Bab III METODOLOGI PENELITIAN
III.7. Analisis hambatan
Analisa yang dilakukan yaitu mencari hambatan total dan hambatan viskos. Kedua hambatan ini dapat diperoleh dari softwareAnsys-CFD dan maxsurf resistance. Kedua Software
ini digunakan agar hasil yang didapat valid.
III.7.1.Tahapan CFD
Tahapan-tahapan yang digunakan dalam simulasi CFD:
1. Pre-Processor
Pada tahap ini menggunakan software Ansys CFX-PRE yang terdapat pada Ansys Workbench. Tahap ini digunakan untuk menentukan kondisi lingkungan yang meliputi Inlet, Outlet, Interaksi lapisan batas, objek pengujian, kecepatan aliran fluida, temperatur, dan kondisi-kondisi lainnya yang nantinya akan berpengaruh terhadap proses simulasi.
2. Solver
Solver merupakan tahap perhitungan atau “running” yang dilakukan pada software CFD. Dalam proses solver ini ditentukan batas konvergensi dengan besaran tertentu guna mencapai hasil yang diinginkan.
40
3. Post-Processor
Tahap ini adalah tahap akhir yang dilakukan. Pada tahap ini dapat diketahui hasil dari hambatan model kapal dan dapat menampilkan informasi berupa gambar dan animasi.
III.7.2.Pemilihan Jumlah Grid (Meshing)
Grid (meshing) merupakan kumpulan elemen yang bergabung menjadi suatu bentuk tertentu. Penentuan jumlah grid yang dipakai dalam pemodelan kapal mempengaruhi tingkat ketelitian dari model tersebut. Ukuran grid yang digunakan akan menentukan hasil yang akan diperoleh maka dari itu jumlah grid yang digunakan menjadi pertimbangan utama. Semakin kecil ukuran grid yang digunakan akan menyebabkan jumlah elemen semakin banyak dan membutuhkan waktu yang lama untuk melakukan simulasi. Penggunaan ukuran grid yang terlalu besar sangat berpengaruh terhadap tingkat akurasi data yang diperoleh. Pemilihan jumlah grid yang dipakai pada pemodelan kapal memakai software Ansys-ICEM CFD
Gambar 3. 5 Pebedaan ukuran meshing kecil (kiri) dan besar (kanan)
III.7.3.Pendefinisian Model
Pendefinisian dilakukan agar didapatkan data sesuai dengan kondisi sesungguhnya. Pendefinisian model dalam hal ini berupa pemberian kondisi batas dari model. Kondisi batas tersebut dapat berupa jenis fluida, kondisi aliran fluida, kekasaran model, kecepatan model, tekanan udara, dan lain-lain. Pendefinisian model dilakukan dengan mengunakan Ansys-CFX.
1. Hambatan viskos
Evaluasi hambatan viskos menggunakan satu macam domain, dapat berupa air maupun udara. Pada kasus ini air dipilih sebagai domainnya. Kemudian karena bagian tengah yang
41 bergesek dengan air adalah bagian bawah sarat maka batas domain atas adalah sarat kapal. Ukuran domain yang digunakan adalah :
- Jarak sisi depan (inlet) terhadap model berkisar L - Jarak samping (wall) ke sisi model berkisar 2B
- Jarak sisi belakang (outlet) terhadap model berkisar 4L
- Jarak sisi bawah (bottom) terhadap model menyesuaikan kedalaman 2. Evaluasi hambatan total
Simulasi hambatan total menggunakan dua media yaitu air dan udara. Dalam simulasinya terdapat efek free surface, yaitu fluida 1 memasuki area fluida lainnya. Efek ini biasa disebut sebagai gelombang kapal. Penerapan kondisi batas ini akan membuat proses analisa tidak hanya dilakukan pada badan kapal dibawah sarat tetapi juga pada badan kapal diatas sarat. Ukuran domain tidak berbeda jauh dengan domain yang digunakan pada simulasi hambatan viskos, hanya terdapat penambahan ketinggian domain udara. Ukuran domain yang digunakan adalah :
- Jarak sisi depan (inlet) terhadap model berkisar L - Jarak samping (wall) ke sisi model berkisar 2B
- Jarak sisi belakang (outlet) terhadap model berkisar 4L
- Jarak sisi atas (top) terhadap model diambil 2H (Tinggi kapal). Jarak tersebut dianggap cukup karena kondisi dari top dianggap terbuka.
- Jarak sisi bawah (bottom) terhadap model menyesuaikan kedalaman. Pada simulasi kali ini digunakan 20.T (sarat). Jarak tersebut cukup agar gelombang yang dipantulkan oleh kapal ke dinding bawah tidak sampai kembali ke kapal.
III.7.4.Pemilihan Turbulensi
Pemilihan metode turbulensi akan berpengaruh terhadap proses perhitungan yang akan dilakukan. Aliran turbulen digunakan karena aliran ini mampu mempresentasikan dengan baik fenomena fisik yang terjadi disekitar model jika dibandingkan dengan aliran laminar.
Terdapat tiga macam aliran turbulensi yang dapat digunakan pada proses perhitungan ini yaitu k-epsilon, shear stress transport, dan laminar. Pada proses ini dipilih metode turbulensi shear stress transport dengan basis pemodelan dua persamaan yang merupakan salah satu pendekatan data pemodelan turbulensi dengan metode RANS (Reynold Averange Navier Strokes). Menurut beberapa peneliti, model turbulensi fluida menggunakan shear stress transport pada kondisi isothermal lebih memberikan akurasi yang lebih baik. Metode turbulen
42
ini telah digunakan oleh Menter (1993a, 1994b) dan dinyatakan sebagai metode paling akurat untuk pemodelan berbagai aliran yang termasuk dalam NASA technical memorandum (Bardina dkk, 1997; Swennberg, 2000). Model turbulen ini memecahkan turbulensi berbasis (k-ω) pada dinding-dinding dan turbulensi berbasis (k-ε) pada aliran massal (Jamaluddin, Utama, & Molland, 2010)
III.7.5.Validasi hasil
Pada proses ini digunakan untuk memastikan bahwa metode dan hasil yang diperoleh dari simulasi CFD dianggap benar dan valid. Sehingga data yang diperoleh dapat digunakan untuk tahapan selanjutnya. Terdapat dua proses dalam validasi yaitu :
1. Convergence
Merupakan pengaturan persamaan solver control untuk meminimalisir error pada hasil simulasi. Proses perhitungan atau disebut sebagai proses iterasi pada tahap flow solver. Banyaknya proses iterasi yang dilakukan berpengaruh terhadap tingkat akurasi yang diperoleh. Penentuan banyaknya iterasi dipengaruhi oleh tingkat ketelitian dari model yang telah dibuat. Semakin banyak jumlah elemen yang digunakan dalam permodelan maka semakin banyak pula iterasi yang perlu dilakukan untuk perhitungan model tersebut. Proses iterasi akan berhenti jika telah mencapai batas convergence atau batas maksimum iterasi yang telah ditentukan sebelumnya. pada proses ini perhitungan dilakukan hingga menuju nilai error terkecil atau didapatkan nilai yang konvergen. Convergence criteria yang digunakan dalam proses iterasi menggunakan Ansys CFX adalah 10-4 untuk simulasi free surface dan 10-5 untuk simulasi full viscous (Gambar 3.6). Proses perhitungan atau running akan terus beriterasi agar keempat grafik persamaan mencapai garis konvergensi. (CFX, 2014)
43 Gambar 3. 6 Batas konvergensi pada Ansys-CFD
2. Grid Independence
Selain dengan menggunakan Convergence tahap validasi juga dapat menggunakan Grid Independence . Seperti yang dijelaskan sebelumnya bahwa hasil yang ditampilkan oleh CFD sangat bergantung pada ukuran meshing dari model. Semakin kecil ukuran meshing maka jumlah elemen model yang terbentuk semain banyak. Jumlah elemen yang besar akan memberikan hasil yang lebih mendekati nilai sebenarnya. Namun tidak selamanya jumlah elemen yang banyak akan menjamin optimalisasi simulasi.
Proses yang dilakukan adalah mencari titik optimal simulasi. Titik optimum pada CFD adalah posisi dimana nilai dari hasil yang akurat yang didapat pada jumlah elemen tertentu dan apabila jumlah elemen diperbanyak maka hasil yang diperoleh tidak akan jauh berbeda. Keuntungan pemilihan elemen yang optimum juga menjadi pertimbangan keterbatasan kemampuan komputer. Grid Independence mencapai posisi optimum apabila selisih perbedaan nilai hambatan antara suatu elemen dengan elemen sebelumnya kurang dari 2%. (Anderson, 1995)