Daya Angkat dan Tarik  Kapal Barang  Menggunakan Turbosail Dengan  Model Simulasi K-Omega Two Scale
Eka Sari Wijianti, Irfan Wahyudi, Yudi Setiawan Jurusan Teknik Mesin, Universitas Bangka Belitung Jl.Merdeka no. 04 Pangkalpinang E-mail : Eka_ubb@yahoo.co.id

## Abstrak
Seiring dengan ramainya arus keluar masuk penduduk dan pengiriman barang pribadi melalui paket-paket jasa  pengiriman  menambah  ramainya  arus  transportasi  darat  dan  laut.  Namun,  kondisi  tersebut  tidak  dibarengi dengan pengelolaan sumber energi bahan bakar khususnya transportasi laut. Aerodinamis kapal laut harus didukung oleh kecepatan angin yang bertiup di sekitar kapal tersebut. Dengan mendesain sebuah turbosail pada kapal barang, kita dapat  mengkolaborasikan sumber energi  fosil dan energi angin. Desain Turbosail  yang  tepat untuk digunakan pada  kapal  barang.penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui  bagaimana  aliran  turbulen  di  sekitar  turbosail  serta mendapatkan  simulasi  terbaik.  Profil  turbovoile  dirancang  dengan  bentuk  bulat  telur  untuk  meningkatkan  kinerja aerodinamis dengan mengurangi hambatan dengan mengamati koefisien lift dan drag yang dihasilkan dengan Model Simulasi K-Omega Two Scale. Dari  hasil penelitian menunjukan bahwa nilai koefisien angkat dan tarik meningkat sesuai dengan kenaikan bilangan Reynolds.
Kata kunci : Daya Angkat dan Tarik, Turbosail, K-Omega Two Scale.

## Pendahuluan
Di  wilayah  eropa,  dewasa  ini  telah banyak  model-model  kapal  yang  menggunakan propulsi  angin  guna  mereduksi  penggunaan bahan  bakar  fosil  dengan  ramainya  arus  keluar masuk  penduduk  dan  pengiriman  barang  pribadi melalui  paket-paket  jasa  pengiriman  menambah ramainya arus transportasi darat dan laut. Namun, kondisi tersebut tidak dibarengi dengan pengelolaan sumber energi bahan bakar khususnya  transportasi  laut.  Hingga  saat  ini, kapal laut masih menggunakan bahan bakar fosil sebagai  sumber  energi  utama.  Fluktuatif  harga minyak    mentah  berimbas  pada  harga  barang yang masuk dan keluar Bangka Belitung menjadi cenderung mahal [1] . Untuk itu perlu dioptimalkan sumber lain untuk mengurangi penggunaan bahan bakar  fosil  pada  bahan  bakar  kapal  laut mengingat  mahalnya  biaya  pengiriman  barang menggunakan transportasi udara.
Solusi  dari  permasalahan  tersebut  salah satunya  adalah  dengan  menggantikan  bahan bakar fosil dengan bahan bakar energy terbarukan,  kita  dapat  memanfaatkan  kemajuan teknologi  seperti  mendesain  geometri  kapal dengan  pemanfaatan  propulsi  angin.  Dengan
demikian,  kita  memerlukan  sebuah  pemikiran bagaimana  caranya  agar  desain  kapal  tersebut dapat memberikan model aerodinamis yang baik, sehingga kapal dapat berlayar dengan mengandalkan  energy  angin  tersebut.  Dengan mendesain  sebuah  turbosail  pada  kapal  barang, kita dapat mengkolaborasikan sumber energi fosil dan  energi  angin.  Kita  dapat  menggunakan energy fosil untuk menggerakkan kapal pada start awal,  tetapi  pada  saat  kapal  telah  berlayar  dan kecepatan  angin  semakin  bertambah,  kita  dapat memanfaatkan  propulsi  angin  yang  melewati turbosail  sebagai  pendorong  pergerakan  kapal, sehingga  kita  dapat  mematikan  motor  kapal  dan hal  ini  berarti  kita  mengefisienkan  penggunaan bahan bakar fosil.
Berdasarkan  hal  tersebut,  peneliti  ingin mendesain  sebuah  model  turbosail  pada  kapal barang  dengan  bentuk  dan  geometri  kompleks sehingga  mendapatkan  daya  angkat  yang  lebih maksimal  dan  model  yang  lebih  efisien.  Dengan menggunakan  program  simulasi  fluida,  peneliti akan mensimulasikan system propulsi angin pada turbosail tersebut menggunakan beberapa software Computational Fluid Dynamic (CFD) [2] . Simulasi  ini  menggunakan  beberapa  angka
Reynold  berdasarkan  kecepatan  angin  yang berubah-ubah  dengan  variasi  model.  Desain Turbosail yang tepat untuk digunakan pada kapal barang.penelitian ini bertujuan untuk mengetahui bagaimana  aliran  turbulen  di  sekitar  turbosail serta mendapatkan simulasi terbaik.

## Metode Penelitian
Pengendalian  aliran  sekitar  silinder  Turbosail dipelajari  dengan  menggunakan  Simulasi  Besar Eddy [3]. Kita  dapat  menggunakan    model turbulensi [4] :
 DNS (Simulasi Numerik Langsung)
DNS  merupakan  solusi  numerik  dari Navier  Stoke  dan  persamaan  kontinuitas.  Ketika berhadapan  dengan  aliran  turbulen  ini  mencoba untuk  menyelesaikan  semua  fenomena  turbulen di semua skala panjang dan waktu hanya dengan solusi numerik dari persamaan Navier Stoke dan kontinuitas.  Untuk  simulasi  sukses  umumnya harus tahu apa skala terkecil panjang, waktu dan kecepatan.  Informasi  ini  sangat  penting  dalam rangka  untuk  ruang  jaringan  dan  skala  waktu tindakan. Data ini dapat dengan mudah diperoleh dengan menerapkan teori turbulensi Kolmogorov pada program simulasi.
Dalam  simulasi  ini,  kita  menggunakan model  simulasi  LES  Smagorinsky  model. Penggunaan  formulasi  k-ω  di  bagian  dalam  dari lapisan  batas  membuat  model  yang  digunakan secara  langsung  di  sepanjang  dinding  melalui sublapisan kental.
a. Two Scale Model
• Y + adalah jarak dari tepi domain komputasi
• Kedua  skala  Uk  dan  U*  (kecepatan gesekan)  merupakan  kecepatan  sederhana untuk menghitung,
tapi
mereka
membutuhkan  energi  turbulen  di  tengah berdekatan jala ke tepi bagian depan mesh.
• Two  Scale  Model  dimodelkan  secara default  dalam  Code  Saturne.  Ini  sering, terutama dalam kasus-kasus dengan perpindahan  panas,  mengurangi  efek  cacat tertentu terletak pada permodelan.
Berdasarkan  formula  pada  HK  Versteeg &  W.  Malalasekera [5] kita  dapat  menghitung bilangan Reynolds menggunakan rumus:
Dimana  ρ  adalah  densitas  cairan,  μ  adalah viskositas  kinematik  fluida,  L  adalah  panjang karakteristik,  dan  u  adalah  kecepatan  hulu. Karakteristik  aliran  turbulensi  ditandai  oleh perilaku, penampilan yang sangat berantakan tak terduga  dan  adanya  skala  spasial  dan  temporal banyak,  fenomena  disipatif,  terutama  3D  non- linear.  Mereka  muncul  ketika  sumber  energi kinetik  adalah  gerakan  fluida  yang  teratur  dan dapat  diprediksi.  Sumber  energi  dalam  aliran dapat  mengambil  beberapa  bentuk  gradien tekanan dalam aliran pipa, momentum awal tahun arus  perbedaan  suhu  isotermal.  Tahap  simulasi dapat di jelaskan sebagai berikut :
 Desain model turbosail
Profil turbovoile dirancang dengan bentuk bulat telur dengan menambahkan spoiler di  bagian  belakang,  tujuannya  adalah  untuk mengetahui mekanisme fisik yang terkait dengan kelahiran  turbulensi  dan  meningkatkan  kinerja aerodinamis  dengan  mengurangi  hambatan dengan  mengamati  koefisien  lift  dan  drag  yang dihasilkan.
 Tahap Preprocessor
Tahap ini merupakan tahap persiapan sebelum melancarkan simulasi. Membangun geometri dan meshing di program Code Saturne
Gambar 1. Kondisi batas model turbosail yang digunakan A B C D

## Kondisi batas pada geometri turbosail:
 AB adalah input
 CD adalah output
 AC dan BD adalah kondisi simetris
 ABCD untuk kondisi atas dan bawah adalah kondisi simetris
 Layar adalah dinding
Properti  fluida  (angin)  yang  digunakan adalah sebagai berikut :
 ρ (densitas)  = 1,2 kg/m3
 μ (viskositas dinamik) = 1,8e-5 Pa.s
 P (Tekanan) = 1017,24 Pa
L (Ketebalan mesh) = 1,5 m
Pada  penelitian  ini    Bilangan  Reynold  untuk tiap kecepatan angin sebagai berikut:
Table 1 Kecepatan dan bilangan Reynold Reynolds 1000 10000 100000 Kecepatan (m/s) 0.01 0.1 1 Membuat syntak program numeric (fortran)    yang  akan  digunakan  pada  program code-saturne  berdasarkan  formula  volume  finis dan  parameter  hasil  simulasi  seperti  Koefisien Angkat  (C L )  dan  Koefisien  tarik  (C D )   serta menggunakan  beberapa  formula  volume  finis sesuai  dengan  model  simulasi  yang  digunakan. Kemudian  menghitung  CD  dan  CL  pada  file fusproj.f menggunakan rumus berikut [4] :
⁄ ⁄
Dimana S adalah permukaan referen berdasarkan  hambatan  yang  dilalui  fluida, adalah  masa  jenis  fluida  dan v adalah  kecepatan terjauh  dari  hambatan.  Dalam  penelitian  ini, dimeter  turbosail  yang  kita  gunakan,  kita  ambil diameternya  2  m.  Dalam  simulasi  ini  kita menggunakan  domain  simulasi  dengan  ukuran koordinat  [-12.5;30]  x  [12.5;30].      Persamaan Navier  Stoke  diselesaikan  untuk  kondisi  batas berikut:
 Untuk Re 1000, kecepatan = 0,01 /s
 Untuk Re 10.000, kecepatan 0,1 m/s
 Untuk Re 100.000, kecepatan 1 m/s
Kondisi batas kecepatan tersebut diterapkan pada panjang domain x = 30 m dengan arah horizontal. Eksekusi  komputasi  dilakukan  dengan  prosesor ganda  dan  membutuhkan  waktu  sekitar  350jam untuk masing-masing model.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Hasil untuk Bilangan Reynold 1000
Dari  hasil  simulasi  kita  mendapatkan streaming  line  dari  medan  kecepatan  pada gambar  2  yang  menunjukkan  hasil  untuk bilangan Reynold 1000.
Gambar 2. Stream line untuk Bilangan Reynold

## 1000
Hasil  ini  menunjukkan  nilai  Reynold terendah  pada  simulasi  ini.  Berdasarkan  hasil tersebut  kitabisa    melihat    arah  aliran menunjukkan  bahwa  turbulen  tidak  terbentuk  di belakang  turbosail.  Aliran  tetap  stabil  dari pertama  memasuki  domain  (input)  kemudian melewati bagian elips dan terakhir melewati ekor terus  hingga  ke  output.  Artinya  aliran  terlihat seperti  aliran  stabil  atau  laminar.  Medan kecepatan  maksimum  pada  saat  aliran  melewati turbosail  adalah  0,016  m/s.    Koefisien  angkat yang  dihasilkan  tidak  menunjukkan  hasil  yang baik untuk kecepatan 0,01 m/s, pergerakan grafik menunjukkan  penurunan  hingga  waktu  ke  300 detik. Disisi lain, nilai koefisien tarik lebih besar dari  koefisien  angkat.  Artinya,  untuk  kecepatan 0,01 m/s, simulasi tidak menunjukkan hasil yang baik,  meskipun  nilai  C L dan  C D meningkat.  Jadi kita dapat mempertimbangkan bahwa hasil untuk simulasi  Re  1000  tidak  dapat  digunakan  sebagai referensi.

## Hasil untuk Bilangan Reynold 10.000
Sekarang kita akan melanjutkan simulasi untuk  Bilangan  Reynolds  adalah  10.000.  Kita akan  menampilkan  hasil-hasil  stream  line  dari medan kecepatan dalam gambar 3.
Gambar 3. Medan Kecepatan untuk Bilangan Reynold 10.000
Kita  dapat  melihat  kondisi  aliran  sangat jelas  dan  melihat  perbedaan  tekanan  tiap  titik berdasarkan  nilai    dari  medan  kecepatan. Berdasarkan  gambar    kita  dapat  melihat  bahwa untuk  koefisien  tarik  kurva  menunjukkan kenaikan  selama  2,5  detik  dan  kemudian menurun  dan  berfluktuasi  hingga  mencapai  nilai stabil.  Disisi  lain,  kurva  dari  koefisien  tarik menunjukkan penurunan dari pertama iterasi dan menjadi  stabil pada  detik  ke-20.  Pada  model  ini, besarnya  nilai  koefisien  tarik  dan  angkat cenderung  berfluktuasi  dengan  stabil  hingga mencapai  kondisi  konvergen.  Namun  nilai  hasil koefisien  angkat  lebih  kecil  dari  model  simulasi k-ω,  sedangkan  untuk  koefisien  tarik  nilainya cenderung lebih besar.

## Hasil untuk Bilangan Reynold 100.000
Sekarang  kita  akan  mengobservasi  hasil dari simulasi untuk bilangan Reynolds yang besar yaitu  100.000.  Pada  saat  vortex  terbentuk,  aliran dissimetrik  terbentuk  disekitar  turbosail,  hal  ini menyebabkan terjadi perbedaan distribusi tekanan.  Ini  menunjukkan  bahwa  perbedaan tekanan  dari  vortex    ini  akan  menciptakan  daya angkat di sekitar turbosail.
Gambar 4. Medan Kecepatan untuk Bilangan Reynold 10.000
Medan  aliran  (Stream  line)  dari  simulasi ini  menunjukkan  hasil  yang  lebih  mirip  dengan hasil  simulasi  dari  bilangan  Reynolds  10.000. Untuk  model  k- ,  vortex  terbentuk  di  belakang turbosail  selama  beberapa  detik  dan  kemudian menjadi stabil hingga menuju output. Disisi lain, kita  dapat  melihat  hasil  untuk  medan  vortex. Untuk model k- , vortex terbesar terbentuk tepat di belakang turbosail. Koefisien tarik menunjukkan  delta  C L dan  C D sejak  iterasi pertama, khususnya untuk C D , fluktuasi dari nilai tiap  point  iterasi  menunjukkan  delta  yang  besar, yaitu 0,2.
Perbandingan Nilai Koefisien Angkat dan Koefisien Tarik
C L dan C D Maximum Setelah mengobservasi hasil dari simulasi  untuk  beberapa  bilangan  reynolds,  kita akan  membandingkan  nilai  dari  koefisien  angkat dan  tarik  maksimum  untuk  tiap  model  simulasi yang digunakan. Untuk model  k-ω menunjukkan nilai rata-rata dan cenderung meningkat berdasarkan kenaikan bilangan Reynolds.

## Kesimpulan
Simulasi  aliran  di  sekitar  silinder  turbosail  tanpa kontrol telah dipelajari. Hasil simulasi model k-ω Two Scale Model untuk RE 10 3 , 10 4 , 10 5 .  Desain ekor  dari  model  turbosail  dapat  meningkatkan
koefisien  angkat  (CL)  dan  mereduksi  koefisien tarik  (C D ).  Perbandingan  antara  koefisien  tarik dan  koefisien  angkat  memberikan  hasil  yang bervariasi.  Nilai  koefisien  angkat  dan  tarik meningkat  sesuai  dengan  kenaikan  bilangan Reynolds. Jadi, penempatan nilai y + memberikan pengaruh yang sangat d = signifikan.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Ekspor-  dan  Impor  /brseximr  06012012. html http:  /babel.  bps.go.id/  index.php  / 20120601718/  [diakses  pada  tanggal  22
Oktober 2012]
2. DELTEIL  Pauline,  2011, Validation  du Code  de  Calcul  CFD  Code_Saturne  et Application  A  Plusieurs  Cas  d’Etude Industriels ,  Thesis,  Université  de  La
Rochelle.
3. Christophe  Bailly  &  Geneviève  Comte- Bellot (2003), Turbulence, Collection
Sciences et Techniques de l’ingénieur, Paris.
4. Power Generation and Environment Department Single Phase Thermal-
Hydraulics  Group  (EDF  R&D)  (2011),
Code_Saturne version 2.1.1 Practical User's Guide et Code_Saturne 2.1.1  Theory  and Programmer's Guide, Fluid Dynamics.
5. HK Versteeg & W. Malalasekera (1995), An Introduction to Computational Fluid
Dynamic  the  Finite  Volume  method,
Longman Scientific & Technical, England.