Hambatan Kapal Katamaran

                              Hambatan Kapal    

William Froude (1867) pertama kali memperkenalkan total hambatan kapal yang terdiri atas dua komponen yaitu hambatan sisa (residual) dan hambatan gesek (friction).

Interfensi Lambung Katamaran

Hambatan sisa dalam hal ini meliputi komponen  hambatan wave-making system energies, eddy dan viscous energy losses akibat bentuk lambung kapal. Sedangkan hambatan gesek kapal diasumsikan sama dengan hambatan gesek suatu pelat datar 2-dimensi  yang mempunyai luas permukaan bidang basah yang sama serta bergerak di air pada kecepatan sama dengan kecepatan kapal.

Komponen hambatan total pertama kali diperkenalkan oleh W. Froude. Dimana hambatan total merupakan penjumlahan hambatan gesek (R_F) dengan hambatan sisa (R_R) sehingga didapat persamaan [William,1867] : 

R_TM = R_FM + R_RM                                                                  

Dimana:  R_TM : Hambatan total model dari percobaan. R_FM : Hambatan gesek dari permukaan datar yang memiliki permukaan basah sama dengan model, yang mana dapat ditentukan dari: 

R_FM = f S Vⁿ                                                               

f,n: konstanta, fungsi dari panjang dan sifat permukaan. RRM : Hambatan sisa dari model.

Dengan menggunakan metode Froude, dapat diperhitungkan untuk koefisien hambatan kapal full scale dari hasil perobaan model kapal, dengan persamaan koefisien hambatan: 

     C_T = C_F + C_R                                                                      

Metode analisa 2-dimensi tersebut diatas tidak cukup meng-refleksikan kontribusi bentuk/ kontur lambung kapal (yang 3-dimensi) terhadap hambatan viskos, sehingga kemudian Hughes (1954) memperkenalkan metode untuk digunakan dalam korelasi model kapal dimana total hambatan adalah penjumlahan dari 3 (tiga) komponen:

1.      Hambatan gesek (friction) adalah gaya tangential stress yang timbul antara molekul air dan kulit badan kapal, yang kemudian sebagai hambatan bidang permukaan dengan area dan panjang yang sama dengan model.

2.      Hambatan bentuk (form) adalah komponen hambatan yang dinyatakan dalam bilangan ‘k’, dimana merupakan hambatan diluar batas item diatas dalam kasus lambung yang tercelup cukup dalam. Hughess mengasumsikan bahwa untuk lambung yang streamline pada aliran turbulent, dapat diekspresikan sebanding dengan hambatan friction.

3.      Hambatan free surface sebagai hambatan gelombang (CW) adalah hambatan yang timbul akibat pergerakan kapal relatif terhadap air sehingga timbul perbedaan tekanan pada permukaan (bidang) basah kapal yang selanjutnya menimbulkan wave pattern. Hambatan gelombang merupakan pengurangan total hambatan (CT) dari penjumlahan hambatan gesek (CF) dan hambatan bentuk (CF0) dari model.

C_T = C_F + C_FO + C_W    dimana  C_FO = kC_F

C_T = (1+k)C_F + C_FO + C_W                                                                       

(1+k) disebut form factor dan dapat diperoleh dari eksperimen pada kecepatan rendah (Fr < 0.1) dimana Cw dapat diabaikan, sehingga form factor dapat dihitung dengan:

(1+k)                                                                            

Selanjutnya Standar internasional dari ITTC (1978) dengan judul “1978 Performance Prediction Method for Simple Single Screw Ships”.meng-klasifikasikan hambatan kapal di air tenang (calm water), secara praktis, dalam 2 (dua) komponen hambatan utama yaitu hambatan viskos (viscous resistance) yang terkait dengan bilangan Reynolds dan hambatan gelombang (wave-making resistance) yang tergantung pada bilangan Froude, dimana korelasi kedua komponen hambatan tersebut diperlihatkan pada persamaan dibawah ini.

Hambatan total kapal dibagi dalam empat komponen [ITTC,1978]:

CT  = (1+k) C_F + C_R + C_F + C_AA                            (2.6)

Dimana,

(1+k)                : merupakan form factor.

CF                   : Hambatan gesek dengan menggunakan ITTC ’57.

CR                   : Hambatan sisa dari percobaan model.

CF                   : Roughness Allowance (0 for smooth model).

CAA                            : Air Resistance (assumed 0 for model without                superstructure).

Metode untuk mendapatkan k dengan pengukuran pada kecepatan rendah dimana CR diasumsikan mendekati 0 dan (1+k) = C_T/C_F. Dengan penurunan sebagai berikut:

CR = 0

CF = 0 (0 for smooth model).

CAA = 0 (assumed 0 for model without superstructure).

Sehingga,

CT  = (1+k) C_F + C_R + C_F + C_AA

= (1+k) C_F + 0 

CT  = (1+k) C_F (1+k) = C_T/C_F

Pada pakteknya, percobaan pada kecepatan rendah memiliki kelemahan dalam menjamin keakuratan hasil yang didapat sehingga terdapat metode lain dalam memperhitungkan hambatan, yaitu metode yang diusulkan oleh Prohaska. Mengasumsikan C_RM = a Fnⁿ pada kecepatan rendah (pada umumnya Fn<0.2) sehingga didapat persamaan hambatan total kapal sebagai berikut:

C_T  = (1+k) C_F + a Fnⁿ                                                            (2.7)

Dimana (1+k), a dan n dapat diselesaikan melalui least square analysis dari pengukuran pada kecepatan rendah

2.5              Hambatan Kapal Katamaran

Hambatan kapal katamaran diasumsikan sebagai penjumlahan dari beberapa komponen yang saling tidak bergantung (independent) agar mudah memecahkan masalah hambatan kapal dan pengaruh jarak antara lambung (hull separation). 

Metode yang digunakan pada pengujian lambung kapal yang konvensional yaitu dengan membagi hambatan pada beberapa komponen yang didasarkan pada pengukuran total hambatan dari pengujian model dengan mengestimasi hambatan gesek (friction) dari formula empiris, atau pengukuran lansung dari komponen-komponen.

Kedua metode tersebut untuk mengidentifikasi komponen-komponen dan asumsi-asumsi  yang terkait.  Hambatan kapal katamaran memiliki fenomena yang lebih kompleks dibanding dengan monohull, sebab adanya pengaruh interferensi dan interaksi diantara dua lambung kapal.

Pengaruh interferensi dan interaksi tersebut sangat pedu dikaji secara saksama baik melalui eksperimen maupun melalui simulasi CFD, agar nantinya hasil ini dapat memberikan kontribusi didalam memprediksi komponen hambatan dan total hambatan kapal katamaran.

Pengaruh interferensi dan interaksi yang dimaksud diatas dapat dikelompokkan atas dua bagian:

      Intefensi Lambung Kapal

Aliran sekitar badan katamaran adalah asimetris karena adanya pengaruh satu sama lain dari dua lambung misalnya tekanan bidang relatif tidak simetris terhadap centerline katamaran. Hal ini berkaitan dengan hal berikut:

a.    Kecepatan pesturbasi atau usikan kecepatan disekitar katamaran semakin meningkat, khususnya pada sisi dalam, sisi terowongan dari lambung karena venture effect. Kecepatan ini semakin bertambah disebabkan oleh hambatan gesek kulit dan modifikasi form factor.

b.    Persilangan aliran (cross flow)yang dapat terjadi di bawah lunas yang mana dapat memicu ke dalam komponen tarikan induksi (induced drag)yang pada normalnya diabaikan pada monohull. Meskipun dianggap penting, tetapi pengaruhnya relatif kecil jika dibandingkan dengan pengaruh kecepatan pesturbasi atau usikan kecepatan.

c.    Adanya perbedaan tinggi gelombang antara stern bagian dalam dan luar dari katamaran, dapat menunjukkan arah aliran air  menuju kedalam atau keluar. Hal ini mengakibatkan terjadinya vortice dan spray yang kemudian menghasilkan komponen tarikan induksi (induced drag).

d.   Semakin meningkatnya kecepatan di dalam sisi terowongan disebabkan oleh perubahan struktur lapisan batas (boundary layer).

e.    Akibat gelombang dari satu lambung mencapai lambung lainnya membuat luas bidang basah menjadi berubah sehingga memberikan nilai perubahan pada hambatan gesek (skin friction).

        Interferensi Gelombang

Merupakan interferensi akibat sisi-sisi dari dua lambung yang berjalan bersamaan. Interferensi gelombang dapat di analisa melalui hambatan gelombang. Adanya perubahan tekanan bidang mengakibatkan perubahan gelombang dari demihull.

Gelombang melintang dari demihull selalu diperkuat oleh lambung lain saat gelombang divergen haluan dari satu lambung dapat dihilangkan oleh gelombang divergen buritan dari lambung yang lain.

Pemantulan dari gelombang divergen dari demihull yang sama menyulitkan fenomena interferensi. Gelombang haluan dari satu lambung yang bertemu di terowongan dengan gelombang haluan dari lambung yang lain tepat di centerline dan superposisi antar keduanya menjadi sangat tinggi menghasilkan gelombang yang tidak stabil, bahkan menimbulkan gelombang pecah dan percikan atau semburan pada kecepatan tinggi.

Aliran air kearah dalam dan kearah luar pada bagian belakang (stern) merubah formasi gelombang di belakang badan kapal. Komponen koefisien interaksi hambatan pada demihull adalah sebagai berikut [Couser, 1996]:

(C_T)_cat             = (1+k _cat) (C_F)_cat + (C_W) _cat

= (1+ Ø k) σ C_F + t C_W                                    (2.8)

Dimana :

Ø        = Faktor interferensi hambatan bentuk (form), yang diakibatkan oleh perubahan tekanan yang terjadi antara dua lambung.

σ        = Factor interferensi hambatan gesek (friction), yang diakibatkan  oleh terjadinya penambahan kecepatan aliran diantara dua lambung.

t         = Faktor interferensi hambatan gelombang (wave), yang diakibatkan oleh pertemuan dua moda gelombang (dari haluan) diantara kedua lambung.

Diketahui bahwa faktor interensi Ø dan s sangat rumit dan kompleks dalam pemecahannya, maka memperkenalkan factor b untuk mengkombinasikan faktor interensi Ø dan σ ke dalam interferensi hambatan viskos untuk tujuan praktis, sehinga menjadi:

(C_T)_cat = (1+ßk) C_F + t C_W                             (2.9)

Faktor interferensi hambatan gesek (σ) dapa menginterpretasikan adanya pertambahan kecepatan pada daerah antar lambung katamaran yang mana faktor ini dapat diperhitungkan dari integrasi hambatan gesek lokal atas permukaan bidang basah dan dipengaruhi oleh jarak pisah lambung (S/L). Variasi besarnya jarak pisah lambung (S/L) dan angka froude yang mengakibatkan perubahan kecepatan kapal berpengaruh terhadap besarnya faktor interferensi hambatan sisa (Ø) dimana faktor ini dapat diintegrasi dari hasil percobaan.

Metode lain dalam perhitungan hambatan total katamaran dilakukan dengan memodifikasi metode perhitungan hambatan total katamaran oleh ITTC ’78:

C_{T (cat)}    = C_{F (cat)} + C_{W (cat)}

C_{T (cat)}    = (1+ ɸk) σ C_F +  τC_W

Sehingga hambatan total katamaran

C_{T (cat)}    = (1+ɸk) σ CF + τCW                                    (2.10)

Dimana ,

σ          : merupakan faktor interferensi hambatan gesek (friction) sesuai dengan metode ITTC ’57.

ɸ          : merupakan faktor interferensi hambatan bentuk (form).

τ           : merupakan faktor interferensi hambatan gelombang (wave).

ɸ digunakan dalam perhitungan tekanan disekitar badan kapal. Untuk tujuan praktis, ɸ dan σ dapat dikombinasikan dalam faktor interferensi hambatan viskos (β) sehingga :

(1+ ɸ k) σ = (1+ β k)                                                               (2.11)

     Sedangkan faktor interferensi hambatan gelombang dapat diperoleh dari hasil percobaan sehingga diperoleh hambatan total kapal katamaran sebagai berikut :

     Hasil Turunan rumus interferensi  

τ = [C_T - (1+ βk) C_F ]_(cat) / [C_T - (1+ k) C_F ]_(mono)                    (2.12)

Secara skematik, pembagian komponen hambatan diperlihatkan pada skematik diagram dibawah ini:

Gambar 2.5 Diagram Komponen Hambatan Kapal [Molland 2008]