## INVESTIGASI NUMERIK VIV (VORTEX INDUCED VIBRATION) PADA DIAMETER KABEL HYDROPHONE 0.04 M SISTEM AKUSTIK BAWAH AIR
Maria Margreta Zau Beu 1 , I Putu Andhi Indira Kusuma 1
1 Staf Pengajar Jurusan Teknik Perkapalan, Fakultas Teknologi Mineral dan Kelautan,  Institut Teknologi Adhi Tama
Surabaya
Email : maria_margaret@itats.ac.id

## ABSTRACT
The 2D numerical simulation of an underwater acoustic system undergoing VIV (Vortex Induced Vibration) which is in position parallel to 5 m distance with variation of hydrophone cable position. The diameter of the hydrophone cable in use is 0.04 m, with Reynold  numbers  (Re) variations of 13000, 15000, 17000, 19000, 21000, 23000, 25000, 27000 and 30000. Position variations are used to determine the flow pattern characteristics that occur behind the cylinder as well the maximum value  of  drag  coefficient  (CD)  and  lift  coefficient  (CL).  The  simulation  results  show  that  the characteristic flow pattern around a cylinder at each Re value indicates the release of the vortex behind the cylinder with different drag and lift coefficient values.

## Keywords: Vortex Shedding, Hydrophone, Acoustic System

## PENDAHULUAN
Underwater  acoustic atau  akustik  bawah air merupakan suatu bidang ilmu yang mempelajari  mengenai  pemanfaatan  gelombang akustik  sebagai  media  propagasi  di  bawah  air. Pemanfaatan  teknologi  ini  meliputi  aplikasi penggunaan  sonar  di  kapal  selam  sebagai  alat untuk mendeteksi obyek di bawah laut, eksplorasi ataupun sebagai alat pertahanan di bidang  militer dan alat pendeteksi bahaya ( early warning system) . Pada sistem akustik bawah air, umumnya terdapat transducer yang berfungsi sebagai transmitter atau pemancar  sinyal  akustik  serta receiver atau penerima  sinyal  akustik.  Sistem  komunikasi akustik  bawah  air  merupakan  media  komunikasi yang sangat kompleks. Hal ini dikarenakan media bawah air memiliki atenuasi, pantulan sinyal dari dasar  serta  dari  permukaan  air (multipath), absorpsi dengan segala masalah yang ditimbulkan oleh kondisi physical dari kanal.
Propagasi akustik bawah  air dapat bekerja dengan  baik  pada  frekuensi  rendah  yaitu  10-15 KHz  dengan  kecepatan  suara  di  air  sebesar  1500 m/s. Kanal akustik bawah air terbagai kedalam tiga bagian yaitu laut dalam (Deep Water), kedalaman sedang (Medium) serta  laut  dangkal (Shallow Water). Masing-masing kanal memiliki karakteristik yang berbeda sehingga permasalahan yang  ditimbulkan  akan  berbeda  pula.  Salah  satu masalah  yang  perlu  di  indentifikasi  adalah pengaruh fenomena VIV (vortex induced vibration).

## TINJAUAN PUSTAKA
Chitre  et  al  (2007)  menganalisa  pengaruh pergerakan  kabel transducer terhadap  sinyal komunikasi  akustik  dengan  memodelkan  kanal high  frequency  warm  shallow  water .  Dalam analisanya  pengaruh  pergerakan  kabel  akan menimbulkan  efek  Doppler  yang  mengakibatkan terjadinya  gangguan  frekuensi  terhadap  sinyal akustik  yang  di  transmisikan.  Selain  itu  pada bidang underwater  acoustic communication  atau komunikasi  akustik  bawah  laut  terdapat  analisa dari  konfigurasi  jumlah  dari  transducer  yang digunakan. Umumnya secara sederhana menggunakan  konfigurasi  satu transmitter dan satu receiver (Single Input Single Output) seperti penelitian  yang  di  lakukan  oleh  Aik  T.B  et  al (2007)  serta multi  transmitter dan multi  receiver (Multiple  Input  Multiple  Output) sebagaimana riset yang dilakukan oleh Song H.C et al (2006). Masing-masing  transducer  menggunakan kabel  yang  digunakan  untuk  memposisikan transducer pada  kedalaman  tertentu  di  bawah permukaan  air.  Dalam  makalah  ini  akan  dibahas pemodelan  numeris  diameter  kabel hyrdrophone sistem  akustik  sesuai  ukuran  yang  ada  biasa digunakan  dengan  analisa Computational  Fluid Dynamics (CFD).  Pada  makalah  ini  tidak membahas  motion  dari  sistem  akustik. Dari simulasi  ini  dapat  dilihat  pola  aliran  dan  gaya fluida  yang  terjadi.  Dengan  begitu  hasil  dari permodelan  CFD  ini  dapat  menjadi  bahan komparasi yang baik.

## PERMODELAN NUMERIK
Dalam  penelitian  ini  dipakai  dua  variasi posisi  silinder  yaitu  satu  silinder  transmiter  dan satu silinder receiver  dengan  jarak 5 m, serta  1 silinder  transmiter dan 2 silinder receiver dengan jarak  5m  dan 1m (jarak antara receiver). Silinder normal dengan diameter (D) 0.04 meter (m) yang disesuaikan  dengan  ukuran  diameter  kabel underwater  acoustic  system dengan  variasi
kecepatan arus1.3; 1.5; 1.7; 1.9; 2.1; 2.3; 2.5; 2.7 dan  3.0  m/s.  Arus  uniform (uniform  water  flow) dikenakan pada silinder sehingga didapat Re  10 4 ( subcritical ).  Penelitian di lakukan secara numerik dengan  metode  CFD (Computational  Fluid Dynamic) .  Untuk  mendapatkan  hasil  yang  baik, maka  pemodelan  domain  fluida  dan  strukturnya dilakukan dengan kondisi seperti ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1.  Ukuran domain fluida terhadap diameter model silinder uji dan Kabel hydrophone yang dimodelkan dalam simulasi numerik
Koefisien drag (C D ) dan lift (CL) dihitung dari gaya drag (F D ) dan gaya lift (F L ), dimana gaya drag dan lift merupakan  salah  satu  output  proses CFD.    Koefisien  dragdan  lift  dihitung  dengan persamaan sebagai berikut.
𝑪 𝑫 = 𝟐 𝑭𝑫 𝝆𝑼𝟐𝑨
(1)
𝑪 𝑳 = 𝟐 𝑭𝑳 𝝆𝑼𝟐𝑨
(2)
Dimana  ρ  adalah  densitas  airlaut  (air  = 1028 Kg/m3), D adalah silinder uji (m), U adalah kecepatan fluida yang incompressible (m/s) dan A adalah  frontal  area  silinder  (A  =  πr 2 )  dengan  r adalah  jari-jari  cylinder  (m).  Tahap  selanjutnya adalah  tahap  validasi  model.  Tujuannya  untuk mendapatkan ukuran meshing yang tepat sehingga output yang dihasilkan menjadi relatif stabil/stasioner,  tidak  lagi  fluktuatif  dengan berubahnya ukuran/jumlah meshing . Tahap
meshing  kali  ini  area  disekitar  silinder  perlu mendapatkan  perhatian  khusus.  Sehingga  metode meshing yang digunakan adalah quadtrilateral dan triangles.
Tabel 1. Hasil Analisa Sensivitas Meshing dengan Nilai Re 3 x 10 4 Simulasi Jumlah Elemen Nilai Cd S1 45579 1.1 S2 66431 0.4 S3 78252 0.2 S4 102685 0.09 S5 235254 0.01 S6 322114 0.01 S7 357199 0.01
Gambar 2. Sensivitas Meshing Pada Model yang  di uji
Gambar 3. Detail Meshing pada area sekitar silinder

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Setelah  dilakukan  analisis  sensitivitas  meshing untuk  model  validasi, langkah selanjutnya adalah menggunakan  model  tersebut  untuk  perhitungan C D dan  C L serta  melihat  pola  alirannya  dengan variasi  nilai  Re  =  13000,  15000,  17000,  19000, 21000,  23000,  25000,  27000,  30000.  Gambar  4 menunjukkan pola aliran  pada masing-masing Re untuk  kasus  satu silinder  transmiter  dan satu silinder receiver diameter 0.04 m yang ditampilkan 2D.
Pada  gambar  5  dapat  dilihat  pola  aliran disekitar silinder. Terlihat pada tiap nilai Re terjadi pelepasan vortex (vortex  shedding). Selanjutnya gerakan  aliran vorticity yang  berlawanan  arah jarum  jam  akan  memotong  aliran vorticity yang men-suplay Vortex A, sehingga Vortex A terlepas
lalu  menjadi vortex bebas  dan  terseret  aliran  ke arah belakang/menjauhi cylinder . Setelah vortex A terlepas,  terbentuklah vortex baru  menggantikan vortex A yaitu Vortex C. Maka selanjutnya, Vortex B akan mengalami hal yang sama dengan Vortex A sebelumnya, yaitu pertama, ukuran dan kekuatannya makin membesar lalu terpotong oleh vortex C  dan  akhirnya  terlepas  menjadi vortex bebas. Proses seperti ini akan terus berlanjut setiap terjadi  pelepasan vortex baru  pada  setiap  sisi silinder. Hal  ini  dapat  dilihat  dari  nilai  koefisien gaya  drag  dan    lift  yang  dihasilkan.  Visualisasi pola  aliran  pada  gambar  5  mewakili  visualisasi pola aliran yang terjadi pada kasus ke dua dimana terdiri dari satu transmiter dan dua silinder receiver yang  berjarak  5m  dan  1  m  (jarak  antara  silinder receiver).
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 100000 200000 300000 400000 Cd Jumlah Elemen Coefisient Drag (Cd)
Gambar 4. Pola aliran yang terjadi disekitar silinder kasus satu silinder transmiter dan satu silinder receiver diameter 0.04 m jarak antara silinder 5 m
Gambar 5. Pola aliran fluida di sekitar model silinder diameter 0.04 m pada tiap-tiap nilai Re
Gambar 6. Nilai C D dan C L untuk kasus 2 silinder dengan diameter 0.04 m pada masing-masing nilai Re.
Grafik  gambar    6  diatas  menunjukkan  nilai besarnya Cd pada setiap model terhadap Re yang diberikan,  dari  hasil  uji  silinder  1  dan  silinder  2 menunjukan  besarnya  koefisien  drag  (Cd)  terjadi
pada  Re  =  25000  sebesar  0.06.  Sedangkan coefisien  lift  (Cl)  terendah  terjadi  pada  nilai Re=21000 dengan nilai C L 0.0036 dan C L terbesar terjadi pada Nilai Re =25000 dengan nilai 0.094.
Gambar 7. Nilai C D dan C L untuk kasus 3 silinder dengan diameter 0.04 m pada masing-masing nilai Re
Sedangkan  grafik  gambar  7  menunjukan tren yang berbeda dengan grafik gambar 6. Dapat dilihat  pada  nilai  koefisien  gaya  drag  (Cd)  pada nilai  Re=19000  nilai  Cd  mengalami  kenaikan 0.013 tetapi pada Re = 21000 tren grafik tersebut mengalami  penurunan.  Sedangkan  pada  Re= 27000  akan  mengalami  kenaikan.  Nilai  Cd terbesar  terjadi  pada  silinder  pertama  diikuti silinder  kedua  dan  ketiga.  Hal  ini  disebabkan karena arah datang arus yang horisontal langsung mengenai silinder pertama dan gaya yang diterima diteruskan  ke  silinder  2  dan  3,  yang  mana  gaya yang  diterima  akan  berkurang  dalam  perambatan arus.  Hal  yang  sama  juga  terjadi  pada  nilai koefisien gaya lift (Cl).

## KESIMPULAN
Dari penelitian ini, karakteristik pola aliran di  sekitar  sebuah  silinder  pada  nilai  Re  =  13000, 15000,  17000,  19000,  21000,  23000,  25000,
27000 dan 30000 menunjukkan adanya pelepasan vorteks  di  belakang  silinder  dan  terlihat perbedaannya  pada  tiap  nilai  Re.  Semakin bertambahnya kecepatan arus, variasi jarak antara silinder  dan  diameter  silinder vortex  shedding mempengaruhi besarnya coeffisient drag (C D ) dan coefficient lift (C L ). Dengan demikian, model yang dibuat dengan simulasi  CFD  dalam penelitian ini telah sesuai. Namun demikian ada beberapa faktor yang mempengaruhi modeling dengan CFD yaitu diperlukan  spesifikasi  komputer  yang  besar, penentuan  domain  shape,  meshing/grid  size, model  turbulen  dan  lain-lain.  Faktor-faktor tersebut  akan  sangat  berpengaruh  terhadap  hasil simulasi.  Studi  yang  lebih  spesifik  sangat diperlukan agar diperoleh hasil yang optimal.

## SARAN
Perlu  adanya  analisa  lebih  lanjut  untuk mengetahui seberapa besar frekuensi dan pengaruh VIV yang terjadi pada kabel underwater acoustic
agar  dapat  diperoleh  sebuah  dasar  yang  akan menjadi  pertimbangan  dalam  mendesain  sistem underwater acoustic.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Jurnal ini merupakan bagian dari penelitian yang didanai oleh Direktorat Riset dan Pengabdian Masyarakat,  Direktorat  Jenderal  Penguatan  Riset dan Pengembangan Kementerian Riset, Teknologi, dan Pendidikan Tinggi Sesuai dengan Kontrak Penelitian Nomor :
120/SP2H/LT/DRPM/IV/2017  \tanggal  3  April 2017 Program  Penelitian  Dosen  Pemula  2017
dengan  judul  “Analisa  Pengaruh Vortex  Induced Vibration (VIV) pada Diameter Kabel Hydrophone  Sistem  Akustik  Bawah  Air  Dengan Menggunakan  Permodelan  CFD ” .  Untuk  itu penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada Ristekdikti dan Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat (LPPM) – ITATS atas segala bantuan dan kerjasamanya.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Citree,  M.,  “A  high  frequency  warm  shallow water  acoustic  communications  channel model  and  measurements,” Acoustical
Society  of  America ,  Vol.  122,  pp.  25-80 (2007).
[2]  Aik,  T.  B.,  Sen,  Q.  S.,  and  Nan,  Z., “Characterization  of  Multipath  Acoustic Channels  in  very  shallow  waters  for communications,” Proceeding  of  Oceans 2006-Asia Pasific , pp. 1-8 (2007).
[3]  Chakrabarti,  S.  K.,  2005,  Handbook  of Offshore  Engineering,  Vol.  II,  Oxford, Elsevier.
[4]  Indiyono,  P.  2010. Hidrodinamika  Dasar Bangunan  Laut .  Jurusan  Teknik  Kelautan- FTK.  Surabaya:  Institut  Teknologi  Sepuluh Nopember.
[5]  Sumer,  B.  M.  and  Fredsoe  J.,  2006, Hydrodynamics around cylindrical structure, World  Scientific  Publishing  Co.  Pte.  Ltd., Singapore.
[6]  Williamson,  C.  H.  K.,  1985,  Sinusoidal  flow relative to circular cylinders, J. Fluid Mech., Vol. 155, pp. 141-174.