Analisis Numerik Aliran Fluida pada Kapa

CFD MESIN USU

Analisis Numerik Aliran Fluida pada Kapal Selam Tanpa dan Dengan Dua Bentuk
I. Pendahuluan

inilah yang menjadi permasalahan yang akan
Sirip Yang Berbeda

dianalisis.
Billy Emkel Gudsanov (NIM : 120401122)
Pada
permasalahan
ini,
digunakan
Kapal selam adalah
kendaraan
yang
Email
: BillyEmkelGudsanov@gmail.com
perangkat lunak CFD untuk melakukan analisis
beroperasi di bawah permukaan laut, biasanya

dan simulasi aliran fluida. Perangkat lunak yang
digunakan
untuk
kepentingan
militer,
danUniversitas Sumatera Utara, Medan, Indonesia
Departemen
Teknik
Mesin Fakultas
Teknik
digunakan adalah ANSYS FLUENT.
sebagian lagi dilakukan untuk observasi bawah
Tujuan dari tugas ini antara lain adalah : (1)
laut.
Abstrak,
Untuk mengetahui pengaruh sirip pada kapal
Pada kapal
selam terdapat
sailkuliah “Metode Perhitungan Dinamika Fluida”. Pada
Tugas

ini merupakan
tugas rudder
terakhirdan
mata
selam, (2) Untuk mengetahui desain dan posisi
planes
yang berfungsi
untuk
mengubah
haluan
tugas
ini dilakukan
analisis
aliran
fluida yang
terjadi pada kapal selam. Dengan membandingkan hasil
sirip yang lebih baik untuk kapal selam, (3)
kapal
Rudder
mengubah

antara
kapalselam.
selam yang
tidakberfungsi
menggunakan
sirip dan kapal selam yang menggunakan sirip. Tujuannya
Mengetahui kontur tekanan, gaya, dan
secarakeuntungan
horizontal menggunakan
dan
jugahaluan
untuk kapal
mencariselam
tau, apakah
sirip ini, dan desain posisi sirip yang lebih
kecepatan fluida pada kapal selam, (4) Melatih
terletak
dibagian
belakang kapal
selam dan

baik.
Parameter
yang menentukan
perbandingan
dalam analisis ini adalah besarnya gaya tahanan yang
diri menggunakan Software CFD dan Software
biasanya
terpasang
vertikal.
Sedangkan
terjadi
pada kapal
selam akibat
tahanan
air laut. sail
Semakin kecil gaya tahanan yang dialami, maka semakin
Desain
Modelling
untuk
menghadapi

merupakan
yang
terpasang
pada kestabilan
sail
baikplanes
pula desain
kapalsirip
selam
tersebut.
Tingkat
kapal selam juga diperhitungkan dalam analisis
permasalahan engineering yang lebih kompleks.
kapal selam)
yang berfungsi
mengubah
ini, (kepala
yaitu dengan
menghitung
gaya yang

bekerja pada arah horizontal (kiri/kanan) dan arah vertikal
haluan kapal
arah vertikal, sail
(atas/bawah)
yang selam
dialamidalam
kapal selam/
II. Perumusan Masalah
planes
inilahmendesain
yang membantu
kapal selam
untuk aplikasi Software “SOLIDWORK” , desain kapal
Dalam
kapal selam
ini, digunakan
manuju
ke sendiri
permukaan
ataupun

menuju
dasar 88.55 m; diameter lambung maksimum yaitu 8.41 m;
selam
dibentuk
dengan
panjang
body depan
Sebelum dilakuan analisis,
dilakukan
Tetapibody
pada belakang
beberapa kapal
selam,
didesain
danlaut.
panjang
6.81 m;
dengan
posisi rudder diagonal sebanyak empat rudder. Proses
modelling

kapal
selam
menggunakan
sirip tambahan
membantu
kapalsoftware
untuk “ANSYS FLUENT” pada aliran turbulent.
analisisnya
dilakukanyang
dengan
menggunakan
SOLIDWORK sebagai bahan uji. Berikut
bermanufer, sirip tambahan ini biasanya
beberapa model kapal selam yang akan diuji :
dipasang pada body depan kapal selam,
pengaruh pemasangan sirip dan desain sirip

CFD MESIN USU

BILLY EMKEL GUDSANOV

CFD MESIN USU

Untuk merealisasikannya fluida akan
dialirkan ke arah depan dari kapal selam melalui
boundary inlet menuju ke bagian belakang kapal
selam menuju boundary outlet. Aliran fluida
yang mengalir merupakan aliran turbulent ,

Gambar 1: Kapal Selam Tanpa Sirip

lebih tepatnya digunakan model turbulent komega yang biasanya digunakan untuk analisis
di dalam laut.
Dengan

dilakukannya

perhitungan

menggunakan turbulent model k-omega, maka

persamaan yang akan dianalisis adalah sebagai
Gambar 2 : Kapal Selam Sirip Type 1

berikut :
1. Standard

(Wilcox)

k–ω

turbulence

model
∂
∂
∂
∂k
( ρk ) +
ρkui )=
Γk

+G k −Y k + Sk
(
∂t
∂ xi
∂ xj
∂ xj

(

)

Dan
∂
∂
∂
∂ω
( ρω ) +
ρωui )=
Γω
+ Gω−Y ω + Sω
(
∂t
∂ xi
∂ xj
∂x j

(

)

Gambar 3 : Kapal Selam Sirip Type 2

2. Drag Force Equation
Dalam analisa ini dilakukan simulasi
kapal selam yang melaju dengan kecepatan 15
m/s

di

kedalaman

500

meter

1
F D = . ρu2 .C D . A
2

dibawah

permukaan laut. Pada kedalaman 500 m ini,

Inlet dan outlet dibentuk menggunakan

kapal selam mengalami tekanan sebesar 50 atm

enclosure yang berbentuk tabung (silinder)

atau sekitar 5066250 Pascal. Data fluida yang

dengan ukuran Radius 10 m ; jarak permukaan

digunakan berupa densitas air laut yaitu sebesar

depan 20 m; dan jarak permukaan belakang 70

1027 kg/m³ dengan viskositas 0.00141 Ns/m².

m. Dengan kata lain enclosure sebagai media

CFD MESIN USU

BILLY EMKEL GUDSANOV

CFD MESIN USU

tempat

fluida

perhitungan

dialirkan

simulasi.

untuk

melakukan

Berikut

merupakan

gambar enclosure yang telah dilakukan pada
kapal selam. Untuk lebih detail nya dapat dilihat
pada gambar berikut :
Gambar 6 : Enclosure kapal selam sirip type 1

Gambar 7: Enclosure kapal selam sirip Type 2
III. Metode Numerik
Gambar : 4 Detail Enclosure

Terlebih dahulu dilakukan mesh terhadap
model

Berikut merupakan hasil dari Enclosure :

kapal

selam

sebelum

dilakukan

perhitungan dan analisis menggunakan fluent.
Berikut detail dari mesh yang diaplikasikan :

Gambar 5 : Enclosure kapal selam tanpa sirip

CFD MESIN USU

BILLY EMKEL GUDSANOV

CFD MESIN USU

Gambar 9 : Mesh kapal selam tanpa sirip

Gambar 10 : Mesh kapal selam sirip Type 1

Gambar 11: Mesh kapal selam sirip Type 2
Setelah melakukan meshing kemudian
dilanjutkan dengan ananlisis menggunakan
ANSYS FLUENT. Aliran fluida yang digunakan
dalam analisis merupakan aliran turbulent
dengan model k-omega. Model aliran turbulent
k –omega yang dipilih merupakan model aliran
Gambar 8 : Meshing Details

k-omega standar untuk analisa dibawah
permukaan laut.

Dengan detail meshing seperti gambar
diatas, maka hasil meshing sebagai berikut :

CFD MESIN USU

BILLY EMKEL GUDSANOV

CFD MESIN USU

Gambar 13: Pengaturan Fluida
Material solid sebagai material penyusun
kapal selam yang digunakan adalah titanium
dengan spesfikasi kerapatan sebesar 4850
Gambar 12 : Model Turbulen k-omega

kg/m³. Berikut merupakan spesifikasi Titanium
yang digunakan.

Material

fluida

yang

digunakan

merupakan material air laut dengan kerapatan
1027 kg/m³ pada kedalaman 500 m dengan
asumsi suhu 10°C ,dengan demikian didapatkan
nilai viskositas sebesar 0.00141 Ns/m².

Gambar : 14 Pengaturan Solid

CFD MESIN USU

BILLY EMKEL GUDSANOV

CFD MESIN USU

Intensitas turbulent yang digunakan adalah 5%

vertikal (sumbu z) adalah sebesar 1152699.102

dan viskositas rasio 10. Dengan kecepatan inlet

N berupa gaya ke atas. Dengan koefisien drag

sebesar 15m/s.

force = 0.0168

Metode perhitungan yang dilakukan
menggunakan metode Coupled dengan Gradient
: Least Squares Cell Based ; Pressure : Body

2. Hasil Simulasi Kapal Selam Dengan
Sirip Type 1
Dengan menggunakan Function Kalkulator

Force Weighted; Momentum : Third-Order

pada CFD-Post diketahui luas permukaan kapal

MUSCL; Turbulent Kinetic Energy : Third-

selam adalah sebesar 4154.856 m². Gaya

Order MUSCL; dan Specific Dissipation Rare :

hambat (dalam arah y) yang dialami kapal selam

Third-Order MUSCL. Dalam perhitungan

adalah sebesar 7941910 N; Gaya yang dialami

dilakukan iterasi sebanyak 200 kali.

kapal selam dalam arah horizontal (sumbu x)
adalah sebesar 651500,02 N dari arah kiri kapal

IV. Hasil Dan Diskusi

selam; Gaya yang dialami kapal selam dari arah
vertikal (sumbu z) adalah sebesar 875519 N

Setelah dilakukan iterasi sebanyak 200
kali, maka didapatkanlah hasil berupa besarnya
gaya yang diterima oleh kapal selam, kontur
tekanan yang dialami kapal selam, dan juga

berupa gaya ke bawah. Dengan koefisien drag
force = 0.0165
3. Hasil Simulasi Kapal Selam Dengan
Sirip Type 2

kontur dan vector kecepatan yang dialami kapal

Dengan menggunakan Function Kalkulator

selam. Berikut merupakan hasil dari analisa

pada CFD-Post diketahui luas permukaan kapal

yang dilakukan dengan menggunakan Software

selam adalah sebesar 4153.389 m². Gaya

ANSYS FLUENT.

hambat (dalam arah y) yang dialami kapal selam

1. Hasil Simulasi Kapal Selam Tanpa Sirip

adalah sebesar 8350160 N; Gaya yang dialami

Dengan menggunakan Function Kalkulator

kapal selam dalam arah horizontal (sumbu x)

pada CFD-Post diketahui luas permukaan kapal

adalah sebesar 1501373.1 N dari arah kanan

selam adalah sebesar 3896.2418 m². Gaya

kapal selam; Gaya yang dialami kapal selam

hambat (dalam arah y) yang dialami kapal selam

dari arah vertikal (sumbu z) adalah sebesar

adalah sebesar 7567600 N; Gaya yang dialami

987976 N berupa gaya ke bawah. Dengan

kapal selam dalam arah horizontal ( sumbu x)

koefisien drag force = 0.0174

adalah sebesar 2222948.8 N dari arah kiri kapal
selam; Gaya yang dialami kapal selam dari arah
CFD MESIN USU

BILLY EMKEL GUDSANOV

CFD MESIN USU

.

Gambar 15 : Kontur tekanan pada kapal selam tanpa sirip

CFD MESIN USU

BILLY EMKEL GUDSANOV

CFD MESIN USU

Gambar 17: Kontur kecepatan fluida pada kapal selam tanpa sirip

Gambar 16 : Kontur Gaya pada kapal selam tanpa sirip

CFD MESIN USU

BILLY EMKEL GUDSANOV

CFD MESIN USU

Gambar 19 : Kontur tekanan pada kapal selam dengan sirip Type 1

Gambar 18 : Streamline pada kapal selam tanpa sirip.

CFD MESIN USU

BILLY EMKEL GUDSANOV

CFD MESIN USU

Gambar 20 : Kontur Gaya pada kapal selam dengan sirip Type 1

CFD MESIN USU

BILLY EMKEL GUDSANOV

CFD MESIN USU

Gambar 21: Kontur kecepatan fluida pada kapal dengan sirip Type 1

Gambar 22 : Streamline pada kapal selam dengan sirip Type 1

CFD MESIN USU

BILLY EMKEL GUDSANOV

CFD MESIN USU

Gambar 23 : Kontur tekanan pada kapal selam dengan sirip Type 2

CFD MESIN USU

BILLY EMKEL GUDSANOV

CFD MESIN USU

Gambar 24: Kontur Gaya pada kapal selam dengan sirip Type 2

Gambar 25 : Kontur kecepatan fluida pada kapal dengan sirip Type 2

CFD MESIN USU

BILLY EMKEL GUDSANOV

CFD MESIN USU

Gambar 26 : Streamline pada kapal selam dengan sirip Type 2

V. Kesimpulan
Pada tugas ini telah dilakukan analisis
aliran fluida, gaya, dan tekanan pada kapal
selam tanpa sirip dan dengan dua sirip yang
berbeda.
Dari simulasi kapal selam tanpa sirip,
dengan sirip Type 1 dan dengan sirip Type 2,
diketahui bahwa luas permukaan terbesar yaitu
pada kapal selam dengan sirip Type 1. Hal ini
dikarenakan ukuran sirip yang besar pada Type
1, sehingga otomatis luas permukaan juga
bertambah.
Untuk Gaya Hambat yang terjadi saat
kapal selam melaju, kapal selam tanpa sirip
merupakan desain terbaik, karena memiliki
Gaya hambat yang paling kecil. Sedangkan
kapal selam sirip Type 2 merupakan yang
terburuk karena memiliki gaya hambat terbesar.

CFD MESIN USU

BILLY EMKEL GUDSANOV

CFD MESIN USU

Untuk gaya yang terjadi pada arah kiri
dan kanan kapal selam, kapal selam sirip Type 1

[1]. Barrass, Bryan and Derrett, D.R. 2006.

merupakan yang terbaik, karena gaya yang

Ship Stability for Master and Mates.

terjadi paling kecil dibanding kapal selam

Great Britain: ElSevier.

lainnya yaitu gaya yang mendorong kapal selam

[2]. Daniel, R. J. 1983. Considerations

ke arah kiri sehingga dapat disimpulkan kapal

Influencing Submarine Design, Paper

selam sirip Type 1 lebih stabil. Sedangkan kapal

1, Int. Symp. on Naval Submarines,

selam tanpa sirip merupakan yang terburuk

RINA, London.

karena gaya yang terjadi sangat besar dari arah

[3]. Goggins, David A. 2001. Response

kiri, sehingga dapat disimpulkan kapal selam

surface methods applied to submarine

tanpa sirip sangat tidak stabil.

concept exploration. University of

Untuk gaya arah vertikal (angkat -

California, Berkeley.

turun), kapal selam dengan sirip Type 1
merupakan yang terbaik, karena gaya yang
terjadi paling kecil yaitu berupa gaya tekan ke
bawah sehingga kapal selam sirip Type 1 lebih
stabil. Sedangkan kapal selam tanpa sirip
merupakan yang terburuk karena mengalami
gaya terbesar yaitu berupa gaya ke atas,
sehingga dapat disimpulkan kapal selam tanpa
sirip sangat tidak stabil.
Dari beberapa pernyataan diatas dapat
disimpulkan

bahwa

kapal

selam

dengan

menggunakan sirip Type 1 merupakan desain
terbaik

dibandingkan

dua

desain

lainnya.

Karena berdasarkan hasil, kapal selam sirip
Type 1 lebih stabil saat bergerak dibawah
permukaan laut serta memiliki koefisien drag
force paling kecil.
Daftar Pustaka
CFD MESIN USU

BILLY EMKEL GUDSANOV