PRESENTASI HASIL NUMERIK DAN PENGUJIAN HAMBATAN
4.1 Estimasi Hambatan Kapal
4.1.3 Hasil Komputasi CFD
Pembuatan model dan meshing dilakukan pada Ansys design model (ICEM). Penyelidikan secara numerik (CFX) dimulai dengan Preprocessing yang meliputi inisialisasi boundary condition, pemilihan model, pemilihan jenis fluida dan struktur. Langkah berikutnya adalah tahap pemilihan solver. Tujuan yang ingin didapatkan dalam simulasi numerik ini adalah mendapatkan gaya/ hambatan pada lambung kapal dan fenomena interferensi hambatannya dengan mengetahui kecepatan aliran di sekitar lambung dan perubahan tekanan di antara lambungnya dengan memberikan variasi jarak antara lambung (S/L).
Pada simulasi akan diketahui besarnya komponen hambatan yang bekerja pada lambung trimaran. Simulasi free-surface modelling (pada media air dan udara) digunakan untuk menghitung besar hambatan total pada lambung. Dinding (wall) untuk domain fluida pada kondisi free slip yaitu shear stress pada dinding bernilai nol dan kecepatan di dekat dinding tidak mengalami perlambatan akibat efek gesekan dinding. Pada simulasi ini, model dibuat dengan kondisi no-slip (yaitu terjadi gesekan di permukaan model). Sedangkan untuk menghitung hambatan viskos, lambung kapal dibenamkan (pada media air) hingga pada sarat air dengan mengasumsikan kondisi batas atas (top boundary condition) adalah
86
solid wall dan free slip. Kemudian hambatan gelombang dapat dihitung dari selisih nilai hambatan total dan hambatan viskos.
Selanjutnya dilakukan analisa dan evaluasi data hasil numerik dan dibandingkan dengan hasil pengukuran eksperimen. Kemudian, melakukan kajian besarnya nilai faktor interferensi hambatan viskos, yang terdiri dari faktor perubahan tekanan di sekitar lambung (ø) dan faktor perubahan kecepatan aliran (σ) diantara lambung kapal dengan memberikan variasi jarak antara lambung trimaran (S/L).
Program CFD terdiri dari 4 (empat) elemen utama : 1. ICEM,yang merupakan desain geometri dan meshing. 2. CFX-pre,adalah boundary condition dan Spesific parameter. 3. Solver,adalah proses iterasi
4. CFX-post, adalah proses analisa.
ICEM: penggambaran geometri model, yaitu kumpulan point yang membentuk curve dan membentuk surface, kemudian proses meshing.
CFX Pre Processor (CFX build): awal pemprograman terdiri dari input masalah aliran untuk CFD melalui interface. Input meliputi : geometri benda, membentuk grid generation, penentuan sifat-sifat fluida seperti densitas, viskositas, temperatur fluida. Kemudian analisa masalah aliran: kecepatan, tekanan didefinisikan sebagai suatu daerah yang berupa simpul-simpul tiap cell. Jumlah cell dalam grid (mesh) menentukan akurasi penyelesaian CFD.
Solver (penyelesaian perhitungan): metode numerik solver tersebut terdiri dari perkiraan variabel yang tidak diketahui dengan menggunakan fungsi sederhana, diskretisasi dengan substitusi perkiraan-perkiraan tersebut dengan persamaan aliran.
Post Processor : ditampilkan hasil perhitungan yang telah dilakukan pada tahap sebelumnya, hasil perhitungan dapat dilihat berupa data numerik dan data visual aliran fluida pada model. Pada proses validasi ada beberapa parameter penting yang dipertimbangkan yaitu grid (mesh), convergence, data hasil eksperimen.
87 1. Convergence
Tahap ini, proses iterasi perhitungan akan selalu dikontrol dengan persamaan pengendali. Jika hasil perhitungan belum sesuai dengan tingkat kesalahan yang ditentukan, maka komputasi akan terus berjalan. Berikut beberapa grafik RMS yang menunjukkan convergensi proses iterasi, sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 4.7.
Gambar 4.7. Konvergensi proses iterasi pada CFD
Kriteria root-mean square (RMS) yang digunakan untuk mengecek konvergensi simulasi free surface adalah dengan residual target value (variable value) mencapai 10-5. Target criteria (variable value) ini banyak diaplikasi pada komputasi engineering, sebagaimana yang direkomendasikan dalam ANSYS ICEM manual (2007) dan Dinham dkk (2008).
2. Grid Independence
Besarnya jumlah cell atau grid yang digunakan dalam perhitungan akan menentukan keakurasian hasil yang diperoleh karena jumlah cell mempengaruhi perubahan bentuk geometri pada saat pemprosesan hasil. Gambar 4.2 memperlihatkan initial computational domain. Batas Boudary di bagian depan
88
lambung berjarak hingga 1.5 panjang model lambung, di bagian belakang lambung berjarak 4 kali panjang lambung. Kemudian kesamping berjarak 1.5 kali panjang model, dan jarak di atas 2.5 kali panjang model serta di bawah 2 kali panjang model lambung. Jarak tersebut sudah cukup memadai untuk menghindari blockage effect (Utama, 1999; Ahmed dan Soares, 2009). Komputasi untuk mesh digunakan (multiphase flow calculations) terdiri dari 1.582.580 mesh elements trimaran seperti yang disajikan pada Tabel 4.1.
Gambar 4.8 Initial computational domain pada CFD
89
Tabel 4.5 Katerakteristik jumlah mesh dan node
No Model Jumlah Elemen Jumlah Node
1 Trimaran 1.582.580 785.694
2 Mainhull 1.490.272 741.265
3 Sidehull 1.328.393 653.214
Kualitas atau jumlah mesh grid merupakan hal mendasar untuk convergency dan keakurasian simulasi/komputasi CFD. Kualitas dan nilai grid didiskusikan secara detail oleh Thompson dkk (1999) dan Deng dkk (2010). Jumlah elemen mesh, 1582.580 untuk lambung trimaran adalah cukup optimal dan akurat, dimana jumlah elemen yang digunakan pada komputasi menunjukkan bahwa kondisi yang ‘grid independence’ sebagaimana yang diperlihatkan pada Gambar 4.4 dan Tabel 4.2. Nilai hambatan (resistance) untuk jumlah elemen mesh (grid) 1.582.580 dan 2.875.830 adalah konstan dan sama. Sehingga dapat dikatakan bahwa jumlah mesh 1.582.580 yang dipilih dalam komputasi CFD telah memenuhi tingkat keakurasian yang cukup baik.
Gambar 4.10 Grid independence pada CFD 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 H am b atan ( N ) Jumlah Elemen (10^3)
90
Tabel 4.6 Grid independence pada CFD
Jumlah Mesh (103) 51 103 202 568 1.103 1.583 2.876 Hambatan (N) 4,265 4,023 3,564 3,103 2,686 2,262 2,206 Selisih (%) 6,015 12,879 14,875 15,506 18,744 1,938
Untuk komputasi dan simulasi, digunakan model turbulensi SST (Shear Stress Transport), (Menter, 1993 dan 1994). Model turbulensi SST telah divalidasi dalam sejumlah studi/riset (Bardina dkk. 1997; Swennberg, 2000) yang dianggap sebagai model yang paling akurat untuk berbagai aplikasi aliran. Model turbulen ini memecahkan turbulensi berbasis (k-ω) pada dinding-dinding dan turbulensi berbasis (k-ε) pada aliran massal.
Koefisien hambatan total, viskos dan gelombang dari hasil komputasi program (CFD) ANSYS CFX ditunjukkan pada tabel 4.7 – 4.9 dan diperlihathan pada gambar 4.11 – 4.12 untuk lambung simetris (symmetrical trimaran) yang dipresentasikan pada sub-bab berikut ini.
Tabel 4.7. Koefisien hambatan total (CFD) Fr Lambung Trimaran Trimaran Hull 10-3 S/L = 0,2 10-3 S/L = 0,3 10-3 S/L = 0,4 10-3 S/L = 0,5 10-3 0,15 4,170 4,491 4,391 4,291 4,120 0,17 4,158 4,848 4,648 4,648 4,288 0,19 4,423 5,258 5,003 4,803 4,623 0,21 5,035 5,965 5,446 5,265 5,135 0,23 5,608 6,295 6,195 5,947 5,508 0,25 5,801 6,443 6,393 6,293 5,901 0,27 5,765 6,653 6,533 6,333 5,965
91
Tabel 4.8. Koefisien hambatan viskos (CFD) Fr Lambung Trimaran Trimaran Hull 10-3 S/L = 0,2 10-3 S/L = 0,3 10-3 S/L = 0,4 10-3 S/L = 0,5 10-3 0,15 3,851 4,201 4,101 4,001 3,901 0,17 3,731 4,110 4,010 3,910 3,810 0,19 3,651 4,008 3,908 3,808 3,708 0,21 3,588 3,908 3,808 3,708 3,608 0,23 3,570 3,851 3,751 3,651 3,591 0,25 3,551 3,806 3,706 3,606 3,576 0,27 3,560 3,795 3,695 3,595 3,543
Tabel 4.9. Koefisien hambatan Gelombang (CFD) Fr Lambung Trimaran Trimaran Hull 10-3 S/L = 0,2 10-3 S/L = 0,3 10-3 S/L = 0,4 10-3 S/L = 0,5 10-3 0,15 0,319 0,290 0,290 0,290 0,219 0,17 0,427 0,738 0,638 0,738 0,478 0,19 0,772 1,251 1,095 0,995 0,916 0,21 1,448 2,057 1,639 1,557 1,528 0,23 2,038 2,444 2,444 2,296 1,917 0,25 2,250 2,637 2,687 2,687 2,324 0,27 2,205 2,857 2,837 2,737 2,422
92
Gambar 4.11. Koefisien hambatan total kapal trimaran dengan variasi jarak antar lambung
Gambar 4.12. Koefisien hambatan viskos kapal trimaran dengan variasi jarak antar lambung
93
Bentuk lambung yang pipih atau thin ship hull (L/B>>), kontribusi hambatan viskos lebih besar dari pada hambatan gelombang terhadap total hambatan. Hambatan viskos (yang didominasi hambatan gesek) bertambah seiring dengan dengan bertambahnya panjang lambung kapal, Tuck dan Lazauskas (1996). Dengan pertambahan panjang atau luas bidang basah maka gaya gesek permukaan-pun akan bertambah. Sedangkan untuk hambatan gelombang, umumnya, menjadi kecil dengan pertambahan panjang lambung kapal (untuk displasmen yang tetap).