STUDI PENGARUH UKURAN MICRO RIBLET TERHADAP …

STUDI PENGARUH UKURAN MICRO-RIBLET TERHADAP EFEKTIVITAS KECEPATAN KAPAL

Gerry Liston Putra, Mathias Bimo

1. Teknik Perkapalan, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus Baru UI Depok, Pondok Cina, Beji, Depok,

16424, Indonesia

2. Teknik Perkapalan, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus Baru UI Depok, Pondok Cina, Beji, Depok, 16424, Indonesia

E-mail: [email protected], [email protected]

Abstrak Peningkatan kecepatan kapal dengan daya yang sama merupakan peningkatan efektivitas dan memberikan konservasi energi dalam perjalanan kapal. Dewasa ini telah dipelajari bahwa kecepatan kapal dapat ditingkatkan dengan melakukan biomimetic kulit ikan hiu pada lambungnya. Modifikasi yang lebih dikenal dengan teknologi mikro-riblet ini, memiliki bentuk pola bilik – bilik yang dapat mengarahkan aliran disekitar kapal menjadi aliran turbulen yang teratur. Dalam aplikasinya micro-riblet akan memberikan luasan basah tambahan pada kapal yang dapat meningkatkan hambatan kapal, namun dengan manfaat riblet dalam resistance reduction dan melakukan pengujian riblet berdiameter 220µm dan 150µm didapatkan ukuran riblet dengan efisiensi optimum pada diameter 220µm dengan range efektivitas kecepatan 6.4%-11.4%, dibandingkan diameter 150µm. dengan range efektivitas kecepatan 3%-7%.

Study on the Effect of Micro-Riblets Size to Effectiveness of Ship speed

Abstract

The enhancement of ship speed with the same power can give energy conservation in a ship’ trip. Nowadays, it has been studied that application of shark skin biomimetic can enhance the ship speed. This modification, better known as micro-riblet technology, has a straight pattern that can turn flow around the ship to become well-run turbulent flow. In its application, micro-riblet gives more wetted surfaced area in the ship’s surface that will increase the ship resistance, but with the benefit of the micro-riblet pattern in resistance reduction and riblet trials with the diameter size of 220µm and 150µm it is found the optimum efficiency of micro-riblet size with 220µm of diameter and 6.4%-11.4% of speed effectiveness range in compared to 150µm with 3%-7% of speed effectiveness range. Key words: Effectiveness; efficiency; shark-skin biomimetic; resistance reduction

Studi Pengaruh ..., Mathias Bimo P, FT UI, 2017

Pendahuluan

Kebutuhan energi merupakan masalah yang dihadapi oleh seluruh dunia dewasa ini. Dalam misi

untuk pemenuhan kebutuhan energi, selain kebutuhan akan sumber daya diperlukan juga

optimalisasi penggunaan energi yang sudah tersedia. Pemanfaatan energi sebaik – baiknya bisa

kita kategorikan ke dalam efisiensi energi.

Alam merupakan suatu sistem yang bekerja secara efisien. Manusia mampu mendapatkan

efisiensi terbaik pada temuan – temuannya dengan meniru bagaimana cara alam bekerja. Hutan

dapat tumbuh tanpa perlu diberi pupuk, ikan di laut berkembangbiak tanpa harus diberi pakan

oleh manusia. Ekosistem lautpun memiliki cara sendiri bagaimana membuat ikan hidup.

Mekanisme kerja alam inilah yang mestinya ditiru. Disinilah diperlukan kreativitas dan inovasi

manusia untuk menerapkan prinsip kerja alam tersebut dalam aktivitasnya. (Arif Satria, 2015)

Dalam dekade terakhir, telah banyak dilakukan penelitian mengenai kulit ikan hiu dan tengah

populer di kalangan ilmuwan dimana pola yang terdapat dalam kulit ikan hiu dapat mengurangi

drag (gaya hambat) dan meningkatkan efisiensi suatu sistem. Ikan hiu merupakan spesies air

yang memiliki kemampuan renang yang baik. Biomimetic sisik ikan hiu adalah suatu inovasi

yang terinspirasi dari sisik ikan hiu tersebut. Dermal denticles yang terdapat pada kulit ikan hiu

mampu mengurangi drag yang terjadi ketika mereka berenang. Biomimetic dermal denticles ini

disebut juga shark-skin-inspired micro-riblets (Zhao, et al. 2014) dan sudah diaplikasikan dalam

bermacam-macam alat, seperti turbin, pesawat, antifouling devices, bahkan lokomotif. Selain

kecepatan, aplikasi micro-riblet akan mengurangi penggunaan bahan bakar.

Drag (gaya hambat) dalam istilah hidrodinamika kapal lebih dikenal dengan Resistance

(tahanan). Resistance adalah gaya fluida yang bekerja pada kapal sedemikian rupa sehingga

melawan gerakan kapal tersebut (Sv Aa Harvald, 1983). Tahanan tersebut telah dipelajari dapat

direduksi oleh aplikasi riblets pada permukaan kapal.

Riblets dapat memberi efek pada air untuk mengalir secara efisien di atas permukaannya.

Resistance reduction ini terjadi karena riblets mengangkat vortisitas yang terjadi pada aliran

turbulen sehingga mengurangi tegangan geser yang terjadi pada aliran. Riblets menunjukkan

resistance reduction sebesar 10% dibandingkan dengan permukaan rata yang telah diuji. (Martin,

et al., 2016)


Fabrikasi riblet hasil biomimetic sisik ikan hiu telah diteliti dengan berbagai macam metode.

Studi menunjukkan pembuatan micro-riblet yang paling simpel dan terbukti dapat direplikasi

sesuai dengan hull kapal adalah dengan teknik laminasi transfer molding menggunakan bahan

berupa silicon rubber.

Studi telah dilakukan dengan Towing Test pada Hull kapal yang telah diberikan Micro-Riblet

berukuran 500µm meningkatkan kecepatan kapal hingga 40% lebih cepat dibandingkan dengan

kekuatan propulsi yang sama dengan hull kapal yang tidak dtempelkan micro-riblet. Nilai ini

mungkin meningkat dengan mengurangi ukuran riblet sehingga menyerupai kulit ikan hiu.

(Supriadi, et al., 2015)

Dari penjabaran sebelumnya maka dibutuhkan penelitian terhadap ukuran riblet yang optimum

untuk diaplikasikan pada hull kapal yang sesungguhnya. Diharapkan dengan ditemukan ukuran

riblet yang menghasilkan efisiensi terbesar dalam peningkatan kecepatan kapal dan mungkin

akan menjadi sumbangan besar terhadap penghematan energi dan industri kapal cepat dunia.

Dasar Teori

Hambatan merupakan gaya yang bekerja berlawanan dengan arah gerak kapal. Hambatan suatu

kapal pada kecepatan tertentu adalah gaya yang dibutuhkan untuk menarik kapal pada air tenang,

dengan asumsi bahwa tidak ada interferensi dalam penarikan kapal. Hambatan Gesek

ditimbulkan media fluida berviskos yang ikut terseret badan kapal sehingga terjadi frictional

force. Dalam hambatan gesek terdapat koefisien gesek pada kapal. Dirumuskan dengan

persamaan 2.1 berikut:

!! =!.!"#

(!"#!"!!)! (2.1)

!! = !"#$%&%#' !"#$"%"&

!" = !"#$%&'( !"#$%&

Dalam pergerakan kapal, ketika kapal bergerak dengan kecepatan, maka molekul fluida akan

menunjukkan pergerakan yang arahnya tidak teratur dan tidak paralel, dan aliran menjadi

turbulent. Fenomena dari aliran yang menyilang dan tidak paralel antar molekul fluida

menyebabkan pada aliran turbulen ini menyebabkan peningkatan nilai transfer momentum.


Aliran laminar merupakan aliran fluida yang bergerak sebagai jumlah lapisan-lapisan dengan

jalur yang tidak saling memotong (sejajar) pada kecepatan relative yang bervariasi dalam

penampang aliran. Sementara aliran turbulen memiliki kecepatan fluida dengan fluktuasi yang

tidak menentu.

Faktor yang menentukan jenis aliran fluida adalah jenis fluida, kecepatan aliran, bentuk

permukaan kapal, dan kedalaman air. Dalam kenyataan, pada umumnya aliran yang sering terjadi

adalah turbulen. Kecepatan aliran fluida yang bertambah akan merubah aliran laminar menjadi

turbulen melalui fase transisi (Rn = 105 s.d 106).

Transisi secara natural dari aliran laminar menjadi aliran turbulen memiliki nilai Reynolds

number sekitar 4000 untuk aliran dalam dan 500.000 untuk aliran luar. Re (Reynolds number)

adalah rasio dari gaya inersia terhadap gaya viskos pada aliran. Re dalam aliran dalam dan aliran

luar dirumuskan oleh persamaan 2.3 dan 2.4 sebagai berikut:

!" = !"#/! (!"#$!% !"#"$) (2.3)

!" = !"#/! (!"#$!% !"#$) (2.4)

Dimana:

! = !"#$%&'$ !"#$%&

! = !"#"$%&%'

! = !"#$%&%' !"!#

! = Viskositas dynamic

! = !"#$"#% !"#$

Pola riblet adalah struktur celah – celah kecil dengan ukuran dan bentuk tertentu dan paralel

dengan aliran fluida. Pada umumnya struktur riblet memiliki tinggi sekitar puluhan mm hingga

beberapa ratus mm. Konsep riblet telah digunakan pertama kali pada sebuah pesawat terbang

dengan plat alumunium yang dimachining.

Dalam berenang, ikan hiu memiliki pola sisik yang disebut dermal denticles. Pada ikan hiu yang

dapat berenang dengan cepat, dermal denticles ini memiliki pola riblet, sedangkan ikan hiu yang

berenang biasa memiliki dermal denticles namun tidak memiliki pola riblet pada badannya.

Bentuk ini dapat diperhatikan pada gambar 2-1


Gambar 2.1 Pola kulit berbagai ikan Hiu (Adaptasi dari Dean dan Bushan, 2011)

Riblet berfungsi sebagai penyearah aliran turbulen pada lapisan yang berada di dalam celah –

celah riblet sehingga terjadi transfer momentum dan mereduksi hambatan.

Dengan penelitian yang ada sebelumnya diketahui bahwa Riblet dapat mengurangi hambatan

konsep berikut:

Aliran fluida pada permukaan riblet hanya berinteraksi pada ujung riblet dan bukan seluruh

permukan. Ujung – ujung riblet akan mengalami shear stress yang tinggi, dan bagian permukaan

lain mengalami shear stress yang lebih rendah karena kecepatan fluida yang rendah.

Riblet akan mengurangi aliran yang bertabrakan di permukaan lembah riblet. Didalamnya,

terdapat aktivitas dinamis yang lebih sedikit dari mayoritas dari transfer momentum dan

hambatan total.


Dengan penelitian yang ada sebelumnya diketahui bahwa Riblet dapat mengurangi hambatan

konsep berikut:

1. Aliran fluida pada permukaan riblet hanya berinteraksi pada ujung riblet dan bukan

seluruh permukan. Ujung – ujung riblet akan mengalami shear stress yang tinggi, dan

bagian permukaan lain mengalami shear stress yang lebih rendah karena kecepatan fluida

yang rendah.

2. Riblet akan mengurangi aliran yang bertabrakan di permukaan lembah riblet.

Didalamnya, terdapat aktivitas dinamis yang lebih sedikit dari mayoritas dari transfer

momentum dan hambatan total.

Angka Fr dapat menjadi tolak ukur dalam menentukan jenis kapal dalam kategori kapal cepat dan

kapal non-cepat dalam perancangan. Persamaan bilangan Froude didefinisikan dalam persamaan

2.5 berikut:

!" = !! !

(2.5)

Dimana:

! = !"#"$%&%' !"#"$ (!"#$)

! = !"#$"!%&%' !"#$%&#'% (9,8 !/!!)

! = !"#$#% !"#"ℎ !"#"$

Metode Penelitian

Penelitian dimulai dengan membuat susunan master riblet yang dibuat secara manual. Senar

nyolon dibentangkan secara padat sehingga rapat satu sama lain. Susunan tersebut akan

dituangkan cairan silicone rubber yang akan dijadikan cetakan untuk diaplikasikan ke lambung

kapal. Cara ini adalah cara konvensional dengan pekerjaan tangan secara manual. Cetakan yang

dibuat adalah cetakan riblet berukuran 0.15 mm dan 0.22 mm. Pembuatan Riblet dapat dilihat

pada gambar 3.1.


Gambar 3.1 Susunan master riblet dengan nylon dan dituang sillicone rubber

Hasil ceakan riblet 0.22mm dilihat pada gambar 3.2 dibawah dengan menggunakan mikroskop

elektrik dengan perbesaran 64x. Dapat dilihat jelas struktur scallop negatif yang dihasilkan oleh

cetakan nylon pada meja kaca sebelumnya.

Gambar 3.2 Hasil cetakan riblet 0.22 mm


Lalu pada Gambar 3.3 memperlihatkan hasil ceakan riblet 0.15mm dengan menggunakan

mikroskop elektrik dengan perbesaran 80.7x. Dapat dilihat jelas struktur scallop negatif serupa

dengan hasil cetakan riblet 0.22 mm yang dihasilkan oleh cetakan nylon pada meja kaca

sebelumnya.

Gambar 3.2 Hasil cetakan riblet 0.15 mm

Cetakan akan dipasangkan pada kapal dengan melapisi bagian kapal dengan resin lalu

meletakkan pola riblet pada surface kapal. Setelah diletakkan cetakan diberi pressure secara

perlahan untuk meratakan resin. Gambar 3-4 merupakan Ilustrasi dari lokasi pemasangan riblet

pada kapal, riblet dipasangkan dengan panjang 480mm dan lebar 120mm.

Gambar 3.4 Ilustrasi lokasi pemasangan riblet pada kapal


Hasil mencetak riblet pada kapal dapat diperhatikan dalam gambar 3.5. Hasil ini merupakan hasil

pile-up dari cetakan silicone rubber yang resinnya telah kering.

Gambar 3.5 Hasil mencetak riblet pada hull kapal

Setelah Mencetak Riblet pada hull, peforma kapal akan diuji menggunakan metode uji tarik

kapal. Metode Uji Tarik dilakukan di kolam dengan desain pengujian pada gambar 3.6 berikut:

Gambar 3.6 Desain Pengujian Kolam

Kapal akan ditarik dan dihitung waktu tempuhnya melalui titik start dan finish, ketika kapal

mencapai kecepatan yang konstan. Peforma uji tarik akan dilakukan dengan variasi voltase yaitu

75 V, 80V, dan 85V. Variasi tiap voltase ini juga dibandingkan dengan kecepatan kapal dengan

variasi hull riblet yang berbeda juga yaitu tanpa riblet, riblet 0.15 mm, riblet 0.22 mm.


Hasil Pengujian dan Diskusi

Dari data yang diperoleh menunjukkan ada perbedaan kecepatan antara kapal tanpa

modifikasi micro-riblet dengan kapal dengan modifikasi micro-riblet dengan dua variasi ukuran.

Variasi kecepatan dari tiap ukuran riblet ditunjukkan pada gambar 4-4 berikut:

Gambar 0.1 Grafik Speed vs Voltase

Dari gambar 4.1 diatas dapat dilihat bahwa kecepatan kapal dengan modifikasi riblet 0.22

mm memiliki kecepatan rata – rata di atas kapal tanpa modifikasi riblet dan modifikasi riblet 0.15

mm.

Dengan mengetahui kecepatan, dan daya yang digunakan dalam variasi percobaan dapat

juga diketahui hambatan yang terjadi pada kapal, sehingga didapatkan juga Koefisien Gesek (Cf)

dimana koefisien hambat inilah yang berubah karena diberikannya modifikasi riblet. Cf

didapatkan dari perhitungan Reynolds Number yang menunjukkan sifat dari aliran. Koefisien

viskos memiliki nilai 0.00000119 m²/s dengan arus dari mesin 2.3 A. Perhitungan detail dapat

dilihat pada Tabel 4.1 berikut:


Tabel 4.1 Tabel Pengolahan Cf

Kinematic Viscousity (∂) 0.00000119 m²/s I=

2.3A Tanpa Riblet

no Volt (V) P (W) V (m/s) Rn = V.L/∂ Cf = Coeficient Hamb Gesek

1 75 172.5 1.75 3382352.941176 0.003656 2 80 184 2.17 4194117.647059 0.003510 3 85 195.5 2.31 4464705.882353 0.003469

Riblet 0.22mm no Volt P (W) V (m/s) Rn = V.L/∂ Cf = Coeficient Hamb

Gesek 1 75 172.5 1.87 3614285.7142857 0.0036100 2 80 184 2.34 4522689.0756303 0.0034606 3 85 195.5 2.57 4967226.8907563 0.0034008 Riblet 0.15

no Volt P (W) V (m/s) Rn = V.L/∂ Cf = Coeficient Hamb Gesek

1 75 172.5 1.81 3498319.327731 0.003633 2 80 184 2.27 4387394.957983 0.003480 3 85 195.5 2.47 4773949.579832 0.003426

Gambar 0.2 Daya vs Koefisien Gesek


Grafik pada gambar 4-5 menunjukkan koefisien gesek yang lebih kecil ketika kapal

diberikan modifikasi riblet pada hullnya. Modifikasi 0.22mm memberikan koefisien gesek yang

paling kecil.

Lalu dengan data kecepatan, dengan membandingkan dengan kecepatan riblet didapatkan

efisiensi kecepatan yang dihasilkan Riblet. Efisiensi kecepatan yang dihasilkan riblet dapat

dihitung dengan rumus 4.2 berikut:

! = !!! !!!!

! 100% (4.1)

Dimana:

! = !"#$#%&$# !"#"$%&%' !"#"$

!! = !"!"#$%$& !"#"$ !"#$" !"#$%&

!! = !"#"$%&%' !"#"$ !"#$%# !"#$%&

Dengan menggunakan rumus 4.2 diatas, dapat dihitung efisiensi riblet pada tiap variasi voltase.

Detail setiap variasi dapat dilihat pada tabel 4.2 berikut:

Tabel 0.2 Tabel Efisiensi yang dihasilkan riblet

EFISIENSINYA tanpa Riblet 0.22mm Riblet 0.15mm

Voltase v(m/s) v(m/s) efisiensi kec. (!) v(m/s) efisiensi kec. (!) 75 V 1.75 1.87 6% 1.81 3% 80 V 2.17 2.34 8% 2.27 5%

85 V 2.31 2.57 11% 2.47 7%

Lalu dengan efisiensi di atas dapat dioleh menjadi grafik pada gambar 4.3 di bawah menunjukkan

efisiensi riblet terkait dengan efisiensi kecepatan yang dihasilkan oleh modifikasi riblet yang

meningkat seiring dengan meningkat dengan froude number kapal. Grafik menyampaikan bahwa

semakin tinggi kecepatan kapal maka riblet akan berfungsi semakin baik dalam menambah

kecepatan kapal. Perhatikan grafik berikut:


Gambar 0.3 Grafik perbandingan Drag Reduction dengan Froude Number

Lalu Uji statistik dilakukan untuk melihat signifikansi perbedaan dari modifikasi riblet yang

dilakukan pada kapal. Uji statistik dilakukan dengan mengambil data awal yaitu kapal tanpa

modifikasi riblet dan data dua yaitu kapal dengan modifikasi riblet 0.22mm. Riblet 0.22mm

diambil sebagai data yang dilakukan uji statistik karena memiliki efisiensi yang terbesar

dibanding data lainnya. Pengujian ini dilakukan untuk melihat kelayakan penelitian ini

dilanjutkan kedepannya.

Selanjutnya Uji statistik yang dilakukan adalah z two tail test, untuk menunjukkan signifikansi

data dan dilanjutkannya penelitian ini. Dilihat pada tabel 4.3 berikut:

Tabel 0.3 Perhitungan z two tail

Variasi Voltase 75 V Tanpa Micro-Riblet Riblet 0.22mm

Mean 1.753668597 1.866578808 Varians 0.002184 0.001823803 Jumlah Data 40 40 Hipotesa Mean 0 z -11.28002423 P(Z<=z) one-tail 0 z Critical one-tail 1.644853627 0.94 P(Z<=z) two-tail 0

z Critical two-tail 1.959963985


Mean 2.172014017 2.33709642

6% 8%

11%

3% 5%

7%

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

0.37 0.39 0.41 0.43 0.45 0.47 0.49 0.51 0.53 0.55

Efisie

nsi Kecep

atan yang

dihasilkan Riblet

Froude Number

Riblet 0.22mm Riblet 0.15mm


Varians 0.003917 0.002 Jumlah Data 40 40 Hipotesa Mean 0 z -13.57312952 P(Z<=z) one-tail 0 z Critical one-tail 1.644853627 P(Z<=z) two-tail 0 z Critical two-tail 1.959963985


Mean 2.306002 2.57029 Varians 0.005305 0.039325 Jumlah Data 40 40 Hipotesa Mean 0 z -7.91213 P(Z<=z) one-tail 1.22E-15 z Critical one-tail 1.644854 P(Z<=z) two-tail 2.44E-15

z Critical two-tail 1.959964

Dari tabel 4.3 di atas menunjukkan nilai z yang diluar z kritikal two-tail. Dimana nilai tersebut

berarti menunjukkan Hipotesis ditolak. Sehingga kedua set data menunjukkan signifikan berbeda.

Hasil menunjukkan dari Hipotesis 0 dan ditolak sehingga kedua data memiliki definisi signifikan

berbeda. Signifikan berbeda menunjukkan perbedaan yang signifikan antara dua pembanding

yaitu kapal tanpa modifikasi micro-riblet dengan kapal modifikasi micro-riblet 0.22 mm.

Sehingga penelitian ini sangat baik untuk dilanjutkan kedepannya karena perbedaan pada kapal

terlihat dengan jelas.

Kesimpulan

Adapun kesimpulan yang didapat dari penelitian ini adalah sebagai berikut:

• Suatu ukuran micro-riblet mempengaruhi efektivitas kecepatan kapal

• Ukuran Micro-riblet 150µm yang memberikan efisiensi 3%,5%, dan 7% pada voltase

75, 80, dan 85


• Ukuran Micro-riblet 220µm yang memberikan efisiensi 6%,8%, dan 11% pada voltase

75, 80, dan 85

• Ukuran Micro-riblet 220µm merupakan ukuran optimum dalam penggunaan aplikasi

micro-riblet

Daftar Pustaka

Arif Satria. (2015). Politik Kelautan dan Perikanan. Jakarta: Yayasan Pustaka Obor

Indonesia.

Danyang Zhao, Qiantqian Tian, Minjie Wang, Yifei Jin. (2014). Study on the

Hydrophobic Property of Shark-Skin-Inspired Micro-Riblets.

Harvald, Sv. Aa. (1992). Tahanan dan Propulsi Kapal (Jusuf Susanto, Penerjemah).

Surabaya : Airlangga University Pers.

Johannes O., George V. Lauder. (2011).The hydrodynamic function of shark skin and

two biomimetic applications.

Martin Samuel, Bharat Busan. (2016). Modeling and optimization of shark-inspired

riblet geometries for low drag applications.

Priyambodo RH. “Menteri Jonan resmikan tiga kapal KPLP di Batam”. 17 Oktober

2015. http://www.antaranews.com/berita/524069/menteri-jonan-resmikan-tiga-kapal-kplp-di-

batam

Sugeng Supriadi, Gunawan, Yanuar, Heri Sulistyo Budhi. (2015). The Replication of

Micro-Riblets on Ship Hulls for Drag Reduction Applications.

Talahatu, M.A. (1985). Teori Merancang Kapal. Jakarta : FTUI.

Zhao, D.Y., Huang, Z. P., Wang, M. J., Wang, T., Jin, Y., 2012. Vacuum Casting

Replication of Micro-riblets on Shark Skin for Drag-reducing Applications. Journal of Materials

Processing Technology.


STUDI PENGARUH UKURAN MICRO RIBLET TERHADAP …

Documents