ANALISIS PENGARUH BENTUK LAYAR TERHADAP KONTRIBUSI KECEPATANYANG DIHASILKAN OLEH KM.
BELITUNG DENGAN SIMULASI CFD (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS)
Oleh :
Tutut Cahya Putra – 4106.100.042 Dosen Pembimbing :
Ir. Murdijanto, M. Eng
JURUSAN TEKNIK PERKAPALAN FAKULTAS TEKNOLOGI KELAUTAN
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA
Latar Belakang
Ketergantungan indonesia terhadap bahan bakar fosil masih sangat besar
Penggunaan bahan bakar fosil ini menghasilkan emisi berupa gas kardondioksida
(CO2) yang memicu terjadinya pemanasan global
Menipisnya cadangan bahan bakar fosil dunia dan kenaikan/ketidakstabilan harga
bahan bakar karena tingginya permintaan
Perumusan Masalah
Bagaimana memvariasikan bentuk layar sebagai alat penggerak bantu
kapal untuk menghasilkan
kontribusi kecepatan yang paling optimal untuk KM Belitung.
Batasan Masalah
Kapal bergerak dalam perairan yang tenang (shallow water).
Tidak menghitung masalah
konstruksi dan kekuatan kapal. Tidak mendesain persisteman dari layar.
Kecepatan angin yang diambil adalah10 knot.
Tujuan
Menggunakan CFD untuk mengetahui gaya dorong oleh layar.
Mengetahui bentuk layar yang memberikan kontribusi kecepatan paling
optimal sebagai alat penggerak bantu pada kapal general cargo KM Belitung
.
Manfaat
Menjadi masukan bagi pihak galangan maupun desainer kapal, dalam
mendesain kapal general cargo sejenis dapat mempertimbangkan pemakaian layar guna menambah kontribusi kecepatan dinas kapal.
Menjadi referensi dalam mendesain kapal yang hemat energi dan ramah
lingkungan, yakni dengan kombinasi pemakaian layar sebagai alat penggerak bantu.
Menjadi masukan bagi pihak owner kapal general cargo KM Belitung
untuk bentuk layar yang paling optimal jika dilakukan pemasangan layar pada kapal.
Landasan Teori
Layar
Layar merupakan salah satu alat propulsi pada kapal. Sebagaimana alat
propulsiyang lain seperti propeller, maka layar diusahakan untuk menghasilkan gaya dorong yang optimal, agar menghasilkan kecepatan kaplal yang maksimal.
Jenis-jenis layar yang telahdikembangkan sampai dengan saat ini
Di dalam layar terdapat istilah-istilah untuk geometri bentuk
layar, antara lain adalah sebagai berikut :
◦ Chord : adalah panjang dari sisi depan layar (luff) sampai
dengan belakang layar (leach). Atau dimulai dari leading edge sampai dengan trailing edge
◦ Camber : adalah kelengkungan dari layar, merupakan perbandingan dari tinggi lengkungan dengan chord
◦ Aspek Rasio : adalah perbandingan dari kuadrat span dengan luasan layar
◦ Span : adalah jarak dari sisi bawah layar sampai dengan sisi/ujung teratas dari layar
Konsep kapal layar
Dahulu, layar merupakan alat penggerak utama kapal yang
memanfaatkan tenaga angin
ditemukannya mesin uap oleh James Watt, maka penggunaan layar
mulai dikurangi
penemuan mesin diesel oleh Rudolf Diesel pada tahun 1892 juga
merambah dunia perkapalan
terjadinya krisis minyak tahun 1970 dan 1980-an, muncul kembali
gagasan tentang penggunaan layar sebagai alat penggerak kapal
tahun 1980, Jepang mengembangkan konsep kapal motor yang
dikombinasikan dengan alat penggerak berupa layar (Ishihara, 1980; Matsumoto, 1982).
KESIMPULAN Perhitungan gaya dorong
layar variasi
Perhitungan kontribusi layar
Analisis stabilitas Studi Literatur Pengumpulan data Pemodelan Kapal dan
Layar
Dengan metode numerik menggunakan simulasi
CFD
Menggunakan software
maxsurf dan autoCAD
Perhitungan Teknis model (hambatan, dan
stabilitas awal model)
Metodologi Penelitian
Studi Literatur
Pada tahap ini hal yang dilakukan adalah mencari dan mempelajari bahan literatur yang berhubungan dengan permasalahan sehingga mendapatkan gambaran secara lebih mendalam tentang layar dan CFD (Computational
Fluid Dynamics) Pengumpulan Data
Data yang diperlukan adalah data-data dari Tugas Akhir sebelumnya yang menyangkut linesplan, rencana umum, dan data-data simulasi.
Pemodelan KM Belitung
Menggunakan maxsurf pro dan autoCAD
Perhitungan Teknis Model
Menghitung hambatan kapal dan stabilitas awal KM Belitung
Simulasi CFD
Perhitungan gaya dorong layar
Analisis
Analisis yang dilakukan untuk mengetahui besar kontribusi kecepatan akibata adanya gaya dorong layar dan analisis stabilitas akibat pemasangan layar.
Variasi layar
Bentuk Layar Persegi Trapesium Segitiga
Area (m2) 252.109 252.109 252.109
Lebar (chord) [m] (bawah) 9.848 12 19.696
(atas) 7.696 0
Tinggi (Span) [m] 25.600 25.6 25.6
Chamber (10% chord) (bawah) 0.9848 1.2 1.97
(atas) 0.77
Pembuatan geometri model kapal yang dibuat, merupakan potongan badan
kapal yang berada di atas garis air saja. Hal ini dikarenakan, bahwa analisa CFD yang akan dilakukan adalah untuk mencari besarnya gaya-gaya yang bekerja pada layar akibat aliran fluida udara atau angin
Setelah model 3D kapal pada Autocad selesai dibuat, maka gambar di import
ke dalam software Ansys ICEM CFD
Langkah selanjutnya adalah membuat domain fluida berbentuk kotak (balok)
dengan ukuran 70 m x 100 m x 255 m
Kemudian domain fluida tersebut didefinisikan sebagai kondisi-kondisi batas
meliputi inlet, outlet, wall, model kapal, dan model layar.
Langkah selanjutnya adalah melakukan meshing berdasarkan size yang sudah
ditentukan dari grid independence
Setelah proses meshing selesai, hasil meshing ICEM CFD dieksport (output)
ke dalam betuk file CFX
Selanjutnya bentuk file Cfx tersebut diimport ke dalam software CFX-pre
untuk mengisi boundary condition (kondisi batas)
Pemodelan CFD
Grid Independence
Tujuan dari proses grid independence yaitu untuk mendapatkan jumlah
elemen model layar yang efektif agar data yang dihasilkan memiliki keakuratan yang baik dan jumlah elemen yang efisien.
Sehingga penambahan jumlah elemen meshing tidak lagi mempengaruhi hasil
akhir
Jumlah Mesh
(x1000) 708 1094 1342 1899 2355 D 767.036 770.696 772.379 774.73 775.277
Tabel Grid independence layar trapesium
765 770 775 780
0 1000000 2000000 3000000
grid independence layar trapesium
Jumlah Mesh (x1000) 831 1257 1507 1783 2201 D 661.609 670.737 672.551 673.211 673.687 660 665 670 675 680 0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000
grid independence layar segitiga
grid independent
Penentuan Kondisi Batas pada CFX-pre
inlet outlet
wall kapal
Setelah menentukan kondisi batas, maka langkah selanjutnya adalah mengisi
Global initiation dan Solver Control.
Setelah proses di atas, bisa dilakukan Flow Solver dan untuk mengetahui
hasil dari flow solver dapat dilihat pada CFX-post.
Dari simulasi CFD yang dilakukan, didapatkan hasil sebagai berikut:
Dari data diatas dapat dicari nilai driving force dan heeling force dengan
persamaan sebagai berikut:
◦ FR = L sin β – D cos β
◦ FH = L cos β + D sin β
Gaya Lift (L) Gaya Drag (D)
(N) (N) 10 4843.01 811.318 15 5884.69 1305.63 18 6364.69 1660.73 10 3424.25 671.742 15 4396.38 1131.81 18 4903.12 1477.63 Variasi Layar Angle of Attack
Layar Trapesium Layar Segitiga
Variasi
layar Angle of attack (α) Apparent wind angle (β) FR (N) FH (N)
15 469.7902 4468.0039 30 1718.8830 3788.5107 45 2850.8368 2850.8368 60 3788.5107 1718.8830 15 261.9281 5346.2521 30 1811.6363 4443.4760 45 3237.8844 3237.8844 60 4443.4760 1811.6363 15 43.1610 5717.9899 30 1744.1106 4681.6182 45 3326.2020 3326.2020 60 4681.6182 1744.1106 15 237.4082 3133.7119 30 1130.3794 2629.6165 45 1946.3171 1946.3171 60 2629.6165 1130.3794 15 44.6224 3953.6430 30 1218.0138 3241.4718 45 2308.3996 2308.3996 60 3241.4718 1218.0138 15 -158.2601 4353.6115 30 1171.8949 3507.4115 45 2422.1872 2422.1872 60 3507.4115 1171.8949 Layar Segitiga 10 15 18 Layar Trapesium 10 15 18
Akibat adanya gaya dorong kapal (driving force), maka hal ini akan
menguntungkan dari segi kontribusi kecepatan kapal. Kecepatan kapal akan bertambah sesuai dengan tingkat kontribusi (driving force) layar terhadap kecepatan kapal. Untuk perhitungan kontribusi layar terhadap kecepatan kapal, langkah perhitungannya adalah sebagai berikut:
Mencari Gaya Dorong (Thrust) KM. Belitung.
Besarnya gaya dorong kapal dapat dicari dengan rumus sebagai berikut
Dimana, t adalah thrust deduction factor. Besarnya nilai t (thrust deduction factor dipengaruhi oleh nilai koefisien prismatic (Cp).
t standar = 0,5× CP− 0,12; utk. Kapal dng Baling-baling Tunggal = 0,5× CP − 0,19; utk. Kapal dng Baling-baling Kembar
Akibat adanya pemasangan layar, maka layar akan memberikan tambahan
gaya dorong. Besarnya gaya dorong (driving force) ditambahkan dengan nilai gaya dorong kapal sehingga didapat nilai Gaya Dorong Kapal + Layar = T + Fr
Dari nilai gaya dorong gabungan (kapal+layar), maka dapat dicari besarnya
nilai hambatan yang baru berdasarkan persamaan thrust seperti pada langkah pertama. Nilai hambatan yang baru (RT baru) dihitung sebagai berikut:
RT baru = T + Fr x (1 – t)
Selain memberikan kontribusi gaya dorong (driving force), pemasangan layar
juga memberikan tambahan nilai hambatann dari gaya drag (heeling force). Sehingga besarnya nilai hambatan baru (RT baru) harus ditambah nilai Fh (heeling force)
Langkah selanjutnya adalah membandingan nilai hambatan kapal sebelum
menggunakan layar (RT) dengan nilai hambtan total kapal setelah dipasangi layar (RT baru + Fh). Perbandingan disajikan dalam grafik.
Rekapitulasi nilai hambatan setelah dipasang layar trapesium v α= 10° α= 15° α= 18° (m/s) β=15 β=30 β=45 β=60 β=15 β=30 β=45 β=60 β=15 β=30 β=45 β=60 2.06 10.76 11.44 11.72 11.57 11.74 12.66 13.11 13.03 12.12 13.20 13.76 13.76 2.57 13.62 14.30 14.58 14.43 14.60 15.52 15.97 15.89 14.98 16.06 16.62 16.62 3.09 17.08 17.76 18.04 17.89 18.06 18.98 19.43 19.35 18.44 19.52 20.08 20.08 3.60 21.22 21.90 22.18 22.03 22.20 23.12 23.57 23.49 22.58 23.66 24.22 24.22 4.12 26.38 27.06 27.34 27.19 27.36 28.28 28.73 28.65 27.74 28.82 29.38 29.38 4.63 33.24 33.92 34.20 34.05 34.22 35.14 35.59 35.51 34.60 35.68 36.24 36.24 5.14 42.93 43.61 43.89 43.74 43.91 44.83 45.28 45.20 44.29 45.37 45.93 45.93 5.66 56.66 57.34 57.62 57.47 57.64 58.56 59.01 58.93 58.02 59.10 59.66 59.66 6.17 75.78 76.46 76.74 76.59 76.76 77.68 78.13 78.05 77.14 78.22 78.78 78.78
Rekapitulasi nilai hambatan setelah dipasang layar segitiga
v α= 10° α= 15° α= 18° (m/s) β=15 β=30 β=45 β=60 β=15 β=30 β=45 β=60 β=15 β=30 β=45 β=60 2.06 9.18 9.69 9.92 9.84 10.08 10.83 11.21 11.20 10.51 11.40 11.90 11.96 2.57 12.04 12.55 12.78 12.70 12.94 13.69 14.07 14.06 13.37 14.26 14.76 14.82 3.09 15.50 16.01 16.24 16.16 16.40 17.15 17.53 17.52 16.83 17.72 18.22 18.28 3.60 19.64 20.15 20.38 20.30 20.54 21.29 21.67 21.66 20.97 21.86 22.36 22.42 4.12 24.80 25.31 25.54 25.46 25.70 26.45 26.83 26.82 26.13 27.02 27.52 27.58 4.63 31.66 32.17 32.40 32.32 32.56 33.31 33.69 33.68 32.99 33.88 34.38 34.44 5.14 41.35 41.86 42.09 42.01 42.25 43.00 43.38 43.37 42.68 43.57 44.07 44.13 5.66 55.08 55.59 55.82 55.74 55.98 56.73 57.11 57.10 56.41 57.30 57.80 57.86 6.17 74.20 74.71 74.94 74.86 75.10 75.85 76.23 76.22 75.53 76.42 76.92 76.98
Untuk mengetahui tingkat kontribusi layar terhadap kecepatan kapal, yakni
dengan membuat garis horizontal pada nilai hambatan saat kecepatan dinas kapal. Dan besarnya gap tersebut merupakan kontribusi kecepatan dari layar.
β=15 β=30 β=45 β=60 10 0.497 0.568 0.598 0.582 15 0.608 0.701 0.751 0.742 18 0.650 0.762 0.8269 0.8266 10 0.337 0.388 0.410 0.403 15 0.428 0.503 0.543 0.543 18 0.470 0.564 0.617 0.624 10 0.511 0.586 0.618 0.603 15 0.550 0.635 0.682 0.677 18 0.554 0.660 0.718 0.721 Layar Persegi
Bentuk Layar Angle of attack Kontribusi kecepatan ( Knot ) Layar Trapesium Layar Segitiga 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 0.900 0 20 40 60 80 Ko nt rib us i k ec ep at an ( kn ot )
Apparent wind angle (β)
Grafik kontribusi kecepatan pada kecepatan dinas
trapesium 10 trapesium 15 trapesium 18 segitiga 10 segitiga 15 segitiga 18 persegi 10 persegi 15 persegi 18
Stabilitas adalah keseimbangan dari kapal, merupakan sifat atau
kecenderungan dari sebuah kapal untuk kembali kepada kedudukan semula setelah mendapat senget (kemiringan) yang disebabkan oleh gaya-gaya dari luar
Kriteria stabilitas utuh KM. Belitung dapat mengacu pada peraturan IMO A.749 (18) Ch. 3. Design criteria applicable to all ships.
◦ Luas di bawah kurve lengan pengembali (kurva GZ) sampai sudut 30˚ tidak kurang dari 3.151 m.deg
◦ Luas dibawah kurva lengan pengembali (kurva GZ) sampai sudut 40˚, tidak kurang dari 0.090 m.rad atau 5.517 m.deg
◦ Luas di bawah kurva lengan pengembali (kurva GZ) antara sudut 30˚ dan sudut 40˚ atau antara sudut 30˚ dan sudut downflooding (θf) jika sudut tersebut kurang dari 40˚, tidak kurang dari 0.030 m.rad atau 1.719 m.deg
◦ Lengan pengembali GZ pada sudut oleng sama atau lebih dari 30˚ minimal 0.20 m
◦ Lengan pengembali maksimum terjadi pada oleng tidak boleh kurang dari 25˚
No Kriteria IMO A 749 (18) ch 3 Unit Kondisi 1 2 3 4 1 Area 0 to 30 3.151 m.deg 7,979 6,896 15,182 14,426 2 Area 0 to 40 5.157 m.deg 13,931 12,325 27,302 25,697 3 Area 30 to 40 1.719 m.deg 5,952 5,430 12,120 11,270 4 Max GZ at 30 or greater 0.2 m 0,614 0,561 1,416 1,311 5 Angle of maximum GZ 25 deg 40,0 39,0 49,0 48,0 6 Initial GM 0.15 m 0,900 0,735 1,787 1,703 Status Pass Pass Pass Pass
Data stabilitas awal KM Belitung
Akibat adanya pemasangan layar sebagai alat penggerak bantu kapal, maka
perhitungan teknis terhadap stabilitas kapal perlu dilakukan kembali.
Di samping itu, karena penggunaan layar pada kapal, maka harus memenuhi
persyaratan daya tahan terhadap angin dan rolling (kriteria cuaca)
◦ Sudut oleng pada kondisi steady wind tidak lebih besar dari 16° .
◦ Perbandingan sudut oleng pada kondisi steady wind dengan sudut geladak tenggelam tidak lebih besar dari 80%.
Kriteria cuaca (Intact Stability Code, 2002)
θ0 : Sudut oleng pada kondisi steady wind
θ1 : Sudut putar (roll) arah darimana angin bertiup karena kondisi
gelombang.
θ2 : Nilai minumun dari θf, 50o, atau θc
θf : Sudut oleng dimana bukaan pada lambung, bangunan atas atau rumah
geladak, yang tidak dapat tertutup kedap air, tenggelam.
θc : Sudut pada perpotongan kedua antara lengan oleng angin (wind heeling
lever – lw2) kurva lengan stabilitas (GZ).
lw1 = (PAZ / 1000gΔ) (m) , dan lw2 = 1.5 lw1 (m)
Layar loadcase P A Z vcg r θ1 lw1 lw2 1 504 312.38 23.66 3.53 0.22 15.06 0.24 0.36 2 504 312.38 23.66 3.56 0.21 14.92 0.24 0.36 3 504 312.38 23.66 2.89 0.31 18.03 0.24 0.36 4 504 312.38 23.66 3.07 0.28 17.27 0.24 0.36 1 504 310.56 20.93 3.53 0.22 15.08 0.21 0.32 2 504 310.56 20.93 3.66 0.20 14.39 0.21 0.32 3 504 310.56 20.93 2.89 0.31 18.06 0.21 0.32 4 504 310.56 20.93 3.06 0.28 17.30 0.21 0.32 Trapesium Segitiga
Data untuk input perhitungan kriteria cuaca
P = tekanan angin = 504 pa
A = projected lateral area kapal dan rumah geladak diatas garis air(m2); Z = jarak vertikal antara titik pusat A ke titik pusat lateral area dibawah
air atau bisa didekati dengan titik di tengah sarat utama (m);
Hasil analisa stabilitas kapal dengan layar trapesium 1 2 3 4 1 Area 0 to 30 3.151 m.deg 7.827 6.736 14.919 14.142 2 Area 0 to 40 5.157 m.deg 13.661 12.044 26.846 25.207 3 Area 30 to 40 1.719 m.deg 5.834 5.307 11.927 11.065 4 Max GZ at 30 or greater 0.2 m 0.601 0.547 1.391 1.284
5 Angle of maximum GZ 25 deg 39 39 48 48
6 Initial GM 0.15 m 0.88 0.715 1.753 1.666
7 Angle of steady heel 16 deg 14.2 14.8 12.7 14.2
8 Angle of steady heel / Deck edge immersion 80 % 65.462 69.551 36.236 40.225
9 Area1 / Area2 100 % 135.69 124.07 169.9 132.35
Status Pass Pass Pass Pass
Hasil analisa stabilitas kapal dengan layar segitiga 1 2 3 4 1 Area 0 to 30 3.151 m.deg 7.877 6.789 15.003 14.233 2 Area 0 to 40 5.157 m.deg 13.75 12.136 26.992 25.364 3 Area 30 to 40 1.719 m.deg 5.873 5.347 11.989 11.132 4 Max GZ at 30 or greater 0.2 m 0.605 0.551 1.399 1.293
5 Angle of maximum GZ 25 deg 40 39 49 48
6 Initial GM 0.15 m 0.887 0.721 1.764 1.678
7 Angle of steady heel 16 deg 12.6 15.4 11.3 12.7
8 Angle of steady heel / Deck edge immersion 80 % 58.092 70.717 32.161 35.795
9 Area1 / Area2 100 % 186.25 138.77 208.28 170.8
Status Pass Pass Pass Pass
No Kriteria IMO Unit Kondisi
Dari hasil analisis stabilitas setelah kapal dipasang layar , baik layar trapesium
atau segitiga, semua hasil perhitungan memenuhi persyaratan stabilitas sesuai dengan kriteria IMO A749 (18) Ch 3
Dengan adanya tambahan layar pada kapal, kondisi stabilitas kapal masih
Dengan adanya pemasangan layar sebagai alat penggerak bantu pada kapal
general cargo KM Belitung, maka akan didapatkan besarnya kontribusi kecepatan dari layar terhadap kecepatan kapal sebagai berikut :
Kesimpulan
Kontribusi kecepatan terbesar yang dihasilkan adalah sebesar 0.8269 knot yang dihasilkan oleh layar dengan bentuk trapesium dengan variasi angle of attack (α) 18o dan apparent wind angle (β) 45 o.
β=15 β=30 β=45 β=60 10 0.497 0.568 0.598 0.582 15 0.608 0.701 0.751 0.742 18 0.650 0.762 0.8269 0.8266 10 0.337 0.388 0.410 0.403 15 0.428 0.503 0.543 0.543 18 0.470 0.564 0.617 0.624 10 0.511 0.586 0.618 0.603 15 0.550 0.635 0.682 0.677 18 0.554 0.660 0.718 0.721 Layar Persegi
Bentuk Layar Angle of attack Kontribusi kecepatan ( Knot ) Layar Trapesium Layar Segitiga 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 0.900 0 20 40 60 80 Ko nt rib us i k ec ep at an ( kn ot )
Apparent wind angle (β)
Grafik kontribusi kecepatan pada kecepatan dinas
trapesium 10 trapesium 15 trapesium 18 segitiga 10 segitiga 15 segitiga 18 persegi 10 persegi 15 persegi 18
