Penulis: Riqy Rizqyandra – CAE Engineer PT Optimaxx Prima Teknik (2023)
PENDAHULUAN
Dalam mendesign sebuah kapal, kita perlu tahu berapa hambatan yang akan dialami oleh kapal. Hambatan kapal disebabkan oleh gaya gesek yang diberikan oleh air dan udara. Gaya hambatan karena air sebanding dengan draft kapal (ketinggian kapal yang tercelup oleh air) dan kecepatan gerak kapal.
Tulisan kali ini penulis akan mensimulasikan hidrodinamika kapal menggunakan Ansys Fluent secara 2 fasa (Multiphaes flow). Kapal yang disimulasikan akan terkena dua gaya. Gaya akibat udara dan akibat air. Tujuan dari simulasi ini adalah untuk mencari berapa gaya hambat kapal sehingga bisa mendapatkan berapa gaya dorong minimum yang diperlukan. Batasan masalah dari simulasi ini adalah gelombang air yang datang datang bersifat tenang dan steady state.
PRE-PROCESSING
Kapal memiliki panjang 230 m, lebar 32 m, dan tinggi 17 m. Kapal memiliki draft 10.8 m. Domain simulasi akan dibagi menjadi 2, yang bawah air dan yang atas udara. Permukaan bawah kapal dan permukaan atas kapal diberi named selection berbeda agar kita bisa mengetahui masing-masing hambatan karena udara dan air.
Mesh yang digunakan merupakan polyhexcore mesh dan pada permukaan kapal diberi refinement berupa face sizing agar interface udara dan air lebih kelihatan.
SETUP
Pada general task page, aktifkan gravitasi. Gravitasi ini akan memengaruhi pola aliran air di sekitar permukaan kapal. Karena ini simulasi multifasa air dan udara, tambahkan liquid water pada materials.
Aktifkan multiphase model, karena ini simulasi steady state, gunakan implicit volume fraction parameter. Interface (pertemun antara air dan udara) pada simulasi kali ini bersifat sharp, artinya terdapat perbedaan jelas antara air dan udara. Aktifkan interfacial anti-diffusion untuk stabilitas numerik. Karena aliran air disini terekspos oleh atmosfer,maka ini termasuk open channel flow. Secara default, udara akan menjadi fasa primer dan air akan jadi fasa sekunder. Aktifkan surface tension modelling untuk memodelkan hubungan interface antara fase air dan udara. Surface tension coefficient air dan udara bernilai 0.072 N/m.
Pada simulasi ini terdapat dua inlet yaitu water inlet dan air inlet. Water inlet type berupa pressure inlet dan air inlet type berupa velocity inlet. Pada water inlet aktifkan open channel flow, karena free surface level tepat di koordinate (0,0,0) tidak perlu memasukkan angka pada free surface level. Kecepatan kapal ini 24 knots atau 46.65 m/s. Bottom level merupakan nilai terendah pada arah vertikal. Arah vertikal domain ini berada pada sumbu z, -71.55 m merupakan nilai terendah pada arah z.
Untuk mengetahui gaya hambat, buat force report definition dan arah gayanya ke sumbu x, lokasi gayanya di submerged wall (permukaan yang tercelup dengan air) dan ship wall (permukaan yang kontak dengan udara). Domain air initiliaze volume fraction 1.
POST-PROCESSING
Saat kondisi awal, water line pada permukaan kapal membentuk garis datar. Setelah dikalkulasi water line pada bagian depan sedikit mengalami kenaikan. Bentuk gelombang air yang terjadi dapat dilihat pada gambar 14. Besarnya gaya hambat karena angin sebesar 8.8 MN dan karena air sebesar 17 MN. Penjumlahan kedua gaya tersebut menjadi 28.6 MN. Total gaya hambatnya sebesar 51.6 MN (karena symmetry, hasil drag perlu dikali 2). Itu artinya gaya dorong yang dihasilkan propeller harus melebihi nilai gaya hambat total tersebut. Gambar 16 menunjukan distribusi tekanan pada midplane kapal. Dari grafik tersebut menunjukan bahwa gaya hambat didominasi karena air.
Referensi
Detail geometri kapal dan studi kasus dapat dilihat pada laman berikut : https://www.t2015.nmri.go.jp/kcs_gc.html
