Simulasi Propeller Kapal untuk Pembentukan Performance Map

Penulis: Calvin Christian Chandra – CAE Engineer Intern di PT Optimaxx Prima Teknik (Juli, 2021)


Geometri sebuah propeller kapal memiliki banyak variasi karena kombinasi pertimbangan bentuk propeller untuk memenuhi kebutuhan desain kapal. Perbedaan geometri tersebut akan mempengaruhi kinerja propeller pada berbagai kondisi operasi yang dapat dinilai menggunakan sebuah performance map yang pembuatannya dapat dilakukan secara eksperimen maupun simulasi dengan keunggulan masing-masing untuk setiap metode tersebut. Pada penjelasan kali ini, akan diasumsikan kasus tidak memiliki propeller fisik dan ingin mengetahui kinerja propeller tersebut melalui sebuah performance map dengan metode simulasi menggunakan Ansys Fluent. Lalu, untuk kedepannya performance map tersebut dapat menentukan apakah kinerja propeller tersebut cukup untuk langsung dipakai, mengganti opsi propeller lain, atau melakukan optimasi pada propeller tersebut terlebih dahulu. Secara garis besar, langkah-langkah pembentukan performance map menggunakan Ansys Fluent adalah memodelkan geometri domain komputasional, pembuatan mesh, pengaturan kondisi untuk simulasi, menjalankan simulasi, pengambilan data, dan pengolahan data. Pemodelan geometri domain komputasional akan dilakukan dengan Ansys SpaceClaim dan dilakukan dengan volume fluida invers dari propeller (memodelkan fluida dan bentuk propeller dijadikan sebagai ruang hampa) seperti yang ditampilkan pada Gambar 1. Domain komputasional tersebut akan dibagi menjadi 2 yakni domain statik yang merupakan badan air yang melingkupi propeller dan domain berputar yang merupakan badan air yang akan merepresentasikan propeller yang berputar.

Gambar 1. Tampilan Geometri Domain Komputasional pada Ansys SpaceClaim Tampak 3D penuh (kiri) dan Tampak Potongan (kanan)

Selanjutnya, akan dilakukan meshing untuk membagi domain komputasional menjadi elemen-elemen kecil yang akan bertindak sebagai volume kontrol untuk simulasi. Proses ini akan dilakukan menggunakan fitur meshing yang terdapat pada workflow Fluent (with Fluent Meshing) yang mana sudah dioptimasi untuk simulasi computational fluid dynamics (CFD). Workflow pembentukkan mesh terbagi menjadi 2 secara berturut, yaitu pembentukkan mesh permukaan lalu mesh volume karena ukuran mesh permukaan akan nantinya menentukan atau membatasi ukuran mesh volume. Dengan itu, penting untuk menentukan perkiraan ukuran mesh permukaan yang akan menghasilkan nilai yang cenderung tepat dan akurat setelah dilakukan simulasi, yang mana pada kasus pembuatan performance map lebih dibutuhkan data yang berhubungan dengan propeller sehingga ukuran mesh sekitar propeller dibuat lebih halus sebagaimana ditampilkan pada Gambar 2 dan Gambar 3. Bentuk mesh yang dipakai untuk mesh volume adalah Poly-Hexcore karena akan menghasilkan jumlah elemen yang relatif sedikit dan memberikan kualitas hasil yang cukup bagus. Hasil pembuatan mesh volume ditampilkan pada Gambar 4.

Gambar 2. Tampilan Mesh Permukaan Domain Komputasional pada Ansys Fluent Meshing Tampak 3D penuh (kiri) dan Tampak Potongan (kanan)
Gambar 3. Tampilan Dekat Mesh Permukaan Sekitar Ruang Hampa Berbentuk Propeller pada Ansys Fluent Meshing
Gambar 4. Tampilan Potongan Mesh Volume Domain Komputasional (kiri) dan Domain Berputar (kanan) pada Ansys Fluent Meshing

Langkah selanjutnya setelah pembuatan mesh adalah mendefinisikan kondisi operasi propeller yang akan ditinjau untuk simulasi dengan Ansys Fluent. Kasus yang akan dikonfigurasi untuk meninjau propeller saat kondisi tunak, tidak mempertimbangkan gravitasi, memakai model viskus SST k-omega, dan material yang diimplemen untuk domain komputasional merupakan air (cairan) yang terdapat pada library material Ansys. Lalu, untuk kondisi batas, diterapkannya velocity-inlet pada inlet, pressure-outlet pada outlet, kondisi slip pada selubung domain statik, dan wall untuk permukaan ruang hampa berbentuk propeller. Selanjutnya, untuk merepresentasikan gerak putaran propeller dalam air, maka domain berputar dan seluruh kondisi batas wall permukaan propeller akan diberikan gerakan berupa putaran dengan satuan rotasi per menit (RPM) pada sumbu-X untuk kasus ini. Setelah itu, didefinisikan output yang akan ditampilkan yaitu gaya dan momen yang dihasilkan oleh propeller serta melakukan inisialisasi dari inlet. Lalu, simulasi dijalankan dan ditunggu sampai simulasi selesai dan konvergen. Pada pembuatan performance map kali ini, setiap konfigurasi simulasi hanya akan menghasilkan satu data poin sehingga perlu dilakukan beberapa kali simulasi dengan memvariasikan nilai kecepatan pada inlet serta nilai putaran domain berputar dan wall propeller. Setelah itu, akan dilakukan tabulasi dan pengolahan data seperti contoh cuplikan data pada Tabel 1.

Tabel 1. Cuplikan Pengolahan Data yang Memvariasikan Nilai Kecepatan Inlet dan Putaran ‘Propeller’ untuk Membentuk Performance Map

Dengan merujuk pada Tabel 1, data kecepatan aliran, putaran propeller, dan diameter propeller sudah diketahui dari tahap pembuatan geometri atau mendefinisikan kondisi operasi. Melainkan, nilai thrust dan torque didapat sebagai nilai output yang telah didefinisikan sebelumnya. Lalu, performance map yang dibuat akan terdiri atas variabel tak berdimensi advance ratio (J), koefisien thrust (KT), koefisien torque (KQ), dan efisiensi (η)  yang dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut:

Pada tabel tersebut, dapat terlihat data yang memiliki nilai thrust dan torque negatif menandakan bahwa propeller menjadi yang diputar oleh aliran yang masuk dan dianalogikan sebagai turbin. Fenomena ini dapat terjadi secara teoritikal dan terlihat pula pada hasil simulasi, tetapi karena fenomena turbin ini merupakan fenomena tak diinginkan maka data tersebut tidak akan dipakai dalam pembentukkan performance map. Setelah semua data telah diperoleh dan diolah, maka dapat dibuat performance map sebagaimana ditampilkan pada Gambar 5.

Gambar 5. Performance Map untuk Propeller yang Dianalisis

Berdasar pada Gambar 5, terlihat bahwa ketiga trendline yang terbentuk memiliki deviasi dengan data poin yang relatif rendah dan bersama semua nilai R2 yang mendekati 1 menandakan bahwa ketiga trendline sudah representatif terhadap data poin yang ada. Selain itu, dapat terlihat juga bahwa pada data poin yang memiliki nilai J yang sama, data akan memiliki nilai KT, KQ, dan efisiensi yang serupa sehingga dapat dikatakan bahwa setiap kondisi operasi (dari segi kecepatan aliran dan putaran propeller) dapat diwakilkan oleh suatu nilai advance ratio yang setara dengannya untuk mengetahui perkiraan nilai KT, KQ, dan efisiensi apabila diketahui fungsi ketiga trendline terhadap J. Secara garis besar, kecenderungan grafik yang didapat sudah mirip dengan grafik performa propeller pada sebuah paper berjudul “Open Water Performance of a Marine Propeller Model Using CFD” seperti yang ditampilkan pada Gambar 6 (Elghorab, Aly, Elwetedy, & Kotb, 2015) sehingga dapat ditentukan bahwa grafik performa propeller yang diperoleh sudah sesuai. Tetapi, berdasar pada paper tersebut, disebut bahwa terdapat zona kekeliruan yang merentang pada nilai advance ratio awal mengartikan data pada advance ratio awal yang ditampilkan Gambar 5 juga belum tentu tepat.

Gambar 6. Extended CFD Results (Elghorab, Aly, Elwetedy, & Kotb, 2015)

Selain itu, pada Gambar 5, nilai efisiensi memuncak hanya pada kisaran 44-45% yang dapat terjadi karena berbagai faktor antara lain simplifikasi kondisi yang diterapkan saat melakukan simulasi, kualitas mesh yang terbentuk masih kurang, ataupun dari dipakainya geometri propeller yang memang belum dioptimasi. Untuk kedepannya, dapat diterapkan beberapa alternatif agar meningkatkan kualitas data yang didapat seperti memodelkan hull dan propeller shaft; optimasi propeller seperti implementasi bentuk airfoil, memberi fillet, memberi rake, atau memberi skew; menerapkan mesh yang lebih halus; meningkatkan jumlah iterasi saat menjalankan simulasi; dan lain-lain.

Refrensi:

[1] Elghorab, M. A., Aly, A. A.-A., Elwetedy, A. S., & Kotb, M. A. (2015). Open Water Performance of a Marine Propeller Model Using CFD.