1
ANALISA ALIRAN PADA DUCTED PROPELLER
DENGAN PENDEKATAN CFD (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS)
Widayatno 1) , Prof. Ir. I Ketut Aria Pria Utama, M.Sc., Ph.D.2)
1)
Mahasiswa Jurusan Teknik Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan ITS
2)
Dosen Jurusan Teknik Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan ITS
ABSTRAK
Penggunaan ducted propeller dapat memberikan pengaruh terhadap gaya dorong yang dihasilkan pada sebuah kapal. Dengan adanya tabung yang penampangnya berbentuk foil yang mengelilingi propeller tersebut, dapat meningkatkan efisiensi propeller dan menghasilkan gaya dorong yang lebih besar dibandingkan dengan propeller biasa yang tidak menggunakan tabung. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik aliran pada ducted propeller serta gaya dorong yang dihasilkan. Penelitian ini menggunakan software Ansys-CFX dengan konsep CFD (Computational Fluid Dynamics) untuk menganalisa besarnya gaya dorong yang dihasilkan ducted propeller. Dari hasil simulasi kedua model propeller didapatkan kenaikan gaya dorong sebesar 17% pada ducted propeller bila dibandingkan dengan propeller yang tidak menggunakan ducted, dimana hal ini bersesuaian dengan published data yang menunjukkan adanya peningkatan sebesar 15%.
Kata kunci : Ducted Propeller, Gaya Dorong dan CFD
1. Pendahuluan
Dalam melakukan perancangan sebuah kapal perlu dipertimbangkan tidak hanya mengenai daya yang disalurkan ke alat penggerak tetapi juga terkait pemilihan alat penggerak yang efektif pada kapal tersebut. Daya yang disalurkan ke badan kapal diperlukan untuk menggerakkan kapal di air atau untuk menarik kapal pada kecepatan tertentu [1].
Dewasa ini, dilakukan pengembangan konsep desain dari alat penggerak kapal yang memiliki kemampuan untuk menghasilkan gaya dorong yang besar sesuai kebutuhan kapal. Salah satu tipe baling-baling yang dapat meningkatkan gaya dorong adalah baling-baling di dalam tabung atau disebut ducted propeller. Baling-baling di dalam tabung
umumnya dipakai untuk kapal kecil seperti misalnya kapal tunda atau kapal pukat [2].
Pada Tugas Akhir ini dilakukan analisa perhitungan numerik dengan menggunakan pendekatan Computational Fluid Dynamics (CFD) pada ducted propeller. Metode CFD ini didefinisikan sebagai suatu analisa terhadap sistem yang melibatkan masalah aliran fluida, perpindahan panas dan fenomena sejenis yang menggunakan simulasi komputer [3].
1.1 Rumusan Masalah
Berdasarkan uraian di atas, pokok permasalahan yang akan dipecahkan dalam Tugas Akhir ini adalah:
• Bagaimana menganalisa bentuk aliran pada ducted propeller?
• Bagaimana gaya dorong dan aliran pada ducted propeller dengan pendekatan CFD?
2 1.2 Tujuan
Tujuan dari penulisan Tugas Akhir ini berdasarkan uraian di atas adalah:
• Mengetahui proses analisis distribusi aliran pada ducted propeller.
• Mengetahui gaya dorong dan aliran pada ducted propeller dengan pendekatan CFD. 2. Tinjauan Pustaka
2.1 Mekanika Fluida
Mekanika fluida adalah disiplin ilmu bagian dari bidang mekanika terapan yang mengkaji perilaku dari zat-zat cair dan gas dalam keadaan diam ataupun bergerak [4].
Secara khusus, fluida di definisikan sebagai zat yang berdeformasi terus-menerus selama dipengaruhi suatu tegangan geser. Sebuah tegangan (gaya per satuan luas) geser terbentuk apabila sebuah gaya tangensial bekerja pada sebuah permukaan.
Aspek-aspek eksperimental dari mekanika fluida juga mengalami kemajuan selama periode ini, namun sayang sekali, dua pendekatan yang berbeda, secara teoritis dan eksperimental, berkembang melalui jaln terpisah. Hidrodinamika adalah istilah yang dikaitkan dengan kajian teoritis atau matematis dari perilaku fluida yang diidealisasi dan tanpa gesekan, sementara istilah hidrolika digunakan untuk menggambarkan aspek terapan atau eksperimental dari perilaku fluida nyata, khususnya perilaku air [4].
2.2 Propulsi Kapal 2.2.1 Baling-baling
Baling-baling ulir merupakan bentuk alat penggerak kapal yang paling umum. Sebuah baling-baling ulir mempunyai dua buah daun atau lebih yang menjorok dari hub atau bos [1]. Bos ini dipasang pada poros yang digerakkan oleh mesin penggerak kapal. Daun baling-baling tersebut dapat merupakan bagian yang menyatu dengan hub, atau merupakan bagian yang dapat dilepas dari dan dipasang
pada hub atau merupakan daun yang dapat dikendalikan (controllable pitch propeller).
Baling-baling umumnya diletakkan pada kedudukan yang serendah mungkin di bagian belakang kapal. Suatu baling-baling harus mempunyai garis tengah (diameter) demikian rupa sehingga bila kapal dalam keadaan bermuatan penuh baling-baling tersebut akan terbenam dengan memadai sehingga dapat menghindari sejauh mungkin terjadinya fenomena terikutnya udara (airdrawing) dan pemacuan baling-baling (racing) ketika kapal mengalami gerakan pitching. Sebagai taksiran cepat dan kasar, garis tengah baling-baling harus lebih kecil daripada dua pertiga sarat buritan, yaitu [1]:
D maks = 2/3 TA
2.2.2 Geometri
Permukaan daun baling-baling yang
menghadap ke belakang disebut sisi muka,
atau paras, (face) atau sisi tekanan tinggi,
sedangkan sisi sebaliknya disebut
punggung atau sisi belakang, (back) atau
sisi tekanan rendah.
Gambar 2.1. Sketsa definisi baling-baling Bentuk sisi tekanan tinggi yang paling sederhana adalah permukaan berbentuk spiral (helicoidal surface). Permukaan ini dapat didefinisikan sebagai permukaan yang dibentuk oleh sebuah garis lurus, disebut generatriks atau garis generator (generatrix, atau generator line) yang berkisar mengelilingi suatu sumbu yang melalui salah satu ujungnya dan sekaligus bergerak ke sepanjang sumbu tersebut. Jarak aksial yang
3 ditempuh dalam tiap kisaran disebut langkah atau jarak ulir P (pitch). Jika langkah ulir tersebut tetap maka berarti bahwa P untuk semua jari-jari dalam baling-baling demikian itu sama.
2.2.3 Karakteristik Baling-baling Kapal Secara umum karakteristik dari baling-baling kapal pada kondisi open water test adalah seperti yang direpresentasikan pada Diagram KT – KQ – J. Setiap tipe dari masing-masing baling-baling kapal, memiliki karakteristik kurva kinerja yang berbeda-beda. Sehingga kajian terhadap karakteristik baling-baling kapal tidak dapat di-generalised untuk keseluruhan bentuk atau tipe dari baling-baling. Model persamaan untuk karakteristik kinerja baling-baling kapal adalah sebagai berikut [5]: (KT) = 2 4 D n T
ρ
(KQ) = 2 5 D n Qρ
J =nD
Va
Dimana:KT = Koefisien gaya dorong baling-baling
KQ = Koefisien torsi baling-baling
J = Koefisien advanced baling-baling Va = kecepatan advanced
D = diameter propeller n = putaran propeller T = thrust propeller Q = torque propeller
ρ
= massa jenis fluida (fluid density)Untuk nilai effisiensi propeller pada open water diberikan rumus:
0
η
=nQ
TVa
π
2
2.2.4 Ducted PropellerBeban gaya dorong yang tinggi memberikan efisiensi yang rendah, sebaliknya beban gaya dorong yang rendah memberikan efisiensi yang tinggi [2]. Dengan demikian maka efisiensi baling-baling dapat ditingkatkan, berarti peningkatan kualitas propulsif kapal, dengan jalan menurunkan beban gaya dorong.
Gambar 2.2. Skema baling-baling dan tabung Beban gaya dorong dapat diubah dengan jalan memasang foil udara mengelilingi baling-baling sehingga membentuk satu unit baling-baling yang diselubungi atau unit baling-baling di dalam tabung (nozzle). Unit ini juga disebut sebagai tabung Kort. Kort diambil dari nama Ludwig Kort, yaitu perancang baling-baling tabung (ducted propeller) untuk kapal yang pertama; pada tahun 1927.
2.3 Teori Perancangan Baling-baling 2.3.1 Teori Momentum Baling-baling
Teori momentum ini dibuat berdasarkan anggapan sebagai berikut [1]:
• Baling-baling memberikan percepatan yang seragam kepada semua fluida yang lewat melalui diskus baling-baling tersebut. Pertanyaan mengenai itu sendiri harus diabaikan (barangkali baling-baling tersebut mempunyai daun dalam jumlah yang tak berhingga). Gaya dorong yang ditimbulkan akan disalurkan merata pada
4 seluruh permukaan diskus baling-baling tersebut.
• Alirannya adalah aliran tanpa gesekan. Jadi tidak akan timbul energi termis. • Aliran masuk, air yang menuju ke
baling-baling tidak terbatas.
• Daerah fluida yang menerima aksi baling-baling berupa kolom bulat. Garis pusat kolom ini dianggap horizontal. Arus pacuan baling-baling (kadang-kadang juga disebut sebagai arus slip) adalah kolom air itu yang dipercepat dan turbulen, merupakan aliran ke luar (outflow) dari baling-baling tersebut. Dalam teori momentum yang sederhana hanya gerakan aksial saja yang diperhitungkan. Dalam teori momentum yang dikembangkan gerakan sudut juga diperhitungkan.
2.4 Computational Fluid Dynamics
Computational Fluid Dynamics (CFD) merupakan salah satu cabang dari mekanika fluida yang menggunakan metode numerik dan algoritma untuk menyelesaikan dan menganalisa permasalahan yang berhubungan dengan aliran fluida. Tujuan dari CFD adalah untuk memprediksi secara akurat tentang aliran fluida, perpindahan panas, dan reaksi kimia dalam sistem yang kompleks, yang melibatkan satu atau semua fenomena di atas.
Ada beberapa keuntungan dari CFD berdasarkan pendekatan eksperimen untuk desain sistem fluida antara lain [3]:
• Meminimumkan biaya dan waktu dalam mendesain suatu produk, jika proses desain tersebut dilakukan dengan uji eksperimen dengan akurasi tinggi.
• Mempunyai kemampuan sistem studi yang dapat mengendalikan percobaan yang sulit atau tidak mungkin dilakukan melalui eksperimen.
• Mempunyai kemampuan untuk sistem studi di bawah kondisi berbahaya pada saat atau sesudah melewati titik kritis (termasuk studi keselamatan dan skenario kecelakaan).
•
Keakuratannya akan selalu dikontrol dalam proses desain.Aplikasi dari CFD untuk penyelesaian masalah aliran pada propeller telah mengalami kemajuan cukup pesat pada akhir-akhir ini. Bahkan pada saat ini teknik CFD merupakan bagian dari proses desain dalam diagram spiral perancangan.
Code Computational Fluid Dynamics terdiri dari tiga elemen utama yaitu:
• Pre Processor • Solver Manager • Post Processor
Sebuah pemahaman yang baik diperlukan dalam menyelesaikan algoritma penyelesaian numerik. Terdapat tiga konsep matematika yang berguna dalam menentukan berhasil atau tidaknya algoritma [3]:
•
Konvergensi, merupakan properti metode numerik untuk menghasilkan solusi yang mendekati solusi eksakta sebagai grid spacing, ukuran kontrol volume atau ukuran elemen dikurangi mendekati nol.•
Konsisten, merupakan suatu skemanumerik yang menghasilkan sistem persamaan aljabar yang dapat diperlihatkan ekuivalen dengan persamaan pengendali sebagai grid spasi mendekati nol.
•
Stabilitas, yaitu penggunaan faktor kesalahan sebagai indikasi metode numerik. Jika sebuah teknik tidak stabil dalam setiap kesalahan pembulatan bahkan dalam data awal dapat menyebabkan osilasi atau divergensi. 3. MetodologiDalam karya ilmiah yang baik perlu memiliki metodologi yang terperinci dengan sumber informasi yang sebanyak-banyaknya. Untuk mencapai hasil yang diinginkan, maka dalam pengerjaan Tugas Akhir ini diperlukan kerangka pengerjaan yang terstruktur.
5 Gambar 3.3. Flowchart Tugas Akhir
4. Analisa dan Pembahasan
Adapun pembuatan nozzle dan propeller berdasarkan [2,6]. Berikut ini adalah visualisasi pada tahapan pre processor, dimana boundary diinputkan pada domian model propeller sebelum dilakukan simulasi. Adapun domain yang digunakan adalah rotary dan stationay.
Gambar 4.4. Tampilan pada pre processor
Berikut ini adalah hasil berupa tampilan visualisasi simulasi dari pemodelan ducted propeller.
Gambar 4.2. Kontur tekanan pada face propeller
Gambar 4.3. Kontur tekanan padaback propeller
4.1
Convergence
Pada proses iterasi perhitungan akan selalu dikontrol dengan persamaan pengendali. Proses katakan berhenti jika variabel-variabelnya tidak mengalami perubahan yang besar atau grafik iterasi berfluktuasi stabil. Jika hasil perhitungan belum sesuai dengan tingkat kesalahan maka komputasi akan terus berjalan.
Gambar 4.4. Proses iterasi
Identifikasi dan Perumusan Masalah
Perancangan Model
Perhitungan dan Pengujian Model
Program komputer CFD
Analisa danPembahasan
Studi Literatur Mulai
Pengumpulan Data
Dimensi Ducted Propeller: - Diameter propeller : 3800 mm - Jumlah daun : 4 - Diamater nozzle : 3860 mm - Panjang nozzle : 1900 mm Kesimpulan Selesai Hasil Tidak Ya
6 Berdasarkan jumlah max. iteration dan residual target yang telah ditentukan sebelumya,
maximum iteration = 250
convergence criteria (residual target)=1.0e-04 maka dapat dilihat pada Gambar 4.4. bahwa proses iterasi telah mencapai residual target yang ditentukan yaitu 1.0e-04 dan berhenti dengan sendirinya pada iterasi ke-198. Hal tersebut menunjukkan bahwa proses iterasi telah konvergen dan hasil analisa bisa diterima.
4.2 Grid Independence
Grid independence perlu dilakukan untuk mendapatkan jumlah eemen yang efektif agar data yang dihasilkan memiliki keakuratan yang baik.
Tabel 4.1. Data hasil simulasi propeller tanpa ducted
Grid Lift Drag T (kN) Q (kNm) T anpa du ct ed 565754 939162 6958.3 820.3 455.9 943254 921458 7311.6 804.6 447.7 1242314 901945 7661.2 787.3 438.7 1508368 888476 7720.7 775.4 432.3 1854235 890535 7860.9 777.2 433.4
Berdasarkan simulasi yang telah dilakukan, maka data yang diambil dari function calculator kemudian dilakukan perhitungan thrust (T) dan torsi (Q). Adapun hasil perhitungan disajikan pada Tabel 4.1. dan Tabel 4.2.
Gambar 4.5. Grid independence propeller tanpa duct
Berdasarkan perhitungan nilai error thrust, maka yang diambil adalah nilai dengan jumlah elemen 1.508.368 dan nilai thrust sebesar 775.495 kN dimana nilai error terkecil yaitu 0.22%. Hal ini sesuai referensi [7] bahwa dengan kisaran 1% dapat dikatakan akurat pada tahapan grid independence.
Tabel 4.2. Data hasil simulasi ducted propeller
Grid Lift Drag T (kN) Q (kNm) D enga n du ct ed 511745 1087481 7042.5 950.4 527.1 858288 1073416 7531.3 937.8 520.7 1232073 1060327 7834.7 926.2 514.7 1469390 1043374 7875.5 911.3 506.6 1812792 1048620 8011.4 915.8 509.3
Gambar 4.6. Grid independence propeller dengan duct
Berdasarkan hasil perhitungan nilai error thrust, maka nilai yang diambil adalah nilai dengan jumlah elemen 1.469.390 dan nilai thrust sebesar 911.27 kN dimana nilai error terkecilnya adalah 0.49%.
4.3 Penelitian yang Pernah Dilakukan
Penelitian dilakukan berdasarkan perbandingan model series dan test perilaku propulsor pada kondisi open water. Dimana penelitian tersebut dilakukan pada dua jenis propeller yaitu propeller tipe FPP dan Ducted Propeller [8].
Dari kedua hasil yang ditampilkan menunjukkan koefisien thrust yang dihasilkan pada ducted propeller lebih besar dibandingkan dengan pada propeller yang tidak menggunakan ducted yaitu 0.246 pada ducted propeller dan 0.222 pada propeller tanpa ducted. 750 770 790 810 830 850 0 500000 1000000 1500000 2000000 Grid Independence Jumlah Elemen T h ru st ( k N ) 900 920 940 960 980 1000 0 500000 1000000 1500000 2000000 Grid Independence Jumlah Elemen T h ru st ( k N )
7 Pada Tugas Akhir ini diperoleh perhitungan nilai thrust coefficient yang didasarkan pada Carlton [5] sebesar 0.83 pada propeller dengan ducted dan sebesar 0.71 pada propeller tanpa ducted. Maka dari itu, dapat dikatakan bahwa hasil penelitian pada Tugas Akhir ini telah dapat diterima secara kualitatif berdasarkan perbandingan kenaikan thrust coefficient yaitu sekitar 17%. Sedangkan secara kuantitatif belum dapat dibuktikan, diduga hal ini disebabkan oleh faktor diameter dan putaran propeller seperti yang ditunjukkan pada persamaan [5].
4.4 Studi Komparatif dengan Published Data Menurut Harvald [1], tabung dengan (l/D ~ 0,5) sesuai untuk baling-baling dengan beban yang rendah. Pada harga koefisien beban yang tinggi, efisiensi baling-baling di dalam tabung akan menjadi hingga 0,06 lebih tinggi daripada efisiensi baling-baling ulir yang ekuivalen. Ini berarti sama dengan kenaikan gaya sekitar 15% [1].
Berdasarkan dari simulasi yang dilakukan pada software CFD kemudian dibandingkan dengan penelitian yang pernah dilakukan dan dari published data yang ada maka penelitian ini dianggap valid karena kenaikan gaya dorong pada ducted propeller menjadi sekitar 17% dibandingkann tidak menggunakan ducted. Hal ini menunjukkan bahwa hasil penelitian ini bersesuain dengan baik terhadap referensi [1].
5. Kesimpulan dan Saran
5.1 Saran
Berdasarkan hasil simulasi, analisa data, dan pembahasan yang telah dilakukan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:
• Software Ansys CFX dapat digunakan untuk menganalisa aliran pada sebuah propeller. Hal ini dapat dibuktikan dengan hasil secara kualitatif dan kuantitatif pada
penelitian ini yang tidak jauh berbeda dengan hasil penelitian yang pernah dilakukan.
• Setelah dilakukan simulasi model propeller tanpa menggunakan ducted dan dibandingkan dengan propeller menggunakan ducted maka terdapat perbedaan besarnya gaya dorong yang dihasilkan oleh kedua alat penggerak kapal tersebut. Dimana gaya dorong yang dihasilkan pada ducted propeller lebih besar yaitu mengalami kenaikan 17% jika dibandingkan dengan propeller tanpa ducted. Hal ini dikarenakan semakin terfokusnya air yang masuk ke propeller yang kemudian menjadikan gaya dorong yang keluar dari propeller semakin meningkat.
• Bahwa CFD mampu mendemonstrasikan seperti yang ada pada teori momentum, dimana aliran mengalami kenaikan kecepatan setelah melalui baling-baling akibat adanya perbedaan tekanan.
5.2 Saran
• Sebaiknya ukuran meshing dan jumlah iterasi yang lebih banyak agar hasil pembacaan simulasi menjadi mendekati pada kondisi sebenarnya.
• Penggunaan software terbaru dengan spesifikasi komputer yang lebih tinggi dalam proses pengerjaan sangat diperlukan agar mendapatkan hasil analisa yang maksimal.
• Salah satu cara validasi dapat dilakukan dengan uji eksperimen di laboratorium guna mendapatkan tingkat kevalidan yang lebih baik dari hasil simulasi software. Daftar Pustaka
[1] Harvald, Sv.Aa. 1983. Resistance and Propulsion of Ship. A Wiley-Interscience Publication: Denmark.
[2] Lewis, E.V. 1988. Principles of Naval Architecture Second Revision. The Society
8 of Naval Architects and Marine Engineers. Jersey City.
[3] Versteeg H.K. and Malalasekera W. 1995. An Introduction to Computational Fluid Dynamics. Longman Scientific & Technical: England.
[4] Munson, B.R. Young, D.F. and Okiishi, T. H. 2002. Fluid Mechanics. Department of Mechanical Engineering - Iowa State University: USA.
[5] Carlton, J.S. 2007. Marine Propellers and Propulsion. British Lybrary. Oxford.
[6] Kuiper, G. 1992. The Wageningen Propeller Series. MARIN Publication 92-001: Hamburg.
[7] Anderson, J.D. 1995. Computational Fluid Dynamics: The Basics with Applications. Department of Aerospace Engineering-University of Maryland.
[8] Haimo, H. Bobo, Ma.J. Vicaro, J. and Del Corral, J. 2010. Ducted Propellers. A Solution for Better Propulsion of Ships. Calculation and Practice. First International Symposium of Fishing Vessel Energy Efficiency: Spain.
