I. Pendahuluan
Kapal selam adalah kendaraan yang beroperasi di bawah permukaan laut, biasanya digunakan untuk kepentingan militer, dan sebagian lagi dilakukan untuk observasi bawah laut.
Pada kapal selam terdapat rudder dan sail planes yang berfungsi untuk mengubah haluan kapal selam. Rudder berfungsi mengubah haluan kapal selam secara horizontal dan terletak dibagian belakang kapal selam dan biasanya terpasang vertikal. Sedangkan sail planes merupakan sirip yang terpasang pada sail (kepala kapal selam) yang berfungsi mengubah haluan kapal selam dalam arah vertikal, sail planes inilah yang membantu kapal selam untuk manuju ke permukaan ataupun menuju dasar laut. Tetapi pada beberapa kapal selam, didesain sirip tambahan yang membantu kapal untuk bermanufer, sirip tambahan ini biasanya
inilah yang menjadi permasalahan yang akan dianalisis.
Pada permasalahan ini, digunakan perangkat lunak CFD untuk melakukan analisis dan simulasi aliran fluida. Perangkat lunak yang digunakan adalah ANSYS FLUENT.
Tujuan dari tugas ini antara lain adalah : (1) Untuk mengetahui pengaruh sirip pada kapal selam, (2) Untuk mengetahui desain dan posisi sirip yang lebih baik untuk kapal selam, (3) Mengetahui kontur tekanan, gaya, dan kecepatan fluida pada kapal selam, (4) Melatih diri menggunakan Software CFD dan Software Desain Modelling untuk menghadapi permasalahan engineering yang lebih kompleks.
II. Perumusan Masalah
Sebelum dilakuan analisis, dilakukan modelling kapal selam menggunakan SOLIDWORK sebagai bahan uji. Berikut
Analisis Numerik Aliran Fluida pada Kapal Selam Tanpa dan Dengan Dua Bentuk
Sirip Yang Berbeda
Billy Emkel Gudsanov (NIM : 120401122) Email : [email protected]
Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, Medan, Indonesia
Abstrak,
Tugas ini merupakan tugas terakhir mata kuliah “Metode Perhitungan Dinamika Fluida”. Pada tugas ini dilakukan analisis aliran fluida yang terjadi pada kapal selam. Dengan membandingkan hasil antara kapal selam yang tidak menggunakan sirip dan kapal selam yang menggunakan sirip. Tujuannya juga untuk mencari tau, apakah keuntungan menggunakan sirip ini, dan desain posisi sirip yang lebih baik. Parameter yang menentukan perbandingan dalam analisis ini adalah besarnya gaya tahanan yang terjadi pada kapal selam akibat tahanan air laut. Semakin kecil gaya tahanan yang dialami, maka semakin baik pula desain kapal selam tersebut. Tingkat kestabilan kapal selam juga diperhitungkan dalam analisis ini, yaitu dengan menghitung gaya yang bekerja pada arah horizontal (kiri/kanan) dan arah vertikal (atas/bawah) yang dialami kapal selam/
Dalam analisa ini dilakukan simulasi kapal selam yang melaju dengan kecepatan 15 m/s di kedalaman 500 meter dibawah permukaan laut. Pada kedalaman 500 m ini, kapal selam mengalami tekanan sebesar 50 atm atau sekitar 5066250 Pascal. Data fluida yang digunakan berupa densitas air laut yaitu sebesar 1027 kg/m³ dengan viskositas 0.00141 Ns/m².
Untuk merealisasikannya fluida akan dialirkan ke arah depan dari kapal selam melalui boundary inlet menuju ke bagian belakang kapal selam menuju boundary outlet. Aliran fluida yang mengalir merupakan aliran turbulent , lebih tepatnya digunakan model turbulent k-omega yang biasanya digunakan untuk analisis di dalam laut.
Dengan dilakukannya perhitungan menggunakan turbulent model k-omega, maka persamaan yang akan dianalisis adalah sebagai berikut :
Inlet dan outlet dibentuk menggunakan enclosure yang berbentuk tabung (silinder) dengan ukuran Radius 10 m ; jarak permukaan depan 20 m; dan jarak permukaan belakang 70 m. Dengan kata lain enclosure sebagai media Gambar 2 : Kapal Selam Sirip Type 1
Gambar 3 : Kapal Selam Sirip Type 2 Gambar 1: Kapal Selam Tanpa Sirip
tempat fluida dialirkan untuk melakukan perhitungan simulasi. Berikut merupakan gambar enclosure yang telah dilakukan pada kapal selam. Untuk lebih detail nya dapat dilihat pada gambar berikut :
Gambar : 4 Detail Enclosure
Berikut merupakan hasil dari Enclosure :
Gambar 5 : Enclosure kapal selam tanpa sirip
Gambar 6 : Enclosure kapal selam sirip type 1
Gambar 7: Enclosure kapal selam sirip Type 2
III. Metode Numerik
Gambar 8 : Meshing Details
Dengan detail meshing seperti gambar diatas, maka hasil meshing sebagai berikut :
Gambar 9 : Mesh kapal selam tanpa sirip
Gambar 10 : Mesh kapal selam sirip Type 1
Gambar 11: Mesh kapal selam sirip Type 2
Setelah melakukan meshing kemudian dilanjutkan dengan ananlisis menggunakan ANSYS FLUENT. Aliran fluida yang digunakan dalam analisis merupakan aliran turbulent dengan model k-omega. Model aliran turbulent k –omega yang dipilih merupakan model aliran k-omega standar untuk analisa dibawah
Gambar 12 : Model Turbulen k-omega
Material fluida yang digunakan merupakan material air laut dengan kerapatan 1027 kg/m³ pada kedalaman 500 m dengan asumsi suhu 10°C ,dengan demikian didapatkan nilai viskositas sebesar 0.00141 Ns/m².
Gambar 13: Pengaturan Fluida
Material solid sebagai material penyusun kapal selam yang digunakan adalah titanium dengan spesfikasi kerapatan sebesar 4850 kg/m³. Berikut merupakan spesifikasi Titanium yang digunakan.
Intensitas turbulent yang digunakan adalah 5% dan viskositas rasio 10. Dengan kecepatan inlet sebesar 15m/s.
Metode perhitungan yang dilakukan menggunakan metode Coupled dengan Gradient : Least Squares Cell Based ; Pressure : Body Force Weighted; Momentum : Third-Order MUSCL; Turbulent Kinetic Energy : Third-Order MUSCL; dan Specific Dissipation Rare : Third-Order MUSCL. Dalam perhitungan dilakukan iterasi sebanyak 200 kali.
IV. Hasil Dan Diskusi
Setelah dilakukan iterasi sebanyak 200 kali, maka didapatkanlah hasil berupa besarnya gaya yang diterima oleh kapal selam, kontur tekanan yang dialami kapal selam, dan juga kontur dan vector kecepatan yang dialami kapal selam. Berikut merupakan hasil dari analisa yang dilakukan dengan menggunakan Software ANSYS FLUENT.
1. Hasil Simulasi Kapal Selam Tanpa Sirip Dengan menggunakan Function Kalkulator pada CFD-Post diketahui luas permukaan kapal selam adalah sebesar 3896.2418 m². Gaya hambat (dalam arah y) yang dialami kapal selam adalah sebesar 7567600 N; Gaya yang dialami kapal selam dalam arah horizontal ( sumbu x) adalah sebesar 2222948.8 N dari arah kiri kapal selam; Gaya yang dialami kapal selam dari arah
vertikal (sumbu z) adalah sebesar 1152699.102 N berupa gaya ke atas. Dengan koefisien drag force = 0.0168
2. Hasil Simulasi Kapal Selam Dengan Sirip Type 1
Dengan menggunakan Function Kalkulator pada CFD-Post diketahui luas permukaan kapal selam adalah sebesar 4154.856 m². Gaya hambat (dalam arah y) yang dialami kapal selam adalah sebesar 7941910 N; Gaya yang dialami kapal selam dalam arah horizontal (sumbu x) adalah sebesar 651500,02 N dari arah kiri kapal selam; Gaya yang dialami kapal selam dari arah vertikal (sumbu z) adalah sebesar 875519 N berupa gaya ke bawah. Dengan koefisien drag force = 0.0165
3. Hasil Simulasi Kapal Selam Dengan Sirip Type 2
.
Gambar 16 : Kontur Gaya pada kapal selam tanpa sirip
Gambar 18 : Streamline pada kapal selam tanpa sirip.
Gambar 21: Kontur kecepatan fluida pada kapal dengan sirip Type 1
Gambar 24: Kontur Gaya pada kapal selam dengan sirip Type 2
V. Kesimpulan
Pada tugas ini telah dilakukan analisis aliran fluida, gaya, dan tekanan pada kapal selam tanpa sirip dan dengan dua sirip yang berbeda.
Dari simulasi kapal selam tanpa sirip, dengan sirip Type 1 dan dengan sirip Type 2, diketahui bahwa luas permukaan terbesar yaitu pada kapal selam dengan sirip Type 1. Hal ini dikarenakan ukuran sirip yang besar pada Type 1, sehingga otomatis luas permukaan juga bertambah.
Untuk gaya yang terjadi pada arah kiri dan kanan kapal selam, kapal selam sirip Type 1 merupakan yang terbaik, karena gaya yang terjadi paling kecil dibanding kapal selam lainnya yaitu gaya yang mendorong kapal selam ke arah kiri sehingga dapat disimpulkan kapal selam sirip Type 1 lebih stabil. Sedangkan kapal selam tanpa sirip merupakan yang terburuk karena gaya yang terjadi sangat besar dari arah kiri, sehingga dapat disimpulkan kapal selam tanpa sirip sangat tidak stabil.
Untuk gaya arah vertikal (angkat -turun), kapal selam dengan sirip Type 1 merupakan yang terbaik, karena gaya yang terjadi paling kecil yaitu berupa gaya tekan ke bawah sehingga kapal selam sirip Type 1 lebih stabil. Sedangkan kapal selam tanpa sirip merupakan yang terburuk karena mengalami gaya terbesar yaitu berupa gaya ke atas, sehingga dapat disimpulkan kapal selam tanpa sirip sangat tidak stabil.
[1]. Barrass, Bryan and Derrett, D.R. 2006. Ship Stability for Master and Mates.
Great Britain: ElSevier.
[2]. Daniel, R. J. 1983. Considerations Influencing Submarine Design, Paper 1, Int. Symp. on Naval Submarines, RINA, London.
