pengaruh jumlah dan posisi rudder terhadap kemampuan ... · salah satu cara untuk meningkatkan...
TRANSCRIPT
Pengaruh Jumlah dan Posisi Rudder Terhadap Kemampuan Manoeuvring
Kapal
Rapelman Saragih, Surjo Widodo Adji, Amiadji
Department of Marine Engineering, Sepuluh Nopember Institute of Technology, Surabaya
Abstract Increasing ship population has led to increased activity of ships, especially ships in the harbor. Therefore, if the
motion needed a good ship to be able to manoeuvring. One way to improve the navigation of the ship is to optimize the
rudder. Rudder is a mechanical device inside a vessel that serves to determine and set the direction of the bow or
manoeuvring of ship. Rudder is good will give a good response to the ship, so that ships can position theirself very well. This
research will simulated the effect of rudder number and position to improve the ability of ship manoeuvring , in order to
obtain a suitable rudder configuration and provides a high response. In this research the movement of fluid flow will be
simulated using CFD (Computational Fluid Dynamics) method to analyze the pressure distribution, lift force, drag force and
velocity on the rudder. So in the end can found a suitable rudder configuration.
Keywords : Manoeuvring, rudder, lift force, drag force , CFD
I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Peningkatan penggunaan transportasi laut telah
mengakibatkan pertumbuhan populasi kapal. Pertumbuhan
populasi kapal ini telah mengakibatkan meningkatnya
aktifitas kapal di pelabuhan. Salah satunya yaitu pelabuhan
Tanjung Perak yang terletak tidak jauh dari pelabuhan
Ujung – Kamal Surabaya. Pelabuhan Tanjung Perak
Surabaya merupakan pelabuhan kelas satu di Indonesia,
dimana lalu lintas kapal yang keluar masuk pelabuhan
tinggi. Pelabuhan ini adalah salah satu pelabuhan pintu
gerbang di Indonesia. Di sebelah timur dari pelabuhan
Tanjung Perak terdapat penyeberangan kapal ferry Ujung -
Kamal yang juga memiliki tingkat arus lalu lintas yang
cukup padat dan terdapatnya pangkalan Angkatan Laut
armada timur menambah arus lalu lintas di sisi timur
pelabuhan semakin padat.
Dengan kepadatan arus lalu lintas kapal ini,
maka perlu upaya untuk meningkatkan keselamatan kapal
khususnya kapal Ferry jenis Ro-Ro. Kapal Ferry jenis Ro-
Ro ini menjadi penting karena menyangkut keselamatan
banyak jiwa dan juga barang. Upaya peningkatan
keselamatan kapal ini dapat dilakukan dengan meningkatkan kemampuan olah gerak kapal agar kapal
dapat mengikuti jalur ketika memasuki ataupun ketika
keluar dari pelabuhan, sehingga terhindar dari bahaya
tubrukan. Salah satu cara untuk meningkatkan kemampuan
olah gerak kapal (manoeuverability) adalah dengan
mengoptimalkan kerja rudder.
Berbagai cara telah dilakukan untuk
meningkatkan kerja rudder salah satunya yaitu dengan
memindahkan rudder tidak segaris dengan poros propeller
dengan single screw (Nur Komeidi, 2007). Pada skripsi ini
penulis menganalisa pengaruh jumlah dan posisi rudder
untuk mendapatkan konfigurasi rudder yang tepat. Jumlah
rudder yang akan divariasikan ada dua yaitu single dan
double rudder. Sedangkan untuk posisinya khusus untuk
double rudder, yakni akan digeser dari centerline sejauh
80% hingga 120%. Hal ini bertujuan untuk mendapatkan
respon rudder yang paling optimal. Dalam penelitian ini
aliran fluida dianalisa dengan menggunakan metode CFD
(Computational Fluid Dynamics) dan software yang
digunakan adalah ANSYS CFX.
Gambar 1.1 Peta Laut Alur Pelayaran Surabaya
1.2 Perumusan Masalah Dari uraian di atas maka permasalahan yang
utama yang dibahas yaitu :
a. Bagaimana pengaruh jumlah rudder dan
peletakannya terhadap kemampuan
manoeuvring kapal?
b. Bagaimana gaya-gaya yang terjadi pada
rudder dengan konfigurasi single rudder dan
kapal dengan konfigurasi double rudder?
c. Apabila konfigurasi double rudder digunakan
maka berapa luas dari masing-masing rudder dan dimana letaknya yang menunjukkan
performance tertinggi.
1.3 Batasan Masalah Agar pengerjaan tugas akhir ini tidak terlalu
meluas maka diperlukan batasan-batasan masalah, agar
proses penulisan lebih terarah. Adapun batasan masalah
tersebut sebagai berikut :
a. Penelitian yang dilakukan menggunakan
simulasi computer yaitu menggunakan metode
CFD dan sofware yang digunakan adalah
ANSYS CFX.
b. Objek yang dikaji yaitu kapal jenis ferry Ro-Ro
dengan 571 GT.
c. Penelitian yang dilakukan mengabaikan factor
gelombang dan kecepatan angin.
d. Penelitian yang dilakukan tidak untuk
meningkatkan efisiensi propulsif kapal
melainkan untuk membandingkan antara
penggunaan single rudder dengan double rudder
dan juga peletakan untuk double rudder.
1.4 Tujuan Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini
berdasarkan uraian di atas adalah mengetahui pengaruh
jumlah dan posisi rudder terhadap kemampuan
manoeuvring kapal, sehingga diperoleh konfigurasi rudder
yang sesuai.
1.5 Manfaat Penulisan Manfaat yang akan diperoleh dari pengerjaan
skripsi ini antara lain :
a. Memberikan rekomendasi kepada pemilik
kapal tentang posisi rudder yang menunjukkan
performance tertinggi.
b. Mengetahui pengaruh peletakan rudder dengan
single rudder maupun double rudder.
c. Mengetahui pengaruh jumlah dan peletakan
rudder terhadap perubahan kecepatan dan gaya
lift yang terjadi pada rudder
II. METODOLOGI Dalam skripsi ini, analisa yang dilakukan adalah
tentang pengaruh jumlah rudder dan peletakannya terhadap
kemampuan maneouvring kapal, sehingga diperoleh
konfigurasi rudder yang cocok dan memberikan respon
yang tinggi. Dengan demikian dapat meningkatkan
performansi kapal pada saat bermaneouver. Analisa yang
dilakukan adalah pada Kapal Wicitra Dharma dengan type
Ferry Ro-Ro. Analisa yang dilakukan adalah dengan
menggunakan simulasi komputer dengan metode
Computational Fluid Dynamics (CFD) dengan sofware
CFX bukan membuat model secara nyata di lapangan.
2.1 Peralatan dan bahan a) Peralatan
Proses analisa menggunakan simulasi
dengan bantuan komputer, sehingga memerlukan
spesifikasi komputer yang memadai agar dapat
menghasilkan data yang akurat atau mendekati
kondisi riil. Berbagai spesifikasi computer yang
dapat digunakan yaitu :
- Sistem Operasi Windows 2000,
Windows XP Professional, Windows
XP 64 dan berbagai platform untuk
sistem operasi Linux yang cocok
- Procesor Intel Pentium 4 Dual Core
atau lebih tinggi
- Memori (RAM) minimal 512 MB (atau
lebih tinggi lebih baik)
- VGA minimal 512 MB (atau 1 GB)
- Layar dengan resolusi minimal 1024 x
768 pixel
b) Bahan
Bahan yang digunakan dalam analisa ini
adalah data dan spesifikasi teknis kapal Wicitra
Dharma dengan type ferry Ro-Ro, yang meliputi
principle dimension kapal. Untuk hal-hal lain
yang akan dianalisa selanjutnya adalah
berdasarkan analisa umum serta pertimbangan-
pertimbangan yang terkait dengan masalah
seperti temperatur udara tropis di Indonesia
diambil nilainya sebesar 25 oC.
2.2 Prosedur pelaksanaan a. Telaah Pustaka
Berbagai literatur yang mendukung
proses pengerjaan skripsi ini dapat diperoleh dari
berbagai sumber, misalnya Perpustakaan Pusat
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya,
Ruang Baca FTK-ITS dan Ruang Baca Jurusan
Teknik Sistem Perkapalan. Selain itu berbagai
website yang mendukung juga telah dikunjungi
untuk mendapatkan tambahan ilmu yang
dibutuhkan seperti tutorial software Maxsurf
dan CFX.
b. Pengumpulan data
Data yang digunakan yakni spesifikasi
teknis kapal Wicitra Dharma milik PT Dharma
Lautan Utama.
c. Pengolahan data untuk pemodelan
Pemodelan yang dilakukan adalah pada
bagian rudder kapal, propeller dan body buritan
kapal. Pemodelan menggunakan software-
software terkait, yakni:
- Maxsurf Professional dan Hullspeed Program maxsurf ini digunakan
untuk memodelkan bentuk lambung kapal baik
yang tercelup maupun yang berada di atas
permukaan air, sehingga diperoleh desain
kapal secara tiga dimensi. Program hullspeed
digunakan untuk menganalisa bentuk kapal
yang telah didesain oleh maxsurf, sehingga
diperoleh data-data yang berhubungan dengan
badan kapal seperti volume displacement,
coefficient prismatic, dll.
- Ansys CFX
Pada software ini akan dimodelkan
rudder dan peletakannya, kemudian dibuat
body untuk menentukan domain dari fluida.
Dalam kasus ini yang akan dianalisa yaitu
fluida air. Setelah itu langkah selanjutnya
adalah melakukan meshing terhadap objek
tersebut. Meshing dilakukan dengan tujuan
untuk memecah-mecah bagian utuh dari suatu
objek menjadi grid kecil untuk kemudian
dilakukan ‘running’ atas tujuan tertentu.
Semakin banyak grid yang digunakan maka
‘running’ yang dilakukan akan memberikan
hasil makin akurat karena apa yang terjadi
pada tiap luasan objek dapat diketahui
semakin detail. Program ini akan menganalisa
badan kapal serta propeller yang telah
dimeshing; dengan cara mengalirkan fluida
dan mengamati hasilnya.
- Program lain yang diperlukan Program lain yang membantu antara
lain: autocad (untuk membantu pada saat
menggambar propeller), microsoft excel
(untuk perhitungan), microsoft word (untuk
pembuatan laporan).
d. Validasi dan analisa hasil pemodelan
Hasil ‘running’ dari pemodelan
memberikan berbagai data baru untuk dianalisa
selanjutnya menjadi nilai-nilai yang menjadi
tujuan analisa ini. Yaitu akan didapatkan data-
data seperti kecepatan fluida, gaya lift, gaya drag
dan arah aliran fluida. Yang tidak kalah
pentingnya adalah proses visualisasi dari hasil
running tersebut untuk mengetahui distribusi
kecepatan dan tekanan pada dinding rudder yang
dianalisa.
e. Kesimpulan dan Saran
Setelah proses pengerjaan analisa data
dan pembahasan di atas, maka dapat ditarik kesimpulan dan rekomendasi bagi pengerjaan
dimasa yang akan datang. Berikut adalah
diagram alir pengerjaan skripsi ini :
Gambar 2.1 Flowchart Penulisan Skripsi
III. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
3.1 Umum Pada tahap ini akan diuraikan langkah-langkah
pembuatan model dan dilanjutkan dengan langkah
simulasi pada variasi model yang telah dibuat dengan
menggunakan bantuan perangkat lunak Computational
Fluid Dinamic (CFD). Perancangan model didasarkan pada
batasan-batasan yang telah dijelaskan pada bab awal
tulisan ini. Ada beberapa tahapan yang harus dilalui untuk
bisa mendapatkan data-data hasil simulasi yang selanjutnya
akan diolah untuk dianalisa lebih lanjut. Antara satu tahap
dengan tahap yang lain saling terkait dan tidak bisa
dipisahkan.
Kapal yang akan dijadikan objek penelitian
dalam skripsi ini adalah kapal jenis Ferry Ro-Ro KMP.
Wicitra Dharma 571 GT. Data-data kapal tersebut adalah
sebagai berikut :
LOA = 53,25 m
LWL = 49 m
LPP = 47.04 m
B = 12,60 m
H = 3,60 m
Cb = 0.67
T = 2,60 m
Vs = 10 knot = 5.14 m/s
Engine = 2 x 1000 HP
3.2 Model lambung Kapal Kapal ini dimodelkan dengan menggunakan
program maxsurf sehingga diperoleh desain kapal secara
tiga dimensi. Untuk dapat dibuka pada software ANSYS
CFX maka hasil file dari maxsurf diexport ke program
Hydrolink, dari program hydrolink ini file di save as
menjadi bentuk *igs.
Gambar 4.1 Model kapal
Gambar 3.2 Model lambung kapal
3.3 Model Rudder Dari principle dimention kapal tersebut dapat
dihitung luasan rudder yakni masing-masing single rudder
dan double rudder. Setelah diperoleh parameter
penggambaran rudder, maka dapat digambarkan pada
software ANSYS CFX. Perencanaan rudder tersebut
sebagai berikut :
• Bentuk rudder = Spade rudder
• Profil rudder = NACA 0015
• Type Kemudi = balancir
• Rasio = 1.8
Single rudder Single rudder ini menggunakan type balance dengan
NACA 0015 dengan ukuran sebagai berikut :
Luas (A) = 2.14 m2
lebar (chord) = 1.09 m
tinggi (span) = 1.962 m
Double rudder
Double rudder ini menggunakan type balance
dengan NACA 0015 dengan ukuran sebagai berikut :
Luas (A) = 1.712 m2
lebar (chord) = 0.975 m
tinggi (span) = 1.755 m
Gambar 3.3 Model rudder
3.4 Model Propeler Propeller yang digunakan untuk proses simulasi
menggunakan propeller type B-series. Diameter propeller
yang digunakan adalah sebesar 1.550 meter dengan
jumlah blade 4 buah.
Gambar 3.4 Model Propeller
Setelah pembuatan masing-masing model selesai maka
ketiga model tersebut digabungkan pada Ansys Icem CFD.
Setelah itu model akan divariasikan berdasarkan jumlah
dan jarak rudder dari centreline seperti pada tabel berikut
ini :
3.5 Variasi Posisi Rudder Posisi rudder divariasikan dengan memindahkan
jaraknya dari centerline kapal. Jarak dari centre line diberi
variable “l” dan “L”, dimana l adalah jarak rudder yang
direncanakan dari centre line dan L adalah jarak rudder
sebenarnya (original) dari centerline. Kemudian untuk
mengetahui perbedaan gaya-gaya pada rudder, maka
dilakukan variasi sudut pada masing-masing model, yaitu
150, 250 dan 350. Variasi posisi rudder ini dilakukan untuk
menganalisa pengaruh perpindahan rudder, sehingga
diperoleh trendline dari gaya lift yang bekerja pada rudder.
Selain itu juga akan diperoleh data kecepatan, dimana data
ini akan diolah untuk mendapatkan waktu manoeuvring.
Untuk mendapatkan jarak yang direncanakan dari variasi
posisi rudder maka digunakan persamaan berikut :
Gambar 3.5 Variasi posisi rudder
Sedangkan untuk yang single rudder posisinya
berada tepat di centerline. Untuk lebih jelasnya variasi
rudder ini dapat dilihat pada table berikut :
Tabel 3.1 Variasi Posisi Rudder
No Variasi Jarak rudder
dari centreline Variasi sudut (0)
1
1.88 m (80 %)
15
25
35
2
2.115 m (90%)
15
25
35
3
2.35 m (100%)
15
25
35
4
2.585 m (110%)
15
25
35
5
2.82 m (120 %)
15
25
35
6
Single rudder
15
25
35
3.6 Simulasi Model Setelah masing-masing variasi model selesai
dimeshing maka langkah selanjutnya yaitu disimulasikan
dengan tahap – tahap sebagai berikut :
� Domain
Domain merupakan daerah batas atau ruang
lingkup fluida dimana fluida tersebut berada dan bekerja.
Pada simulasi ini akan dibuat dua domain yaitu domain
rotating dan domain stationer dimana fluida yang bekerja
pada kedua domain tersebut adalah air. Pada domain
rotating, fluida kerja yang melewati suatu model akan
berputar pada putaran tertentu. Dimana model yang
termasuk ke dalam domain rotating ini yaitu propeller.
Pada simulasi ini direncanakan pada putaran propeller
sebesar 400 Rpm. Sedangkan pada domain stationer, area
yang meliputi ke dalam domain ini yaitu rudder. Aliran
fluida yang bekerja pada saat melewati domain ini
bergerak translasi.
Untuk menghubungkan sebuah domain dengan
domain lainnya diperlukan domain interface. Pada
simulasi ini digunakan domain interface untuk
menghubungkan domain diam dan berputar. Parameter-
parameter yang digunakan :
Tipe interface : fluid-fluid Model interface : General connection
Frame change : Frozen rotor
� Boundary
Boundary merupakan batasan atau area dimana
fluida dan benda yang akan dianalisa berada. Bentuk
boundary biasanya bervariasi tergantung objek yang
dianalisa. Dalam hal ini boundary yang digunakan
berbentuk persegi. Boundary dibuat untuk mengetahui
karakteristik benda dan fluida agar mendekati dengan
kondisi yang sebenarnya.
Kondisi batas yang dibentuk diantaranya berupa
inlet yaitu sebagai saluran masuknya fluida, outlet sebagai
saluran keluarnya fluida dan wall (dinding pembatas) yang
digunakan sebagai boundary pada model (propeller dan
rudder) serta silinder pembatas aliran fluida.
Gambar 3.6 Boundary condition untuk simulasi
Keterangan : 1. Outlet
2. Wall
3. Hull
4. Rudder
5. Inlet besar untuk domain stasioner
6. Inlet kecil untuk domain rotating
7. Propeler
Pada simulasi ini digunakan dua inlet untuk dua
jenis domain yang telah dibuat sebelumnya, yang pertama
yaitu inlet untuk domain stationer dengan parameter input
berupa Va (kecepatan advance) yaitu 3.485 m/s.
Sedangkan untuk inlet kedua adalah bagian domain
rotating, input parameter yang digunakan adalah massflow
rate dengan ketentuan berikut.
Q = VA. A (4)
= VA. ¼ π D2 m3/s
= VA. ¼ π D2.ρ air laut
VA(advance velocity) merupakan kecepatan fluida dibagian
buritan kapal.
VA = Vs(1-w)
Dimana, w = wave fraction untuk twin screw, yang dapat dicari dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :
dimana :
a = Jarak antara 2 poros [m] = 4.7 m
B = Lebar Kapal [m] = 12.6 m
Cp = koefisien prismatik
= Cbpp / Cm
Cm = koefisien midship
= Am / ( Bm x T )
Am = luasan midship
= (B x T) – 2(R2-{1/4 x π x R2})
R = jari – jari bilga
= 0,16 x T
= 0,16 x 2.6
= 0.416 m
Jadi,
Am = (12.60 x 2.60)–2(0.4162 – {1/4 x 3.14 x 0.4162})
= 32.76 - 0.0745
= 32.685 m2 Cm = 32.685 / (12.60 x 2.60)
= 0.997
Cp = 0,75 / 0,997
= 0,752
w = 0,7 x 0.752 - 0.3 + 0.3 (0.4 – 4.7/12.6)
= 0.7 x 0.452 + 0.008
= 0.322
VA = Vs.(1 - w)
= 5.14 x (1- 0.322)
= 3.485 m/s
Sedangkan ”A” adalah luasan area inlet domain
rotating sebagai tempat propeller. Dengan harga A sebesar
2.27 m2 dan ρ air laut sebesar 1025,9 kg/m3, diperoleh nilai Q
sebesar 7.906 kg/s
� Outlet
Outlet merupakan bagian dari domain stationer
dengan parameter yang dipakai adalah tekanan statis rata-rata
sebesar 1 atm yang bersifat relative terhadap tekanan fluida
pada domain.
� Wall
Wall merupakan dinding pembatas fluida kerja yang
dikondisikan pada model percobaan. Dalam simulasi ini
digunakan bentuk kotak untuk meletakkan model lambung
kapal dan rudder ditetapkan sebagai wall dengan parameter
opening, dimana aliran fluida yang bekerja pada percobaan
dianggap tidak akan memantul kembali ke dalam kotak jika
mengenai kotak pembatas tersebut. Sedangkan model
propeller dan rudder yang digunakan juga bertipe wall tetapi
dengan parameter no slip yang artinya terdapat gesekan pada kedua model tersebut apabila dilewati fluida kerja.
� Solver
Program solver CFD ini bertujuan untuk
melakukan proses pengolahan data dengan perhitungan
numerik komputer dari semua parameter-parameter yang
telah ditentukan pada domain dan boundary condition di
atas. Pada tahap ini, parameter yang digunakan adalah :
Maximum iteration = 25
Timescale control = Automatic time scale
Convergence criteria (residual target) = 1 x 10-4
Iterasi di atas digunakan untuk memperoleh
konvergensi, yaitu kesesuaian (matching) antara input
simulasi (boundary condition dan parameter lain) atau tebakan yang diberikan dengan hasil perhitungan yang
diperoleh (kriteria output). Semakin kecil selisih
konvergensi maka hasil yang diperoleh semakin akurat.
� Post
Tahap post ini bertujuan untuk menampilkan
hasil pengolahan data yang telah dilakukan pada proses
solver. Hasil yang diperolah dapat berupa data numerik
maupun data visual. Data yang diperoleh akan digunakan
sesuai dengan tujuan dari percobaan yang dilakukan dan
sebagai validasi. Untuk proses validasi, data yang
digunakan adalah Gaya lift yang diambil dari function
calculator pada tahap post.
Berikut ini adalah contoh data visual yang diambil
dari tahap post berdasarkan proses simulasi.
Gambar 3.7 Kontur kecepatan fluida dan streamline
aliran fluida
Gambar 3.8 Kontur tekanan yang terjadi pada rudder
3.7 Data yang diperoleh dari proses simulasi Pada tahap analisa ini, data yang diperoleh dari
proses simulasi diambil untuk menentukan proses
selanjutnya yaitu perhitungan waktu untuk manoeuvring
kapal. Dimana data yang diperoleh dari proses simulasi
yaitu gaya lift, gaya drag, dan kecepatan. Data tersebut
diperoleh pada simulasi CFD diambil pada proses post
dengan menggunakan function calculator seperti berikut
ini :
Gambar 3.9 Harga gaya lift pada rudder
Adapun data-data yang diperoleh dari proses
simulasi pada seluruh model yakni sebagai berikut :
Tabel 3.2 Data dari proses simulasi
No Jarak Rudder
(m)
Sudut rudder
(α)0
Gaya lift (N) Gaya Drag (N)
Portside Starboard Portside Starboard
1 1.88 (80%)
15 257185 -346104 29618 -105108
25 198638 -352207 40059.4 -169601
35 130568 -340322 23961.4 -237729
2 2.115 (90%)
15 259557 -413163 16782.8 -124701
25 164976 -426750 6306.36 -204751
35 86474.4 -398044 -25359.8 -276355
3 2.35 (100%)
15 184043 -407867 -23450.4 -142530
25 69960.7 -460848 -56272.7 -232043
35 -44319.5 -443663 -128826 -313404
4 2.585 (110%)
15 178383 -362532 32977.9 -85398.8
25 -191964 -383273 -181351 -219269
35 -267816 -409684 -268426 -312223
5 2.82 (120%)
15 -367427 -42852.2 -175573 -98466.9
25 -449076 -173677 -264098 -170776
35 -484768 -245744 -369435 -233765
6 Single rudder
15 -20714.9 -19609.6
25 -19520 -21172
35 -39823.9 -39922.9
Harga (-) menunjukkan arah gaya lift ke sumbu z negatif dan harga (-) pada gaya drag menunjukkan arahnya ke sumbu x
negatif.
3.8 Pembahasan Dari data tersebut diperoleh total gaya lift dan
gaya drag dengan menggunakan rumus penjumlahan
vector. Setelah diperoleh total gaya lift dan gaya drag,
maka kecepatan fluida pada rudder dapat dicari yaitu
dengan menggunakan rumus gaya lift sebagai berikut :
L = 0,5 x CL x ρ x V2 x A
dimana :
L = gaya lift dari proses simulasi
CL = coefficient of lift
= 2 x π x (α/180°)
α = angle of attack (sudut belokan
kemudi) yaitu (150, 250, dan 350)
ρ = massa jenis fluida
= 1025,9 kg/m3
V = kecepatan fluida
A = luasan foil (rudder) keseluruhan.
Untuk luasan rudder secara keseluruhan, agar lebih valid
nilainya diambil dari proses post pada tahap simulasi
dengan menggunakan function calculator. Setelah
diperoleh nilai kecepatan fluida, maka akan dapat dicari
waktu manoeuvringnya dengan menggunakan rumus :
V = S / t (5)
dimana :
V = kecepatan (m/s)
S = Jarak (m)
t = Waktu tempuh (s)
Jarak dalam hal ini yaitu tactical diameter kapal yang
merupakan keliling lingkaran. Sehingga dapat dicari
dengan menggunakan rumus :
S = 2Πr = ΠD (6)
Sedangkan tactical diameter untuk kapal
penumpang menurut buku (Introduction To Naval
Architecture hal 257 ) dirumuskan dengan :
TD/L = 4.5 (7)
dimana :
TD = D = Tactical diameter (m)
L = Panjang kapal (m)
Dari rumus tactical diameter tersebut akan diperoleh nilai
TD, sehingga nilai jarak (S) akan dapat dihitung yaitu
dengan menggunakan rumus 6 di atas.
Untuk memperoleh nilai kecepatan konstan pada
saat turning dapat dicari dengan menggunakan rumus :
(8)
Dimana :
Vg = kecepatan konstan pada saat berbelok (m/s)
V = kecepatan kapal sebelum berbelok (m/s)
A = luasan rudder (ft2)
S = luasan dari centerline plane (ft2)
α = sudut rudder
Ks = koefisien yang divariasikan dari V/SL, seperti
pada tabel 4.5
V = volume displacement (ft3)
L = LWL kapal (ft)
1 ft = 0.3048 m
Table 3.3 Nilai Ks
V/SL Ks V/SL Ks
0,04 4,25 0,10 2,27
0,05 3,77 0,11 2,13
0,06 3,33 0,12 2,02
0,07 2,97 0,13 1,94
0,08 2,68 0,14 1,88
0,09 2,45 0,15 1,83
3.9 Perhitungan Seperti dijelaskan sebelumnya yakni jarak
manoeuvring yang merupakan keliling lingkaran dapat
dicari sebagai berikut :
TD/L = 4.5
TD = 4.5 x L
TD = 4.5 x 47.04
TD = 211.68 m
setelah diperoleh diameternya maka jarak (S) dapat dicari
dengan menggunakan rumus (6) di atas yaitu :
S = 2Πr = ΠD
S = 3.14 x 211.68 m
S = 664.675 m
Selanjutnya yaitu menghitung kecepatan konstan
kapal saat bermanoeuver, tapi sebelumnya akan dihitung
terlebih dahulu parameter berikut ini :
Ldisp = ½ (Lpp + Lwl)
= 48.02 m
Volume displacement (V) = L x B x T x Cb
= 48.02 x 12.6 x 2.6 x 0.67
= 1054 m3
= 3458 ft3
Luasan centerline plane (S) = L x T
= 49 m x 2.6 m
= 127.4 m2
= 417.97 ft2
V/SL = 3458 ft3 / (417.97 ft2 x 160.76 ft)
= 0.05
Sehingga dapat diperoleh nilai Ks dari table 4.5 di atas
yaitu untuk V/SL = 0.05 maka nilai Ks = 3.77.
Setelah semua parameter tersebut diperoleh, maka langkah selanjutnya yaitu perhitungan kecepatan
konstan kapal saat bermanoeuvring dan waktu
manoeuvring kapal. Untuk perhitungan kecepatan konstan
kapal saat bermanoeuvring dapat menggunakan rumus (8)
di atas. Dan untuk memperoleh waktu manoeuvringnya
dapat menggunakan rumus (5) di atas. Hasil dari
perhitungan ini dapat dilihat pada tabel berikut ini :
Tabel 3.4 Perhitungan
Gaya Lift Gaya
Drag
Luasan
Rudder
Coefisien
Gaya Lift Gaya Lift
Va
(m/s) w 1-w
Vs Koefisien
Ks
Luas
Centreline
Plane S
(m2)
Vg / Vs =
Kecepata
n Saat
Turning
Tactical
Diameter Waktu
Tempuh
t (s) L (N) D (N) A (m2) CL
0.5 x C L x ρ
x V^2 x A Va/(1-w)
(1-(α*A/Ks
*S)) Vg (m/s) S (m)
88919 75490 7.39 0.52 88919 6.70 0.322 0.678 9.88 3.77 127.4 0.77 7.60 664.675 87.47
153569 129542 7.39 0.87 153569 6.82 0.322 0.678 10.06 3.77 127.4 0.62 6.19 664.675 107.41
209754 213768 7.39 1.22 209754 6.73 0.322 0.678 9.93 3.77 127.4 0.46 4.58 664.675 145.00
153606 107918 7.39 0.52 153606 8.80 0.322 0.678 12.98 3.77 127.4 0.77 9.99 664.675 66.55
261774 198445 7.39 0.87 261774 8.90 0.322 0.678 13.13 3.77 127.4 0.62 8.08 664.675 82.27
311570 301715 7.39 1.22 311570 8.21 0.322 0.678 12.11 3.77 127.4 0.46 5.59 664.675 118.97
223824 165980 7.39 0.52 223824 10.63 0.322 0.678 15.67 3.77 127.4 0.77 12.06 664.675 55.13
390887 288316 7.39 0.87 390887 10.88 0.322 0.678 16.04 3.77 127.4 0.62 9.87 664.675 67.33
487983 442230 7.39 1.22 487983 10.27 0.322 0.678 15.15 3.77 127.4 0.46 6.99 664.675 95.07
184149 52421 7.39 0.52 184149 9.64 0.322 0.678 14.22 3.77 127.4 0.77 10.94 664.675 60.78
575237 400620 7.39 0.87 575237 13.20 0.322 0.678 19.46 3.77 127.4 0.62 11.98 664.675 55.50
677500 580649 7.39 1.22 677500 12.10 0.322 0.678 17.85 3.77 127.4 0.46 8.24 664.675 80.68
410279 274040 7.39 0.52 410279 14.39 0.322 0.678 21.22 3.77 127.4 0.77 16.32 664.675 40.72
622753 434874 7.39 0.87 622753 13.73 0.322 0.678 20.25 3.77 127.4 0.62 12.46 664.675 53.34
730512 603200 7.39 1.22 730512 12.57 0.322 0.678 18.54 3.77 127.4 0.46 8.55 664.675 77.70
20715 19610 4.59 0.52 20715 4.10 0.322 0.678 6.05 3.77 127.4 0.86 5.18 665.675 128.44
19520 21172 4.59 0.87 19520 3.08 0.322 0.678 4.55 3.77 127.4 0.76 3.46 666.675 192.55
39824 39923 4.59 1.22 39824 3.72 0.322 0.678 5.49 3.77 127.4 0.67 3.65 667.675 182.68
3.10 Analisa Grafik Data- data yang ditabulasikan dalam bentuk tabel
pada subbab sebelumnya, kemudian akan di plot ke dalam
bentuk grafik untuk mengetahui karakteristik dari masing –
masing model variasi yang telah dibuat.
3.10.1 Hubungan antara kecepatan, sudut
rudder terhadap jarak rudder dari centerline
Gambar 3.8 – Grafik keseluruhan hubungan kecepatan
dengan sudut rudder
Dari grafik tersebut di atas dapat kita amati
karakteristik kecepatan fluida terhadap sudut rudder, jika
rudder dipindahkan posisinya dari centerline kapal sejauh
l/L . Dimana hubungan kecepatan dan sudut rudder adalah
berbanding terbalik. Semakin besar sudut rudder, maka
kecepatan kapal akan berkurang. Hal ini diakibatkan
tahanan pada rudder meningkat seiring dengan
meningkatnya sudut serangan pada rudder (angle of
attack), sehingga kapal akan berbelok ke kanan apabila
rudder dieksekusi ke bagian starboard kapal. Akibat
eksekusi rudder pada sudut tertentu, maka akan muncul
gaya - gaya yang bekerja pada rudder, yaitu berupa gaya
lift yang tegak lurus dengan arah aliran dan gaya drag yang
searah dengan aliran. Gaya-gaya yang bekerja pada rudder
tersebut akan mengakibatkan kapal berbelok.
Dari grafik tersebut di atas, maka dapat dianalisis
bahwa semakin jauh jarak rudder dari centerline maka
kecepatan kapal saat berbelok akan meningkat. Seperti
pada grafik di atas dimana pada rasio l/L= 120% (2.82 m)
merupakan jarak terbaik. Sedangkan rasio l/L = 100%
(2.35 m) yang merupakan jarak original masih berada di
bawah rasio l/L= 120%. Namun jika dilihat dari jumlah
ruddernya, double rudder jauh lebih baik dibandingkan
dengan single rudder. Hal ini dapat diamati pada grafik.
Dimana untuk single rudder, kecepatan kapal pada saat
berbelok jauh lebih rendah dibandingkan dengan double
rudder. Hal ini dikarenakan semakin dekat jarak rudder ke
centerline maka terjadi penurunan gaya dorong dari
propeller.
Gambar 3.9 - Grafik hubungan kecepatan dengan sudut
rudder pada jarak 1.88 m dari centerline (80%).
Gambar 3.10 - Grafik hubungan kecepatan dengan sudut
rudder pada jarak 2.115 m dari centerline (90%)
Gambar 3.11 - Grafik hubungan kecepatan dengan sudut
rudder pada jarak 2.35 m dari centerline (100%)
Gambar 3.12 - Grafik hubungan kecepatan dengan sudut
rudder pada jarak 2.585 m dari centerline (110%)
Gambar 3.13 - Grafik hubungan kecepatan dengan sudut
rudder pada jarak 2.82 m dari centerline (120%)
Gambar 3.14 - Grafik hubungan kecepatan dengan sudut
rudder pada single rudder
3.10.2 Hubungan antara kecepatan dan waktu
terhadap jarak rudder dari centerline
Gambar 3.15 – Grafik keseluruhan hubungan kecepatan
dengan waktu tempuh
Pada grafik di atas, dapat dianalisa bahwa
semakin meningkat kecepatan kapal saat berbelok, maka
waktu yang dibutuhkan akan semakin kecil. Peningkatan
kecepatan ini seiring dengan meningkatnya jarak rudder
dari centerline. Rasio l/L =120% (2.82 m) merupakan jarak
terjauh dari centerline dan memiliki kecepatan tertinggi
dari yang lainnya. Jadi dapat disimpulkan bahwa semakin
jauh jarak rudder dari centerline kapal akan semakin baik.
Dan sebaliknya semakin dekat jarak rudder ke centerline
maka kecepatan kapal saat berbelok akan semakin kecil.
Hal ini diakibatkan gaya dorong dari propeller akan
semakin kecil yang mengenai rudder. Seperti halnya pada
single rudder yaitu kecepatan untuk single rudder jauh
lebih kecil dibandingkan double rudder. Sehingga
membutuhkan waktu lebih untuk melakukan satu putaran
dibandingkan double rudder. Seperti dijelaskan
sebelumnya, hal ini disebabkan gaya dorong dari propeller
yang masuk ke rudder semakin kecil karena terlalu jauh
dari propeller.
Gambar 3.16 – Grafik hubungan kecepatan dengan
waktu pada jarak 1.88 m dari centerline (80%).
Gambar 3.17 - Grafik hubungan kecepatan dengan
waktu pada jarak 2.115 m dari centerline (90%).
Gambar 3.18 - Grafik hubungan kecepatan dengan
waktu pada jarak 2.35 m dari centerline (100%).
Gambar 3.19 - Grafik hubungan kecepatan dengan
waktu pada jarak 2.585 m dari centerline (110%).
Gambar 3.20 - Grafik hubungan kecepatan dengan
waktu pada jarak 2.82 m dari centerline (120%).
Gambar 3.21 - Grafik hubungan kecepatan dengan
waktu pada single rudder
3.10.3 Hubungan antara gaya lift, gaya drag
dan sudut rudder terhadap jarak rudder dari
centerline
Gambar 3.22 - Grafik hubungan gaya lift dan sudut
rudder terhadap jarak rudder dari centreline
Dengan adanya kemudi yang membentuk sudut
serangan α pada kecepatan konstan V timbullah gaya daun
kemudi P yang tidak simetri. Gaya inilah yang
menyebabkan perubahan arah gerak kapal. Gaya P ini
dapat diuraikan dalam sebuah gaya lift L yang tegak lurus
terhadap aliran dan gaya drag D yang searah aliran.
Resultan kedua gaya tersebut menghasilkan gaya P yang
dapat diuraikan menjadi dua komponen, yaitu komponen
Px pada centerline kapal, berarah ke belakang yang disebut
“drag” dan komponen Py tegak lurus Px berarah ke
samping disebut “lift”.
Gaya lift atau gaya angkat merupakan gaya yang
tegak lurus terhadap arah aliran fluida. Menurut Prinsip
Bernoulli menyatakan bahwa semakin tinggi kecepatan
fluida maka tekanannya akan mengecil. Dengan demikian
akan terjadi perbedaan tekanan antara fluida bagian bawah
dan atas rudder, hal inilah yang menciptakan gaya angkat
L. Jika kita amati pada grafik di atas, gaya lift terbesar
berada pada jarak rudder terjauh dari centerline yaitu pada
rasio l/L = 120% (2.82 m) dan gaya lift terkecil yaitu pada
single rudder. Seiring dengan peningkatan sudut rudder
maka gaya lift pada rudder juga akan meningkat.
Gambar 3.23 - Grafik hubungan gaya drag dan sudut
rudder terhadap jarak rudder dari centreline
Drag adalah gaya ke belakang atau searah
dengan aliran fluida. Pada grafik tersebut dapat kita amati
bahwa gaya drag akan meningkat seiring dengan
meningkatnya sudut pada rudder. Gaya drag tertinggi
berada pada rasio l/L = 120% (2.82 m) dan gaya drag
terendah pada single rudder. Sehingga dapat disimpulkan
bahwa semakin jauh jarak rudder dari centreline kapal
maka gaya dragnya akan semakin tinggi dan sebaliknya
semakin dekat jarak rudder ke centerline maka gaya
dragnya akan semakin rendah. Dari grafik di atas dapat kita
amati bahwa, gaya lift lebih besar dibandingkan gaya drag.
4.1 Kesimpulan Setelah melakukan semua simulasi model yang
direncanakan, dan berdasarkan hasil analisa serta
pembahasan maka dapat ditarik beberapa kesimpulan
sebagai berikut :
1. Semakin jauh jarak rudder dari centerline kapal,
maka waktu yang dibutuhkan untuk berbelok
akan semakin kecil dan sebaliknya semakin
dekat jarak rudder ke centerline maka waktu
yang dibutuhkan semakin besar.
2. Double rudder lebih baik digunakan
dibandingkan single rudder, karena double
rudder menghasilkan waktu paling kecil jika
dibandingkan single rudder.
3. Posisi rudder paling optimal berada pada rasio
l/L =120% atau 2.82 m dari centerline kapal,
karena menghasilkan waktu berbelok paling
kecil.
4. Gaya lift dan gaya drag terbesar berada pada
rasio l/L =120% atu 2.82 m dari centerline dan
gaya lift terkecil berada pada single rudder.
5. Kecepatan aliran fluida yang melewati rudder
juga dipengaruhi oleh variasi peletakan yang
dilakukan, dimana semakin jauh jaraknya dari
centerline maka kecepatan fluida akan semakin
besar dan sebaliknya.
4.2 Saran Ada beberapa hal yang dirasa perlu
dikembangkan untuk penelitian selanjutnya. Untuk itu
saran-saran yang diberikan oleh penulis untuk penelitian
selanjutnya adalah sebagai berikut:
1. Memperbanyak jumlah iterasi baik pada proses
penggambaran model (meshing) dan proses
simulasi agar hasil yang didapatkan lebih
maksimal.
2. Menambah variasi peletakan rudder yaitu dengan
memvariasikan jarak rudder dari propeller untuk
analisis yang lebih dalam dan pengaruhnya
terhadap gaya lift serta waktu manoeuvring
yang dihasilkan.
3. Selain itu perlu juga disiapkan juga pengetahuan
yang cukup tentang metode CFD terutama yang
berbasis Free Surface agar waktu pengerjaan
lebih optimal.
DAFTAR PUSTAKA
_.2000. ”Spesifikasi Teknis Kapal Wicitra Dharma”.
PT.Dharma Lautan Utama
Adji, Suryo W. 2005.”Engine Propeller Matching”.
Diktat Mata Kuliah Propulsi. JTSP-FTK-ITS
BKI section 14 - Rudder and Manoeuvring
Arrangement.
Modul Tutorial ANSYS-CFX Studi Kasus Foil,
Laboratorium Perancangan dan Rekayasa
Jurusan Teknik System Perkapalan, Surabaya.
Rossell, Henry E. dan Chapman, Lawrence B.1962.
“Principles of Naval Architecture” The
society of Naval Architects and Marine
Engineers 74 trinity place, New York 6,N.Y.
Rawson K.J. 2001. “Basic Ship Theory”.
Butterworth – Heinemann
Tupper, Eric C. “Introduction to naval
Architecture”. Butterworth – Heinemann
Verlag, Seehafen. 1993. “Manoeuvring Technical
Manual”.