunami) ataupun gelombang yang disebabkan oleh
gerakan kapal. Namun ada juga istilah gelombang
permukaan laut dan gelombang internal. Disebut
gelombang permukaan karena gelombang terjadi di
permukaan laut sedangkan gelombang internal adalah
gelombang yang menjalar di dalam lautan.
Gambar 1. Suntory Mermaid II[1]
Hydrofoil adalah salah satu bentuk body aerodinamika
sederhana yang berguna untuk dapat memberikan gaya
angkat tertentu terhadap suatu body lainnya dan salah
satu seri hydrofoil adalah hydrofoil NACA yang
dikembangkan oleh National Advisory Committee for
Aeronautics . Oleh karena itu, peneliti ingin
membandingkan beberapa seri hydrofoil NACA untuk
mengetahui perubahan-perubahan gerakan aerofoil
akibat gaya gelombang laut serta prediksi energi yang
Gambar 2. Gerak orbit partikel air di berbagai jenis
perairan.[2]
Pada dasarnya profil gerakan osilasi partikel air
berbeda-beda menurut kedalamannya. Pada perairan
1
dalam gerakan partikel air berbentuk lingkaran.
Sedangkan pada perairan dangkal gerakan patikel air
berosilasi secara horizontal. Penggambaran gerakan
partikel air dapat dinyatakan seperti gambar 2 di atas:
Persamaan gelombang umum dapat dinyatakan
dalam persamaan berikut :
Chord line
:
garis
lurus
yang
menghubungkan leading
edge dengan trailing
edge.
Mean chamber line : garis yang membagi sama
besar antara permukaan atas dan bawah.
Maximum chamber : jarak maksimal antara
chamber line dan chord line.
Maximum thickness: jarak maksimal antara
permukaan atas dan bawah.
Leading edge radius: jari-jari kelengkungan
permukaan leading edge, besarnya radius ini 0 –
2%.
Sudut serang adalah sudut yang dibentuk antara
chord hydrofoil dengan vector kecepatan aliran fluida
freestream. Perubahan Reynolds number dan sudut
serang α mempengaruhi harga gaya angkat (lift)[7].
(1)
Dimana
adalah amplitude gelombang,
adalah
frekuensi gelombang, k adalah angka gelombang, yaitu
jumlah gelombang per satuan panjang sepanjang arah –x.
Lebih jelasnya,
(2)
Dimana panjang gelombang λ adalah jarak berturut-turut
antara titik-titik pada gelombang dengan phase yang
sama. Persamaan gelombang diatas menyatakan gerak
sinusoidal dua dimensi dan dapat disebut sebagai
“elevasi permukaan”.
Untuk gerak orbital gelombang kecepatan dalam
arah horizontal u dan vertikal y diberikan oleh persamaan
berikut[3]:
C. Gaya-Gaya Aerodinamika
Gaya angkat (L) merupakan komponen gaya fluida
pada hydrofoil yang tegak lurus arah gerakan.
Berdasarkan analisis dimensi bentuk persamaan lift
adalah sebagai berikut:
(7)
Dimana,
L
: Gaya Lift
Ρ
: massa jenis fluida
CL : koefisien lift
V : kecepatan fluida
AP : plan area (S), luasan maksimum : chord x span
(3)
(4)
Dimana ketika gelombang bergerak dengan kecepatan
phase tertentu, air juga turut bergerak dengan kecepatan
yang lebih kecil. Untuk kedalaman yang terbatas
persamaan diatas dapat juga dinyatakan dalam
persamaan dibawah ini:
Gaya seret (D) adalah gaya aliran yang bekerja
pada hydrofoil yang sejajar arah gesekan. Berdasarkan
analisis dimensi bentuk persamaan lift adalah sebagai
berikut:
(5)
(8)
Dimana,
D : Gaya Drag
Ρ
: massa jenis fluida
CD : koefisien drag
V : kecepatan fluida
AP :plan area (S), luasan maksimum : chordx span
(6)
B. Hydrofoil
Hydrofoil adalah bentuk bangun yang dapat
menghasilkan gaya angkat besar dengan hambatan
sekecil mungkin. Gaya angkat (lift) dan stall dari sayap
tersebut sangat bergantung pada bentuk geometris
penampang hydrofoil-nya. Bentuk geometris penampang
hydrofoil secara umum dapat dilihat pada gambar
berikut:
Gaya thrust (T) merupakan salah satu gaya
aerodinamika yang bekerja pada pesawat dalam suatu
penerbangan, yaitu gaya yang mendorong pesawat
menembus udara. Gaya ini sesuai dengan dua hukum
gerak Newton, yaitu hukum II yang menyatakan bahwa
gaya merupakan hasil kali massa terhadap kecepatnnya.
Dan hukum III menyatakan bahwa gaya aksi sama
dengan gaya reaksi. Pada penerbangan gaya thrust
dihasilkan oleh mesinnya.[8] Gaya thrust juga dapat
dihasilkan oleh hydrofoil, yaitu ketika hydrofoil tersebut
mengepak (flapping) seperti halnya pada sayap burung
dan ekor lumba-lumba.
Selain itu, hydrofoil juga memiliki gaya gerak
translasi (heave) dan rotasi (pitch) yan merupakan
persamaan gaya thrust. Kedua persamaan tersebut
dinyatakan sebagai :
Gambar 3. Bentuk geometri penampang hydrofoil
NACA.[12]
Dan bagian-bagian hydrofoil adalah sebagai
berikut:
Leading edge
: sisi depan hydrofoil
Trailing edge
: sisi belakang hydrofoil
Chord
: jarak antara leading edge
dan trailing edge
(9)
(10)
2
Dimana h0 adalah amplitudo heave, ω adalah
frekuensi putaran (rad/s), t adalah waktu (detik), θ adalah
sudut pitch dan ψ adalah sudut fase (rad/s) antara heave
dan pitch.
perhitungan kondisi-kondisi yang diterapkan pada saat
pre-processor dilakukan pada tahap solver. Terakhir,
pada tahap post-processor dilakukan organisasi dan
interpretasi data hasil simulasi CFD yang bisa berupa
gambar, kurva, dan animasi.[9]
Solver
Pre-Processor
Governing equations solve on a mesh
- Creation Geometry
- Mesh Generation
- Material Properties
- Boundary Conditions
Gambar 4. Profil gerakan heave dan pitch.
D. Gaya Pegas
Gaya yang dikerjakan oleh sebuah pegas pada
sebuah benda berbanding lurus dengan pergeseran benda
namun memiliki arah yang berlawanan, dan dapat
dituliskan[11]
Transport Equation
Phsical Models
Mass
Momentum
Energy
Others transport
variables
Equation of state
Supporting physicals
model
Turbulence
Combustion
Radiation
Other Procces
Post-Processor
Solver Setting
- X-Y Graphs
- Contour
- Velocity Vectors
- Others
(11)
Dimana F adalah gaya pegas (gaya pemulih) dan k
adalah konstanta pegas. Persamaan diatas merupakan
persamaan gerak getaran untuk sistem pegas berikut ini :
Initialization
Solution Control
Monitoring Solution
Convergence criteria
Gambar 7. Interkoneksi tiga tahapan utama analisis
CFD.[9]
III. METODOLOGI
A. Algoritma Penelitian
Gambar 5. Sistem pegas.
Mulai
Adapun untuk sistem dengan dua pegas seperti
gambar 2.9 dibawah ini, persamaannya adalah
Studi Literatur
Penentuan Tipe Foil
Penggambaran desain dengan
ANSYS Workbench
Fabrikasi Alat (Foil dan Towing
Tank)
Gambar 6. Sistem dua pegas
(12)
CFD
Penggambaran model geometry
Simulasi Visualisasi Aliran
Simulasi Gaya-Gaya
Hidrodinamika (Lift, Drag, Thrust,
dsb)
E. Computational Fluid Dynamics
Computational Fluid Dynamics atau CFD
merupakan sebuah cabang ilmu baru yang terintegrasi
tidak hanya atas mekanika fluida dan matematika namun
juga terintegrasi dengan ilmu komputer. Pada disiplin
mekanika fluida CFD digunakan mempelajari dan
memprediksi bagaimana sifat aliran mempengaruhi
sebuah proses, seperti perpindahan panas dan reaksi
kimia dalam sebuah pembakaran. Dalam CFD,
persamaan matematika dasar menyatakan karakteristik
gerakan fluida, biasanya berupa persamaan diferensial
parsial, yang mempengaruhi proses. Dan untuk
menyelesaikan
persamaan-persamaan
matematika
tersebut digunakan ilmu komputer. Jadi, dapat
disimpulkan bahwa CFD adalah suatu teknologi
komputasi yang mempelajari aliran fluida dengan
simulasi numerik untuk memperoleh suatu solusi
numerik.
Dalam melakukan simulasi CFD, terdapat tiga
tahapan utama, yaitu, pre-processor, solver, dan postprocessor. Pre-processor merupakan langkah pertama
dalam membangun dan menganalisis sebuah model
CFD. Pada tahap ini dilakukan pembuatan geometri,
meshing, pendefinisian model fisik dan pemilihan
material, dan pendefinisian kondisi batas. Kemudian
Pengujian
Uji Foil dan Gaya-Gaya
Hidrodinamika
Tidak
Model Valid
Ya
Pembuatan Laporan
Selesai
Gambar 8. Algoritma penelitian
B. Perancangan Sistem
Dalam penelitian ini, perancangan alat penelitian
mengikuti desain berikut ini :
(a)
3
(b)
(c)
Gambar 9 Perancangan sistem (a) Hydrofoil; (b) Kereta
pembawa; (c) towing tank.
Dimana sistem ini terdiri dari towing tank,
hydrofoil, kereta dan rel, sistem pegas dan pembangkit
gelombang.
Gambar 12 .Kereta hydrofoil
Sistem pegas
Sistem pegas yang digunakan berfungsi sebagaai
pengatur posisi hydrofoil, terdiri dari dua buah pegas
yang dipasang paralel dengan harga konstanta pegas k
masing-masing adalah 0.49 N/m yang diperoleh melalui
pengukuran dengan persamaan 2.13.
Towing Tank
Towing tank yang digunakan memiliki dimensi 0.5
m x 0.5 m x 2.4 m, terbuat dari kayu dengan dengan
salah satu sisinya diberikan kaca untuk memudahkan
dalam pengamatan. Agar tidak terjadi kebocoran,
digunakan plastik sebagai pelapis kayu.
Gambar 13. Sistem pegas
Dari gambar diatas dapat dilakukan penurunan
persamaan matematika dengan asumsi sistem pegasnya
seperti gambar 12 berikut ini.
(11)
dimana
(13)
Maka,
Gambar 10. Towing tank

Variasi Hydrofoil
Hydrofoil yang digunakan adalah hydrofoil simetris
seri NACA 0012 dan 0018 dengan chord 0.1 m dan span
masing-masing adalah 0.1 m, 0.15 m dan 0.2 m. Pada
leading edge hydrofoil terdapat as dari sekrup yang
terhubung dengan tiang hydrofoil pada kereta. Adapun
pada trailing edge-nya terdapat paku sebagai pengait
pegas. Jarak antara as dan pengait pegas adalah 6 cm.
(14)
Dan untuk perubahan sudut θ(t) adalah
(15)
Pembangkit Gelombang
Pembangkitan gelombang dilakukan secara manual
memanfaatkan sebuah pembangkit berbentuk tabung
dengan diameter 12.5 cm dan tinggi 40 cm. Kemudian
untuk menghalangi adanya gelombang balik ketika
melakukan eksperimen, digunakan beberapa batu yang
disusun sebagai pemecah gelombang.
Gambar 11. Hydrofoil
Kereta pembawa dan Rel
Kereta pembawa dan rel terbuat dari aluminium,
yang secara berurutan, akan digunakan sebagai pembawa
hydrofoil dan lintasan hydrofoil. Lintasan hydrofoil
memiliki panjang total 1.2 m sedangkan kereta pembawa
memiliki empat buah roda, dengan tiang penghubung
sepanjang 0.52 m. Pada tiang penghubung terdapat tiang
hydrofoil dengan ketinggian 0.4 m dan posisinya dapat
diubah-ubah mengikuti ukuran span hydrofoil.
Metodologi
Dalam eksperimen penelitian ini, digunakan tiga
variasi ketinggian air yaitu masing-masing, 0.22 m, 0.24
m dan 0.26 meter. Hydrofoil pada kereta diletakkan pada
ketinggian 0.2 m dari dasar towing tank. Adapun jarak
lintasan yang akan ditempuh oleh kereta adalah sejauh
0.6 m. Dalam pengambilan data, variable yang akan
diambil nilainya adalah jarak s, waktu t, amplitude
gelombang A, amplitudo hydrofoil Y, panjang gelombang
λ, periode hydrofoil Th dan jumlah osilasi hydrofoil n.
4
Jarak s adalah jarak yang ditempuh kereta ketika
airfoil berosilasi yang sudah ditentukan diatas.
sedangkan waktu t adalah waktu yang dibutuhkan oleh
kereta untuk menmpuh jarak s, dan digunakan stopwatch
sebagai alat ukur. Ketika airfoil berosilasi dan kereta
bergerak dilakukan recording gambar. Hasil recording
akan digunakan untuk memperoleh nilai A, Y, λ, T dan
n. nilai-nilai A, Y, λ, T dan n yang diambil adalah nilai
ketika amplitudo osilasi hydrofoil mencapai maksimum.
Untuk mempermudah, pengamatan, dibuat garis pada
kaca dengan jarak 1 cm yang titik pusatnya sama dengan
posisi 0o hydrofoil.
Gaya thrust hydrofoil diperoleh dari perhitungan
analitik terhadap perubahan posisi dan perubahan sudut
akibat osilasi hydrofoil pada sistem pegas ketika dikenai
gaya gelombang air berdasarkan rumus 11-15.
CFX Expression Language (CEL) merupakan
pemrograman bahasa pada ANSYS CFX yang digunakan
untuk inisialisai keadaan fluida dalam bentuk persamaan
matematika. Pada penelitian ini CEL digunakan
persaman 5 dan 6 untuk menginisialisasi kecepatan
gelombang air, yang mempengaruhi hydrofoil. Dalam
CEL syintax-nya dituliskan seperti berikut :
Vel u = (pi * H / periode ) * (cosh((2 * pi / L) * J) /
sinh((2 * pi / L) * D)) * cos(theta)
Vel v = (pi * H / periode ) * (sinh((2 * pi / L) * J) /
sinh((2 * pi / L) * D)) * sin(theta)
Dimana;
D
= Ketinggian air tenang [m]
H
= Tinggi gelombang [m]
J
= Jarak vertikal dasar dengan hidrofoil [m]
L
= Panjang gelombang [m]
periode = periode gelombang [s]
C. PemodelanSistem
Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah suatu
teknologi komputasi yang mempelajari aliran fluida
dengan simulasi numerik untuk mendapatkan solusi
numerik (Jiyuan, Guan dan Chaoqun, 2008). Softwaresoftware CFD saat ini sudah banyak beredar dipasaran,
baik yang bersifat shareware seperti FLUENT dan CFX,
maupun yang bersifat freeware seperti OPEN FOAM.
Dan untuk tugas akhir ini analisa CFD dilakukan dengan
bantuan software ANSYS CFX versi 11.0. Dalam
melakukan simulasi terdapat tiga tahapan utama yaitu
pre-processor, solver dan post-processor.
1. Pre Processor
Penentuan Kondisi Batas
Inlet
Outlet
Opening
Foil
Walls
Interface
2.
Pembuatan Geometri
Pembuatan geometri foil yang terdiri dari
pembuatan geometri 2 D dan 3 D. Ukurannya sama
denga ukuran sebenarnya.
Tahap Solver
Berupa iterasi untuk mendapatkan solusi numerik.
3.
Tahap Post Processor
Pada tahap ini akan ditampilkan hasil simulasi
berupa harga perhitungan lift dan drag, visualisasi
distribusi tekanan, visualisasi distribusi kecepatan,
visualisasi aliran dan visualisasi vektor kecepatan.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Analisa data eksperimen
Data pengukuran
Berikut adalah salah satu data hasil eksperimen
hydrofoil NACA 0012 span 20 cm dan kedalaman air 22
cm. Nilai-nilai pada tabel 1 diambil ketika nilai variabelvariabelnya maksimum. Kemudian harga rata-ratanya
digunakan dalam perhitungan data eksperimen dan
simulasi. Berdasarkan data diatas dari rumus 5 dan 6,
eksperimen maupun simulasi dilakukan pada kecepatan
0.069 m/s untuk kedalaman 22 cm, 0.05 m/s untuk
kedalaman 24 cm dan 0.036 m/s untuk kedalaman 26
cm.
Tabel 1. Data hasil eksperimen hydrofoil NACA 0012
span 20 cm dan kedalaman air 22 cm
Gambar 13. Geometri Model
Meshing
Meshing merupakan tahap ke dua dan dilakukan
untuk mendapat hasil numerik yang mendekati
sebenarnya.
Gambar 14. Hasil Meshing
Penentuan CFX Expression Language (CEL)
5
Th (s)
n
λ
t (s)
S (m)
0.03
1
9
0.4
10
0.6
0.03
0.67
9
0.4
11
0.6
0.02
0.03
0.66
8
0.4
9
0.6
0.02
0.04
1
13
0.45
14
0.6
0.02
0.025
0.8
15
0.4
16
0.6
Y (m)
A (m)
0.02
0.02
0.03
1.07
10
0.4
11
0.6
0.02
0.03
0.88
8
0.4
10
0.6
0.02
0.03
1
10
0.4
10
0.6
0.02
0.04
1.07
8
0.4
9
0.6
0.02
0.03
0.86
11
0.45
12
0.6
0.02
0.0315
0.901
10.1
0.41
11.2
0.6
Harga Fx NACA 0018 span 20 cm pada H 24 cm
0.008
0.007
0.006
Fx (t)
0.02
0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
0
0
2
4
6
8
10
t (s)
Keterangan
Y = Amplitudo hydrofoil
(m)
A = Amplitudo gelombang
(m)
Th = Periode hydrofoil (s)
n = Jumlah osilasi hydrofoil
(a)
λ = Panjang gelombang
(m)
t = waktu (s)
Harga Fy NACA 0018 span 20 cm pada H 24 cm
0.03
0.02
S = jarak (m)
Fy (t)
0.01
0
-0.01
Sebagai contoh, berikut ini adalah grafik harga
gaya-gaya Fx, Fy, dan pitching hydrofoil NACA 0018
span 20 cm untuk masing-masing kedalaman.
0
2
4
6
8
10
-0.02
-0.03
t(s)
(b)
Hydrofoil 0018 span 20 cm
Kedalaman 22 cm
Pitching NACA 0018 span 20 cm pada H 24 cm
Harga Fx NACA 0018 span 20 cm pada H 22 cm
20
10
Theta (deg)
Fx (t)
15
0.0045
0.004
0.0035
0.003
0.0025
0.002
0.0015
0.001
0.0005
0
0
-5 0
2
4
6
10
-15
-20
t (s)
2
4
6
8
10
(c)
Gambar 16. Grafik (a) gaya Fx; (b) gaya Fy; (c) sudut
pitching NACA 0018 span 20 cm pada
kedalaman air 24 cm.
t (s)
(a)
Harga Fy NACA 0018 span 20 cm pada H 22 cm
0.025
0.02
0.015
0.01
0.005
0
-0.005 0
-0.01
-0.015
-0.02
-0.025
Kedalaman 26 cm
Harga Fx NACA 0018 span 20 cm pada H 26 cm
4
6
8
10
Fx (t)
2
t (s)
(b)
Pitching NACA 0018 span 20 cm pada H 22 cm
0.009
0.008
0.007
0.006
0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
0
0
2
4
6
8
10
t (s)
15
(a)
10
Theta (deg)
8
-10
0
Fy (t)
5
5
Harga Fy NACA 0018 span 20 cm pada H 26 cm
0
-5
0
2
4
6
8
10
0.04
0.03
-10
0.02
Fy (t)
-15
t (s)
(c)
Gambar 15. Grafik (a) gaya Fx; (b) gaya Fy; (c) sudut
pitching NACA 0018 span 20 cm pada
kedalaman air 22 cm.
0.01
0
-0.01 0
2
4
6
-0.02
-0.03
-0.04
t (s)
(b)
Kedalaman 24 cm
6
8
10
Pitching NACA 0018 span 20 cm pada H 26 cm
Harga Fx NACA 0018 span 20 cm
20
0.0045
0.004
0.0035
0.003
0.0025
0.002
0.0015
0.001
0.0005
0
15
5
0
-5 0
2
4
6
8
Fx (N)
Theta (deg)
10
10
-10
-15
-20
t (s)
-15
(c)
Gambar 17. Grafik (a) gaya Fx; (b) gaya Fy; (c) sudut
pitching NACA 0018 span 20 cm pada
kedalaman air 22 cm.
-10
-5
Fx, H 22 cm
Fx, H 24 cm
Fx, H 26cm
0
5
10
15
Theta (deg)
Gambar 18. Harga Fx NACA 0018 span 20 cm pada
seluruh kedalaman.
Harga Fy NACA 0018 span 20 cm
Harga gaya Fx dari grafik-grafik diatas selalu
menunjukkan harga positif. Ini menunjukkan bahwa
hydrofoil menghasilkan gaya thrust. Sedangkan harga
gaya Fy-nya bernilai positif maupun negatif. Karena Fy
merupakan fungsi dari posisi hydrofoil pada t tertentu.
Dan dilihat dari jumlah osilasinya, osilasi hydrofoil
dengan span 20 cm adalah rata-rata 8-10 kali. Hargaharga Fx dan Fy berubah siring berubahnya sudut pitch
hydrofoil. Dan untuk mencapai harga Fx maksimum
berikutnya hydrofoil membutuhkan waktu yang berbedabeda dengan jumlah osilasi smpurna yang berbeda-beda
pula. Tambahan pula, sudut pitching hydrofoil juga
berbeda-beda pada kedalaman tertentu.
Bentuk grafik gaya Fx, gaya Fy dan pitching
hydrofoil yang berbeda-beda dipengaruhi oleh
kedalaman dan span hydrofoil. Kedalaman berpengaruh
pada waktu redaman hydrofoil sedangkan span
berpengaruh pada kestabilan osilasinya. Terlihat dari
grafik pitching, untuk seluruh kedalaman hydrofoil
dengan span 15 cm memiliki grafik osilasi yang relatif
stabil, sedangkan untuk span 20 cm osilasinya tidak
stabil. Hal ini dapat disebabkan oleh adanya turbulensi
aliran akibat dekatnya jarak hydrofoil dengan sisi towing
tank.
0.02
0.015
0.01
Fy (N)
0.005
-15
-10
0
-5 -0.005 0
-0.01
-0.015
-0.02
5
10
15
Fy, H 22cm
Fy, H 24 cm
Fy, H 26 cm
-0.025
Theta (deg)
Gambar 19. Harga Fy NACA 0018 span 20 cm pada
seluruh kedalaman.
Nilai gaya Fy maksimum (Gambar 19) untuk setiap
kedalaman air juga terjadi ketika sudut pitch hydrofoil 10o. Dan gaya Fy terbesar diterima hydrofoil NACA
0018 span 20 cm pada kedalaman air 22 cm dan terkecil
pada kedalaman 26 cm. Tren grafik Fy terhadap sudut
pitch diatas membentuk grafik gaya lift.
Vektor Kecepatan
Gambar 20 dibawah ini menunjukkan vektor
kecepatan aliran fluida air yang mengenai hydrofoil. Dari
gambar vektor kecepatan terlihat aliran fluida datang dari
sumbu y positif menuju sumbu y negatif. Namun
sebelum mencapai dasar, vektor aliran fluida bergerak
menuju dua arah yang berlawanan yaitu, sumbu x positif
dan x negatif. Dari keadaan ini dapat disimpulkan bawa
fluida yang bekerja pada hydrofoil memiliki gelombang.
B. Analisa data simulasi
Gambar 18 merupakan grafik hubungan antara
besarnya Fx yang dibangkitkan hydrofoil NACA 0018
span 20 cm terhadap sudut pitch pada seluruh kedalaman
air (22 cm, 24 cm dan 26 cm). Dapat dilihat bahwa gaya
Fx terbesar yang dibangkitkan yaitu pada kedalaman 22
cm. Kemudian pada kedalaman 24 cm dan terakhir pada
kedalaman 26 cm. Pada kedalaman 22 cm, harga Fx
terkecil adalah 0.00006 N pada sudut 5o, sedangkan
harga untuk dua kedalaman lainnya (24 cm dan 26 cm)
berturut-turut adalah 0.00013 N dan 0.00021 N.
Dari simulasi, harga Fx maksimum yang
dibangkitkan oleh hydrofoil NACA 0018 span 20 cm
untuk seluruh kedalaman adalah pada sudut -10o. Yaitu
kedalaman 22 cm sebesar 0.0039 N, kedalaman 24 cm
sebesar 0.0021 N dan kedalaman 26 cm adalah 0.0011 N.
Bentuk grafik yang terbentuk antara Fx dengan sudut
theta merupakan grafik gaya drag yang bekerja pada
hydrofoil.
Gambar 20 vektor kecepatan
Terlihat dari degradasi warnanya, perubahan
kedalaman berpengaruh terhadap kecepatan aliran fluida.
Dimana kecepatan aliran pada permukaan fluida lebih
7
maksimumnya hanya pada sudut maksimum -10o.
Dengan tren yang menujukkan perubahan nilai Fx
simulasi semakin besar ketika sudut serang berharga
minus.
besar dibandingkan kecepatan di dasar fluida. Dan pada
sisi inlet, aliran fluida memiliki kecepatan terbesar.
Distribusi Tekanan
Gambar 21 dibawah ini merupakan kontur
distribusi tekanan disekitar hydrofoil untuk setiap sudut
serang yang diperoleh dari simulasi. Dari gambar dapat
dilihat, tekanan pada permukaan atas hydrofoil lebih
besar daripada tekanan di permukaan bawahnya. Hal ini
disebabkan oleh arah datangnya aliran fluida yang
melalui sumbu y positif. Jadi jika sumbu y positif
dijadikan sebagai acuan, dapat dikatakan bahwa sudut
serang hydrofoil adalah 90o.
Fx (Newton)
Perbandingan Fx eksperimen dan simulasi pada H
22 cm
-15
-10
0.0045
0.004
0.0035
0.003
0.0025
0.002
0.0015
0.001
0.0005
0
-5
0
0018 span 20 eks
0018 span 15 eks
0012 span 20 eks
0012 span 15 eks
0018 span 20 sim
0018 span 15 sim
0012 span 20 sim
0012 span 15 sim
5
10
15
Theta (deg)
Gambar 22. Grafik perbandingan harga gaya Fx
eksperimen dan simulasi pada kedalaman
22 cm.
(a)
(c)
(b)
Terdapat juga perbedaan nilai Fx minimum
eksperimen dan simulasi. Dari Fx eksperimen harga
minimum seluruh NACA diperoleh ketika sudut pitchnya 0o. Sedangkan untuk harga Fx simulasi seperti
hydrofoil NACA 0018 span 20 cm dan NACA 0018
span 15 cm yang harga minimumnya muncul pada sudut,
berturut-turut, 5o dan 10o. Sedangkan untuk hydrofoil
NACA 0012 Fx terkecil muncul pada sudut 0o.
Tak jauh beda dengan gaya Fx, gaya Fy yang
dihasilkan oleh NACA melalui eksperimen dan simulasi
juga memiliki harga maksimum yang relatif sama dan
cukup besar. Yang membedakan adalah terdapatnya
penurunan harga Fy simulasi yang terjadi pada sudut
pitch 1o-2o.
(d)
Perbandingan Fy eksperimen dan simulasi pada H
22 cm
(e)
(f)
Fy (Newton)
Gambar 21. Visualisasi distribusi tekanan pada sudut
serang (a) 10o, (b) 5o, (c) 0o,(d) -5o, (e) -10o
dan (f) permukaan hydrofoil.
Perubahan sudut hydrofoil juga mempengaruhi
besar tekanan dan distribusi tekanan di sekitar hydrofoil.
Tekanan terbesar diterima hydrofoil ketika dalam posisi
sudut -10o dan terkecil pada posisi sudut 10o. Namun
untuk tekanan fluida disekitar hydrofoil, pada sudut 10o
tekanan terlihat lebih besar dibandingkan pada sudut 10o. adapun daerah mulai dari sisi leading edge sampai
daerah inlet (sisi kiri) tekanannya lebih rendah dari
tekanan pada daerah setelah trailing edge (sisi kanan)
hingga outlet.
-15
-10
0.025
0.02
0.015
0.01
0.005
0
-5-0.005 0
5
-0.01
-0.015
-0.02
-0.025
Theta (deg)
0018 span 20 eks
0018 span 15 eks
0012 span 20 eks
0012 span 15 eks
10
15
0018 span 20 sim
0018 span 15 sim
0012 span 20 sim
0018 span 15 sim
Gambar 23. Grafik perbandingan harga gaya Fx
eksperimen dan simulasi pada kedalaman
22 cm.
Tren grafik diatas menunjukkan bahwa gaya Fy
yang bekerja pada hydrofoil merupakan gaya lift. Error
perhitungan gaya Fx dan Fy maksimum (pada susut -10o)
antara eksperimen dan simulasi untuk kedalaman 22 cm
dapat dilihat pada tabel berikut ini.
Dari tabel 2 dibawah dapat dilihat bahwa error
perhitungan gaya Fx terkecil adalah 6.17 % pada NACA
0018 span 20 cm dan terbesar adalah 22 % pada NACA
C. Perbandingan Eksperimen dan Simulasi
Perbandingan harga gaya Fx yang diperoleh
melalui eksperimen dan simulasi ditampilkan pada
gambar 22 (untuk kedalaman 22 cm). Harga gaya Fx
yang diperoleh dari eksperimen memiliki nilai pada
sudut pitch maksimum yang relative sama. Berbeda
dengan harga Fx dari hasil simulasi yang nilai
8
0012 span 15 cm. Sedangkan untuk gaya Fy, terkecil 1.6
% dan terbesar adalah 48.3%
V.
KESIMPULAN
Sehingga dapat diambil kesimpulan sebagai
berikut:
a. Telah berhasil dilakukan pemodelan hydrofoil
NACA sebagai alternatif penggerak kapal dalam
bentuk plant skala laboatorium dan simulasi beserta
analisa aliran fluida yang melewati hydrofoil.
b. Sudut pitch maksimum tiap hydrofoil tidak sama
untuk masing-masing kedalaman. Untuk kedalaman
22 cm, sudut maksimum yang dapat dicapai
hydrofoil adalah ± 10o- ±11 o, sedangkan pada
kedalaman 24 cm dan 26 cm dapat mencapai ± 15o±16 o. Yang membedakan adalah jumlah osilasi
hydrofoil pada masing-masing kedalaman.
c. Gaya thrust terbesar dihasilkan ketika sudut pitch
hydrofoil maksimum, pada sudut ± 10o harga Fx
dan Fy terbesar dari eksperimen berturut-turut
adalah 0.00369 N dan 0.0191 N. Sedangkan untuk
Fx dan Fy simulasi berturut-turut adalah 0.00389 N
dan 0.0192 N.
d. Dari error perhitungan antara gaya-gaya Fx dan Fy
yang dibangkitkan baik melalui simulasi dan
eksperimen diperoleh error perhitungan terkecil
rata-rata terjadi pada kedalaman air 22 cm untuk
seluruh hydrofoil. NACA 0018 dengan span 20 cm
memiliki error perhitungan terkecil dengan Fx-nya
6.17 % dan Fy-nya 1.6 %.
e. Kedalaman
dan
span
berpengaruh
pada
pembangkitan gaya thrust, terutama pada osilasi
hydrofoil.
Tabel 2. Error perhitungan gaya Fx dan Fy eksperimen
dan simulasi kedalaman 24 cm
22
NACA
Fx (%)
Fy (%)
0018-20
6.17
1.6
0018-15
18.5
48.3
0012-20
12.9
19.4
0012-15
22.3
17.9
Untuk kedalaman 24 cm dan 26 cm memiliki tren
grafik yang sama seperti pada kedalaman 22 cm.
perbedaannya terletak pada harga gaya-gaya Fx dan Fy
yang dibangkitkan, terutama dari hasil simulasi. Adapun
error perhitungan untuk kedalaman 24 cm dan 26 cm
adalah sebagai berikut:
Tabel 3. Error perhitungan gaya Fx dan Fy eksperimen
dan simulasi kedalaman 24 cm
24
NACA
Fx (%)
Fy (%)
0018-20
37.1
54.6
0018-15
59.5
75.7
0012-20
36.3
38.3
0012-15
68.6
98.9
VI. DAFTAR PUSTAKA
[1] http://www.rexresearch.com/waveboat/
waveboat.htm
[2] Sulaiman, A & Soehardi, I, 2008. Pendahuluan
Geomorfologi Pantai Kuantitatif. : BPPT.
[3] Kim, Sang-Hyun dan Yamato, Hiroyuki. 2004. An
Experimental Study of The longitudinal motion
control of a fully submerged hydrofoil model in
following seas. Ocean Engineering 31, 523-537.
[4] Newman, J.N. 1986. Marine Hydrodynamics.
The MIT Press.
[5] Fox, Robet W dan McDonald, Alan T. 1994.
Introduction To Fluid Mechanics 4th Edition.
New York : John Wiley & Sons, Inc.
[6] Priadi, Kukuh. 2005. Pengaruh Sudut Serang
Terhadap Gejala Separasi 2D Pada Airfoil
Simetris Dengan Perubahan Letak Tebal
Maksimum. Jurusan Teknik Mesin ITS, Surabaya.
[7] Tampubolon, Pieter Christian. 2005. Studi
Eksperimental Pengaruh Permukaan Bergerak
Pada Modifikasi Airfoil NACA0015 Terhadap
Gaya Lift Dan Gaya Drag. Jurusan Teknik Mesin
ITS, Surabaya.
[8] Dan, Johnston, Thrust. U.S. Centennial of flight
commission
<http://www.centennialofflight.gov/essay/Theories
_of_Flight/Thrust/TH5.htm>
[9] Tu, Jiyuan., Heng Yeoh, Guan., Liu, Chaoqun.
2008. Computational Fluid Dynamic : A
Practical Approach. Oxford : ELSEVIER.
Tabel 4. Error perhitungan gaya Fx dan Fy eksperimen
dan simulasi kedalaman 26 cm
26
NACA
Fx (%)
Fy (%)
0018-20
64.24
77.99
0018-15
73.29
86.33
0012-20
75.07
76.43
0012-15
82.53
81.25
Secara keseluruhan, berdasarkan tabel-tabel
perbandingan di atas gaya Fx dan Fy terbaik
dibangkitkan oleh seluruh hydrofoil pada kedalaman air
22 cm. Dan seiring bertambahnya kedalaman, gaya-gaya
Fx dan Fy yang dibangkitkan ikut berkurang.
Sedangkan untuk perbandingan gaya-gaya Fx dan
Fy yang dibangkitkan hydrofoil seri NACA 0012 dan
NACA 0018, berdasarkan hasil eksperimen, relatif sama.
Karena pada kedalaman yang sama, kedua seri NACA
berosilasi dengan sudut maksimum yang juga sama yaitu
pada kedalaman 22 cm ± 10o - ±11o dan pada kedalaman
24 cm dan 26 cm ±14o - ± 16o, Sehingga gaya Fx dan Fy
maksimum kedua seri hydrofoil juga sama (lihat
lampiran B). Dan sebagaimana telah dijelaskan diatas,
perbedaan hanya terjadi pada jumlah osilasi hydrofoil
yang disebabkan oleh faktor kedalaman dan span.
9
[10] Schouveiler, L, Hover, F.S, Triantafyllou, M.S.
2005. Performance Of Flapping Foil Propulsion.
Journal of Fluids and Structures 20, 949-959.
[11] Dosen-Dosen Fisika MIPA ITS, 2005. FISIKA I.
Yayasan Pembina Jurusan Fisika FMIPA ITS.
[12] http://www.desktopaero.com/appliedaero/
airfoils1/ airfoilgeometry.html
BIODATA PENULIS
Nama : Syahroni Hidayat
TTL : Mataram, 7 Januari 1988
Alamat : Keputih, Gg 3/56 Surabaya
Email : [email protected]
Riwayat Pendidikan :
SDN 1 Gunungsari (1993-1999)
MTs Nurul Hakim (1999-2002)
MA Nurul Hakim (2002-2005)
Teknik Fisika
(2005-sekarang)
10