kajian aspek hidro-aerodinamika dan gerakan fase...

Sidang Terbuka Promosi Doktor

KAJIAN ASPEK HIDRO-AERODINAMIKA DAN GERAKAN FASE PRA TAKE OFF

PADA KAPAL BERSAYAP

Oleh : Iskendar NRP. 4106.301.801

Program S3 Studi Teknologi Kelautan

Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya

Auditorium Program Pascasarjana, Kampus ITS, Sukolilo, Surabaya, Kamis -15 September 2011.

Isi Paparan

1. Pendahuluan : Latar Belakang Permasalahan dan Tujuan serta Kegunaan Hasil Penelitian.

2. Gerak Kapal Bersayap : Sticking dan Ketidakstabilan Gerak Porpoising.

3. Metode Penelitian : Teknik Pemodelan Fisik Eksperimental dan Pemodelan Numerik Pemanfaatan Persamaan Collu dan Kajian Pengembangan Pendekatan Savitsky 1964.

4. Analisis dan Pembahasan Pemodelan Fisik : Eksperimen Gerak Kapal bersayap fase Pra Take OFF.

5. Analisis dan Pembahasan Pemodelan Numerik Gerak Kapal bersayap fase Pra Take OFF dengan persamaan Collu ditambah dengan komputasional tekanan aliran dinamik .

6. Kesimpulan dan Saran.

3

Kapal Bersayap Teknologi Wing in Surface Effect

Uji model kapal bersayap WiSE rancangan BPPT

Teknologi Wing in Surface Effect : pemanfaatan efek pemampatan udara permukaan yang terjadi pada obyek benda yang terbang rendah. Efek pengaruh ini dipertahankan dengan memilih kecepatan yang tepat

dan rekayasa bentuk benda yang sedemikian aerodinamis sehingga benda tersebut dapat tetap melayang di atas permukaan air karena pengaruh gaya efek permukaan air.

Udara termampatkan

1.1 Latar Belakang

1. Pendahuluan

Pengembangan Kapal Bersayap WiGE/WiSE di Berbagai negara di Dunia

....... Latar Belakang

Efisiensi Operasional Kapal Bersayap WiGE/WiSE

(Ref: Halloran dan Meara , 1999)

Rasio daya angkat dan daya dorong (L/D) untuk mencapai kecepatan tertentu kapal bersayap WiSE lebih baik dari hidrofoil dan hovercraft

......... Latar Belakang Permasalahan Rancang Bangun Yang Dihadapi

Beberapa aspek pengembangan yang diperlukan : perancangan badan kapal (hull design), Power Augmented Ram (PAR), dan komponen badan kapal yang menghasilkan lift tinggi (Halloran dan Meara , 1999).

Pada kondisi gerak planing, sering dihadapi masalah ketidakstabilan gerak berupa “porpoising”, di samping itu pada tahap gerak planing untuk take off sering dihadapi masalah lain “sticking “ (Husa, 2000, Iskendar dkk. 2006, 2010).

Untuk menghindarinya, salah satu upaya yang perlu dilakukan adalah dipasang step dengan peletakan yang tepat, di samping memperhatikan faktor lain seperti konfigurasi sayap terhadap badan kapal dan kecepatan gerak kapal maupun gaya-gaya yang timbul lainnya pada kapal bersayap tersebut.

porpoising

sticking

STEP

Posisi letak step ini dinilai menjadi salah satu faktor yang mampu memberikan pengaruh terhadap besaran timbulnya gaya-gaya hidro dan aerodinamik, serta selanjutnya berpengaruh kepada kondisi gerak kapal bersayap di saat menjelang take-off.

1.2 Perumusan Masalah

Apakah letak step tepat di bawah letak titik berat kapal akan terhindar dari sticking maupun porpoising ?; posisi letak step di belakang bawah letak titik berat kapal akan terjadi sticking ?; sedangkan pada posisi letak step di depan bawah letak titik berat kapal akan terjadi porpoising ?

Apakah pendekatan komputasi Savitsky 1964 dapat dikembangkan untuk memprediksi porpoising pada gerak kapal bersayap ber-step?

Bagaimana fenomena gerak kapal bersayap jika pada konstruksi dasar lambungnya tidak diberikan step ?

Bagaimana pemanfaatan persamaan gerak Collu tersebut untuk pemodelan numerik gerak kapal bersayap sebelum lepas dari permukaan air? Bagaimana tekanan aliran fluida yang terjadi pada permukaan badan kapal bersayap?

1.3 Tujuan Penelitian

a. Tujuan umum : • Mengungkap fenomena gerak kapal bersayap WiSE-8 di fase gerak

planing menjelang lepas dari permukaan air (take-off) berdasarkan variasi letak step yang posisinya berada di sekitar bawah letak titik berat kapal untuk mewujudkan kenyamanan gerak terbang sebuah kapal bersayap “wing in surface effect” terhindar dari sticking dan ketidakstabilan gerak porpoising.

b. Tujuan khusus : 1) Melaksanakan pemodelan fisik gerak kapal bersayap di saat gerak planing

menjelang lepas dari permukaan air (take off) melalui kegiatan eksperimen. 2) Melaksanakan kajian pengaruh perancangan desain badan kapal bersayap

tanpa step terhadap gerak planing kapal bersayap menjelang lepas dari permukaan air (take off).

3) Melaksanakan pengembangan pendekatan Savitsky 1964 untuk digunakan pada komputasi gerak planing kapal bersayap dengan lambung dasar rata ber-step.

4) Melaksanakan kajian pemodelan numerik dengan pemanfaatan persamaan gerak hasil penelitian Collu et al (2007) untuk gerak planing kapal bersayap sebelum lepas dari permukaan air (take off).

5) Melaksanakan kajian komputasional aliran fluida dinamik pada permukaan badan kapal bersayap untuk menambah informasi yang lebih rinci dalam pemodelan numerik, terutama pada kajian distribusi tekanan aliran terhadap permukaan badan kapal bersayap.

1.4 Batasan Masalah 1. Type konstruksi step kapal bersayap dalam disertasi ini adalah step type tunggal berbentuk

lurus yang ada pada kapal bersayap WiSE – 8 - BPPT; 2. Step mempunyai kedalaman 57 mm, atau mempunyai kedalaman 3 % dari lebar kapal.

Besaran sudut deadrise dasar kapal 15˚. Sedang kemiringan lunas kapal dari letak step ke arah buritan kapal 6,5 ˚.

3. Gerak kapal bersayap yang diteliti hanya pada tahap gerak longitudinal lurus planing menjelang lepas dari permukaan air (take off), sehingga gerakan yang ditinjau adalah hanya gerak surge, heave, dan pitching saja. Gerak planing dengan nilai angka Froude Fr > 1,2 (Savitsky, 1964) ini selanjutnya digunakan sebagai indikator atau sebagai batasan masalah untuk gerak kapal bersayap pra take off dalam disertasi ini.

4. Kecepatan uji maksimum untuk pelaksanaan eksperimen dalam kolam tarik di UPT BPPH, BPPT, adalah 6 m/detik atau sebanding dengan kecepatan kapal sebesar 32 knot.

5. Model uji hidrodinamik dibuat sebanyak 5 (lima) buah dengan variasi letak step sebanyak 4 variasi, sedangkan satu model uji lainnya tanpa step. Kelima buah model uji hidrodinamik tersebut mempunyai letak titik berat yang sama.

6. Uji aerodinamik di terowongan angin hanya dilakukan untuk memperoleh data berupa koefisien lift, koefisien drag dan koefisien momen pitching dari konfigurasi sayap dan ekor yang diperlukan bagi kelengkapan hasil uji hidrodinamik yang dibutuhkan.

7. Untuk pelaksanaan analisis numerik digunakan perangkat lunak Maxsurf, Matlab dan komputasi aliran fluida dinamik ANSYS.

1.5 Kegunaan Hasil Penelitian • Bagi industri rancang bangun dan perekayasaan bangunan kapal yang ada di

galangan-galangan kapal maupun di perusahaan jasa konsultan desain kapal, maka manfaat yang dapat dipetik dari penelitian ini adalah bahwa dengan terlebih dahulu melakukan pemodelan numerik perancangan letak step suatu kapal bersayap sebelum melakukan pemodelan fisik akan memberikan penghematan waktu, tenaga, pemanfaatan peralatan, dan biaya dalam perancangan desain letak step;

• Untuk para insinyur bangunan kapal ataupun para naval arsitektur dan teknik penerbangan, maka hasil penelitian ini dapat memberikan gambaran fenomena gerak kapal bersayap secara lebih rinci berdasarkan uji model fisik atau eksperimental dan pemodelan numerik yang dilakukan berdasarkan variasi letak step dan variasi kecepatan;

• Bagi dunia ilmu pengetahuan dan teknologi, penelitian ini sangat bermanfaat menambah pengetahuan hal baru yang dapat memberikan kontribusi bagi peningkatan laju penguasaan dan pengembangan iptek perkapalan;

• Menjadi bahan masukan pengembangan regulasi kelas kapal, khususnya untuk pembangunan kapal bersayap;

• Membuka langkah pengembangan penelitian lebih lanjut untuk pemecahan masalah yang perlu dilakukan pada tahap berikutnya.

2. Tinjauan Pustaka : Gerak Kapal Bersayap

Gerak Kapal Bersayap

Gerak Kapal Dasar Rata (Planing Craft)

Tanpa Step


dengan step


Savitsky et al

Pers. Gerak Kapal Dasar Rata (Planing Craft)

Hibrid aero-hidro Collu et al


ber-step (ukuran step), Husa

Lift dan Drag Gerak Kapal Dasar Rata

(Planing Craft) ber-step dgn Savitsky, Svans.

Gerak Kapal Dasar Rata (Planing Craft) Savitsky, Collu et al


ber-step, Husa, Svans

Letak Step utk Gerak Kapal Dasar

Rata (Planing Craft) hidro-aero ber-step,

Iskendar

Konfigurasi kapal bersayap : • Kapal bersayap mempunyai konfigurasi

bentuk lambung berdasar rata (planing craft) kombinasi dengan dasar bentuk V, berkecepatan tinggi, dan memiliki sudut deadrise konstan, serta mempunyai tekuk tangga (step) di lambung dasarnya atau di bagian bawah lower fuselage;

• Kapal bersayap mempunyai komponen utama badan dan sayap maupun komponen “lifting” lainnya seperti ekor vertikal dan horisontal dalam bentuk konfigurasi yang aerodinamis mampu menimbulkan daya angkat (lift);

2.1 Kapal Bersayap

Kapal bersayap mempunyai sistem kontrol gerak aerodinamik maupun hidrodinamik (air rudder, water rudder, aileron, elevator, dsb.);

Kapal bersayap aero-hidrodinamik mempunyai sistem propulsi tenaga penggerak aerodinamik atau hidrodinamik (mesin, propeller, dsb.) (Iskendar, dkk., 2010) .

STEP

Gerak heave dan pitch yang terjadi secara bersama-sama atau terjadi secara kopel, sering disebut dengan gerak porpoising.

2.2 Kopel gerak antara heave dan pitch (porpoising) berdasarkan pendekatan komputasional Savitsky 1964.

Kurva batasan porpoising kapal dasar rata – Planing Hull (Savitsky, 1964; Martin, 1978; Faltinsen, 2005).

2.3 Gerak surge dan sticking

Gerak surge yang merupakan gerak yang mengikuti sumbu x atau sumbu lurus ke depan atau ke belakang adalah merupakan gerak utama bagi setiap kendaraan, demikian pula pada gerak kapal bersayap. Di saat gerak surge kapal bersayap teramati tidak bersama-sama dengan gerak heave maupun pitching, maka kapal bersayap tersebut mengalami sticking. Di saat kapal mengalami sticking, kapal tidak terangkat dari permukaan air. Hal ini dapat diamati bahwa gerak surge lebih dominan, sedangkan gerak heave maupun pitching tidak timbul secara berarti.

2.4 Pendekatan gabungan persamaan gerak hidro-aerodinamik

(M Collu, 2007-2008)

1). Sistem Sumbu

Gambar sistem sumbu Kapal Bersayap

η1(t)

Garis Air

τ(t)

h(t)

τ0

η5 ς

η3

ξ

Vo

z x o h0

η3(t) o

CG

η1

T0

T(t)

2). Gaya dan momen yang bekerja pada kapal bersayap

Gaya-gaya utama yang bekerja pada kapal bersayap pada kondisi seimbang : 1. Berat; 2. Gaya-gaya hidrostatik yang bekerja pada badan kapal saat kapal bergerak lambat; 3. Gaya-gaya hidrodinamika, yang bekerja pada lambung dasar rata di saat kapal bergerak

dengan kecepatan tinggi; 4. Gaya-gaya aerodinamika yang bekerja pada permukaan kapal yang mempunyai efek

aerodinamik; 5. Gaya-gaya aerodinamik dan hidrodinamik dari sistem kendali gerak (pada umumnya

diasumsikan mempunyai besaran yang konstan dan tetap); 6. Gaya dari sistem propulsi aerodinamik atau hidrodinamik untuk memperoleh kecepatan

gerak yang cukup (pada umumnya diasumsikan tetap dan dapat memelihara kecepatan yang konstan).

7. Gaya-gaya dari lingkungan gerak kapal (sibakan, gelombang, dsb.).

di mana komponen setiap gaya-gaya tersebut di atas adalah sebagai berikut : F = Fg + Fa + Fhs + Fhd + Fc + Fp + Fd

3). Persamaan Gerak Kapal Bersayap

di mana

A=Added Mass, B=Damping, C=Restoring, dan D=Ground Effect

3. Metodologi Penelitian

Kajian aspek Hidro – aerodinamika dan gerak planing fase pra take off

Eksperimen dan Analisis numerik untuk validasi

KAJIAN ASPEK HIDRO- AERODINAMIKA DAN GERAKAN FASE PRA TAKE OFF PADA KAPAL BERSAYAP

Bahan kajian : Kapal Bersayap WiSE-8 BPPT

Sarana dan Prasarana Penelitian : Towing tank BPPH, Terowongan angin UPT LAGG, dan perangkat

lunak Maxurf, Mathlab, dan ANSYS.

5 Variasi letak step dan 7 variasi kecepatan uji parameter pengamatan heave, pitch, surge dan

Standar uji hidrodinamik ITTC dan aerodinamik NLR

Teknik pemodelan fisik dan numerik untuk Kajian Pengaruh Letak Step

Pemodelan Numerik dg Persamaan Gerak

Collu

Pemodelan Fisik (eksperimen uji tarik)

Analisis dan Pembahasan

Pengambilan kesimpulan

tidak

ya

tidak

ya

Pembahasan serta pengambilan kesimpulan dan saran

3.1 Pemodelan Fisik

Pemodelan Fisik (Eksperimental)

Kapal bersayap dengan letak step di bawah bagian belakang letak titik berat kapal

•Heave, Pitching, Surge


Kapal bersayap dengan letak step tepat di bawah bagian letak titik berat kapal

Kapal bersayap dengan letak step di bawah bagian depan letak titik berat kapal

Kapal bersayap tanpa step

Variasi kecepatan

Sarat kapal, Tahanan, Trim, Momen


Variasi kecepatan



Variasi kecepatan



Variasi kecepatan



Variasi kecepatan


1). Diagram alir Pemodelan Fisik

Ukuran model uji tarik hidrodinamik mengacu kepada prosedur uji High Speed Marine Vehicles (HSMV) - ITTC 7.5-02-05-01.

• Rasio lebar model uji kapal bersayap terhadap lebar kolam tarik harus lebih besar dari 1/7. • Rasio panjang model uji terhadap lebar kolam tarik lebih besar dari ½ atau lebar kolam > dari 2 kali panjang model. • Rasio antara sarat model uji terhadap kedalaman kolam lebih kecil dari 0,8 atau sarat kapal < 0,8 kedalaman kolam.

Model uji aerodinamik di terowongan angin UPT-LAGG, dibuat satu buah dengan konfigurasi lengkap terdapat badan, sayap, dan ekor serta dengan letak step tepat di bawah letak titik berat kapal. Besaran model menyesuaikan ukuran ruang uji. Dengan memperhatikan ukuran utama kapal bersayap, maka ukuran model fisik untuk uji terowongan angin maksimal dapat dibuat dengan skala 1 : 6.

2). Ukuran Model untuk Pemodelan Fisik eksperimen Uji tarik Hidrodinamik

3.2. Pemodelan Numerik Dengan Persamaan Gerak Collu dan CFD

Pemodelan Numerik



•Tekanan permukaan Kapal bersayap dengan letak step di bawah

bagian belakang letak titik berat kapal

Kapal bersayap dengan letak step tepat di bawah bagian letak titik berat kapal

Kapal bersayap dengan letak step di bawah bagian depan letak titik berat kapal

Kapal bersayap tanpa step

Variasi kecepatan

Variasi kecepatan

Variasi kecepatan

Variasi kecepatan

Variasi kecepatan


•Tekanan permukaan







1). Diagram Alir Pemodelan Numerik

2). Komputasi Aliran Fluida Dinamik dengan requirements untuk Gerak Kapal Bersayap

1) Parameter dan derajat ketelitian yang diinginkan : Parameter model komputasi aliran fluida dinamik untuk keperluan melengkapi informasi hasil perhitungan numerik dalam bentuk visualisasi distribusi tekanan pada permukaan model kapal bersayap terutama untuk dasar kapal di sekitar lokasi step. Mengingat bentuk geometrik kapal bersayap yang demikian rumit, maka derajat ketelitian yang diambil dalam komputasi aliran fluida dinamik adalah derajat ketelitian ganda (double precision solver). 2) Model komputasional : Kapal bersayap WiSE dimodelkan dengan bentuk 3D dengan kondisi batas gerak aliran di 2 (dua) media air dan udara dengan batas media tepat pada garis air eksperimen. Elemen mesh yang dipakai adalah gabungan antara tri-pave dan quad pave. 3) Model fisik aliran : Model fisik aliran pada kasus gerak kapal bersayap dipilih inviscid dengan kondisi steady. Sedangkan fluida yang dipergunakan adalah gabungan antara compressible (udara) dan incompressible (air). Di atas garis air digunakan aliran fluida udara, sedangkan di bawah garis air adalah fluida air. 4) Prosedur yang digunakan : Penyelesaian komputasi aliran fluida dinamik gerak kapal bersayap WiSE dipilih dengan menggunakan formula solver dan parameter solusi standar yang mempunyai kecepatan lebih baik dalam memperoleh hasil yang konvergen, grid independence, serta sesuai dengan kemampuan komputer yang tersedia.

No Model

Max size Tetrahedral Jumlah meshing Bot-

tom Top Ka-

pal Inlet

Out-

let Wall

1 Chine 8 8 0.01 5 5 8 908,629

3). Langkah Pre-processor, Flow solver (solution), dan Post-processor

4. Hasil, Analisis, dan Pembahasan Pemodelan Fisik Eksperimen Hidrodinamik

Chine Step

Bidang ekor horisontal dan elevator

Bidang ekor vertikal dan air rudder

Wing tip dan aileron

Badan Kapal

Sayap

Pontoon

4.1. Obyek Kajian : Kapal bersayap

Ukuran utama

• Panjang seluruh (Length over All) : 15,68 m. • Tinggi : 4,19 m. • Lebar seluruh (bentang sayap) : 14,69 m. • Lebar lambung : 1.90 m.

1). Ukuran Fuselage Model Uji Hidrodinamik

1,363 m

0,9415 m

1,690 m

CG 1,09 m

1,363 m

1,0162 m

1,690 m

CG 1,09 m

1,09 m

1,363 m 1,690 m

CG

1,09 m

1.166 m

1.363 m 1.690 m

CG

1,09 m

1.363 m

1.690 m

CG

1,09 m

Model Uji Nomor 1 Model Uji Nomor 2

Model Uji Nomor 3 Model Uji Nomor 4

Model Uji Nomor 5

4.2. Model uji hidrodinamik untuk pemodelan fisik

Ukuran Lambung Model Ponton pada sayap Loa (Panj seluruh) 2,25 m 0,34 m Lpp (Panj antara garis tegak) 1,69 m 0,34 m B (Lebar) 0,27 m 0,11 m H (Tinggi) 0,39 m 0,11 m T (Sarat) 0,08 m 0,04 m β (sudut deadrise) 15o 15o

Lebar 2,10 m Luas 1,31 m2 Aspek rasio 2 Type aerofoil Clark Y Letak sayap dari nose 0,65 m

Luas (kanan dan kiri) 0,12 m2 X 2 Sudut pasang winglet 45o Profil Clark Y

Ekor tegak (Vertical Tail Plane) Luas (kanan dan kiri) 0,11 m2 X 2 Profil NACA 0012 Sudut back sweep 45o Sudut V ekor 53o

Ekor horizontal (Horizontal Tail Plane) Luas 0,33 m2 Profil NACA 0012

2). Dimensi dasar model uji.

Data ukuran lambung dan pontoon model uji nomor 1 s/d. 5.

Data ukuran sayap model uji.

Data ukuran sayap ujung (winglet)

Data ukuran ekor tegak dan horizontal.

Modul dasar model uji nomor 4

Modul dasar model uji nomor 3

Modul dasar model

uji nomor 2

Modul dasar model

uji nomor 1

Modul dasar model

uji nomor 5

Modul bagian dasar model uji dengan variasi letak step (IHL-UPT.BPPH-BPPT, 2008).

Modul utama dan bagian

dasar model uji.

Modul utama dan salah satu modul bagian dasar

model uji dirakit.

Modul utama lengkap dengan komponen sayap dirakit dengan salah satu modul dasar model uji.

3). Pembuatan Model Uji Sistem Modul

Model dirakit sesuai kebutuhan variasi uji (IHL-UPT.BPPH-BPPT, 2008).

4). Set-up Model Uji Hidrodinamik

5). Program uji hidrodinamik

Model kapal diuji tarik dengan pendekatan bare-appended resistance test, sehingga model kapal diuji lengkap dengan sayap ber-pontoon serta ekor tegak (VTP) dan horisontal (HTP) sesuai rancangan geometrik kapal bersayap. Uji tarik atau resistan-towing test dilakukan dengan fully captured force measurements, model kapal ditarik dengan towing carriage, total gaya longitudinal atau horisontal yang bekerja pada model diukur dengan towing dynamometer berdasarkan variasi kecepatan. Keterangkatan model uji baik di bagian depan maupun belakang kapal diukur dengan trim meter sehingga dapat dilihat kondisi trim kapal di saat diam maupun bergerak. Model kapal diuji dengan variasi kecepatan dari 16 s/d. 32 knot atau dengan kecepatan towing carriage 3,11 m/det s/d. 6,22 m/det untuk λ =1/7. Secara lebih rinci variasi kecepatan pada program uji ini mencakup kecepatan kapal 16; 20; 24; 26; 28; 30; dan 32 masing-masing dalam satuan knot.

4.3 Uji terowongan angin sebagai input hasil uji tarik hidrodinamik

1). Model uji terowongan angin dibuat dengan skala 1:6.

Model uji WiSE-8 dihubungkan ke External Balance dengan menggunakan wing strut. Bagian ujung wing strut terdapat bayonet yang berhubungan langsung dengan bagian wing model. Dengan adanya bayonet, ketinggian wing kanan dan kiri dapat diatur sedemikian rupa sehingga wing kanan dan kiri tersebut mempunyai ketinggian yang sama. Model uji ditempatkan tepat berada di tengah test section, sehingga mempunyai jarak yang sama ke dinding test section sebelah kiri maupun kanan. Hal ini dilakukan dengan mengatur wing strut yang terpasang di External Balance. Konfigurasi pengujian dilakukan secara upside-up, bayonet dihubungkan dengan bagian upper wing, dan dihubungkan ke wing strut, juga dihubungkan ke External balance melalui pitching wire untuk pengaturan sudut serang (α). Model diberi preload yang dibebankan melalui preload wire sebesar 250 kg.

2). Visualisasi aliran dengan menggunakan wool tuft untuk konfigurasi WBNPVH, V = 40 m/s,

ketinggian model 50 cm dari ground board

Aliran udara pada konfigurasi uji menunjukkan aliran yang smooth tidak ditemukan adanya aliran separasi.

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

-8

-6

-4

-2

0 2 4 6 8 10

12 a

CL

0 m 0.3 m 0.6 m 1.5 m 3 m 4.5 m 6 m

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

-8

-6

-4

-2

0 2 4 6 8 10

12 a

CD

0 m 0.3 m 0.6 m 1.5 m 3 m 4.5 m 6 m

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

-8

-6

-4

-2

0 2 4 6 8 10

12

a

Cm 0 m 0.3 m 0.6 m 1.5 m 3 m 4.5 m 6 m

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

-8

-6

-4

-2

0 2 4 6 8 10

12

CL/CD

0 0.3 m 0.6 m 1.5 m 3 m 4.5 m 6 m

3). Hasil pengujian terowongan angin

CL vs α, konfigurasi penuh dengan variasi ketinggian h. CD vs α, konfigurasi penuh dengan variasi ketinggian h.

Cm vs α, konfigurasi penuh dengan variasi ketinggian h

CL/CD vs α, konfigurasi penuh dengan variasi ketinggian h

Untuk kecepatan gerak planing antara 3,11 m/det sampai dengan 6,22 m/det, harga MTOW = 3200 kg, dan luas lifting surface (S) = 99,87 m2, akan memperoleh gaya-gaya aerodinamik sebagai berikut:

• gaya angkat (L) = (376,66 ~ 1506,65) N; • drag (D) = (11,39 ~ 141,67) N; dan • momen trim (M) = 0,279 Nm.

4). Implementasi input untuk kajian hidrodinamik

Garis Air τ

LK

LC

LKS-i

LCS-i

Chine

Keel

β

B

B

ds

D

Spray root line

LSt-i

Step

LoA fuselage C

LCG

Vcg

1). Skema ukuran model uji hidrodinamik

4.4 Hasil eksperimen uji tarik hidrodinamik

Kurva perubahan sarat belakang (Tap) Kurva perubahan sarat depan (Tfp)

Kurva perubahan sudut trim (θv) Kurva koefisien momen trim (CM)

2). Hasil pengukuran uji tarik hidrodinamik Karakteristik trim

3). Karakteristik badan kapal tercelup air dilihat dari letak step

Kurva panjang keel tercelup air (LK) Kurva panjang chine tercelup air (LC)

Kurva panjang keel sampai step tercelup air (LKS)

Kurva panjang chine sampai step tercelup air (LCS)

Kurva rasio LC/ LK Kurva rasio LCS/ LKS

Kurva perbandingan rasio LC/LK dengan rasio LCS/ LKS

4). Angka Rasio Karakteristik badan kapal tercelup air dilihat dari letak step

5). Karakteristik hidrodinamik

Kurva luas permukaan basah (S) Kurva koefisien tahanan total (CT)

Kurva koefisien lift hidrodinamik (CL) Kurva koefisien lift savitsky

Kurva heave

Kurva pitching

Pengujian model tanpa step (A) dan dengan Model Uji Nomor 3 (B) berdasarkan variasi kecepatan. Terjadi sticking pada model uji

tanpa step.

A B

16 knot

32 knot

Kecepat-an kapal (knot)

Model uji Nomor 1

Model uji Nomor 2

Model uji Nomor 3

Model uji Nomor 4

Model uji Nomor 5

S P S P S P S P S P

16 - √ - √ - - - √ √ -

20 - √ - √ - - - √ √ -

24 - √ - √ - - √ - √ -

26 - √ - √ - - √ - √ -

28 - √ - √ - - √ - √ -

30 - √ - √ - - √ - √ -

32 - √ √ - - - √ - √ -

Keterangan tabel : S = Sticking. P = Porpoising. √ = Terjadi peristiwa sticking atau porpoising sesuai keterangan kolom.

Hasil pengamatan visual kejadian porpoising dan sticking pada uji tarik Hidrodinamik model uji kapal bersayap WiSE-8.

Rasio besaran CL Model Uji No 1 s/d. 4 terhadap CL Model Uji No 5.

Kecepatan

(knot)

(CL1-4 /CL5 )

Model uji Nomor 1 Model uji Nomor 2 Model uji Nomor 3 Model uji Nomor 4

16 0,95 0,95 0,89 0,79

20 6,67 6,43 6,14 7,86

24 9,54 9,08 8,29 6,79

26 11,61 10,82 9,46 8,29

28 9,88 9,25 7,81 7,22

30 10,65 10,04 5,31 7,69

32 4,96 4,77 4,38 4,12

Kurva rasio besaran CLi terhadap CL Model Uji Nomor 5.

Perbandingan hasil perhitungan berdasarkan pendekatan Savitsky 1964 dan hasil pemodelan fisik

Model Uji Nomor 5

Faktor pembeda antara kapal tanpa step dan kapal ber-step

4.6 Pengembangan pendekatan komputasional gerak planing Savitsky untuk kapal bersayap WiSE-8

0,001

0,003

0,005

0,007

0,009

16 20 24 26 28 30 32

Koef

isie

n G

aya

Angk

at L

ift -

(CL)

Kecepatan kapal (V) dalam knot.

Koefisien Lift Savitsky

Koefisien Lift Eksperimen

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

16 20 24 26 28 30 32

Rasi

o ko

efis

ien

lift C

L 1 s/

d 4

te

rhad

ap C

L 5

Kecepatan kapal (V) dalam knot

Model Uji Nomor 1

4.7 Kesimpulan pengembangan komputasional gerak planing Savitsky 1964 untuk prediksi gerak kapal bersayap ber-step.

Pendekatan komputasi gerak planing Savitsky 1964 secara umum masih dapat dikembangkan untuk pendekatan komputasi yang sangat sederhana dalam memprediksi gerak planing pada kapal berlambung dasar rata ber-step, yaitu dengan mempertimbangkan keberadaan letak step berdasarkan karakteristik badan kapal yang tercelup dalam air. Sehingga pada implementasinya dapat digunakan untuk memprediksi gerak planing kapal bersayap ber-step sebelum lepas dari permukaan air.

Kurva Angka Froude

5.1 Hasil pemodelan numerik dengan Persamaan Collu

1). Prediksi amplitudo gerak kapal bersayap pada kecepatan 16 knot untuk Model Uji Nomor 1 s/d. 5.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

2000

4000

6000 V = 16 knot

SURG

E (m

)

MODEL-1MODEL-2MODEL-3MODEL-4MODEL-5

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

HEAV

E (m

)


0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-4

-2

0

2

4

t sec

PITC

H (d

eg)



0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

2000

4000

6000 V = 20 knot

SURG

E (m

)


0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

HEAV

E (m

)


0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-4

-2

0

2

4

t sec

PITC

H (d

eg)



0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

2000

4000

6000 V = 24 knot

SURG

E (m

)


0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

HEAV

E (m

)


0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-4

-2

0

2

4

t sec

PITC

H (d

eg)



0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

2000

4000

6000 V = 26 knot

SURG

E (m

)


0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

HEAV

E (m

)


0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-4

-2

0

2

4

t sec

PITC

H (d

eg)



0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

2000

4000

6000 V = 28 knot

SURG

E (m

)


0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

HEAV

E (m

)


0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-4

-2

0

2

4

t sec

PITC

H (d

eg)



0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

2000

4000

6000 V = 30 knot

SU

RG

E (m

)


0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

HE

AV

E (m

)


0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-4

-2

0

2

4

t sec

PIT

CH

(deg

)



0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

2000

4000

6000 V = 32 knot

SU

RG

E (m

)


0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

HE

AV

E (m

)


0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-4

-2

0

2

4

t sec

PIT

CH

(deg

)


5.2 Hasil komputasi aliran fluida dinamik berdasarkan variasi letak step dan Kecepatan kapal

V= 16 Knot A B C

V = 32 Knot

1). Visualisasi distribusi tekanan pada permukaan badan kapal bersayap bagian atas (A), bawah (B), dan di sekitar step (C)

berdasarkan geometri Model Uji 1 pada kecepatan kapal 16 dan 32 knot

2). Visualisasi distribusi tekanan pada permukaan badan kapal bersayap bagian atas (A), bagian bawah (B), dan di sekitar step (C)

berdasarkan geometri Model Uji 3 pada kecepatan kapal 16 dan 32 knot.

V= 16 Knot A B C

V = 32 Knot



V= 16 Knot A B C

V = 32 Knot

5.3 Perbandingan gerak heave dan pitch kapal bersayap antara hasil pemodelan numerik dan pemodelan fisik – eksperimen setiap model uji.

•Kapal bersayap WiSE mempunyai konfigurasi bentuk lambung berdasar rata (planing craft) kombinasi dengan dasar bentuk V, dan memiliki sudut deadrise konstan, serta mempunyai tekuk tangga (step) di lambung dasarnya atau di bagian bawah lower fuselage, menyebabkan gerak kapal bersayap pada kecepatan tinggi mendapatkan gaya angkat hidrodinamik dan aerodinamik, terlepas dari peristiwa sticking, terutama di saat menjelang lepas dari permukaan air; dan pada peletakan step yang tepat di bawah titik berat kapal bersayap menyebabkan kapal bersayap ini dapat terhindar dari peristiwa gerak porpoising; Hal ini mengungkap pendekatan komputasi numerik Savitsky 1964 dapat dikembangkan lagi untuk komputasi gerak planing craft ber-step;

•Kapal bersayap WiSE mempunyai komponen utama badan dan sayap tetap (fixed wing) maupun komponen “lifting” lainnya seperti ekor vertikal dan horisontal dalam bentuk konfigurasi yang aerodinamis mampu menimbulkan daya angkat (lift) dan surface effect, hal ini memungkinkan kapal bersayap pada kecepatan tinggi dapat terbang dengan surface effect;

•Kapal bersayap WiSE mempunyai sistem kontrol gerak aerodinamik maupun hidrodinamik (air rudder, water rudder, aileron, elevator, dsb.) menjadikan kapal bersayap dapat berolah gerak di air di saat gerak mengapung di air maupun di udara di saat gerak dengan surface effect;

•Kapal bersayap aero-hidrodinamik mempunyai sistem propulsi tenaga penggerak aerodinamik atau hidrodinamik (mesin, propeller, thruster dsb) menjadikan kapal bersayap WiSE dapat bergerak di media air dan udara permukaan;

•Secara lebih rinci, kemampuan gerak kapal bersayap karena gaya dorong dan gaya-gaya hidro-aerodinamika yang timbul dan bekerja padanya dapat menyebabkan terbang dengan surface effect sebagaimana telah dimodelkan secara fisik maupun numerik, terutama pada fase gerak pra take off.

5.4 Aspek Hidro-aerodinamika Gerak Kapal Bersayap

6. KESIMPULAN DAN SARAN

6.1 Kesimpulan 1. Gerak kapal bersayap WiSE-8 sebelum lepas dari permukaan air berupa gerak

heave (η3), pitching (η5), dan surge (η1) yang diamati berdasarkan konfigurasi geometri kapal bersayap WiSE-8 dan berdasarkan karakteristik trim (Tfp, Tap, τ, MT); karakteristik badan kapal yang tercelup air (LK, LC, LKS, LCS, LC/LK, LCS/LKS, LST, LSCG); dan karakteristik hidrodinamika dan aerodinamika (S, CRT, CL hidrodinamik, CL

aerodinamik, CMT, CT), kondisinya sangat dipengaruhi oleh beberapa hal sebagai berikut : 1) Ada dan tidak adanya step pada konstruksi dasar lambung kapal bersayap; 2) Posisi letak step terhadap letak titik berat kapal (CG) yang ditunjukkan oleh

parameter LK, LC, LKS, LCS LST, LSCG; 3) Besarnya kecepatan (V) planing atau angka Froude (Fr).

Adapun masing-masing hal yang mempengaruhi gerak kapal bersayap tersebut di atas dapat diungkapkan sebagai berikut : 1) Dengan diberi step pada konstruksi dasar lambung kapal bersayap, maka terungkap bahwa pada kapal

bersayap dengan konstruksi step cenderung semakin mudah timbul heave, maupun pitch, sedangkan gerak surge tidak terjadi osilasi.

2) Apabila letak step berada pada posisi semakin jauh ke depan dari letak titik berat kapal, maka terungkap bahwa pada kecepatan planing semakin tinggi sampai 24 knot, teramati bahwa gerak heave, kapal terangkat semakin tinggi, setelah itu turun landai, peningkatan gerak pitch terjadi, yaitu dengan peningkatan sudut trim, setelah itu sudut trim mengecil datar. Sedangkan gerak surge terus terjadi lurus normal. Kondisi tersebut teramati timbulnya ketidakstabilan gerak porpoising. Sticking tidak terjadi.

3) Apabila letak step tepat di bawah letak titik berat kapal, maka terungkap bahwa pada kecepatan planing semakin tinggi sampai dengan 24 knot, gerak heave semakin tinggi dengan incremental yang kecil setelah itu turun landai. Gerak pitch terjadi peningkatan yang relatif merendah, setelah itu datar. Gerak surge terus terjadi lurus normal. Gerak porpoising tidak timbul. Sticking tidak terjadi.

4) Apabila letak step berada di bawah dan pada posisi semakin jauh ke belakang dari letak titik berat kapal, maka terungkap bahwa pada kecepatan sampai dengan 24 knot, gerak heave kapal cenderung tidak terangkat, bahkan turun landai; gerak pitch terjadi sedikit peningkatan sudut trim, setelah itu mengecil datar; gerak surge terus terjadi lurus normal; gerak porpoising tidak terjadi; gerak cenderung semakin Sticking.

5) Pengaruh perancangan desain badan kapal bersayap tanpa step terhadap gerak kapal bersayap WiSE-8 terungkap bahwa pada kecepatan planing semakin tinggi sarat depan dan sarat belakang cenderung semakin tetap bertahan pada posisinya, sudut trim semakin kecil, besaran momen trim atau momen pitching cenderung semakin rendah; heave dan pitch relatif sangat kecil; surge tidak terjadi osilasi. Porpoising tidak terlihat. Gerak kapal bersayap semakin terlihat Sticking secara nyata.

6) Persamaan gerak hasil penelitian Collu et al (2007) untuk pemodelan numerik kecepatan planing kapal bersayap WiSE-8 sebelum lepas dari permukaan air (take off) secara nyata dapat dimanfaatkan untuk mengungkap gerak kapal bersayap. Pemodelan fisik eksperimen uji tarik tervalidasi secara nyata dengan persamaan Collu. Penyimpangan nilai parameter gerak heave, dan pitch antara ke dua pemodelan tersebut hanya berkisar + 5%.

Hasil komplementer berupa pengembangan pendekatan komputasi gerak planing Savitsky 1964 diperoleh. Komputasi gerak planing dengan pendekatan Savitsky 1964 mempunyai peluang untuk dimanfaatkan bagi analisis gerak kapal bersayap ber-step. Dengan menambahkan input letak step yang mempertimbangkan karakteristik badan kapal yang tercelup air dan kecepatan sebagai faktor koreksi, maka kondisi ketidakstabilan gerak planing kapal ber-step berupa porpoising dapat diprediksi.

6.2 Saran 1. Penelitian ini perlu dilanjutkan dengan penelitian-penelitian yang mempunyai tujuan

mengangkat nilai parameter yang universal hasil penelitian gerak kapal bersayap ke dalam bentuk penelitian dasar yang pada akhirnya dapat digunakan untuk dimanfaatkan pada setiap perancangan kapal bersayap untuk berbagai bentuk dan ukuran. Sebagai contoh hal ini dapat dilanjutkan dan dikembangkan penelitian konfigurasi step dengan bentuk dasar prismatik.

2. Efisiensi waktu akan diperoleh dengan pemodelan numerik yang dimanfaatkan lebih awal di dalam perancangan penentuan letak step dalam suatu perancangan kapal bersayap.

3. Untuk kapal bersayap tanpa step memperlihatkan kecenderungan gerak yang sulit lepas dari permukaan air (take off), selalu terjadi sticking. Dengan demikian pada pengujian ataupun penelitian kapal bersayap berikutnya ada baiknya tidak perlu ada alternatif uji tanpa step. Sehingga pengujian model kapal bersayap tanpa step berikutnya dapat ditiadakan.

4. Nilai parameter universal dari hasil pemodelan numerik untuk rancang bangun kapal bersayap model uji 3 dengan bentuk dan konfigurasi kapal yang serupa, maka hasil ini dapat dijadikan pedoman perancangan letak step kapal bersayap di masa mendatang.

Terima Kasih

kajian aspek hidro-aerodinamika dan gerakan fase...

Documents