Penulis: Riqy Rizqyandra – CAE Engineer PT Optimaxx Prima Teknik (2023)
PENDAHULUAN
Kapal selam merupakan sebuah transportasi yang bergerak di bawah permukaan laut. Bentuk dari badan kapal selam harus streamline agar meminimalisir gaya hambat ketika bergerak di air. Diperlukan untuk mengetahui berapa besar gaya hambat pada kecepatan tertentu untuk memilih propeller yang tepat.
Pada tulisan kali ini, penulis akan menunjukan bagaimana mensimulasikan gaya hambat kapal selam menggunakan fitur parametric. Parametric ini akan membantu kita membuat variable bebas dan terikat. Kecepatan sebagai variabel bebas dan gaya hambat sebagai variabel terikat. Tujuan utama dari simulasi ini adalah untuk mencari gaya hambat kapal selam dengan berbagai macam variasi kecepatan. Simulasi ini berdasarkan jurnal referensi di halaman paling bawah. Hasil simulasi akan dibandingkan dengan hasil eksperimen.
PRE-PROCESSING
Objek yang disimulasikan adalah kapal selam dari DARPA (Defense Advanced Research Project Agency). Kapal selam mempunyai panjang 4 m dan diameter 0.5 m. Domain berbentuk persegi panjang dengan ukuran seperti pada gambar 4. Domain persegi panjang tersebut dapat dibuat secara otomatis menggunakan Ansys Space Claim Design Modeller menggunakan fitur Enclosure. Di dalam domain dibuat lagi sub domain yang dinamakan Body Of Influence (BOI) berbentuk persegi panjang dengan ukuran seperti pada gambar 6. BOI ini dibuat saling overlap dengan domain fluida.
Domain ini akan dimesh menggunakan Fluent Meshing. Fungsi dari BOI ini adalah memperbanyak jumlah cell di sekitar kapal selam. Seluruh permukaan kapal selam juga diberi face sizing agar bisa memetakan viscous force lebih akurat. Hasil mesh bisa dilihat pada gambar 10, dimana terdapat perbedaan jelas daerah yang diberi BOI ukuran cellnya lebih kecil.
SETUP
Karena kapal selam bergerak di dalam air, maka perlu menambah water-liquid pada material. Water-liquid ini akan diassign pada cell zone condition. Properti (densitas&viskositas) dari water-liquid ini bisa diganti menjadi properti air laut. Pada bagian inlet, velocity magnitude diganti menjadi parametric input. Velocity inlet ini bisa kita variasikan. Pertama kapal selam akan disimulasikan dengan kecepatan 3 m/s sampai 9 m/s. Pada Workbench akan muncul tabel design point (gambar 14) yang bisa kita masukan variasi kecepatannya. Input drag force pada report definition, jadikan drag force tersebut sebagai output parameter.
POST-PROCESSING
Setelah semua design point selesai disimulasi, maka akan muncul tabel di Workbench seperti pada gambar 17. Kolom B merupakan input berupa kecepatan dan kolom C adalah output berupa drag force. Hasil tersebut dibuat grafik lalu dibandingkan dengan hasil eksperimen seperti pada gambar 18. Dari grafik tersebut menunjukan bahwa drag force berbanding lurus kuadrat kecepatan objek.
Terdapat dua jenis drag yaitu viscous drag dan pressure drag. Viscous drag diakibatkan oleh fluida yang bergesekan dengan permukaan benda. Nilai viscous drag ini sebanding dengan viskositas fluida. Pressure drag diakibatkan oleh perbedaan tekanan antara bagian depan dan belakang objek. Jika kita menggunakan force report (gambar 17) pada permukaan badan kapal selam didapatkan bahwa gaya hambat didominasi oleh viscous drag. Hal tersebut diakibatkan oleh bentuk kapal selam yang streamline. Benda streamline berfungsi untuk mengurangi gaya hambat akibat pressure drag.
Gambar 19 menunjukan distribusi tekanan pada permukaan kapal selam. Daerah merah menunjukan tekanan paling tinggi atau biasa disebut stagnation point. Stagnation point merupakan titik dimana fluida memiliki pressure energy paling besar akibat fluida bertumbuk dengan permukaan benda secara tegak lurus. Kinetic energy fluida dikonversi menjadi pressure energy. Stagnation point ini yang mengakibatkan terjadinya pressure drag.
Turbulent intensity didefinisikan sebagai ratio antara fluktuasi kecepatan fluida dengan kecepatan rata-rata fluida. Nilai turbulent intensity yang besar menunjukan level turbulent yang tinggi. Daerah yang memiliki turbulent yang tinggi disebut wake region. Wake region ini berisi pusaran fluida yang memiliki tekanan rendah. Karena bagian depan memiliki tekanan tinggi (stagnation point) dan daerah belakang tekanan rendah (wake region) maka akan menciptakan perbedaan tekanan sehingga menimbulkan pressure drag.
Referensi
Liu, H.-L.; Huang, T.T. Summary of DARPA SUBOFF Experimental Program Data; Naval Surface Warfare Center Carderock Division, Hydromechanics Directorate: West Bethesda, MD, USA, 1998.
