## ANALISA PENGARUH VARIASI KECEPATAN TERHADAP TEKANAN PADA MODEL KAPAL SELAM DENGAN MENGGUNAKAN SIMULASI NUMERIK

## Analysis of Speed Variation Effect on Submarine Model Pressure using Numerical Simulation
Ahmad Syafiul 1 , M. Ridwan Utina 2
1 Balai Teknologi Hidrodinamika BPPT, Surabaya
2 Pusat Teknologi Rekayasa Industri Maritim BPPT, Surabaya
Email: aaf2k3li@gmail.com
Diterima: 4 Agustus 2017; Direvisi: 28 September 2017; Disetujui: 12 Desember 2017

## Abstrak
Salah  satu  variabel  yang  berpengaruh  terhadap  aspek  hidrodinamik  kapal  selam  adalah  bentuk  badan kapal. Pengembangan bentuk kapal selam yang hidrodinamis dimulai dengan bentuk badan kapal yang streamline. Bentuk body yang streamline ini dapat mempengaruhi tahanan kapal. Dengan menggunakan perangkat  lunak  berbasis  numerik  dapat  dianalisa  pengaruh  variasi  laju  kecepatan  terhadap  variasi distribusi tekanan yang terjadi pada lambung kapal selam, arah aliran fluida saat kapal selam bergerak, streamline desain  kapal  selam.  Dalam  paper  ini  dilakukan  analisa  pengaruh  peruabahan  kecepatan terhadap salah satu komponen gaya tahanan kapal selam yakni pressure drag .
Kata kunci: kapal selam, tekanan, CFD, kecepatan, simulasi

## Abstract
One variable that affects the hydrodynamic aspects of submarines is the shape of the ship's  body. The development of a hydrodynamic submarine form begins with a streamlined ship shape. This stremaline body shape can affect vessel resistance. By using CFD-based software, it can be analyzed the effect of speed rate variations on variations in pressure distribution that occur in submarine hulls, direction of fluid  flow  when  moving  submarines,  streamline  submarine  design.  In  this  paper,  the  effect  of  speed changes on one component of the submarine resistance force is analyzed.
Keywords: submarine, pressure, CFD, velocity, simulation

## PENDAHULUAN
Penguasaan  teknologi  alutsista  khususnya  kapal selam  perlu  ditingkatkan  sehingga  mampu  untuk mereduksi  tingkat  ketergantungan  alutsista  buatan negara  asing.  Kapal  selam  merupakan  produk  alat utama  sistem  persenjataan  dengan  standar  kualitas
tinggi dan bernilai strategis (Utina, 2015).
Permasalahan dan tantangan pengembangan industri  kapal  selam  yang  padat  teknologi  perlu direspon  secepatnya  dengan  dukungan  dari  berbagai aspek bidang keilmuan. Untuk menjawab permasalahan  dan  tantangan  ini  dan  sejalan  dengan
Analisa Pengaruh Variasi Kecepatan terhadap Tekanan pada Model Kapal Selam dengan Menggunakan Simulasi Numerik
(Ahmad Syafiul, M. Ridwan Utina)
adanya  rencana  pengembangan  desain  kapal  selam secara  mandiri,  salah  satu  aspek  penting  yang  perlu dikaji  dalam  mendesain  kapal  selam  adalah  aspek hidrodinamika. Dalam paper ini, objek penelitian yang digunakan adalah jenis kapal selam kecil. Berdasarkan kondisi  geografis,  kapal  selam  kecil  ini  cocok  dan sangat dibutuhkan.
Computational  Fluid  Dynamic (CFD)  merupakan teknologi  komputasi  yang  dapat  digunakan  untuk mempelajari  aspek  dinamika  dari  benda-benda  atau zat-zat  yang  mengalir.  CFD  merupakan  ilmu  yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan  panas,  reaksi  kimia,  dan  fenomena lainnya
dengan
menyelesaikan persamaan- persamaan
matematika/model
matematika
(Tuakia, 2008). Aspek hidrodinamika yang akan dikaji dalam  paper  ini  adalah  analisa  terhadap  pengaruh kecepatan terhadap tekanan yang terjadi pada lambung kapal selam ( hull ). Adapun metode yang digunakan dalam menganalisa  adalah  dengan  menggunakan  metode numerik  berbasis  CFD.  Penggunaan  simulasi  numerik dapat  dilakukan  untuk  mendapatkan  perilaku  gerakan kapal  selam  dapat  membantu  memberikan  gambaran awal kinerja    dari suatu desain kapal selam. Selain itu suatu  simulasi  numerik  dari  gerakan  kapal  selam  juga dapat  memberikan  gambaran  perilaku  kapal  selam untuk  kondisi–kondisi  tertentu  seperti  pada  kasus  – kasus  ekstrim  karena  kasus  darurat  diluar  gerakan (manuver) normal (Nugroho, 2015).
Dengan  menggunakan  perangkat  lunak  ini,  dapat dianalisa  efek  hidrodinamika  yang  timbul  pada lambung  kapal  selam  seperti:  arah  aliran  fluida  saat kapal  selam  saat  bergerak, streamline desain  kapal selam,  dan  distribusi  tekanan  yang  terjadi  pada lambung  model  kapal  selam.  CFD  memungkinkan untuk  memprediksi  fenomena  aliran  yang  jauh  lebih kompleks  dengan  berbagai  tingkat  akurasi  antara  lain distribusi tekanan sepanjang badan model kapal selam, prediksi  tahanan  kekentalan,  visualisasi  aliran  dan analisa  pengaruh permukaan  bebas.  CFD  memberikan hasil  fisik  yang  realistik  dengan  akurasi  yang  baik pada  path  simulasi  dengan  grid  yang  berhingga. (Setiahardja, 2012).
Streamline adalah  garis–garis  yang  dibuat  atau digambar  searah  dengan  arah  aliran. Sehingga  dengan kondisi  variasi  kecepatan  yang  berbeda  dapat  terlihat perbedaan  bentuk  aliran  yang  terjadi pada  model  bodi kapal  selam  tersebut.  Dari  analisa  hidrodinamika
memnggunakan CFD yang berbasis pada penyelesaian permasalahan matematis hidrodinamik dengan menggunakan  metode numerik dapat digunakan untuk mengetahui  performa  hidrodinamika  dari desain  kapal selam.  Penggunaan  pemodelan  elemen  hingga  dapat digunakan untuk menghitung tegangan pada permukaan struktur
kapal/lambung kapal (Nugroho, 2016).

## TINJAUAN PUSTAKA
Ada  dua  jenis  tahanan  berbeda  yang  membentuk tahanan  total  dari  badan  kapal  selam  saat  menyelam, yaitu form  drag atau pressure  drag dan skin friction atau friction drag (lihat Gambar 1)

## Gambar 1. Komposisi tahanan yang terjadi pada badan kapal
selam
Adapun form  drag dan friction  drag dinyatakan dalam persamaan berikut :
(1)
(2)
(3)
dimana  P f dan  P r merupakan  tekanan  pada  bagian depan dan bagian belakang kapal.
Form  drag dapat  terjadi  karena  bentuk body dan tergantung pada flow separation point . Sedangkan skin friction terjadi  karena  adanya  gesekan  antara  fluida yang mengalir diseluruh permukaan body . Sebuah  benda  pejal streamline yang  bergerak  di dalam  fluida  cair  akan  mengalami  gaya  hambat  yang arahnya  berlawanan  dengan  arah  kecepatan  benda tersebut.  Gaya-gaya  ini  jika  diuraikan,  akan  terbagi menjadi  dua,  yaitu  gaya  normal  dan  gaya  tangensial. Gaya  normal  adalah  gaya  yang  arahnya  tegak  lurus dengan  elemen  luasan  dari  benda.  Sedangkan  gaya tangensial  yaitu  gaya  yang  arahnya  sejajar  dengan
elemen  luasan  benda.  Integrasi  dari  komponen  gaya normal  pada  setiap  elemen  luasan  akan  membentuk pressure  drag .  Gaya  tangensial  merupakan  tegangan geser  ( wall  shear )  yang  bekerja  pada  setiap  titik  di permukaan benda. Komponen tegangan geser di setiap elemen  luasan  tersebut  jika  diintegrasikan  akan membentuk skin friction . Pada dasarnya perbedaan tekanan pada permuakaan  bagian  depan  dan  belakang body kapal selam  menghasilkan pressure  drag . Form  drag atau pressure  drag adalah  gaya  dorong  yang  diakibatkan oleh  tekanan  yang  terjadi  karena  pergerakan  badan kapal selam di dalam medium fluida cair . Tekanan ini terjadi  pada  setiap  titik  sepanjang  permukaan  badan kapal  selam,  dan  nilainya  semakin  besar  pada  daerah ujung  depan  kapal  selam (nose) yang  merupakan  titik stagnasi  dari  bentuk streamline kapal  selam.  Tekanan akan  semakin  membesar  dan  mengecil  seiring perubahan  bentuk streamline dari  badan  kapal  selam sesuai  dengan  persamaan  Bernoulli,  pada  titik-titik  di mana  cairan  bergerak  lebih  cepat,  tekanannya  harus lebih  rendah.  Semakin  besar  kecepatannya,  semakin besar  gaya  angkat  yang  dihasilkan.  Karena  setiap cairan  bergerak  pada  kecepatan  tertentu,  akan  ada perbedaan  kecepatan.  Perbedaan-perbedaan  ini  akan menghasilkan  perbedaan  tekanan  yang  lebih  besar, sehingga  dapat  menghasilkan  daya  angkat.  Semakin besar  kecepatan  fluida,  semakin  besar  perbedaan tekanan yang terjadi. (Utina, 2016)

## METODE PENELITIAN
Gambari  model  kapal  selam  mini  dibuat  dengan menggunakan perangkat lunak Maxsurf berbasis CAD seperti terlihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Geometri kapal selam yang telah didesain dalam perangkat lunak Maxsurf
Kemudian  geometri  model  kapal  selam  mini dipindah  ke  dalam  perangkat  lunak  berbasis  numerik CFD.  Perlu  dilakukan  pemeriksaan  terlebih  dahulu terhadap  geometri  untuk  memastikan  bahwa  model tidak  mengalami  kerusakan/cacat  geometri  atau perubahan  bentuk  maupun  dimensi.  Apabila  telah dilakukan  pemeriksaan  geometri  dan  menunjukkan hasil bahwa gambar tidak sesuai dengan geometri awal maka  perlu  dilakukan  beberapa  pembenahan  desain dan penambahan parameter pada geometri kapal selam agar  bisa  dihitung  dengan  menggunakan  pendekatan numerik di CFD.

## a. Konfigurasi Modeling
Geometri  kapal  selam  yang  telah  dibenahi  dalam design  modeler dari  perangkat  lunak  CFD  memiliki bentuk  yang  ditampilkan  secara  isometrik  pada Gambar  3  dan  tampak  dua  dimensi  berupa  tampak depan  dan  tampak  samping  pada  Gambar  4  di  bawah ini:
Gambar 3. Tampak geometri kapal selam dalam perangkat lunak berbasis FEM
Gambar 4. Tampak 2-D model kapal selam dalam perangkat lunak CFD
Model  kapal  selam  yang  dibuat  seperti  yang terlihat  pada  Gambar  3  dan  Gambar  4  menggunakan
Analisa Pengaruh Variasi Kecepatan terhadap Tekanan pada Model Kapal Selam dengan Menggunakan Simulasi Numerik (Ahmad Syafiul, M. Ridwan Utina)
tipe full  surface ,  artinya  kapal  selam  hanya  digambar dalam  bentuk  kulit  terluarnya  saja  tanpa  ada  bagian yang  terbuka,  karena  analisa  yang  dilakukan  adalah analisa fluid  dynamics sehingga  tidak  diperlukan memodelikan  gambar  dalam  bentuk full  solid atau pejal secara keseluruhan.
Selain  gambar  utama  dalam  bentuk  3  dimensi, maka  agar  proses  simulasi  numerik  CFD  dapat dilakukan  dengan  baik  maka  diperlukan  data-data model  kapal  selam  seperti  data  utama  kapal  serta variasi  kecepatan  kapal  selam  yang  akan  digunakan dalam  proses  simulasi  numerik,  dimana  data-data tersebut ditunjukkan pada Tabel 1 di bawah ini:

## Tabel.1. Data dimensi kapal selam skala model
Parameter Magnitude Unit Kapal selam Displacement 22.63 Ton Kapal selam Length (Lwl) 12.730 M Kapal selam Diameter ( Ф ) 1.4983 M Kapal selam Draft (D) 1.450 M Water Density 1025 Ton/m^3 Volume 23.59 m^3 Surface Area 73.434 m^2 Velocity Variation 6;8;10;12;14 Knot Boundary Length (Lb) 70 M Boundary Beam (Bb) 12 M Boundary Height (Hb) 12 M
Setelah  geometri  model  kapal  selam  diperbaiki, maka dilakukan pemberian kondisi lingkungan berupa fluida  yang  menyelubungi  kapal  selam.  Fluida  yang menyelubungi kapal selam dimodelkan dengan bentuk kotak  seperti  yang  ditampilkan  pada  Gambar  5  di bawah ini:
Gambar 5. Dimensi fluida yang menyelubungi kapal selam beserta penempatan model kapal selam
b. Pengaturan Meshing Meshing merupakan  pembagian  objek  menjadi bagian-bagian  kecil,  hal  ini  dilakukan  dikarenakan proses  pemecahan  permasalahan  yang  digunakan  oleh
metode numerik berupa diskritisasi, dimana diskritisasi merupakan  cara  untuk  memecah  domain  atau  daerah perhitungan  menjadi  beberapa  daerah-daerah  kecil yang disebut grid, cell, atau mesh . Meshing Geometry model  kapal  selam  menggunakan  bentuk meshing Physics  Preference yang  berupa:  CFD.  Nilai Relevance yang  diberikan  adalah:  100.  Bentuk meshing yang  digunakan  berupa triangular .  Gambar hasil meshing model  kapal  selam  untuk  analisa  CFD ditampilkan  pada  Gambar  6  dan meshing keseluruhan pada  model  kapal  selam  beserta  fluida  ditampilkan pada Gambar 7.
Gambar 6. Meshing kapal selam skala model dengan jumlah elemen 105285
Gambar 7. Meshing kapal selam beserta fluida
Dalam  simulasi  CFD  ini,  dilakukan meshing pada kapal  selam  dengan  jumlah  elemen  105285  (lihat Gambar 6) dan pada fluida dimana pada daerah fluida yang  mendekati  dan  bersentuhan  dengan  kapal  selam memiliki  tingkat  kerapatan meshing yang  tinggi. Jumlah element yang terbentuk dari meshing ini adalah 351504 element sebagaimana pada Gambar 7.
40 m 30 m 6 m 70 m 6 m
Pada  analisa  fluida  CFD,  dilakukan meshing pada fluida dan kapal selam dimana pada daerah fluida yang mendekati  dan  bersentuhan  dengan  kapal  selam memiliki  tingkat  kerapatan meshing yang  tinggi. Jumlah  element  yang  terbentuk  dari  meshing  ini adalah 351504 element.

## Setup
Langkah Setup dalam pemodelan digunakan untuk mendefinisikan  dan  memasukkan  nilai  dan  parameter serta  batasan-batasan  ke  dalam  pemodelan  numerik CFD.  Untuk  batasan  masalah  dalam  pemodelan  CFD ini bahwa ada beberapa beban lingkungan seperti arus dan  gelombang  yang  diabaikan.  Untuk Input pembebanan dan boundary condition pada kapal selam adalah sebagai berikut:
Boundary Condition yang diberikan adalah berupa fluida  air  dengan  temperatur  25 0 C.  Jenis  analisa  yang digunakan  adalah steady  state . Boundary  condition yang terdapat pada Gambar 8  untuk tiap dinding pada simulasi kolam uji adalah sebagai berikut:
a = inlet , dengan nilai variasi kecepatan yang ditampilkan pada Tabel 2 b = outlet , dengan nilai tekanan 0 Pa c = wall Y+, dengan asumsi dinding terdapat gesekan yang sangat kecil d = wall Y-, dengan asumsi dinding terdapat gesekan yang sangat kecil e = bottom , dengan asumsi dinding bebas gesekan f = up , dengan asumsi dinding terbuka ( opening )
Gambar 8. Kondisi batas ( boundary condition)
Sedangkan  simulasi  dilakukan  pada  kondisi 5  variasi  kecepatan  mulai  dari  6 knots  sampai  dengan 14  knots  seperti  yang  terdapat  pada  Tabel  2  di  bawah ini:

## Tabel.2. Variasi kecepatan
No. Simulasi Kecepatan [Knot] 1 14 2 12 3 10 4 8 5 6

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Setelah dilakukan analisa numerik dengan menggunakan  perangkat  lunak  CFD,  maka  dari tiap-tiap  variasi  kecepatan  kapal  selam  dapat diperoleh:  gambar  pola  vektor  kecepatan,  pola  aliran steamline design, dan pola distribusi tekanan dinamis.
Gambar 9. Pressure distribution di selubung kapal selam pada kecepatan 14 knot. a) Tampak depan; b) Tampak belakang; c) Tampak atas; d) Tampak bawah
Gambar 10. Tampak isometri streamline kecepatan di sekitar kapal selam saat kecepatan 14 knot
Gambar 11. Tampak isometri vector kecepatan pada kapal selam saat kecepatan 14 knot
Dalam  paper  ini,  gambar  hanya  ditampilkan kecepatan  kecepatan  maksimum  kapal  selam  yakni 14  knot  maksimum  kapal  selam  yakni  14  knot  seperti yang  ditampilkan  pada  Gambar  9,  Gambar  10  dan Gambar 11.
Sedangkan  tekanan  maksimum  dan  tekanan minimum  dari  tiap-tiap  variasi  kecepatan  ditunjukkan
Analisa Pengaruh Variasi Kecepatan terhadap Tekanan pada Model Kapal Selam dengan Menggunakan Simulasi Numerik
(Ahmad Syafiul, M. Ridwan Utina)
dalam  bentuk  Tabel  3  dan  Tabel  4,  serta  grafik  pada Gambar 12 dan Gambar 13. Hasil dan pembahasannya adalah sebagai berikut:
Tabel 3. Nilai tekanan terbesar dan terkecil untuk 5 variasi kecepatan
Tabel 4. Perbedaan tekanan untuk 5 variasi kecepatan
kecepatan [Knot] Perbedaan Tekanan [Pa] 6 4463.4 8 7934 10 12554 12 17845
14
24292
Tekanan vs Kecepatan 9.19E+02 1.64E+03 2.516E+03 3.685E+03 5.018E+03 5.38E+03 9.57E+03 1.507E+04 2.153E+04 2.931E+04 0.00E+00 5.00E+03 1.00E+04 1.50E+04 2.00E+04 2.50E+04 3.00E+04 3.50E+04 4 6 8 10 12 14 16 Kecepatan [Knot] Te k a na n [P a ] Tekanan Minimum Tekanan Maksimum

## Gambar 12. Grafik tekanan minimum-tekanan maksimum terhadap kecepatan
Data  hasil  simulasi  numerik  untuk  5  variasi kecepatan  diperoleh  nilai  tekanan  minimum  dan tekanan  maksimum  yang  berubah  dan  berbeda  dari tiap-tiap kecepatan yang ada.
Dari  hasil  tersebut  dapat  diketahui  bahwa  pada titik  bagian  belakang body kapal  selam  dimana kecepatan  aliran  semakin  tinggi  maka  semakin  kecil
tekanan  yang  terjadi  sebaliknya  pada  bagian  depan terjadi  tekanan  maksimum  akibat  kecepatan  aliran rendah  sehingga  menyebabkan  tekanan  tinggi. Dengan  semakin  besar  kecepatan  aliran,  maka perbedaaan  tekenan  yang  terjadi  semakin  besar sebagai  mana  ditunjukkan  pada  pada  Tabel  4  dan Gambar 13 di bawah ini:
Jarak Nilai Tekanan Minimum-Maksimum vs Kecepatan 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 4 6 8 10 12 14 16 Kecepatan [Knot] Jarak Nilai Tekanan Minimum-Ma ksimum [Pa]
Gambar 13. Grafik jarak antara nilai tekanan maksimum dan tekanan minimum terhadap kecepatan

## KESIMPULAN
Dari  hasil  pemodelan  numerik  CFD  dapat diketahui nilai tekanan maksimum dan minimum yang terjadi  di  sepanjang  kapal  selam  terhadap  variasi kecepatan,  dapat  diperoleh  pula  kontur/pola  sebaran distribusi tekanan pada kapal selam, dari hasil tersebut dapat  diketahui  bahwa  semakin  besar  kecepatan  yang ditempuh  kapal  selam  maka  semakin  besar  pula perbedaan  tekanan  yang  terjadi  pada  lambung  kapal selam.

## DAFTAR PUSTAKA
Nugroho,  Wibowo  H.  (2015). Desain  Manual Perangkat Lunak Gerak Bawah Air Kapal Selam, Studi Simulasi Numerik Gerak Bawah Air Kapal Selam . UPT – BPPH, Surabaya.
Nugroho,  Wibowo  H.  dan  Mujahid,  Ahmad  Syafiul.
(2016). Prediksi Umur Kelelahan Struktur Badan Tekan  Kapal  Selam  Karena  Pengulangan Perubahan  Beban  Hidrostatik .  Majalah  Ilmiah
Pengkajian Industri Vol. 9 (3): 105-174. Setiahardja,  Teddy  S.  dan  Utina,  Ridwan  M.  (2012).
Rancang  Bangun  dan  Uji  Hidrodinamika  Sistem Propulsi  Torpedo  –  Metoda  dan  Pengujian
Vasiasi Kecepatan Tekanan Minimum Tekanan Maksimum [Knot] [Pa] [Pa] 6 9.186E+02 5.382E+03 8 1.635E+03 9.569E+03 10 2.516E+03 1.507E+04 12 3.685E+03 2.153E+04 14 5.018E+03 2.931E+04
Tahanan  Model  Torpedo .  Wave:Jurnal  Ilmiah Teknologi Maritim, Vol. 6 (2): 64-70 . Tuakia,  Firman.  (2008). Dasar  -  Dasar  CFD
Menggunakan Fluent . Bandung: Penerbit Informatika.
Utina,  M.  Ridwan.  (2015). Teknologi  Clearing  House dan  Audit  Teknologi  Hidrodinamika  Kapal
Perang Nasional . UPT – BPPH, Surabaya.
Utina,  M.  Ridwan,  Syafiul,  A.,  dan  Ali,  Baharuddin.
(2016). Numerical and Experiment Investigation of  Lift  Performance  Over  Hydroplane  of Submarine. Journal of Subsea and Offshore, Vol. 5: 1-16.
Analisa Pengaruh Variasi Kecepatan terhadap Tekanan pada Model Kapal Selam dengan Menggunakan Simulasi Numerik
(Ahmad Syafiul, M. Ridwan Utina)
Halaman kosong