Modul Model Arus Mike 21

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 1.1Tujuan 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

1.2Dasar 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 : “rata–rata 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: 𝜕ℎ 𝜕𝑡

+

⃗ 𝜕ℎ𝑢 𝜕𝑡

⃗ 𝜕ℎ𝑢 𝜕𝑥

+

⃗ 𝜕𝑢

⃗ 𝜕ℎ𝑣 𝜕𝑦

=0 ⃗ 𝜕𝑢

𝜕𝜂

+ 𝑢 𝜕𝑥 + 𝑣 𝜕𝑦 = 𝐹𝑣⃗ℎ − 𝑔ℎ 𝜕𝑥 − 𝜕

𝜕

ℎ 𝜌0

𝜕𝜌

𝑔ℎ2 𝜕𝜌

𝜏𝑠𝑥

0

𝜌0

− 2𝜌 𝜕𝑥

+ 𝜕𝑥

−

𝜏𝑏𝑥 𝜌0

1

𝜕𝑠𝑥𝑥

+𝜌 ( 0

𝜕𝑥

+

𝜕𝑠𝑥𝑦 𝜕𝑦

)+

(ℎ𝑇𝑥𝑥 ) + 𝜕𝑦 (ℎ𝑇𝑥𝑦 ) ℎ𝑢𝑠 𝑠 𝜕𝑥

Model Hidrodinamika MIKE 21 – Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)

⃗ 𝜕ℎ𝑣 𝜕𝑡

⃗ 𝜕𝑣

⃗ 𝜕𝑣

𝜕𝜂

+ 𝑢 𝜕𝑥 + 𝑣 𝜕𝑦 = −𝐹𝑢⃗ℎ − 𝑔ℎ 𝜕𝑦 − 𝜕 𝜕𝑥

𝜕

ℎ 𝜌0

𝜕𝜌

𝑔ℎ2 𝜕𝜌

− 2𝜌 𝜕𝑦

0 𝜕𝑦

+

𝜏𝑠𝑦 𝜌0

−

𝜏𝑏𝑦 𝜌0

1

𝜕𝑠𝑦𝑥

+𝜌 ( 0

𝜕𝑥

+

𝜕𝑠𝑦𝑦 𝜕𝑦

)+

(ℎ𝑇𝑥𝑦 ) + 𝜕𝑦 (ℎ𝑇𝑦𝑦 ) ℎ𝑣𝑠 𝑠 (DHI Water and Enviroment, 2012)

Dimana pada penyelesaianya mengindikasikan nilai dari kedalaman rata – rata, dimana 𝑢 ⃗ 𝑣 adalah kecepatan pada kedalaman rata –rata yang diberikan oleh : 𝜂

ℎ𝑢 ⃗ = ∫−𝑑 𝑢𝑑𝑧 ,

𝜂

ℎ𝑣 = ∫−𝑑 𝑣𝑑𝑧 (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)

1.3Metode 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 Easting (m)

WorkArea

Northing (m)

Extent (m)

System

Min

Max

Min

Max

Width

UTM-47

728000

864000

166000

253000

136000 87000

Height

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 : 𝑈𝑇𝑀 𝑍𝑜𝑛𝑒 = (

180 + 𝜃 + 1) 6

Dimana 𝜃 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

Model Hidrodinamika MIKE 21 – Hendry (2009) Trika (2010) Nugraha (2010)