7

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Arus Laut

2.1.1 Arus laut Arus laut terjadi akibat perbedaan penyinaran matahari di

berbagai tempat di lautan. Perbedaan ini menyebabkan perubahan temperatur dan kadar garam yang selanjutnya menyebabkan bodi air laut berbeda – beda sifatnya. Perbedaan – perbedaan ini mendapat tambahan maupun tidak dari gaya luar akan menimbulkan arus laut.

Arti dari arus laut meliputi segala kumpulan pergerakan dan pertukaran air laut yang sangat rumit antara daerah – daerah laut yang berbeda. Arah dan besarnya arus laut sifatnya bisa tetap atau berubah dan umumnya sulit diteliti karena tumpang tindih dengan sirkulasi lautan dari laut setempat. Arus laut yang tetap dapat dibagi menjadi tiga kelompok :

a. Arus laut yang disebabkan karena Thermo Haline Convection karena adanya temperatur permukaan air laut yang dingin di daerah kutub.

b. Arus laut yang disebabkan oleh lebih besarnya curah hujan daripada penguapan atau sebaliknya ( ini hanya terjadi pada tempat – tempat tertentu di lautan ).

c. Arus laut yang disebabkan oleh transfer energi dari angin yang konstan ke permukaan air laut.

Tiap jenis arus laut dipengaruhi oleh perputaran bumi dan juga bentuk geometri cekungan dasa laut.

2.1.2 Pengukuran arus laut di Selat Bali

Gambaran sepintas wilayah banyuwangi, seperti terlihat pada gambar. 2.0 menunjukkan Selat Bali berada di sebelah Timur wilayah Banyuwangi. Di sebelah Barat adalah daerah pegunugan dengan punck tertingginya Gunung Raung (3332 m).

8

Wilayah tengah berupa lembah landai yang menyempit ke arah Utara dan melebar ke arah Selatan.

Iklim Banywangi berkisar type C dan D. Curah hujan rata - rata bulanan terkecil 3 mm terjadi pada bulan September 1986 dan terbesar 356 mm pada bulan Desember 1987. Suhu berkisar antara 220 C sampai 320 C. Kelembaban rata – rata per bulan berkisar antara 72,3 % sampai 85,1 %. Kecepatan angin rata –rata bulanan tertinggi 2,55 m/s terjadi pada bulan Agustus dan terendah 0,4 m/s terjadi pada bulan April.

Arah angin tersaring (prevalent) adalah Selatan, terjadi pada bulan April sampai Desember. Selama periode bulan Januari sampai bulan Maret arah angin bervariasi antara Utara dan Tenggara. Penyinaran Matahari rata – rata bulanan terkecil 25,9% terjadi pada bulan Juli sedangkan terbesar 93% terjadi pada bulan Oktober.

Di Selat Bali banyak terdapat muara sungai dari yang kecil sampai yang besar yang mengalir dari kabupaten Banyuwangi, seperti ; Kali Baru, Kali Setail, Kali Tambang, Kali Binau, Kali Bajulmati, Kali Baru Manis. Di samping itu banyak terdapat sungai – sungai kecil, diantaranya Kali Sukowidi.

Selat Bali menghubungkan Laut Jawa di sebelah Utara dengan Samudera Hindia di sebelah Selatan.

Arus Selat Bali berubah arah menurut pasang surut. Pada waktu air pasang, arah arus menuju ke Utara (ke Laut Jawa) dan pada waktu surut arah arus ke Selatan (ke Samudera Hindia). Namun demikian arus Selat Bali dipengaruhi kuat oleh musim angin, dimana pada musimSelat Bali mengalir ke Utara (ke Pulau Jawa) dan pada waktu musim angin Timur, yaitu bulan April hingga bulan September arus Selat Bali mengalir ke Selatan (ke Laut Hindia).

Data – data yang dipergunakan untuk menyusun tugas ini diperoleh dari hasil pengukuran arus Selat Bali yang dilakukan oleh Pusat Penelitian ITS. Dimana pengukuran tersebut dilakukan dengan menggunakan Current Meter dan perahu. Pengukuran

9

dilaksanakan pada saat angin Barat dan angin Timur dengan mengambil beberapa titik.

Pengukuran dilakukan di sebelah Utara dan Selatan pelabuhan Ketapang dan pada 1 Km sampai 2 Km dari pantai, dengan lokasi sebagai berikut :

1. Lokasi Banyuwangi 2. Lokasi Manyar 3. Lokasi Ketapang 4. Lokasi Watu Dodol

Data kecepatan arus pada musim angin Timur di Bulan Juli seperti pada tabel di bawah.

Lokasi Kecepatan arus ( m/s)

1 2 3 4

0,6 1,2 1,6 1,8

Sumber Pustaka 2.1 Data kecepatan arus pada musim Barat di Bulan

Desember dapt dilihat dari tabel di bawah.

Lokasi Kecepatan arus ( m/s) 1 2 3 4

0,9 2,1 2,9 4,2

Sumber Pustaka 2.2 Pengukuran arus laut dilakukan dengan menempatkan

perahu pada suatu titik. Perahu dijangkar dan ditunggu sampai tidak bergerak, kemudian dilakukan pengukuran kecepatan arus dengan menggunakn Current Meter yang diletakkan pada kedalaman + 5 m.

10

Gambar. 2.1 : Peta Selat Bali

11

2.2 Turbin Angin Turbin angin adalah kincir angin yang digunakan untuk

membangkitkan tenaga listrik. Turbin angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomopdasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dll. Turbin angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda dan negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill.

Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. Walaupun sampai saat ini pembangunan turbin angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik konvensional (Co: PLTD, PLTU, dll), turbin masih lebih dikembangkan oleh para ilmuwan karena dalam waktu dekat manusia akan dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber daya alam tak dapat diperbaharui (Co: batubara, minyak bumi) sebagai bahan dasar untuk membangkitkan listrik.

Turbin angin dapat dibagi menjadi dua kategori utama, yaitu: turbin angin sumbu horizontal dan turbin angin sumbu vertikal.

• Turbin angin sumbu horizontal Turbin angin jenis ini ialah jenis turbin angin yang paling banyak digunakan sekarang. Turbin ini terdiri dari sebuah menara yang di puncaknya terdapat sebuah baling-baling yang berfungsi sebagai rotor dan menghadap atau membelakangi arah angin. Kebanyakan turbin angin jenis ini yang dibuat sekarang mempunyai dua atau tiga bilah baling-baling walaupun ada juga turbin bilah baling-balingnya kurang atau lebih daripada yang disebut diatas. Contoh turbin angin sumbu horizontal ditunjukan pada gambar (2.2)

12

Gambar 2.2: Turbin angin sumbu horizontal

• Turbin angin sumbu vertikal

Turbin sumbu vertikal dibagi menjadi dua jenis yaitu: Savonius dan Darrieus. Pada masa ini kedua-duanya digunakan secara meluas.

Turbin Darrieus Turbin darrieus mula diperkanalkan di Perancis pada sekitar tahun 1920-an. Turbin angin sumbu vertikal ini mempunyai bilah-bilah tegak yang berputar ke dalam dan ke luar dari arah angin. Contoh turbin Darrieus ditunjukan pada gambar (2.3)

Gambar 2.3: Turbin Darrieus

Turbin Savonius Turbin ini diciptakan pertama kalinya di negara Finlandia dan berbentuk-S apabila dilihat dari atas.

13

Turbin jenis ini secara umumnya bergerak lebih perlahan dibandingkan jenis turbin angin sumbu horizontal, tetapi menghasilkan torsi yang besar. Contoh turbin savonius ditunjukan pada gambar (2.4)

Gambar 2.4: Turbin Savonius

2.3 Aerodynamic Turbin angin Darrieus

2.3.1 Prinsip kerja turbin angin Darrieus Prinsip kerja dari darrieus rotor dapat disederhanakan

seperti berikut. Pertama, asumsikan arah angin datang dari depan rotor baling-baling. Ketika pergerakan rotor lebih cepat menyamai dengan kecepatan angin yang tak terganggu yaitu ratio kecepatan blade dengan kecepatan angin bebas, tsr>3, dari gambar dibawah mmmmenunjukan garis vektor percepatan dari bentuk airfoul baling-baling pada posisi angular yang berbeda-beda.

14

Gambar 2.5: Gaya-gaya pada setiap blade dimana: >Panah biru – kecepatan angin relatif. >Panah merah – kecepatan relatif ke baling-baling. >Panah hitam – resultan kecepatan udara relatif ke baling-baling. >Panah hijau – gaya angkat.(lift force). >Panah abu-abu – gaya seret (drag force).

Dengan nilai tsr yang tinggi seperti itu, baling-baling akan ”memotong” melaui angin dengan sudut serang (angle of attack) yang kecil. Resultan gaya angkat (lift) akan membantu perputaran baling-baling sedangkan gaya seret (drag) akan melawan perputaran dari baling-baling itu. Ketika gaya angkat nol pada sisi kiri (0 derajat) dan sisi kanan (180 derajat) dimana baling-baling simetris bergerak pararel menuju arah angin, torsi berubah menjadi negatif disekitar posisi ini. Mendekati posisi depan (90 derajat) dan posisi dibelakang (270 derajat), komponen dari gaya

15

angkat (lift) lebih besar dibandingkan gaya seret (drag) sehingga menghasilkan torsi. Torsi total per satu putaran akan bernilai positif jika baling-baling diposisikan pada tempat yang tepat sehingga rotor akan berputar pada arah yang benar.

Perfomance dari turbin angin disimbolkan oleh power coefficient Cp. Koefisien ini menunjukkan energi yang dihasilkan oleh turbin angin sebagai bagian dari total energi angin yang melalui luasan area turbin angin tersebut. Koefisien ini biasanya dituliskan bersama tip speed ratio λ dalam reynolds number. lihat grafik 2.1.

Grafik 2.1: Cp vs Solidity Untuk perhitungan solidity dapat ditulis dengan persamaan

sebagai berikut:

DcNSolidity .

= (1)

Untuk perhotungan kecepatan rotasional dari turbin angin dapat dirumuskan sebagai berikut:

)2/60(/ πrxtsrxVairWdar = (2)

16

2.3.2 Airfoil Sudu-sudu rotor turbin seringkali berpenampang airfoil

tetapi adakalanya sudu ini terbuat dari plat lengkung atau sudu layar yang merupakan penyederhanaan dari bentuk propeler.

Gambar 2.6: Type airfoil NACA Series

Kualitas unjuk kerja dari sudu-sudu yang airfoil ini biasanya dinyatakan dalam harga koefisien gaya drag ( CD ) dan gaya lift ( CL ). Gaya lift adalah gaya yang arahnya tegak lurus aliran yang mengenai suatu bentuk airfoil. Gaya drag adalah gaya yang sejajar dengan aliran fluida yang mengenai suatu bentuk airfoil. Besarnya masing-masing gaya tersebut adalah

AVCL L ..21 ρ=

AVCD D ..21 ρ=

Dimana L = gaya lift ( gaya angkat ) D = gaya drag ( gaya seret ) ρ = density udara yang mengalir V = Kecepatan angin A = luasan sudu

2.4 Efisiensi turbin angin Efisiensi kincir angin baling-baling secara normal

ditunjukan dalam kurva koefisien power (Cp). Koefisien daya dari darrieus yang dibatasi Betz limits 59% seperti HAWTs.

17

Grafik 2.2: Betz limit

Kurva koefisien power beberapa baling-baling umum tentu

saja juga dibatasi oleh Betz limit 59% seperti yang ditunjukan pada gambar diatas. Baling-baling yang menggunakan gaya seret (darg), seperti Savonius dan American multi-blade mempunyai ratio kecepatan yang rendah dan koefisien power dari baling-baling yang menggunakan gaya angkat (lift) yaitu HAWT dan Darrieus. Kurva yang datar dari rotor baling-baling menunjukan bahwa rotor bisa menjaga efisiensi tinggi di suatu jangka panjang dari putaran rotor selagi kurva tajam dari rotor darrieus mengalami penurunan efisiensi yang drastis ketika putaran rotor bergerak dari jarak optimum yang sempit. Rotor Darrieus dengan koefisien power rendah pada interval tsr rendah mengindikasikan kemampuan self-starting lemah.

18

2.5 Menentukan beban rotor turbin angin

Grafik 2.3: Beban rotor turbin angin Efisiensi rotor itu sendiri tidak akan menentukan efisiensi

sistem energi angin penggabungan rotor untuk pembebanan seperti pompa dan generator yang akan mengurangi keseluruhan efisiensi. Kurva output power untuk suatu sistem yang terdiri dari generator dan rotor bukan tergantung pada efisiensi individual dari kedua komponen tersebut tetapi kecocokan antara kedua komponen itu. Gambar diatas menunjukan torsi rotor pada kecepatan angin yang berbeda. Kurva yang berwarna adalah beban/torsi yang diperlukan untuk memutar generator pada rpm yang berbeda.

Sekarang, lihat kurva torsi rotor pada 6 m/s dan kurva medium load. Ketika rotor diam untuk kecepatan angin 6 m/s, putaran rotor akan bergerak dari nol ke rpm dari perpotongan antara dua kurva dan keseimbangan. Rotor akan menghasilkan torsi mengikuti kurva 6m/s samapi torei rotor seimbang dengan torsi beban pada persimpangan. Jadi, dengan melihat kurva torsi rotor untuk kecepatan bervariasi, perpotongan dari kurva ini akan

19

membentuk putaran operasi riil dari turbin angin pada kecepatan angin yang bervariasi. Bagaimanapun, rotor/torsi beban pada perbedaan kecepatan angin bukanlah output power yang nyata. Output riil akan menurun kaitannya dengan kerugian dalam konversi dan komponen mekanis generator.

Gambar diatas juga menampilkan 2 beban yang lain, yaitu light dan heavy load. Light load akan menyebabkan rotor beroperasi pada putaran yang tinggi (tsr tinggi) yang mengakibatkan tidak maksimalnya efisiensi rotor sedangkan heavy load menyebabkan rotor berputar pelan (tsr rendah) yang mana tidak maksimalnya effisiensi rotor. Dengan memilih suatu beban yang mendekati efisiensi maksimum rotor seperti medium curve, maka power yang besar akan diperoleh. Dalam gambar diatas, maksimum torsi mungkin saja tidak pada maksimum power dan pada kasus rotor darrieus, power maksimal normalnya terjadi setelah maksimum torsi. Perilaku yang lain dari rotor darrieus adalah torsi awal rendah yang mungkin lebih rendah dari torsi generator, jadi rotor tidak akan berputar jika tidak diberi dorongan sampai putaran tertentu dimana torsi rotor memulai untuk memberi daya torsi.

2.6 Daya, torsi, dan kecepatan

Gaya tangensial pada sudu ditimbulkan oleh adaanya komponen daya angkat pada bidang putar, tetapi masih dikurang dengan kemampuan daya seret yang berlawanan arah. Gaya tangensial pada rotor ini mempunyai jarak (lengan) tertentu pada sumbu putar (poros) dan hasil kali kedua besaran ini seringkali disebut dengan torsi (T ). Jika kemudian rotor ini berputar dengan kecepatan tertentu pula ( w ), maka daya ( P ) yang timbul dapat dihitung sebesar:

wTP .= (3) Dimana : =T Torsi (Nm) =w Kecepatan angular (rpm) =P Daya (Watt)

20

Seperti diketahui ternyata energi kinetik yang dimiliki angin tidak seluruhnya dapat dikonversikan menjadi gaya mekanik (dengan adanya komponen gaya seret yang mengurangi komponen gaya angkat). Dengan demikian terjadi kerugian daya dan perbandingan antara daya yang dihasilkan dan daya yang dimiliki angin disebut dengan koefisien daya ( PC ) yang dapat ditulis:

32

1 ... VAPCP ρ

= (4)

Hal tersebut terjadi pula pada torsi, sehingga koefisien torsi:

RAV

TCT .... 22

1 ρ= (5)

Jika didefinisikan bahwa tip speed ratio (λ ) adalah perbandingan antara kecepatan linier rotor dengan kecepatan angin sebelum sudu atau ditulis secara matematik:

V

Rw.=λ (6)

Maka dengan menghubungkan persamaan diatas didapatkan persamaan:

λ

PT

CC = (7)

Secara empiris besarnya koefisien torsi start ( TC start)

TC start = 2).(5,0

dλ

Dalam turbin angin dikenal beberapa macam kecepatan

sebagai dasar analisa daya yang hendak dihasilkan, yaitu: Vcut in : kecepatan angin dimana turbin angin mulai bekerja

untuk menghasilkan daya Vcut in = 0,7 x Vrata-rata Vrate : kecepatan rencana yang menghasilkan daya maksimum Vrate = 1,5 x Vrata-rata

21

Vfurling : kecepatan bebas dimana turbin angin tidak menghasilkan daya lagi

Vfurling = 3 x Vrata-rata 2.7 Turbin Air

2.7.1 Daya turbin Besarnya tenaga kuda yang dihasilkan oleh sebuah turbin

dapat dinyatakan sebagai berikut : T = 9,74.105. P / n (Nm) 1, (8) P = T . n /9,74.105. (watt) 2 , (9)

dimana, P = Daya output effektif, Hp

9,74.105 = Konstanta, T = Torsi, Nm n = Putaran, rpm 2.7.2 Putaran turbin

Untuk merencanakan putaran turbin terlebih dahulu kita ketahui besarnya putaran generator yang akan digunakan. Putaran ini juga menjadi putaran turbin yang direncanakan.

Putaran generator ditentukan dengan persamaan : Ng = 60 . f / P (rpm), (10) dimana,

f = Frekuensi generator P = Jumlah kutub generator,

2.7.3 Putaran spesifik turbin Putaran spesifik turbin dapat didefinisikan sebagai

putaran yang terjadi pada turbin model (turbin dengan bentuk sama tetapi dengan skala yang berlainan) yang bekerja pada tinggi jatuh (head) 1 m dan menghasilkan daya sebesar 1 metrik HP 3. Dengan menggunakan rumus : ns = n . ( P )0,5 . (gH)5/4 (rpm), (11)

22

dimana, n = Putaran turbin, rpm P = Daya output turbin, HP H = Tinggi jatuh, m G = Percepatan gravitasi bumi, m/s2 2.7.4 Turbin air dan tipe - tipenya

Turbin air atau disebut juga dengan turbin hidraulik adalah mesin fluida yang mengubah energi air menjadi tenaga listrik. Dimana air mengalir melalui turbin, memberi tenaga pada penggerak (runner) dari turbin dan membuatnya berputar, kemudian ditransmisikan dengan poros penggerak yang berhubungan langsung dengan generator. Menurut sejarahnya turbin hidraulik sekarang ini berasal dari kincir – kincir air pada zaman pertengahan yang dipakai untuk memecah batubara dan keperluan pabrik gandum. Tetapi di samping pemikiran dasar, ada perbedaan antara turbin – turbin saat ini dengan kincir – kincir air zaman dahulu. Dimana turbin modern saat ini merupakan kemenangan dari kemajuan teknologi dari cabang – cabang bidang teknik seperti mekanika zat cair, ilmu logam dan mekanika teknik.

Jenis – jenis utama turbin yang dipergunakan untuk hidrolistik pada saat ini adalah :

( a ) Turbin Francis 1849, ( b ) Turbin Pelton 1889, ( c ) Turbin baling – baling dan Kaplan 1913, ( d ) Turbin Deriaz 1945

23

Gambar. 2.7 : Penggerak dari tipe – tipe turbin

Keempat turbin saling berlainan dalam berbagai hal walaupun pola dasarnya sama untuk masing – masing turbin. Masing – masing turbin terdiri dari penggerak (runner) dengan bilah – bilah lengkung atau baling – baling yang disusun sedemikian rupa sehingga air dapat mengalir melalui penggerak ini.

Dalam membedakan kehandalan ( performance ) turbin –turbin ini, segi – segi hidraulik seperti tekanan, ketinggian, arah aliran, kecepatan, dan tenaga akan dipergunakan sebagai elemen – elemen pembandingnya.

2.8 Computational Fluid Dynamics (CFD) 2.8.1 Persamaan Dasar CFD

Pada dasarnya semua jenis CFD menggunakan persamaan dasar (governing equation) dinamika fluida yaitu persamaan kontinuitas, momentum dan energi. Persamaan-persamaan ini merupakan pernyataan matematis untuk tiga prinsip dasar fisika :

24

1. Hukum Kekekalan Massa (The Conservation of Mass) 2. Hukum Kedua Newton (Newton’s Second Law of Motion) 3. Hukum kekekalan Energi

Untuk mendapatkan persamaan dasar gerak fluida, filosofi berikut selalu diikuti :

a. Memilih prinsip fisika dasar dari hukum–hukum fisika ( Hukum Kekekalan Massa, Hukum Kedua Newton, Hukum Kekekalan Energi ).

b. Menerapkan prinsip-prinsip fisika di dalam model aliran. Dari penerapan, diuraikan persamaan matematis yang meliputi prinsip-prinsip fisika dasar. 2.8.2 Teori Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic merupakan ilmu sains dalam penentuan penyelesaian numerik dinamika fluida. Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah pendekatan ketiga dalam studi dan pengembangan bidang dinamika fluida selain pendekatan teori dan eksperimen murni. Adapun beberapa keuntungan yang diperoleh dengan menggunakan CFD antara lain :

Meminimumkan waktu dan biaya dalam mendesain suatu produk, bila proses desain tersebut dilakukan dengan uji eksperimen dengan akurasi tinggi.

Memiliki kemampuan system studi yang dapat mengendalikan percobaan yang sulit atau tidak mungkin dilakukan melalui eksperimen.

Memiliki kemampuan untuk studi dibawah kondisi berbahaya pada saat atau sesudah melewati titik kritis (termasuk studi keselamatan dan scenario kecelakaan).

Keakuratannya akan selalu dikontrol dalam proses desain. Aplikasi dari CFD untuk penyelesaian masalah aliran pada kapal telah mengalami kemajuan cukup pesat pada akhir – akhir ini.

25

Bahkan pada saat ini teknik CFD merupakan bagian dari proses desain dalam diagram spiral perencanaan. Dengan CFD memungkinkan untuk memprediksi fenomena aliran fluida yang jauh lebih kompleks dengan berbagai tingkat akurasi. Dalam desain kerjanya, problem yang ada perlu dideskripsikan kedalam software CFD dengan menggambarkan model yang akan dianalisa, sifat – sifat fluida yang ada disekitar model dan juga penentuan kondisi batasnya. Selanjutnya dalam solver problem yang ada akan dihitung dengan pendekatan persamaan Navier Strokes. Dari hasil perhitungan kemudian didapatkan hasil output dari running program CFD. Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan analisa sistem yang mencakup aliran fluida, perpindahan panas, dan fenomena yang terkait. Seperti reaksi kimia dengan menggunakan simulasi berbasis komputer (numeric). Teknik ini sangat berguna dan dapat diaplikasikan pada bidang industri dan non-industri. Code CFD terstruktur atas logaritma numeric, sehingga dapat digunakan untuk menyelesaikan problem pada suatu aliran fluida. Code Computational Fluid Dynamics disini terdiri atas tiga element utama yakni :

a. Pre Processor (CFX Build) b. Solver Manager c. Post Processor (Visualise)

Pre Processor Solver Manager Post Processor

Gambar 2.8 Tahapan dalam analisa CFX 2.8.3 Pre Processor (CFX Build)

26

Pada tahap awal pemrograman ini terdiri dari input masalah aliran untuk CFD melalui interface kemudian mengubahnya menjadi bentuk yang sesuai dengan format yang dikehendaki oleh bagian solver. Pada tahap ini perlu dilakukan input permasalahan sesuai dengan aturan pada software meliputi :

a. Membentuk geometri benda dan daerah sekeliling benda sebagai domain komputasi

b. Membentuk Grid Generation atau membagi domain yang telah ditentukan menjadi bagian yang lebih kecil (sub-domain)

c. Penentuan fenomena fisika dan kimia dari model d. Penentuan sifat-sifat fluida,seperti pendefinisian harga

densitas, viskositas, temperatur fluida dan lain-lain e. Penentuan kondisi batas model geometri, lokasi

pembuatan kondisi batas harus ditentukan baik pada daerah disekeliling benda maupun pada aliran yang diperhitungkan

f. Penentuan besar kecilnya atau kekasaran Grid (Mesh) Analisa masalah aliran yang berupa kecepatan, tekanan atau temperatur didefinisikan sebagai suatu daerah yang berupa simpul-simpul tiap cell. Jumlah cell dalam grid (mesh) menentukan akurasi penyelesaian CFD. Pada umumnya semakin banyak cell semakin akurasi penyelesaianya. Daerah yang memiliki perubahan bentuk yang sangat tajam,biasanya proses meshing dilakukan dengan sangat halus, sedang untuk daerah yang lain dilakukan agak kasar. 2.8.4 Solver (Penyelesaian Perhitungan)

Solver dapat dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu finite difference, finite element dan finite volume. Secara umum metode numerik solver tersebut terdiri dari langkah-langkah sebagai berikut :

a. Perkiraan variabel yang tidak diketahui dengan menggunakan fungsi sederhana

27

b. Diskretisasi dengan substitusi perkiraan-perkiraan tersebut dengan persamaan persamaan aliran yang berlaku dan berbagai manipulasi matematika

c. Penyelesaian dari persamaan aljabar Metode finite volume adalah pengembngan khusus dari formulasi finite difference. Finite volume digunakan pada berbagai code CFD komersil seperti : PHOENICS, CFX, FLUENT, NUMECA, FLOW3D dan STARCD. Boundary Condition Inlet adalah input aliran fluida path kondisi normal tanpa adanya fenomena yang terjadi.

Massa dan Momentum Momentum yang terjadi pada aliran fluida yang dipengaruhi oleh massa dan kecepaan dengan vector kecepatan U, V dan W. arah yang diambil dalam perlakuan terhadap boundary adalah arah normal terhadap domain. Komponen kecepatan aliran (Cartisien Velocity Vector) adalah dengan resultant: U inlet = U spec

j + V speci + W spec

k Tekanan Total

tekanan Total, Ptot, untuk fluida didefinisikan sebagai Ptot = P stat

KecepatanLaju Aliran Massa Batas laju aliran massa, ditentukan sepanjang arah komponen, dimana influx massa dihitung menggunakan rumus : ρU = m/∫

s dA

Boundary Condition Outlet Kecepatan outlet

Komponen kecepatan outlet boundary adalah komponen cartisian velocity U outlet = U spec

i + V specj + W spec

k Tekanan outlet fluida

Tekanan outlet fluida adalah tekanan static inlet ditambah perubahan tekanan yang terjadi

28

P tot

= P stat + 1/2 ρU2 Boundary Condition Wall

Tekanan Statis rata-rata Walk Relativ Static Presure adalah

Pav = PdA A ∫ PdA Mass Flow Rate Out

Distribusi massa di daerah wall ditentukan oleh aliran berat massa

Heat Transfer Perpindahan panas di tentukan adiabatic pada Wall boundary kapal karena pengaruh energi panas yang begitu kecil terhadap nilai lift sehingga.

Q wall

= 0

2.8.5 Post Processor Step ini akan ditampilkan hasil perhitungan yang telah

dilakukan pada tahap sebelumya, hasil perhitungan dapat dilihat berupa data numerik dan data visualise aliran fluida pada model. Data numeric yang diambil adalah data nilai variable sifat fluida, data sifat fluida yang dapat di ambil adalah sebagai berikut:

a) Density b) Density Viscosity c) Eddy Viscosity d) Heat Transfer Coeffitient e) Mach Number f) Pressure g) Pressure Gradient h) Shear Strain rate i) Specific Capacity Heat Transfer Rate j) Static Entalpy k) Temperature l) Termal Conductivity m) Total Entalpy n) Total Temperatur o) Total Pressure

29

p) Turbulence Kinetic energy q) Velocity r) Wall Heat flux s) Wall Shear t) Yplus u) Coordinate

Data numeric yang dapat di tampilkan oleh post processor adalah sebagai berikut:

• Data export • Quantitativ Calculation

Dan data visualisasi model yang bisa ditampilkan oleh post processor adalah sebagai berikut:

• Gambar geometri model • Gambar surface sifat fluida • Animasi aliran fluida • Tampilan vector kecepatan • Gerakan rotasi, translasi dan penyekalaan • Arah aliran fluida • Hardcopy output

Dalam proses set-up dan running simulasi CFD ada tahapan

identifikasi dan formulasi permasalahan aliran dengan pertimbangan fenomena fisika dan kimia. Pemahaman yang cukup baik diperlukan dalam menyelesaikan algoritma penyelesaian numerik. Ada 3 konsep matematika yang digunakan dalam menentukan berhasil atau tidaknya alogaritma (AEA Technology, 1996) yaitu : 1. Konvergensi, yaitu property metode numerik untuk

menghasilkan penyelesaian eksakta sebagai grid spacing, ukuran control volume atau ukuran elemen dikurangi mendekati nol. Konvergensi biasanya sulit untuk didapatkan secara teoritis. Untuk kondisi lapangan kesamaan Lax yang menyatakan bahwa untuk permasalahan linear memerlukan konvergensi.

30

2. Konsistensi, yaitu urutan numerik untuk menghasilkan sistem persamaan aljabar yang dapat diperlihatkan sama (equivalen) dengan persamaan pengendali sebagai jarak grid mendekati nol.

3. Stabilitas, yaitu penggunaan factor kesalahan sebagai indikasi metode numerik. Jika sebuah teknik tidak stabil dalam setiap kesalahan pembuatan path data awal maka dapat menyebabkan terjadinya osilasi atau devergensi.

CFD memberikan hasil fisik yang realistik dengan akurasi yang baik path simulasi dengan grid yang berhingga. Ada tiga sifat perhitungan finite volume, yaitu conservativeness, Boundedness, dan Transportivenec.s. Ketiganya didesain menjadi bagian berhingga yang dapat menunjukkan keberhasilan simulasi CFD. Disamping itu ketiganya umumnya digunakan sebagai alternative untuk konsep matematika yang akurat. Skema numerik memiliki sifat conservativeness yang dapat mempertahankan kekekalan sifat-sifat fluida secara global untuk seluruh domain penyelesaian. Pendekatan volume hingga dapat menjamin tetap berlangsungnya kekentalan properti fluida CFD untuk tiap control volume. Proses aliran terdiri dan dua, yaitu konveksi dan difusi. Keduanya dapat dihitung pengaruh arahnya dengan bagian finite volume, yaitu transportiveness.Sedangkan boundedness dapat mempertahankan kestabilan suatu metode numeric. 2.9 Software

Software yang digunakan dalam pengerjaan tugas ini adalah : 1. Drawing Software

Drawing Software ini digunakan untuk menggambar model dari objek yang akan dianalisa. Model yang dibuat berupa gambar 3 dimensi dengan menggunakan koordinat bidang X, Y dan Z yang memiliki surface, dan bentuk filenya harus disesuaikan, sehingga dapat dieksport pada CFD untuk selanjutnya dianalisa.

2. CFD Software

31

Software ini digunakan untuk menganalisa model hovercrat hasil import dari drawing software menjadi model yang dapat dibaca pada CFD software yang sifatnya solid. Ada tiga tahap dalam CFD software, yaitu tahap Pre Processor, Solver, dan Post Processor. Pada tahap Pre Processor, model diberi inputan berupa parameter-parameter simulasi dan juga digambarkan boundary sebagai batasan model pada simulasi aliran. Variasi inputan kecepatan aliran udara yang melewati badan hovercraft dibedakan untuk setiap variasi model yaitu kecepatan 10, 20 dan 30 knot. Selanjutnya adalah melakukan proses running atau solver. Pada proses running atau solver ini tidak menutup kemungkinan terjadi error. Jika error terjadi pada geometri model, maka model harus diperbaiki kembali pada tahap penggambaran. Dan jika error yang terjadi tidak disebabkan oleh geometri model, maka perbaikan cukup dilakukan pada boundary, input parameter simulasi atau meshing-nya saja. File definition dari proses ini diterjemahkan ke dalam penyelesaian persamaan-persamaan sehingga menjadi file result. Tahap selanjutnya adalah post. Pada tahap post ini,. Output data berupa gambar visualisasi aliran dan variabel-variabel dari hasil simulasi dapat diambil pada tahap ini untuk diolah pada analisa data.

“Halaman ini Sengaja dikosongkan”