dapat dibangkitkan sebagai alternatif penggerak kapal dengan menggunakan simulasi CFD.

(1)

1

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.

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

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 2. Gerak orbit partikel air di berbagai jenis perairan.[2]

Pada dasarnya profil gerakan osilasi partikel air berbeda-beda menurut kedalamannya. Pada perairan

(2)

2 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 :

(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]:

(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:

(5)

(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:

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

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]

.

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

Gaya seret (D) adalah gaya aliran yang bekerja pada hydrofoil yang sejajar arah gesekan. Berdasarkan analisis dimensi bentuk persamaan lift adalah sebagai berikut:

(8)

Dimana,

D : Gaya Drag Ρ : massa jenis fluida CD : koefisien drag V : kecepatan fluida

AP :plan area (S), luasan maksimum : chordx span

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 :

(9)

(3)

3 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.

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]

(11) Dimana F adalah gaya pegas (gaya pemulih) dan k adalah konstanta pegas. Persamaan diatas merupakan persamaan gerak getaran untuk sistem pegas berikut ini :

Gambar 5. Sistem pegas.

Adapun untuk sistem dengan dua pegas seperti gambar 2.9 dibawah ini, persamaannya adalah

Gambar 6. Sistem dua pegas (12)

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

post-processor. 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

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]

Pre-Processor - Creation Geometry - Mesh Generation - Material Properties - Boundary Conditions Post-Processor - X-Y Graphs - Contour - Velocity Vectors - Others Transport Equation Mass Momentum Energy Others transport variables Equation of state Supporting physicals model Phsical Models Turbulence Combustion Radiation Other Procces Solver Setting Initialization Solution Control Monitoring Solution Convergence criteria Solver

Governing equations solve on a mesh

Gambar 7. Interkoneksi tiga tahapan utama analisis CFD.[9]

III. METODOLOGI

A. Algoritma Penelitian

Mulai

Studi Literatur

Penentuan Tipe Foil

Penggambaran desain dengan ANSYS Workbench Fabrikasi Alat (Foil dan Towing Tank)

CFD Penggambaran model geometry Simulasi Visualisasi Aliran Simulasi Gaya-Gaya Hidrodinamika (Lift, Drag, Thrust, dsb)

Pengujian Uji Foil dan Gaya-Gaya Hidrodinamika Model Valid Pembuatan Laporan Selesai Ya Tidak

Gambar 8. Algoritma penelitian

B. Perancangan Sistem

Dalam penelitian ini, perancangan alat penelitian mengikuti desain berikut ini :

(4)

4 (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.

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 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.

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.

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.

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,

(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.

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.

(5)

5 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.

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).

Software-software 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 Pembuatan Geometri

Pembuatan geometri foil yang terdiri dari pembuatan geometri 2 D dan 3 D. Ukurannya sama denga ukuran sebenarnya.

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)

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] Penentuan Kondisi Batas

Inlet Outlet Opening Foil Walls Interface 2. 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 variabel-variabelnya 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

Y (m) A (m) Th (s) n λ t (s) S (m) 0.02 0.03 1 9 0.4 10 0.6 0.02 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

(6)

6 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 Keterangan Y = Amplitudo hydrofoil (m) λ = Panjang gelombang (m) A = Amplitudo gelombang (m) t = waktu (s)

Th = Periode hydrofoil (s) S = jarak (m) n = Jumlah osilasi hydrofoil

Sebagai contoh, berikut ini adalah grafik harga gaya-gaya Fx, Fy, dan pitching hydrofoil NACA 0018 span 20 cm untuk masing-masing kedalaman.

Hydrofoil 0018 span 20 cm

Kedalaman 22 cm

(a)

(b)

(c)

Gambar 15. Grafik (a) gaya Fx; (b) gaya Fy; (c) sudut

pitching NACA 0018 span 20 cm pada

kedalaman air 22 cm.

Kedalaman 24 cm

(a)

(b)

(c)

Kedalaman 26 cm

(a)

(b)

Harga Fx NACA 0018 span 20 cm pada H 22 cm

0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 0.0035 0.004 0.0045 0 2 4 6 8 10 t (s) F x ( t)

Harga Fy NACA 0018 span 20 cm pada H 22 cm

-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0 2 4 6 8 10 t (s) F y ( t)

Pitching NACA 0018 span 20 cm pada H 22 cm

-15 -10 -5 0 5 10 15 0 2 4 6 8 10 t (s) Th e ta ( de g)

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0 2 4 6 8 10 t (s) Fx ( t)

-0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0 2 4 6 8 10 t(s) Fy ( t)

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 0 2 4 6 8 10 t (s) Th e ta ( de g)

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0 2 4 6 8 10 t (s) Fx ( t)

-0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0 2 4 6 8 10 t (s) Fy ( t)

(7)

7 (c)

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. Harga-harga Fx dan Fy berubah siring berubahnya sudut pitch

hydrofoil. Dan untuk mencapai harga Fx maksimum

berikutnya hydrofoil membutuhkan waktu yang berbeda-beda dengan jumlah osilasi smpurna yang berberbeda-beda-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.

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 18. Harga Fx NACA 0018 span 20 cm pada seluruh kedalaman.

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.

Gambar 20 vektor kecepatan

Terlihat dari degradasi warnanya, perubahan kedalaman berpengaruh terhadap kecepatan aliran fluida. Dimana kecepatan aliran pada permukaan fluida lebih

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 0 2 4 6 8 10 t (s) Th e ta ( de g)

Harga Fx NACA 0018 span 20 cm

0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 0.0035 0.004 0.0045 -15 -10 -5 0 5 10 15 Theta (deg) F x ( N ) Fx, H 22 cm Fx, H 24 cm Fx, H 26cm

Harga Fy NACA 0018 span 20 cm

-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 -15 -10 -5 0 5 10 15 Theta (deg) F y ( N ) Fy, H 22cm Fy, H 24 cm Fy, H 26 cm

(8)

8 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.

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

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.

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

maksimumnya hanya pada sudut maksimum -10o. Dengan tren yang menujukkan perubahan nilai Fx simulasi semakin besar ketika sudut serang berharga minus.

Gambar 22. Grafik perbandingan harga gaya Fx eksperimen dan simulasi pada kedalaman 22 cm.

Terdapat juga perbedaan nilai Fx minimum eksperimen dan simulasi. Dari Fx eksperimen harga minimum seluruh NACA diperoleh ketika sudut pitch-nya 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.

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

Perbandingan Fx eksperimen dan simulasi pada H 22 cm 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 0.0035 0.004 0.0045 -15 -10 -5 0 5 10 15 Theta (deg) F x ( N e w to n ) 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

Perbandingan Fy eksperimen dan simulasi pada H 22 cm -0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 -15 -10 -5 0 5 10 15 Theta (deg) F y ( N e w to n ) 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 0018 span 15 sim

(9)

9 0012 span 15 cm. Sedangkan untuk gaya Fy, terkecil 1.6 % dan terbesar adalah 48.3%

Tabel 2. Error perhitungan gaya Fx dan Fy eksperimen dan simulasi kedalaman 24 cm

NACA 22 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:

NACA 24 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

NACA 26 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.

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.

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.

(10)

10 [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)