-
Model Hidrodinamika MIKE 21
Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)
Praktikum Arus Laut
Modul Pemodelan Flow Model 2-D dengan MIKE 21 DHI Enviroment
(flexible mesh)
Tim asisten
Hendry Syahputra R. S
Trika Agnestasia
Nugraha Syahfutra
PROGRAM STUDI OSEANOGRAFI
JURUSAN ILMU KELAUTAN
FAKULTAS PERIKANAN DAN ILMU KELAUTAN
UNIVERSITAS DIPONEGORO
2014
-
Model Hidrodinamika MIKE 21
Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)
Modul Pemodelan Hidrodinamika
Flow Model 2-D Flexible mesh dengan MIKE 21 DHI Enviroment
1.1 Tujuan Praktikum
a. Praktikan dapat melakukan pemodelan hidrodinamika sederhana
dengan
software MIKE 21 Flow model module
b. Praktikan dapat mengalikasikan penggunaan model pada fenomena
arus laut
c. Praktikan dapat mendeskripsikan pola arus hasil model
1.2 Dasar Teori
1.2.1 Pengertian Arus Laut
Arus merupakan gerakan air yang sangat luas terjadi pada seluruh
lautan di dunia
sehingga digambarkan lengkap kecepatan dan arahnya (Hutabarat
dan Evans, 1985). Arus
utamanya dibangkitkan oleh angin atau termohalin. Arus laut juga
dapat didefinisikan pula
sebagai proses pergerakan massa air laut secara vertikal dan
horizontal dari suatu tempat
ke tempat lain untuk mencapai keseimbangannya.
Arus juga merupakan gerakan mengalir suatu massa air yang
dikarenakan tiupan
angin atau perbedaan densitas atau pergerakan gelombang panjang.
Pergerakan arus
dipengaruhi oleh beberapa hal antara lain arah angin, perbedaan
tekanan air, perbedaan
densitas air, gaya Coriolis dan arus Ekman, topografi dasar
laut, arus permukaan, upwellng
, downwelling.
1.2.2 Persamaan Hidrodinamika
Persamaan dasar yang mengatur didalam persamaan hidrodinamika
adalah
persamaan kontinuitas dan persamaan momentum. Kedua persamaan
diintegrasikan
terhadap kedalaman rata-rata suatu perairan, yang fungsinya
untuk memperoleh nilai
persamaan pada arah x dan y.
Prinsip kontinuitas menggambarkan perubahan zat, fluida dalam
suatu ruang yang
tidak dapat di ciptakan dan tidak dapat dihancurkan. Dalam kasus
fluida sejenis yang tidak
dapat di tempa, prinsip kontinuitas di gambarkan dengan
konservasi dari volum. Kecuali
dalam kasus yang spesial dimana parsial tampak kosong.
-
Model Hidrodinamika MIKE 21
Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)
Prinsip momentum mengungkapkan hubungan antara Gaya yang bekerja
F pada
sebuah unit volume dari densitas p dan kemudian gaya Inersia
d(pV)dt dari unit volume
yang bergerak. Gaya Inersia berhubungan dengan penerimaan secara
alami dari tubuh
untuk menerima kembali perubahan dalam pergerakan. Hukum
persamaan Newton
mengatakan bahwa Setiap tubuh menggerakan negara ini dari tidur
atau gerak berseragam
dengan sebuah garis lurus kecuali dipaksa dengan menggunakan
gaya Ekasternal untuk
menggerakan negara tersebut. Sehingga kita tahu gaya Newton
berhubungan dengan isi
dari hukum kedua : ratarata perubahan momentum adalah
proporsinal untuk gaya gaya
yang bekrja dan berada di dalam arah dimana gaya tersebut
bekerja F = d(mV)/dt.
Fluida mekanik dalam persamaan ini mengambil bentuk partikular
yang di mana
diambil dari hitungan partikel fluida mungkin telah tersusun.
Untuk sebuah fluida
inkompersible (atau fluida yang tidak dapat di tempa
penggabungan persamaan momentum
dengan memberikan jarak kerja dari persamaan dan energi,
mengungkapkan sebuah bentuk
dari perlindungan dari prinsip enrgi.
1.2.3 Modul Hidrodinamika MIKE 21 DHI ENVIROMENT (HD)
Modul hidrodinamik dalam MIKE 21 HD meruapakan sistem model
numerik
secara umum untuk memodelkan simulasi muka air dan aliran di
estuari, teluk dan pantai.
Model ini dapat mensimulasikan aliran dua dimensi tidak langgeng
di dalam fluida satu
lapisan (secara vertikal homogen) maupun dalam aliran tiga
dimensi. Modul hidrodinamika
MIKE 21 (MIKE 21 HD) merupakan modul dasar dalam program MIKE 21
model aliran
(flow model). Persamaan konversi massa dan momentum dapat
ditulis dalam persamaan
(DHI Software, 2007): persamaan dalam kasus 2D pada aliran
perairan dangkal didapatkan
persamaan berikut yang diselesaikan dalam koordinat
kartesian:
+
+
= 0
+
+
=
0
2
20
+
0
0+
1
0(
+
) +
() +
()
-
Model Hidrodinamika MIKE 21
Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)
+
+
=
0
2
20
+
0
0+
1
0(
+
) +
() +
()
(DHI Water and Enviroment, 2012)
Dimana pada penyelesaianya mengindikasikan nilai dari kedalaman
rata rata,
dimana adalah kecepatan pada kedalaman rata rata yang diberikan
oleh :
=
, =
(DHI Water and Enviroment, 2012)
Penyelesaian dilaksanakan pada penerapan sistem koordinat
kartesian dan sigma
pada penyelesaian 2D/3D. Diskritasi persamaan dasar menggunakan
sebuah cell centered
finite volume method (Gambar 1).
Gambar 1. Ilustrasi unstructured triangular mesh dengan
cell-centered Node : H, z, w,
D, s, q, q2, q2l, Am, Kh; Centroid : u, v
(Sumber : Chen et. al, 2006)
Pada penyelesaian kasus 2D elemen yang digunakan merupakan
bentuk segitiga tidak
teratur, pada penyelesaian kasus 3D untuk penyelesaian
horizontal menggunakan grid
segitiga tidak berstruktur dan penyelesaian vertikal mesh
dibentuk sistem koordinat sigma
atau kombinasi antara kordinat sigma dengan kordinat z.
-
Model Hidrodinamika MIKE 21
Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)
Gambar 2. Prinsip bentuk mesh pada kasus 2D/3D
(sumber : DHI Water and Enviroment, 2012)
Gambar 3. Ilustrasi perbedaan bentuk grid vertikal pada
koordinat sigma dan kombinasi
koordinat sigma dan z , konfigurasi dengan koordinat sigma dapat
mempresentasikan batimetri
(Sumber : DHI Water and Enviroment, 2012)
Potensi keuntungan model 3D dengan konfigurasi koordinat sigma
adalah
kemampuan akurat dalam mepresentasikan batimetri dan resolusi
dekat dengan dasar,
namun masih memiliki kemunkinan menghasilkan error dari aliran
yang tidak riil. Pada
koordinat z kelemahanya adalah ketidak akuratan dalam
merepresentasikan batimetri
namun kemudahan dalam mengkalkulasi perubahan tekanan
horizontal.
Gambar 4. Konfigurasi desain pesisir pada sistem grid teratur
(POM) dan sistem grid
segitiga tidak teratur (FVCOM)
(Sumber : Chen et. al, 2006)
-
Model Hidrodinamika MIKE 21
Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)
Gambar 5. Ilustrasi perbedaan bentuk mesh pada penyelesaian
numerik 2D, konfigurasi
unstructured triangular mesh dapat mempresentasikan garis pantai
(Sumber : Chen et. al,
2006)
Bentuk mesh 2D juga memiliki penyelesaian dengan masing masing
keuntungan
tesendiri, penggunaan unstructtured triangular mesh akan
memberikan representasi garis
pantai yang lebih akurat, namun sering terjadi eror dengan
timbulnya bias aliran yang tidak
rill. Hasilnya bias menjadi aplikasi batas yang tidak slip, dan
masalah dengan cairan
sepanjang lereng pantai. Dengan menyelaraskan mesh masalah ini
dapat diselesaikan
(Marshall, 1998)
Daerah spasial didiskritasi menjadi beberapa bagian yang
kontinyu dan tidak
tumpang tindih dari masing masing elemen. Bidang horizontal
unstructtured triangular
mesh terdiri dari elemen segitiga untuk integrasi waktu pada
skema eksplisit. (DHI Water
and Enviroment, 2012)
Penggunaan grid teratur tidak dapat merepresentasikan bentuk
garis pantai secara
akurat, namun kemudahan dalam kalkulasi dalam perhitungan. (Chen
et al, 2006)
-
Model Hidrodinamika MIKE 21
Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)
1.3 Metode Penyelesaian
1.3.1 Grid teratur
1.3.1.1 Membuat data Batimetri dengan metode Grid
(RECTANGLE)
Pembuatan data batimetri merupakan tahap membuat data eksternal
yang akan
digunakan sebagai inputan dasar dalam menjalankan simulasi model
numerik. Dalam
membuat data batimetri, sebelumnya dipersiapkan data garis
pantai (shoreline) dan data
kedalaman perairan (batimetri) dalam bentuk (.xyz). Membuat
batimetri untuk inputan
simulasi model menggunakan Bathymetry Editor dalam aplikasi MIKE
21 Toolbox
(Bathymetries.batsf). Data garis pantai (shoreline) dan
kedalaman perairan (batimetri)
dibuat dalam bentuk tabel informasi, sehingga memudahkan
pengolahan dalam lembah
pengerjaan batimetri.
Tabel 1. Tabel Informasi Spasial Garis Pantai dan Kedalaman
Perairan
Orientation Projection
System
Easting (m) Northing (m) Extent (m)
Min Max Min Max Width Height
WorkArea UTM-47 728000 864000 166000 253000 136000 87000
Tahap Pembuatan Batimetri :
1. Mendefiniskan atau menggambarkan area model yang akan
disimulasikan sehingga
mencakup wilayah geografis yang semua data spasial yang
relevan.
Pembuatan batimetri disarankan menggunakan Earthing/Northing
sehingga lebih
mudah dalam menentukan jarak dalam meter. Jika informasi spasial
domain model
dalam decimal degrees, maka harus dikonversi dalam bentuk
Earthing/Northing.
-
Model Hidrodinamika MIKE 21
Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)
Gambar 1. Menggambarkan Area Model
Gambar 2. Projection Area
2. Pada lembar pengerjaan (working area) dilanjutkan dengan
memasukkan data garis
pantai (.xyz) dan data kedalaman perairan (.xyz) dengan langkah
WorkArea
Background Management Import.
Gambar 3. Proses input data garis pantai (.xyz)
-
Model Hidrodinamika MIKE 21
Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)
Gambar 4. Hasil Keluaran Garis Pantai Area Model
Gambar 5. Proses input data kedalaman perairan (.xyz)
Gambar 5. Hasil Keluaran Garis Pantai dan Kedalam Perairan Area
Model
3. Membuat grid dari batimetri dengan langkah WorkArea
Bathymetry management
New.
-
Model Hidrodinamika MIKE 21
Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)
Gambar 6. Proses Pembuatan Grid Batimetri Area Model
Grid Spacing adalah luas setiap grid dalam domain model,
sedangkan grid dimensions
adalah jumlah grid yang berada dalam domain model.
4. Grid batimetri Model di interpolasi dengan langkah Pick Mode
Import from
Background and drag, maka tanda titik (points) akan mengalami
perubahan warna,
dan pada langkah akhir tekan Import from Background sekali
lagi.
Gambar 7. Perubahan Warna pada daerah yang akan di
interpolasi
5. Interpolasi daerah model dengan langkah WorkArea Bathymetry
Management
Interpolate
-
Model Hidrodinamika MIKE 21
Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)
Gambar 8. Interpolasi Data Batimetri
6. Simpan file batimetri yang telah dikerjakan dengan langkah
File Save (.dfs2)
Gambar 9. Hasil Batimetri Area Model
-
Model Hidrodinamika MIKE 21
Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)
1.3.2 Triangular Unstructurred Mesh
1.3.2.1 Mesh Generator Method
Sama seperti pembuatan grid sebelumnya dengan menggunakan metode
grid, file
input yang harus dipersiapkan terlebih dahulu adalah informasi
terkait lokasi domain model
yang meliputi:
a. Data kedalaman (batimetri)
b. Data garis pantai (daratan)
Contoh data kedalaman dan garis pantai yang disajikan:
Gambar 1. Contoh domain Area yang akan dibuat
Gambar 2. Contoh Format Data Garis Pantai dan format data
batimetri
Tahapan Pembuatan Mesh :
1. Untuk memulai membuat grid batimetri dengan Mesh Generator
maka pada menu
toolbox MIKE ZERO pilih mesh Generator (.mdf)
-
Model Hidrodinamika MIKE 21
Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)
Gambar 3. Menu toolbox pada MIKE ZERO
2. Setelah memilih mesh generator, pengaturan proyeksi area
dialkukan dahulu pada
windows Workspace Projection, dengan memilih zona lokasi
proyeksi yang akan
dilakukan pada domain model.
untuk menentukan zona UTM dapat menggunakan formula berikut
:
= (180 +
6+ 1)
Dimana adalah nilai bujur
Gambar 4. Sistem proyeksi yang akan digunakan
3. Setelah muncul lembar kerja dari mesh generator, berikutnya
dilakukan penginputan
garis pantai, dimana file garis pantai berekstensi .xyz
-
Model Hidrodinamika MIKE 21
Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)
Gambar 5. Memasukan Garis Pantai
4. Lakukan penyesuaian proyeksi yang terdapat pada data garis
pantai, lalu dilanjutkan
dengan penyesuaian kolom pada file garis pantai pada bagian
column sequence
dengan menandai X, Y, Conectivity, dan Z.
Gambar 6. Boundary properties Windows
5. Dalam mendesain domain pada bagian mesh generator terdapat
istilah yang harus
dipahami, Yaitu :
a. Node : Point awal ataupun akhir pada suatu garis (arc)
b. Vertex : Internal point Sepanjang sebuah garis
c. Arc : Garis yang menghubungkan node-vertex maupun
vertex-vertex
d. Poligon : Bidang tertutup yang terbentuk dari arc.
-
Model Hidrodinamika MIKE 21
Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)
Gambar 7. Daerah domain hasil proses import garis pantai
6. Jumlah arc pada domain model dapat dilihat pada bagian
informasi redistribute
vertices dengan cara memilih select an arc dari menu toolbars,
lalu pilih arc yang
akan dilihat jumlahnya, klik kanan pilih redistribute
vertices.
Gambar 8. Identifikasi jumlah vertices pada suatu garis
(Arc)
7. Besarnya jumlah vertices yang terdapat akan mempengaruhi
kerapatan mesh yang
akan terbentuk, hal ini tentu akan mempengaruhi lamanya kinerja
komputasi dalama
melakukan simulasi model.
-
Model Hidrodinamika MIKE 21
Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)
Gambar 9. Informasi pada kotak dialog Arc redistribution
8. Tahapan mendesain domain model berikutnya adalah memotong arc
agar yang
muncul hanya pada wilayah yang akan dimodelkan. Cara yang
dilakukan adalah pilih
salah satu vertex lalu klik kanan pada mouse dan pilih vertices
-> nodes. Jika ingin
melakukan pembatalan dalam memotong arc, dapat dilakukan hal
yang sama dengan
memilih menu nodes -> vertices.
Gambar 10. Mengubah vertices menjadi node
9. Garis pantai yang tidak diinginkan atau tidak termasuk dalam
wilayah domain model
yang akan disimulasikan dapat dihilangkan dengan cara pilih
select an arc dari menu
toolbars, pilih arc yang akan dihilangkan lalu edit ->
delete.
-
Model Hidrodinamika MIKE 21
Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)
Gambar 11. Proses pemotongan arc
Gambar 12. Hasil akhir pemotongan arc pada masing masing garis
pantai
10. Membuat Polygon daerah domain model, caranya yang dilakukan
adalah
menghubungkan kedua arc dari masing masing ujung garis pantai,
sehingga
terbentuk suatu bidang tertutup.
Dari menu toolbar pilih Draw arc, klik pada bagian node yang
ingin dihubungkan
kemudian tarik garis hingga sampai pada node yang akan
diubungkan, sehingga akan
terbentuk 2 arc baru seperti gambar berikut.
-
Model Hidrodinamika MIKE 21
Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)
Gambar 13. Hasil akhir pembuatan polygon domain model dengan
membuat 2 arc baru
11. Dengan cara yang sama lakukan distribusi vertices pada 2 arc
yang baru terbentuk,
yang dapat diatur pada kotak dialog arc redistribution pada menu
Redistribution
vertices.
Gambar 14. Hasil akhir pembuatan vertices pada arc di daerah
domain model
12. Selanjutnya melakukan pendefinisian pada setiap arc yang
menjadi batas domain
model, dilakukan dengan cara pilih select arc pada menubars klik
kanan mouse lalu
pilih properties. Isi arc properties pada arc atribute.
Pendefinisian ini dilakukan
untuk memisahkan mana yang menjadi batas laut dan mana yang
menjadi batas main
land.
-
Model Hidrodinamika MIKE 21
Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)
Gambar 15. Pendefinisian atribut pada setiap batas arc
13. Langkah selanjutnya setelah melakukan pendeskripsian atribut
pada batas domain
model, dilakukan pembentukan mesh. Langkah yang dilakukan adalah
sebagai
berikut pilih Mesh -> triangulate.
Gambar 16. Tahapan melakukan triangulation
14. Setelah muncul kotak dialog triangulation sesuaikan maximum
element area
menyesuaikan luasan domain yang dibuat.
-
Model Hidrodinamika MIKE 21
Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)
Gambar 17. Hasil meshing yang telah dibuat pada domain model
15. Tahapan selanjutnya adalah memasukan informasi kedalaman
pada daerah domain
yang telah dibuat. Caranya sebagai berikut Data -> import
scatter data, lalu pada
kotak dialog import scatter data pilih add data batimetri (.xyz)
dan map projection
pilih LONG/LAT -> OK.
Gambar 18. Tahapan memasukan Batimetri
16. Tahapan selanjutnya adalah memasukan nilai data batimetri
dalam masing masing
mesh. Mesh -> Interpolate.
-
Model Hidrodinamika MIKE 21
Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)
Gambar 19. Tahapan interpolasi data Batimetri menjadi Data
Mesh
Gambar 20. Hasil akhir data batimetri pada masing masing
mesh
17. Tahapan terakhir melakukan exporting mesh , dengan cara Mesh
-> Export mesh.
Gambar 21. Exporting mesh, dan penyimpanan mesh
18. Untuk melihat hasil yang diperoleh dapat dilakukan dengan
cara membuka file yang
telah disimpan, maka tampilan akan menjadi sebagai berikut.
-
Model Hidrodinamika MIKE 21
Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)
Gambar 22. Hasil akhir tampilan Mesh
1.4 Tugas Praktikum
Tugas praktikum adalah sebagai berikut:
a. Praktikan diwajibkan melakukan simulasi model arus dengan
modul
Hidrodinamika MIKE 21 dengan metode domain Unstructurred
triangular mesh
dalam skala waktu 1 piantan pasang surut.
b. Praktikan diwajibkan membuat laporan dari hasil simulasi yang
dilakukan dengan
format terlampir, dan melampirkan hasil simulasi dalam bentuk
CD/DVD
c. Praktikan akan dibentuk menjadi kelompok yang satu kelompok
terdiri dari 3 orang.
d. Setiap kelompok praktikan akan dibedakan dalam beberapa
skenario simulasi.
e. Skenario setiap kelompok akan dijelaskan pada praktikum.
-
Model Hidrodinamika MIKE 21
Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)
1.5 Format Laporan
FORMAT LAPORAN PRAKTIKUM PEMODELAN ARUS
I.Pendahuluan
1.1 Latar Belakang
1.2 Tujuan Praktikum
II.Dasar Teori
2.1 Arus Laut
2.2 Hidrodinamika
2.3 MIKE 21
III. Metodelogi
3.1 Hasil Print Screen Pembuatan Batimetri
3.2 Hasil Print Screen Peramalan Data Pasang Surut
3.3 Hasil Print Screen Pengolahan Data Angin
3.4 Hasil Print Screen Model Set-Up Hidrodinamika
IV. Hasil dan Pembahasan
4.1 Hasil
4.1.1 Hasil Mesh
4.1.2 Hasil Running Model Kelompok dan Individu (.plc) pada High
Water (HW) dan Low
Water (LW) pada kondisi pasut purnama dan pasut perbani
4.2 Pembahasan
4.2.1 Pola Arus Perairan
4.2.2 Kecepatan Arus Perairan
V. Penutup
5.1 Kesimpulan
5.2 Saran
Daftar Pustaka (min. 10 referensi buku atau jurnal ilmiah)
Lampiran
1. Hasil simulasi model (.Avi) diburn di CD-R
2. Hasil Batimetri diburn di CD-R
3. Model Control Modul Hidrodinamika dan Batimetri diburn di
CD-R