eISSN: 2721-5717; pISSN: 2747-2124 https://journal.unhas.ac.id/index.php/zonalaut

## ZONA LAUT

## JURNAL INOVASI SAINS DAN TEKNOLOGI KELAUTAN
-spasi -Times New Roman 11 Italic- -spasi -Times New Roman 11 Italic-

## ANALISIS PERBANDINGAN KINERJA DRAG FORCE DAN LIFT FORCE ANTARA RUDDER KONVENSIONAL DAN RUDDER FISH TAIL DENGAN MENGGUNAKAN CFD
-spasi-Times New Roman 11 Italic- -spasi-Times New Roman 11 Italic- *Abrari Noor Hasmi 1) , Alamsyah 2) dan Asram Dio Pratama 2)
1) Jurusan Matematika dan Teknologi Informasi Institut Teknologi Kalimantan
2) Program Studi Teknik Perkapalan Institut Teknologi Kalimantan *abrari@lecturer.itk.ac.id
-spasi-Times New Roman 11 Italic- -spasi-Times New Roman 11 Italic-

## Abstrak
Rudder adalah perangkat untuk mengubah arah kapal dengan mengubah arah arus air yang mengakibatkan manuver pada kapal.  R udder ditempatkan  diujung  belakang  lambung  kapal/  buritan  belakang  baling-baling.  Jenis  umumnya  banyak dipakai adalah tipe konvensional namun adapun jenis rudder selain jenis konvesional, yaitu jenis fishtail. Penelitian ini bertujuan  untuk  menganalisa  perbedaan  performa  antara rudder konvensional  dan rudder fishtail terhadap  nilai Drag Force dan Lift  Force . Metode  yang  digunakan  adalah  persamaan Clark dengan  bantuan  aplikasi  berbasis CFD untuk mengetahui performa yang dihasilkan pada saat kapal Drag Force dan Lift Force dengan memvariasikan sudut belok 5°, 10° dan 35°. Hasil penelitian didapatkan rudder konvensional memiliki tingkat keefektivitas drag force dan coefficient drag yang lebih baik dibandingkan rudder fish tail, sedangkan pada rudder fish tail memiliki tingkat memiliki tingkat keefektivitas lift force dan coefficient lift yang lebih baik dibandingkan rudder konvensional. i- Times New Roman 11 Itali Kata Kunci: Rudder , Konvesional, Fishtail, CFD. pasi-Times New Roman 11 Italic- -spasi-Times New Roman 11 Italic-

## Abstract
Rudder is a device for changing the direction of  a ship by changing the direction of the air currents which results in maneuvering  the  ship.  Rudder  is  placed  at  the  rear  end of  the  hull of  the  ship  /  stern  behind  the  propeller.  The  most commonly used type is the conventional type. But as for the type of rudder in addition to the conventional type, namely the type of fishtail. This study head to analyze the difference in performance between conventional rudder and fishtail rudder on the value of Drag Force and Lift Force. The method used is the Clark's equation with the help of CFD-based applications  to  determine  the  performance  generated  at  the  time  of  Drag  Force  and  Lift  Force  ships  by  varying  the turning  angle  of  0°,5°,  10°  and  35°.  The  results  showed  that  conventional  rudder  has  a  better  level  of  drag  force effectiveness and drag coefficient than fish tail rudder, meanwhile, fish tail rudder has a level of effectiveness of lift force and lift coefficient which is better than conventional rudder.
-spasi-Times New Roman 11 Italic- Keyword: Rudder, Conventional, Fishtail, CFD. -spasi-Times New Roman 11 Italic- -spasi-Times New Roman 11 Italic- 1. PENDAHULAN
Kemudi  ( rudder )  adalah  perangkat  untuk  mengubah  arah  kapal  dengan  mengubah  arah  arus  air  yang mengakibatkan  perubahan  arah  kapal.  Rudder  ditempatkan  diujung  belakang  lambung  kapal  /  buritan  di belakang baling-baling, yang dapat digerakkan secara mekanis atau hidrolik. Penempatan Rudder di belakang propeler, dimaksudkan agar arus yang ditimbulkan propeler dapat dimanfaatkan oleh kemudi untuk mengubah gaya yang bekerja pada kapal menjadi lebih baik. Karena pentingnya peranan rudder dalam menjalankan kapal maka diatur dalam Konvensi Internasional SOLAS dalam Bab II-1.
Jenis Rudder yang umumnya banyak dipakai adalah tipe konvensional. Tipe ini terdapat pada banyak jenis kapal mulai jenis kapal dagang (merchant ship) sampai ke kapal perang. kontruksi  daun kemudi nya terdiri dari lembaran berganda dimana kedua ujungnya dihubungkan satu sama lain sehingga didalamnya terbentuk rongga. Selain itu terdapat pula jenis rudder fishtail [1], yaitu rudder dengan area tambahan di bagian tengah ekor  kemudi.  Rudder  fishtail  sangat  jarang  dipakai  dan  juga  sangat  sedikit  penelitian  yang  meneliti  profil fishtail oleh tes eksperimental. Koefisien pengangkatan desain kemudi harus ditentukan terlebih dahulu dengan menggunakan komputasi dinamis fluida (CFD).
Pada penelitian ini akan dijelaskan perbandingan pada jenis rudder konvensional dan jenis rudder fishtail untuk menganalisa perbedaan performa yang dihasilkan pada saat kapal sedang melakukan manuver. Pada metode kali  ini  akan  menggunakan  aplikasi  software  CFD  (Computational  Fluid  Dynamic),  aplikasi  ini  akan memberikan  gambaran  mengenai  distribusi  fluida  yang  terjadi  dengan  kondisi  serta  variasi  yang  telah ditentukan dan performa yang dihasilkan pada saat kapal Drag Force dan Lift Force .Tidak ada sub bab dalam pendahuluan.

## 2. METODE
Secara  prinsip,  motor  penggerak  kemudi  kapal  sangat  dipengaruhi  oleh  perancangan,  sistem  propulsi  dan sistem kemudi. Sejumlah elemen tersebut secara langsung memberi pengaruh terhadap gaya-gaya dan momen hidrodinamika  yang  bekerja  pada  daun  kemudi.  Ketika  kapal  bergerak  dengan  kecepatan  tertentu (U)  pada aliran bebas ada beberapa gaya  yang bekerja, antara lain tahanan kapal, dan gaya dorong kapal [2]. Aliran fluida pada lambung kapal yang tercelup air sebelum mengenai daun rudder pada dasarnya adalah simetris. Arah kapal tidak berubah karena aliran yang dihasilkan saling menyeimbangkan satu sama lain. Oleh karena itu untuk merubah arah kapal dibutuhkan gaya tambahan, yaitu gaya pada daun kemudi. Dengan adanya daun kemudi yang membentuk arah fluida dengan sudut α pada kecepatan yang konstan maka muncullah gaya pada daun kemudi yang tidak simetris. Gaya ini disebut gaya rudder , gaya inilah yang  menyebabkan perubahan arah haluan kapal.
Gaya rudder merupakan resultan dari drag force dan lift force [3]. Istilah lift digunakan pada analisa gaya ke atas  suatu  foil  aerodynamic,  maka  dari  itu  dinamakan  gaya  lift  (angkat)  sebab  umumnya  foil  aerodynamic digunakan untuk mengangkat pesawat. Namun istilah lift force juga digunakan pada menganalisa gaya suatu foil rudder untuk membelokkan kapal ke arah samping. Sedangkan drag force merupakan gaya pada rudder yang arahnya berlawanan dengan arah laju kapal seperti pada Gambar 1:
Gambar 1. Gaya yang bekerja pada rudder [3]
Dari gambar di atas besarnya lift force dan drag force yang terjadi dapat dirumuskan sebagai berikut [3]:
𝐶 𝐷 = 𝐷 (ρ/2)A𝑈 2 (1)
𝐶 𝐿 = 𝐿 (ρ/2)A𝑈 2 (2)
Dimana 𝜌 𝐹 adalah  densitas fluida, A menyatakan  luas  penampang  rudder,  sedangkan 𝐿 dan 𝐷 menyatakan gaya lift dan drag secara  berturut-turut.    Notasi 𝑈 menyimbolkan  kecepatan  fluida,  sedangkan 𝐶 𝐷 dan 𝐶 𝐿 secara berturut-turut menyatakan koefisien drag dan lift .
Berdasarkan “ RULES FOR HULL ” Vol. II, Biro Klasifikasi Indonesia (BKI)[4] dimensi rudder pada Gambar 2 .

## Gambar 2. Dimensi Rudder [4]
Dalam tahap awal untuk meninjau pengaruh bentuk daun kemudi terhadap koefisien lift dan aliran air di area sekitar daun kemudi serta pengaruhya terhadap hambatan pada kapal tongkang minyak menggunakan metode Computational  Fluid  Dynamic .  Langkah  pertama  yang  perlu  dilakukan  adalah  melakukan  analisis  yang bertujuan untuk mengaplikasikan dimensi daun kemudi sesuai dengan data yang telah diperoleh di lapangan sehingga dapat mendesain daun kemudi dalam bentuk 3D untuk daun kemudi dan data yang dapat diperoleh pada website airfoils untuk mendesain daun kemudi tipe konvensional. Untuk mempermudah proses desain model awal, proses ini dilakukan dengan menggunakan software Autocad 3D . Desain surface dari model daun kemudi yang telah terbentuk dari software Autocad 3D dapat langsung di import ke software analisis CFD seperti gambar berikut:
Gambar 3: Model 2D Rudder
Adapun principal dimension pada tabel 1 dan dari NACA 0018 dan rudder fishtail sebagai berikut:
Tabel 1. Ukurran utama Rudder NACA 0018 dan Fishtail Komponen Komponen NACA 0018 Fishtail satuan A Luas penampang rudder 2.745 5.796 𝑐𝑚 2 c Lebar rudder 3 3 cm b Tinggi rudder 14 14 cm X1 Lebar bagian bawah rudder 2.5 3 cm X2 Lebar bagian atas rudder 3 3 cm
Setelah model rudder yang telah dibuat dan membuat variasinya maka langkah selanjutnya adalah melakukan simulasi CFD . Dalam setiap variasinya rudder membentuk sudut 5°, 15°, 25°, dan 35° searah jarum jam. Hasil simulasi yang dapat diambil adalah adanya drag force, lift force. Setelah itu menentukan boundary conditions . Boundary  conditions merupakan  batasan  –  batasan  yang  digunakan  pada  suatu  simulasi.  Secara  umum boundary condition terdiri dari dua macam, inlet dan oulet . Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki domain ( control volume ) yang ditentukan. Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini  mulai  dari  kecepatan,  komposisi,  temperatur,  tekanan,  laju  aliran.  Sedangkan  pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD . Pada penelitian ini, penulis menggunakan bentuk / tipe mesh otomatis ( tetrahedron ). Bentuk mesh tersebut dipilih karena dapat menghasilkan jumlah meshing yang paling banyak dari pada tipe mesh yang lain terhadap benda yang tidak beraturan, sehingga hasil analisis yang diperoleh tentu akan semakin akurat. Pada penelitian ini, penulis mengatur ukuran mesh dengan konfigurasi element size sebesar 3 cm, seperti gambar berikut:
Gambar 5: Hasil Meshing dari aplikasi software CFD
sehingga dihasilkan jumlah nodes sebanyak 46712 dan jumlah elements sebanyak 260128.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Setelah  melalui  tahap pre-processing dan  setelah  selesai  menunggu running pada  proses solver ,  tahap selanjutnya adalah proses post processor . Pada tahap ini menyajikan berbagai macam hasil simulasi seperti water pressure , water velocity , geometry pressure , dan lain – lain. Pada penelitian ini, data hasil simulasi yang akan diolah dan dianalisis adalah fenomena tekanan yang terjadi pada fluida di sekitar daun kemudi sehingga diperoleh  gaya  -  gaya  yang  bekerja  seperti drag  force dan lift  force .  Berikut  merupakan  salah  satu  hasil visualisasi kontur dari beberapa variasi sudut antara model daun kemudi NACA 0018 dan daun kemudi fish tail menggunakan metode CFD sebagai berikut:
Gambar 6. hasil Distribusi tekanan pada rudder konvensional dan fishtail
Distribusi tekanan daun kemudi Naca 0018 dengan pada sudut 0˚ yaitu memiliki tekanan range -7923 N/m 2 – 4853 N/m 2 , pada sudut 5˚ memiliki tekanan dengan range -8354 N/m 2 – 5394 N/m 2 , pada sudut 10˚ memiliki tekanan dengan range -9212 N/m 2 – 2042 N/m 2 , pada sudut 35˚ memiliki tekanan dengan range -3082 N/m 2 – 6044 N/m 2 . Sedangkan distribusi tekanan daun kemudi Fishtail dengan sudut 0˚ yaitu memiliki tekanan dengan range range - 3.447 N/m 2 – 6.565 N/m 2 , pada sudut 5˚ yaitu memiliki tekanan dengan range -3.923 N/m 2 – 7.091 N/m 2 , pada sudut 10˚ yaitu memiliki tekanan dengan range -5.408 N/m 2 – 6.126 N/m 2 , pada sudut 35˚ yaitu memiliki tekanan dengan range -1.035 N/m 2 – 7.180 N/m 2 . Setelah didapat distribusi tekanan didapatkan pula distribusi kecepatan seperti salah satu contoh gambar berikut:
Gambar 7.  Hasil Distribusi kecepatan pada rudder konvensional dan fishtail
Distribusi kecepatan daun kemudi Naca 0018 dengan pada sudut 0˚ memiliki range 0.000 m/s – 1,381 m/s , pada sudut 5˚ memiliki range 0.000 m/s – 1,041 m/s , pada sudut 10˚ memiliki range 0.000 m/s – 9.811 m/s , pada sudut 35˚ memiliki range 0.000 m/s – 2.459 m/s . Sedangkan distribusi kecepatan daun kemudi Fishtail dengan sudut 0˚ yaitu memiliki range 0.000 m/s – 1,002 m/s, pada sudut 5˚ yaitu memiliki range 0.000 m/s – 1,077 m/s, pada sudut 10˚ yaitu memiliki range 0.000 m/s – 1.209 m/s, pada sudut 35˚ yaitu memiliki range 0.000 m/s – 7.578 m/s .
Selain mendapatkan hasil visualisasi kontur tekanan dari simulasi menggunakan software CFD , juga diperoleh nilai dari gaya yang bekerja di sekitar daun kemudi. Gaya yang bekerja pada sumbu Z dipresentasikan sebagai drag force , sedangkan gaya yang bekerja pada sumbu X dipresentasikan sebagai lift force . Dari hasil Analisis diperoleh data yang dapat dilihat pada Tabel 2 dan Tabel 3 berikut.
Tabel 2. Data Drag Force, Lift Force, Coefficient Drag, dan Coefficient Lift
Angle of attack(δ) NACA 0018 Fishtail Drag Force (N) Lift Force (N) Drag Force (N) Lift Force (N) 0˚ 0.0077 0.0004 0.0122 0.0006 5˚ 0.0080 0.0077 0.0131 0.0139 10˚ 0.0094 0.0148 0.0144 0.0276 35˚ 0.0279 0.0355 0.04676 0.0570 Tabel 3. Data Coefficient Drag, dan Coefficient Lift Angle of attack(δ) NACA 0018 Fishtail Koefisien Drag (Cd) Coefficient Lift (Cl) Koefisien Drag (Cd) Coefficient Lift (Cl) 0˚ 0.0126 0.0006 0.0200 0.0008 5˚ 0.0131 0.0118 0.0214 0.0227 10˚ 0.0154 0.0242 0.0234 0.0450 35˚ 0.0455 0.0579 0.0763 0.0930
Dari nilai drag force dan lift force di Tabel 2 dan 3 nilai Drag force dan Lift force pada daun kemudi Fish tail lebih besar dibandingkan dengan daun kemudi NACA 0018, begitu juga pada Tabel 2 dan 3, nilai Coefficien Drag dan Coefficient Lift pada daun kemudi Fish Tail lebh besar dibandingkan nilai daun kemudi NACA 0018. Untuk lebih jelas dapat kita lihat dengan bentuk grafik sebagai berikut:
Gambar 8.  Grafik Coefficient Drag
Sebagaimana  terlihat  pada  Gambar  8d  an  9,  pada  sudut  belok  yang  kecil  (<10°),  perubahan  sudut  kemudi mengakibatkan  sedikit  perubahan  hambatan  pada  masing-masing  daun  kemudia  meskipun  tidak  begitu signifikan, hal berbeda bisa diamati bahwa perubahan sudut belok menghasilkan pertambahan koefisien lift yang cukup besar. Untuk sudut belok yang sama, kemudi fishtail memiliki nilai koefisien lift yang lebih besar dibandingkan  daun  kemudi NACA  0018 ,  menandakan  bahwa  kapal  akan  lebih  mudah  untuk  berbelok menggunakan rudder fishtail dibandingkan kapal yang menggunakan kemudi NACA 0018.

## 4. KESIMPULAN
Hasil  dari  analisis  yang  dihasilkan    tingkat  kemampuan  efektivitas Drag  Force dan terbaik  adalah rudder konvensional, pada lift force kemampuan efektivitas terbaik adalah rudder fishtail, sedangkan pada coefficient Drag tingkat  kemampuan  efektivitas  terbaik  adalah rudder konvensional,  dan  pada  tingkat  kemampuan efektivitas coefficient Lift terbaik adalah rudder fishtail .

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  T. Van Nguyen And Y. Ikeda, “Development Of Fishtail Rudder Sections With Higher Maximum Lift Coefficients,” The Twenty-Fourth International Ocean And Polar Engineering Conference . International Society Of Offshore And Polar Engineers, Busan, Korea, P. 8, 2014.
[2]  H. D. E. Sembiring, D. Chrismianto, And P. Manik, “Pengaruh Jarak Rudder Dan Propeller Terhadap Kemampuan Thrust Menggunakan Metode Cfd (Studi Kasus Kapal Kriso Container Ship),” J. Tek. Perkapalan; Vol 4, No 1 Januari , Jan. 2016.
[3]  A. F. Molland, S. R. Turnock, And D. A. Hudson, Ship Resistance And Propulsion . Cambridge: Cambridge University Press, 2011.
[4]  Bki, “Vol Ii ‘Rules For The Classification And Construction,’” Jakarta, 2014.