Pemanfaatan foil pada bidang perkapalan

Notebook09121015

AbstractKarakteristik hidrodinamika merupakan hal yang penting dalam bidang ilmu aplikasi hidrodinamika yang ditujukan untuk mendapatkan performansi maksimum dari suatu bentuk benda.Analisis karakteristik hidrodinamika ini dilakukan pada Hydrofoil yang digunakan pada baling-baling kapal.Pada makalah ini mengkaji pendistribusian aliran fluida di sepanjang kontur hidrofoil baling-baling kapal untuk mendapatkan distribusi kecepatan, tekanan, gaya-gaya yang terjadi disekitar hidrofoil, serta koefisien lift dan drag.

Hidrodinamika Kapal

Daftar IsiDaftar Isi................................................................................................................................................1

Daftar Isi................................................................................................................................................1

1.Pendahuluan......................................................................................................................................2

2.Pembahasan......................................................................................................................................3

3.Kesimpulan......................................................................................................................................14

1

1.Pendahuluan1.1 Latar Belakang

Pada sarana transportasi laut dengan kecepatan tinggi harus memperhatikan karakteristik

hidrofoil yang tercelup dari permukaan karena pada dasarnya akan mempengaruhi karakteristik

kavitasi yang terjadi. Pada dasarnya hidrofoil yang tercelup penuh mempunyai kualitas kendali dan

performansi kecepatan yang baik. Sistem kendali pada hidrofoil yang tercelup digunakan untuk

untuk menstabilkan pergerakan maupun maneuver dan meningkatkan stabilitas kapal. Salah satu

aspek yang penting dalam meningkatkan stabilitas dan prinsip kerja kapal hidrofoil adalah pada saat

pemilihan tipe foil.

Sebuah hidrofoil yang terpasang di area bawah lambung kapal berfungsi memberi gaya angkat

dinamis sehingga badan lambung kapal terangkat diatas permukaan air. Pada saat lambung kapal

mulai terangkat dari air, berat kapal akan ditopang oleh foil sehingga memperkecil luas hambatan

yang terjadi akibat gaya gesek antara lambung kapal yang tercelup dengan air, foil memberikan efek

meningkatkan gaya angkat pada kapal ketika kecepatan ditambahkan.Kajian ini yang dilakukan pada

penelitian ini memberikan informasi mengenai fenomena aliran maupun gaya-gaya yang pada foil.

1.2 Rumusan Masalah

1. Cara prinsip kerja lift and Drag ?

2. Penerapan Lift Line Theory dan foil pada bidang Perkapalan ?

1.3 Tujuan

1. Menjelaskan Bagaimana cara membaca notasi pada geometry foil dan bagian bagian yang

ada pada foil.

2. Menggambarkan pola-pola aliran yang terbentuk pada foil.

3. Menggambarkan contoh penerappan foil.

2

2.Pembahasan2.1 Geometry Foil

Foil adalah bentuk bangun yang dapat menghasilkan gaya angkat besar dengan hambatan

sekecil mungkin. Gaya angkat (lift) dan stall dari sayap tersebut sangat bergantung pada bentuk

geometris penampang hydrofoil-nya. Bentuk geometris penampang hydrofoil secara umum dapat

dilihat pada gambar berikut :

Gambar 1. Ilustrasi notasi pada bagian geometri foil.

Notasi koordinat sistem yang digunakan untuk menggambarkan foil bervariasi tergantung

pada aplikasi, dan oleh karena itu harus berhati-hati ketika membaca teks atau laporan penelitian

yang berbeda.Wajarnya untuk menggunakan x, y sebagai sumbu koordinat untuk aliran dua dimensi,

terutama jika ada yang menggunakan kompleks variabel z = x + iy. Dan satu oleh karena itu harus

berhati-hati ketika membaca teks atau laporan penelitian yang berbeda, Garis Nose-tail umumnya

ditempatkan pada sumbu x, tetapi dalam beberapa aplikasi sumbu x diambil berada di arah aliran

onset, Dalam hal ini garis Nose-tail cenderung pada sudut serangan, α terhadap sumbu x.

X positif dapat baik berorientasi ke arah hulu atau hilir, tapi kami akan menggunakan konvensi

hilir di sini.Pada foil planar tiga dimensi, umumnya untuk mengarahkan y koordinat dalam rentang

arah bijaksana. Dalam hal ini, koordinat bagian foil akan berada dalam arah z. Akhirnya, dalam kasus

daun baling-baling, sebuah lengkung khusus sistem koordinat harus diadopsi. Seperti ditunjukkan

dalam Gambar 1, bagian foil dapat dianggap sebagai kombinasi dari garis rata-rata, f (x) dengan nilai

maksimum fo dan bentuk ketebalan simetris, t (x), dengan nilai maksimum untuk. Bentuk ketebalan

3

ditambahkan pada sudut kanan garis berarti, sehingga titik pada permukaan atas dan bawah dari foil

akan memiliki koordinat.

2.2 Conformal mipping

a. History

Teknik pemetaan konformal yang pertama diterapkan oleh Joukowski pada tahun

1914, dan himpunan geometri foil dibuat oleh fungsi pemetaan yang dikembangkannya.

Sebuah fungsi pemetaan yang lebih umum, yang meliputi pemetaan Joukowski sebagai

kasus khusus, kemudian diperkenalkan oleh Karman dan Tre ff tz. Sementara beberapa

peneliti lainnya memperkenalkan fungsi pemetaan yang berbeda, perkembangan yang

signifikan oleh Theodorsen , yang mengembangkan analyti perkiraan cal / teknik numerik

untuk memperoleh fungsi pemetaan untuk bentuk bagian foil. Pengembangan yang

dilakukan Theodorsen adalah dasar untuk pengembangan seri sistematis yang luas dari

bagian foil diterbitkan oleh Komisi Penasehat Nasional Aeronautics (NACA) di tahun 1930-an

dan 1940-an.

b. Potential Flow Around A Circle

Potensi aliran sekitar liongkaran adalah solusi klasik untuk aliran dari inviscid , mampat

cairan di sekitar lingkaran yang melintang aliran. Jauh dari silinder, aliran searah dan

seragam. Aliran tidak memiliki vortisitas dan dengan demikian medan kecepatan adalah

irrotational dan dapat dimodelkan sebagai aliran potensial . Untuk memudahkan proses

pemetaan, kami akan menuliskan solusi untuk lingkaran rc radius yang pusatnya terletak di

sembarang titik (xc, yc) di x - y, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Lingkaran akan

memotong sumbu x positif pada titik x = a, sehingga jari-jari lingkaran harus

4

Gambar 2. Aliran di sekitar lingkaran dengan sirkulasi nol. Pusat lingkaran yang terletak di x =

-.3, y = 0,4. lingkaran melewati x = a = 1.0. Sudut aliran 10 derajat. Terlihat bahwa untuk

mendapatkan bentuk foil yang masuk akal secara fisik, titik x = -a harus berupa interior dari

lingkaran di batasnya. Sampel ini mengharuskan x ≤ 0. Akhirnya, seragam kecepatan aliran

bebas akan kecepatan U dan akan cenderung pada α sudut terhadap sumbu x.

c. Pressure DistributionsDistribusi tekanan pada permukaan atas dan bawah dari hidrofoil adalah suatu yang

penting dalam penentuan gaya angkat dan kekuatan tarik, kavitasi awal, dan dalam studi perilaku lapisan batas. Tekanan di area foil adalah suatu yang penting dalam mempelajari interaksi antara beberapa foil, dan dalam interaksi antara foil dan batas-batas yang berdekatan. Tekanan pada titik sembarang dapat berhubungan dengan tekanan pada titik yang upstream dari persamaan Bernoulli,

dimana q adalah besarnya total kecepatan fluida pada titik tersebut,

dan (u, v) adalah komponen dari kecepatan fluida diperoleh dari persamaan 15.

Jumlah p adalah tekanan upstream , diambil di tingkat hidrostatik yang sama. Tekanan

koefisien FFI sien non-dimensi dapat dibentuk dengan membagi selisih di ff antara lokal dan

tekanan aliran dengan tekanan dinamis upstream.

5

Gambar 3: Arus dan tekanan kountuk kontur yang tipis, bagian yang sangat melengkung di

nol angle of attack. Bagian ini adalah bagian simetris pertengahan chord, dan karena itu

memiliki terkemuka tajam dan trailing tepi. Seperti yang diharapkan, kontur tekanan

menunjukkan tekanan rendah di permukaan atas (hijau) dan tekanan tinggi pada permukaan

bawah (biru).

6

Gambar 4: ini adalah bagian yang sama seperti sebelumnya, tapi pada sudut serangan 10 derajat.

Pola Arus tidak lagi simetris, dengan kecepatan tinggi dan tekanan rendah maka (merah) dekat tepi

terkemuka.

Gambar 5: Tekanan menutup pandangan dari aliran dekat terdepan pada sudut 10 derajat.

d. Lift and Drag

Ketika suatu benda padat ditempatkan dalam aliran fluida dan situasi simetris terjadi

arah gaya pada bagian tidak bertepatan dengan arah aliran. Prinsip ini membuat gaya

angkat( lift) pada benda. Diskusi lift dan drag biasanya dimulai dengan pengenalan airfoil. (X

adalah arah aliran horisontal(drag pada FD), z adalah vertikal(lift pada FL)).

7

Gambar 6. Life and Drag

Drag tidak dihasilkan oleh medan kekuatan, dalam arti medan gravitasi atau medan

elektromagnetik, di mana satu objek dapat mempengaruhi objek lain tanpa kontak fisik.Drag

yang akan dihasilkan, bagian yang solid harus dalam kontak dengan fluida. Drag dihasilkan

oleh perbedaan kecepatan antara benda padat dan fluida. Untuk menentukan lift

keseluruhan dan drag pada bagian foil dua dimensi aliran inviscid adalah sangat sederhana.

Gaya (per unit dari rentang) diarahkan pada sudut kanan ke aliran melaju dari kecepatan U

disebut lift dan dapat terbukti L = −ρU Γ

Sedangkan untuk menghitung FL dan FD dapat menggunakan rumus

FL 0.5 CL A u 2

FD 0.5 CD A u 2

8

Keterangan :

FL and FD = lift and drag force

CL = lift coefficient

CD = drag coefficient

ρ = density of the fluid

A = reference area

u = velocity of the undisturbed flowgan :

Kita dapat dengan mudah memverifikasi bahwa persamaan ini benar untuk aliran di

sekitar lingkaran dengan mengintegrasikan y dan x komponen tekanan yang bekerja pada

permukaannya. Kita asumsikan bahwa lingkaran berpusat di titik asal, dan bahwa angle of

attack adalah nol.

e. Mapping Solutions for Foils of Arbitrary Shape

Fungsi pemetaan bentuk tertutup jelas terbatas dalam jenis bentuk yang dapat

dihasilkan . Sementara beberapa ekstensi lebih lanjut untuk fungsi pemetaan tz yang

Karman-Treff kembangkan, pendekatan ini banyak ditinggalkan pada tahun 1930-an.

Kemudian, pada tahun 1931, T. Theodorsen menerbitkan metode yang bisa dimulai dengan

geometri foil dan mengembangkan fungsi pemetaan yang akan memetakan kembali ke

lingkaran . Hal ini dilakukan dengan asumsi ekspansi seri untuk fungsi pemetaan dan

pemecahan numerik untuk sejumlah berhingga istilah dalam seri. Metode itu karena

perkiraan, dan sangat memakan di era pra-komputer waktu. Namun demikian, aplikasi yang

luas dari metode ini menyebabkan perkembangan dari seri NACA dari bagian sayap,

termasuk bagian sampel foil.

Sebuah versi perbaikan dari metode Theodorsen ini, cocok untuk penerapan pada

komputer digital, dikembangkan oleh T. Brockett pada tahun 1966 . Tidak mengherankan,

bahwa ketidakakuratan ada di geometri dan tekanan distribusi ditabulasi untuk beberapa

data NACA sebelumnya. dimodifikasi NACA-66 bentuk ketebalan brocket ini dikembangkan

pada waktu itu, dan telah digunakan secara luas untuk bagian baling-baling.

Pada pertengahan tahun 1970-an, solusi pemetaan konformal telah memberikan cara

untuk metode panel, yang kami akan dibahas kemudian. Hal ini terjadi karena tiga alasan :

1. Metode pemetaan Conformal tidak dapat diperpanjang untuk aliran tiga dimensi,

sedangkan metode panel bisa.

9

2. Kedua metode melibatkan pendekatan numerik bila diterapkan foil dari geometri

tertentu, dan implementasi dan konvergensi pemeriksaan lebih lurus ke depan

dengan metode panel.

3. Metode Panel dapat diperluas untuk mencakup efek lapisan batas kekentalan.

f. Lifting Line Theory dan Penerapannya

Lifting Line Theory adalah model matematika yang memprediksi distribusi angkat

lebih sayap tiga dimensi berdasarkan geometri. Ia juga dikenal sebagai Lanchester–Prandtl

wing theory. Untuk mengaplikasikan teori ini diperlukan banyak perhitungan dari konsep

hidrodinamika. Setiap daun propeller akan menghasilkan gaya angkat (lift). Perencanaan

daun propeller harus diperhitungan dengan teori sirkulasi (Γ). Dengan adanya variasi bentuk

foil oleh NACA cukup membantu proses perencanaan.

Gambar 7. Lifting Line Theory

Berikut pengaplikasiannya pada bidang perkapalan yaitu pada hydrofoil. Hidrofoil

adalah sebuah kapal dengan bagian seperti sayap yang dipasang pada penyangga di bawah 10

lambung kapal. Ketika kapal meningkatkan kecepatannya, hidrofoil memproduksi gaya

angkat sehingga lambungnya terangkat dan keluar dari air. Ini menyebabkan pengurangan

gesekan dan oleh karena itu peningkatan dalam kecepatan. Sebuah hydrofoil yang terpasang

di area bawah lambung kapal berfungsi memberi gaya angkat dinamis sehingga badan

lambung kapal terangkat diatas permukaan air. Alasan pemakaian dari hydrofoil adalah

ketika lambung kapal mulai terangkat dari air dan berat kapal akan ditopang oleh foil

sehingga memperkecil luas hambatan yang terjadi akibat gaya gesek antara lambung kapal

yang tercelup dengan air, foilmemberikan efek meningkatkan gaya angkat pada kapal ketika

kecepatan ditambahkan. Pada dasarnya hydrofoilyang tercelup penuh mempunyai kualitas

kendali dan performansi kecepatan yang baik. Sistem kendali pada hydrofoil yang tercelup

digunakan untuk untuk menstabilkan pergerakan dan meningkatkan stabilitas kapal. Tetapi

Hydrofoil yang tercelup penuh dalam mengikuti arus laut mempunyai performansi olah

gerak kapal sangat kurang.

Gambar 8. Tipe-tipe hydrofoil

Contoh lain penerapannya untuk yaitu ada pada propeller, dalam membuat suatu

bentuk dasar dari propeller dibutuhkan bentuk yang hidrodinamis yang dinamakan Hidrofoil

dimana nantinya dapat menghasilkan suatu lift yang lebih besar dibandingkan dengan drag-

11

nya. Pergerakan dari hidrofoil ini terjadi pada suatu media fluida dengan kecepatan yang

memungkinkan terjadinya hidrodinamika.

Hidrodynamika adalah peristiwa di mana kecepatan antara bagian atas dan bawah

hidrofoil terjadi perbedaan. Seperti yang kita ketahui bahwa besarnya tekanan adalah

berbanding terbalik terhadap besarnya kecepatan. Fluida yang melalui bagian atas airfoil

melaju lebih cepat daripada fluida yang melewati bagian bawah. Hal ini disebabkan

adanya perbedaan tekanan antara aliran fluida bagian atas dan aliran fluida bagian bawah.

Sehingga yang terjadi adalah aliran fluida yang melalui bagian bawah hidrofoil lebih pelan

bila dibandingkan bagian atas hidrofoil. Perbedaan tekanan yang terjadi inilah yang

kemudian akhirnya menimbulkan fenomena gaya dorong pada propeller.

Gambar 9. Foil pada propeller

Untuk mendesain atau merancang suatu propeller dibutuhkan beberapa foil-foil yang

mewakili setiap chord atau section yang kemudian disusun menjadi satu dan jadilah

propeller. Selain propeller itu sendiri juga dibutuhkan hub, poros atau shaft dan fluida yang

ada sehingga hydrodinamika propeller dapat terjadi. Pada prinsipnya jika dalam keadaan

normal perputaran propeller searah dengan jarum jam dilihat dari belakang. Pada bagian sisi

kanan blade disebut dengan leading edge dan sisi kiri propeller disebut traling edge dan

keduanya bertemu di ujung yang disebut dengan blade tip.

12

Gambar 10. Gaya-aya yang bekerja pada propeller

Propeler thrust dan torsi terbentuk dari gaya angkat (lift) dan drag pada foil propeler

pada posisi radial. Dengan kata lain total thrust merupakan integral dari vector axial lift pada

bagian root hingga tip propeller jika diasumsikan propeler yang digunakan adalah B series,

maka dapat digunakan distrubisi tunggal untuk thrust dan beban torsi, dan diasumsikan juga

bahwa pitch tetap. Distribusi beban yang sesuai untuk propeler dengan kondisi ini adalah

gaya persatuan jarak radial versus posisi radial.

13

3.KesimpulanGaya angkat (Lifting force) merupakan gaya yang dihasilkan oleh foil dikarenakan

aliran fluida pada permukaan foil, sedangkan gaya hambat (Drag force) merupakan gaya

mekanik yang menyebabkan terjadinya pergeseran benda. Dengan adanya kedua gaya ini

pemanfaatan foil pada kapal sangat signifikan karena dengan menggunakan foil dapat

mengurangi gaya hambat (ship resistance) karena factor gesekan (friction resistance) dan

peningkatan dalam kecepatan.

14