Studi Numerik Dan Eksperimen Hambatan Kapal Akibat Kekasaran Tak-Homogen Di Arah Memanjang

Akbar, Rajabal (2024) Studi Numerik Dan Eksperimen Hambatan Kapal Akibat Kekasaran Tak-Homogen Di Arah Memanjang. Doctoral thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text Disertasi-04111960010006-Rajabal Akbar.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 1 October 2026. Download (8MB) | Request a copy

Abstract

Seiring dengan perkembangan teknologi perkapalan yang semakin maju, perhatian terhadap dampak lingkungan semakin meningkat, khususnya terkait emisi gas rumah kaca (GRK) dari sektor pelayaran. Salah satu faktor yang signifikan dalam mengurangi emisi CO2 dan gas rumah kaca adalah efisiensi bahan bakar kapal, yang sangat dipengaruhi oleh kondisi permukaan lambung kapal. Permukaan lambung kapal yang kasar dapat meningkatkan hambatan hidrodinamik, menyebabkan kapal harus bekerja lebih keras untuk bergerak melalui air, sehingga mengakibatkan konsumsi bahan bakar yang lebih tinggi dan emisi CO2 yang lebih besar. Menurut laporan IMO, sektor maritim global menyumbang 2,89% dari total emisi CO2 pada tahun 2018, dengan proyeksi peningkatan yang substansial hingga tahun 2050. Mengatasi masalah kekasaran permukaan lambung kapal merupakan langkah penting dalam upaya mengurangi jejak karbon sektor pelayaran dan mencapai target pengurangan emisi yang lebih ramah lingkungan. Penempelan biota laut (biofouling) pada lambung kapal secara fisik menambah kekasaran serta volume (displasemen) dan pola aliran fluida, hal ini menjadi salah satu faktor penyebab meningkatnya hambatan kapal sehingga meningkatkan konsumsi bahan bakar. Peningkatan hambatan kapal akibat kekasaran secara akurat perlu dikembangkan dan telah direkomendasikan oleh International Towing Tank Conference (ITTC). Untuk memprediksi pengaruh peningkatan hambatan akibat kekasaran, maka harus dilakukan eksperimen untuk menentukan equivalent grain sand roughness height (ks), karena formula tersebut belum bersifat universal untuk semua jenis kekasaran, terlebih kekasaran biofouling yang sangat beragam dan acak. Ditambah dengan karakteristik setiap tipe kapal adalah berbeda, sehingga komposisi komponen hambatan karena kekasaran menjadi berbeda pula. Dalam dunia perkapalan sebagian besar menghasilkan aliran turbulen, metode Computational Fluid Dynamics (CFD) dapat memprediksi nilai viscous drag yang berfungsi untuk meredam ketidakstabilan dalam aliran tersebut. Secara prinsip, solusi aliran turbulen adalah solusi dari hukum-hukum kekekalan yang mengatur aliran fluida, yaitu solusi persamaan Navier Stokes. Solusi aliran turbulen dapat diketahui dengan melakukan pendekatan pemodelan turbulensi salah satunya dengan persamaan RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes). Dalam solusi persamaan numerik, model turbulensi merupakan prosedur komputational untuk mendekatkan sistem persamaan aliran sehingga aliran yang bervariasi dapat dihitung. Model k-ω SST merupakan salah satu model turbulensi berdasarkan tegangan Reynolds rata-rata. Pada penelitian ini dilakukan analisis hambatan kapal akibat kekasaran homogen dan tak-homogen di arah memanjang dengan bantuan pemodelan numerik CFD dan divalidasi dengan hasil eksperimen. Untuk memodelkan kekasaran permukaan yang tidak homogen, lambung kapal dibagi menjadi tiga segmen dengan luas permukaan yang dibasahi yang sama. Kombinasi dari tiga ketinggian kekasaran, dilambangkan sebagai P, Q, dan R dengan nilai ks masing-masing 125 μm, 269 μm, dan 425 μm, dipertimbangkan untuk mendapatkan pengaturan kekasaran homogen dan tidak homogen (PPP, QQQ, RRR, PQR, PRQ, QPR, QRP, RPQ, dan RQP). Hasil simulasi CFD menunjukkan bahwa untuk kekasaran homogen, koefisien hambatan total CT meningkat dengan meningkatnya ks (PPP < QQQ < RRR), seperti yang diharapkan. Untuk kekasaran yang tidak homogen, koefisien hambatan gesek CF meningkat dalam urutan PQR < PRQ < QPR < QRP < RPQ < RQP, konsisten dengan hasil penelitian sebelumnya. Dalam semua kasus, koefisien hambatan gesekan (CF) adalah komponen dominan dari koefisien hambatan total, dimana CT akibat kekasaran homogen didominasi oleh nilai CF masing-masing sebesar 82,35% pada Re 2,2 x 109 dan 70,99% pada Re 2,7 x 109. Untuk kondisi kekasaran yang tidak homogen, CF sedikit meningkat dengan urutan PQR < PRQ < QPR < QRP < RPQ < RQP untuk Re 2,2 x 109, dan 2,7 x 109Konfigurasi PQR menghasilkan CF terendah 2.119 x 10-3, sedangkan model RPQ memiliki CF tertinggi 2.154 x 10-3. CP tertingga pada KCS PQR yaitu 0,875 x 10-3 dan CP terendah pada KCS QRP yaitu 0,357 x 10-3. CT tertingga pada KCS PQR yaitu 2,99 x 10-3 dan CT terendah pada KCS QRP yaitu 2,44 x 10-3. Peningkatan turbulensi dan penurunan profil kecepatan yang disebabkan oleh transisi dari permukaan dengan kekasaran rendah ke permukaan dengan kekasaran lebih tinggi mengakibatkan peningkatan resistensi gesekan. Kemudian analisis hubungan variasi kekasaran dan kecepatan terhadap CT divalidasi dengan hasil eksperimen, dimana pada Re 2,2 x 109 pada permukaan homogen terdapat selisih CT hasil CFD dan eksperimen sebesar 6,67% dan 7,72% pada Re 2,7 x 109. Sedangkan untuk permukaan dengan kekasaran tak-homogen, terdapat selisih CT hasil CFD dan eksperimen sebesar 6,61% dan 6% masing-masing pada Re 2,2 x 109, dan 2,7 x 109. terakhir, hasil visualisi simulasi CFD dan dokumentasi eksperimen menunjukkan pola elevasi gelombang yang serupa.
=================================================================================================================================
As maritime technology advances, there is increasing attention to environmental impacts, particularly concerning greenhouse gas (GHG) emissions from the shipping sector. One significant factor in reducing CO2 and GHG emissions is the fuel efficiency of vessels, which is heavily influenced by the condition of the ship’s hull surface. A rough hull surface can increase hydrodynamic resistance, causing the ship to expend more energy to move through water, resulting in higher fuel consumption and greater CO2 emissions. According to IMO reports, the global maritime sector contributed 2.89% of total CO2 emissions in 2018, with substantial increases projected through 2050. Addressing hull surface roughness is a critical step in reducing the carbon footprint of the shipping sector and achieving more environmentally friendly emission reduction targets. Marine biofouling on the hull physically increases roughness, volume (displacement), and fluid flow patterns, becoming one of the factors causing increased ship resistance, thus increasing fuel consumption. The accurate assessment of increased ship resistance due to roughness needs to be developed and has been recommended by the International Towing Tank Conference (ITTC). To predict the impact of increased resistance due to roughness, experiments must be conducted to determine the equivalent grain sand roughness height (ks), as the formula is not yet universal for all types of roughness, especially biofouling roughness which is very diverse and random. Additionally, the characteristics of each type of ship are different, so the composition of resistance components due to roughness also varies. In the maritime world, most flows are turbulent. Computational Fluid Dynamics (CFD) methods can predict the viscous drag value that functions to dampen instability in the flow. In principle, the solution of turbulent flow is a solution to the conservation laws governing fluid flow, namely the solution of the Navier-Stokes equations. The solution to turbulent flow can be approached by turbulence modeling, one of which is with the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations. In the solution of numerical equations, the turbulence model is a computational procedure to approximate the system of flow equations so that the varying flow can be calculated. The k-ω SST model is one of the turbulence models based on Reynolds average stress. In this study, an analysis of ship resistance due to homogeneous and nonhomogeneous roughness in the longitudinal direction was carried out with the help of CFD numerical modeling and validated with experimental results. To model non-homogeneous surface roughness, the ship's hull was divided into three segments with the same wetted surface area. Combinations of three roughness heights, denoted as P, Q, and R with ks values of 125 μm, 269 μm, and 425 μm respectively, were considered to obtain homogeneous and non-homogeneous roughness arrangements (PPP, QQQ, RRR, PQR, PRQ, QPR, QRP, RPQ, and RQP). xxvi CFD simulation results showed that for homogeneous roughness, the total resistance coefficient CT increased with increasing ks (PPP < QQQ < RRR), as expected. For non-homogeneous roughness, the frictional resistance coefficient CF increased in the order of PQR < PRQ < QPR < QRP < RPQ < RQP, consistent with previous studies. In all cases, frictional resistance (CF) was the dominant component of total resistance, where CT due to homogeneous roughness was dominated by CF values of 82.35% at Re 2,2 x 109 and 70.99% at Re 2,7 x 109 . For non-homogeneous roughness conditions, CF slightly increased in the order PQR < PRQ < QPR < QRP < RPQ < RQP for Re = 2,2 x 109 and 24 knots, and Re 2,7 x 109 . The PQR configuration produced the lowest CF of 2.119 x 10-3 , while the RPQ model had the highest CF of 2.154 x 10-3 . The highest CP on KCS PQR was 0.875 x 10-3 and the lowest CP on KCS QRP was 0.357 x 10-3 . The highest CT on KCS PQR was 2.99 x 10-3 and the lowest CT on KCS QRP was 2.44 x 10-3 . The increase in turbulence and decrease in velocity profile caused by the transition from a surface with lower roughness to a surface with higher roughness resulted in increased frictional resistance. Then, the analysis of the relationship between roughness variation and speed to CT was validated with experimental results, where at Re 2,2 x 109 on the homogeneous surface there was a difference in CT results of CFD and experiments of 6.67% and 7.72% at Re 2,7 x 109 speed. As for the surface with non-homogeneous roughness, there was a difference in CT results of CFD and experiments of 6.61% and 6% respectively at speeds of Re 2,2 x 109 and 2,7 x 109 . Lastly, the CFD simulation visualization results and experimental documentation showed similar wave elevation patterns.

Item Type:	Thesis (Doctoral)
Uncontrolled Keywords:	CFD, Eksperimen, Hambatan, KCS, Kekasaran, Tak-homogen.
Subjects:	V Naval Science > VM Naval architecture. Shipbuilding. Marine engineering > VM161 Ships--Hydrodynamics V Naval Science > VM Naval architecture. Shipbuilding. Marine engineering > VM751 Resistance and propulsion of ships
Divisions:	Faculty of Marine Technology (MARTECH) > Ocean Engineering > 38001-(S3) PhD Thesis
Depositing User:	Rajabal Akbar
Date Deposited:	21 Aug 2024 04:09
Last Modified:	21 Aug 2024 04:27
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/115492

Actions (login required)

View Item