PROPULSI DAN TAHANAN LAMBUNG KAPAL
Pada artikel ini fokus adalah tahanan lambung kapal secara umum, untuk mempelajari jenis-jenis hull >>klik di sini!
Desain lambung (hull) kapal dan perahu merupakan pekerjaan yang cukup menantang karena terdapat cukup banyak variabel yang harus diperhitungkan. Salah satu perhitungan yang cukup penting dalam desain hull adalah hambatan atau resistance, karena besarnya hambatan menentukan efektif-tidaknya desain hull yang kita buat, lebih dari itu, hambatan ini juga akan mempengaruhi besarnya daya mesin yang dibutuhkan untuk menggerakkan kapal. Hal yang pertama kali perlu kita pahami dalam perhitungan gaya hambat ini adalah interaksi lambung dengan sistem propulsi.
Sistem propulsi kapal berinteraksi dengan lambung kapal dan merubah pola aliran serta nilai hambatan dari kapal itu sendiri. Untuk mempermudah analisis hambatan pada hull, terkadang analisis propeller dan lambung kapal dipisahkan pada saat pengujian di laboratorium, bahkan rudder juga kadang kala dipisahkan saat pengujian. Adapun metode yang saat ini berkembang adalah menggunakan komputer yaitu metode Computational Fluid dynamics (CFD), metode ini dapat digunakan untuk analisis secara komprehensif dengan bantuan permodelan komputer.
Perhitungan daya yang dibutuhkan oleh kapal dapat dihitung menggunakan persamaan daya secara umum yaitu:
POWER = FORCE * SPEED
Dengan gaya adalah gaya hambat atau resistansi kapal dan speed adalah laju dari kapal itu sendiri. Dari persamaan di atas dapat diperlihatkan bahwa hambatan dari kapal berbanding lurus dengan daya yang dibutuhkan untuk menggerakkan kapal.
Daya yang dibutuhkan untuk mendorong kapal untuk bergerak ke depan tentunya lebih kecil dari pada Daya yang dihasilkan oleh gaya dorong yang dihasilkan oleh propeller, sehingga daya yang dihasilkan oleh propeller dapat dihitung menggunakan hubungan berikut:
THRUST POWER = THRUST * ADVANCE SPEED
Dengan thrust adalah gaya dorong yang dihasilkan oleh propeller, sedangkan advance speed adalah kecepatan aliran air sebelum mencapai propeller. pada propeller yang diuji tanpa hull, advance speed ini dapat dihitung dengan mudah berdasarkan kecepatan aliran yang mengalir. Sedangkan dengan keberadaan hull, kecepatan ini menjadi berubah karena adanya interaksi aliran dengan hull.
Thrust yang dihasilkan dari pengujian propulsi lebih tinggi daripada hambatan lambung kapal yang dihasilkan tanpa propeller, sehingga dibutuhkan perhitungan untuk hambatan tambahan dengan beberapa faktor berikut:
1. Propeller menambahkan kecepatan aliran pada bagian belakang lambung yang menambah hambatan gesekan.
2. Propeller menurunkan tekanan pada bagian belakang lambung karena kecepatan yang tinggi (hukum bernoulli).
Advance speed dari propeler secara umum lebih lambat dari kecepatan wake kapal. Adapun kecepatan wake dibagi menjadi tiga komponen yaitu:
1. Friction wake: karena adanya viskositas, kecepatan relatif kapal diperlambat pada boundary layer, menghasilkan flow separation dan mengakibatkan munculnya wake.
2. Potential wake: Kecepatan pada bagian stern menyerupai pada bagian bow dengan kecepatan yang rendah pada stagnation point menghasilkan aliran wake.
3. Wave wake: sistem gelombang pada kapal berubah secara lokal karena adanya kecepatan orbital dibawah gelombang, pecahan gelombang akibat propeller juga meningkatkan wake.
Wave wake hanya signifikan untuk froude number, Fn > 0,3. Wake pada test model towing tank lebih besar daripada full scale boundary layer, kemudian flow separation juga relatif lebih besar dan diperlukan faktor koreksi. Wake dibelakang kapal tanpa propeller disebut dengan nominal wake, sedangkan wake dibelakang propeller disebut effective wake. aliran sekitar propeller mempercepat kecepatan aliran sekitar 5-20%.
Berdasarkan hubungan-hubungan diatas, dapat dihitung rasio dari effective power terhadap thrust power yang merepresentasikan efisiensi desain hull yang kita buat, parameter ini disebut juga dengan hull efficiency yang secara matematis ditulis sebagai berikut:
HULL EFFICIENCY = EFFECTIVE POWER/THRUST POWER
= (RESISTANCE*HULL SPEED) / (THRUST*ADVANCE SPEED)
Kemudian, berdasarkan hubungan antara torsi dan rpm dari propeller, daya yang dihasilkan oleh propeller dapat dihitung dengan persamaan berikut :
POWER = 2.pi * RPM * TORQUE
Daya diatas lebih kecil daripada brake power, atau daya yang dihasilkan oleh mesin pemutar propeller.
FAKTOR PENYEBAB MUNCULNYA RESISTANSI PADA HULL
Setelah membahas interaksi antara hull dengan propeller, selanjutnya kita akan membahas sumber hambatan kapal secara umum. Secara umum, penyebab hambatan kapal sering kali dipisahkan tiap-tiap kategorinya sebagai berikut:
1. Friction resistance: gesekan antara dinding perahu dengan air mengakibatkan perbedaan kecepatan antara kecepatan pada dinding perahu dengan kecepatan air sekitar perahu. Perbedaan kecepatan ini mengakibatkan munculnya boundary layer yang menahan gerak kapal.
2. Viscous pressure resistance: bentuk dari kapal yang bergerak maju menimbulkan perubahan pola aliran disekitaranya, terutama pada bagian depan dan belakangnya. Pada bagian depan terjadi stagnation pressure akibat “berhentinya” aliran akibat menabrak bagian kapal bagian depan, hal ini mendorong kapal dengan gaya ke arah belakang. Adapun wake pada bagian belakang kapal menghasilkan daerah dengan tekanan yang rendah, hal ini menyedot kapal dengan gaya ke arah belakang. Kapal dengan bentuk yang memanjang cenderung memiliki hambatan bentuk yang rendah, namun hambatan friction yang lebih besar, begitu juga sebaliknya.
3. Wave resistance: energi pada gelombang dihasilkan oleh gerakan kapal yang menghasilkan gaya hambat. Gelombang ini dibagi menjadi dua gelombang primer dan sekunder.
(1) prymary wave system: Aliran pada bagian depan dan belakang kapal lebih rendah daripada bagian tengah, dan tertinggi pada bagian stagnation pressure pada bagian depan. Perbedaan tekanan ini menghasilkan pola gelombang primer yang bentuknya tergantung dari kecepatan, tetapi lokasi maksimum, minimum dan ketinggian nol gelombang tidak dipengaruhi oleh kecepatan. Adapun tinggi gelombang berbanding lurus dengan kuadrat kecepatan.
(2) Secondary wave system: Pada free surface (permukaan air), gelombang terbentuk dan mengalir ke arah belakang kapal. Pola gelombang ini terdiri dari gelombang transversal dan divergent. Pada air yang dalam, gelombang ini membentuk sudut 19,5 deg , sudut ini tidak dipengaruhi oleh bentuk kapal. Pada air yang dangkal, sudut ini adalah sebesar 90 deg dan menjadi semakin kecil.
Desain terutama perhitungan tahanan pada kapal sangatlah kompleks jika dilakukan menggunakan perhitungan analitis (matematika murni), sehingga diperlukan eksperimen untuk menghitungnya dengan lebih mudah, misalkan menggunakan towing tank. Namun, biaya pengujian dan waktu pembuatan prototype tersebut relatif tinggi; sehingga kecenderungan desain saat ini untuk hull kapal adalah menggunakan computational fluid dynamics (CFD) yaitu menggunakan metode komputasi.
>>KLIK DI SINI UNTUK SIMULASI CFD PADA HULL KAPAL!
Klik di sini untuk artikel lainya terkait dengan desain kapal atau perahu!
Simak video berikut ini untuk mempelajari selengkapnya tentang desain hull:
