JONSWAP Wave Spectrum
PERFOMANCE OF INDONESIAN FERRY SAIL-ASSISTED CONCEPT Mohammad Nurul MISBAH* 1 , Achmad ZUBAYDI 1 , MURDIJANTO 1 , and Ahmad
2. Studi Pustaka
2.1. Kapal Hemat Energi dan Ramah Lingkungan
Konsep kapal hemat energi dan ramah lingkungan telah banyak dikembangkan di negara- negara maju. Salah satu konsep untuk mendapatkan kapal yang hemat energi dan ramah lingkungan adalah dengan cara mencari alternatif sistem propulsi yang dipakai di kapal.
O‘Rourke (2006) melaporkan sebuah studi mengenai berbagai sistem propulsi yang dapat digunakan untuk kapal angkatan laut Amerika Serikat dengan tujuan untuk mengurangi penggunaan energi bahan bakar minyak. Dalam laporan tersebut diungkapkan bahwa hal-hal yang dapat menghemat energi adalah efisiensi penggunaan alat-alat elektronik di kapal. Sebuah penelitian lain yang telah dilakukan pada tahun 2001 menunjukkan bahwa kapal perang yang dilengkapi dengan alat elektronik yang efisien dan menggunakan sistem propulsi elektrik ternyata dapat mengurangi penggunaan bahan bakar minyak antara 10% hingga 25%.
Selain menggunakan sistem propulsi elektrik, cara lain untuk mengurangi penggunaan bahan bakar adalah kapal didesain dengan memakai bulbous bow dan stern flap atau kapal yang memanfaatkan teknologi fuel cell, penggunaan hydrocarbon sebagai alternatif pemakaian bahan bakar, dan penggunaan tenaga nuklir.
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012 X - 92 Pada tahun 2006 O‘Rourke juga memberikan sebuah laporan mengenai penghematan bahan bakar untuk sebuah kapal yang lain, yaitu dengan mengaplikasikan sistem propulsi layar dan tenaga surya.
2.2. Kapal Layar Modern dan Tipe Layar yang Digunakan
Kapal dengan sistem propulsi layar telah banyak digunakan sejak berabad-abad yang lalu, dan sampai saat ini sistem propulsi/ penggerak tersebut masih tetap digunakan, baik yang sepenuhnya menggunakan tenaga penggerak layar maupun gabungan antara mesin dan layar. Dengan berkembang pesatnya ilmu dan teknologi akhir-akhir ini, telah banyak desain layar yang telah dikembangkan dengan tujuan untuk mendapatkan gaya dorong layar yang optimal dan mudah dalam pengoperasiannya.
Kapal Layar Motor modern menggunakan kombinasi 50% motor dan 50% layar, meskipun pada kenyataannya lebih menitik beratkan pemenuhan kebutuhan power pada motor. Namun dengan adanya perkembangan desain dan material layar yang lebih modern saat ini, kombinasi yang efektif antara layar dan motor sangat dimungkinkan (Pike, 1993).
Tujuan sebenarnya dari Kapal Layar Motor adalah untuk mendapatkan kapal dengan kemampuan kecepatan menjelajah yang ideal (Pike, 1993). Selain itu kapal layar motor juga harus memiliki kemampuan yang baik dalam beroperasi pada saat kondisi cuaca buruk, baik pada saat menggunakan layar maupun motor.
Dengan adanya power dari motor dan rig (layar beserta perlengkapannya) yang cukup memadai, pemilik kapal tidak akan terlalu menggantungkan pemenuhan daya untuk penggerak kapal pada salah satu propulsor saja. Dengan kombinasi antara motor dan layar operasi kapal akan lebih aman, karena apabila salah satu diantarnya mengalami kegagalan maka kapal akan tetap akan bias beroperasi dengan salah satu penggerak.
Konsep Kapal Layar Motor yang pernah dikembangkan di Indonesia adalah kapal ―Maruta Jaya‖. Kapal ―Maruta Jaya‖ merupakan konsep kapal hemat energi yang merupakan proyek kerjasama antara Pemerintah Indonesia dan Pemerintah Jerman pada tahun 1980-an (Schenzel, 1983; Wiriadidjaja, 1985). Ada beberapa seri Kapal ―Maruta Jaya‖ yang dikembangkan, namun yang terealisasi adalah kapal barang dengan bobot 900 DWT.
2.3. Stabilitas Kapal Layar
Banyak sekali faktor yang mempengaruhi stabilitas sebuah kapal, dan kebanyakan dari faktor- faktor tersebut adalah bersifat sementara. Ada dua buah gaya yang bekerja pada lambung : bouyancy, yang bekerja secara vertikal ke atas sepanjang garis centre of bouyancy (CB), dan gaya gravitasi yang bekerja secara vertikal ke bawah sepanjang garis centre of gravity (CG). Kedua gaya-gaya di atas masing-masing besarnya sama dengan berat kapal, dan ketika berada di atas air kedua gaya tersebut besarnya sama dan bekerja saling berlawanan disepanjang garis vertikal yang sama. Hal ini bisa dilihat dari kapal yang tidak sedang bergerak dan masih berada di atas air, sehingga kapal tersebut bisa dikatakan dalam kondisi seimbang (even keel).
Centre of bouyancy adalah titik pusat geometris dari volume bagian badan kapal yang berada di bawah air. Apabila kapal miring, kondisi dari bagian lambung yang berada di bawah air akan berubah, dan CB akan bergerak/berubah posisi secara horisontal dan tetap secara vertikal berada pada geometrical centre dari bagian lambung yang berada di bawah air. Meskipun diasumsikan tidak ada gerakan pada kapal, CG akan tetap berada pada posisi yang sama pada lambung kapal.
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012 X - 93 Gambar 1. Visualisasi momen heeling dan momen pengembali (Marchaj, 1982)
Dengan demikian didapatkan kondisi di mana gaya gravitasi yang bekerja ke arah bawah dan gaya bouyancy yang bekerja ke arah atas berada tidak pada satu garis vertikal. CB akan selalu bergerak ke sisi yang lebih rendah dari lambung, karena bagian lambung yang tercelup air akan bertambah pada saat kapal miring. Lengan gaya positif akan terbentuk dari bouyancy dan gaya gravitasi, yang mana di harapkan dapat membuat kapal terangkat dan kembali ke posisi seimbang (equilibrium).
Stabilitas bisa didefinisikan sebagai kemampuan alami kapal untuk kembali ke posisi awal setelah mendapatkan gaya dari angin dan gelombang. Stabilitas kapal tergantung pada : (a) bentuk dari lambung kapal, (b) distribusi ballast sebagai hubungannya dengan betuk penuh kapal, (c) besar gaya aerodinamis, (d) posisi kapal ketika beroperasi dengan layar dalam berbagai kondisi cuaca.
Apabila keseimbangan gaya aerodinamis dan hidrodinamis tidak bisa dijaga maka tidak akan ada momen yang berlawanan dengan momen heeling (MH), dan selanjutnya kapal akan terus miring dengan sudut θ dan akan terus bertambah selama tidak ada momen yang berlawanan. Sehingga dibutuhkan MR (righting moment) yang berlawanan dengan MH (heeling moment) yang secara matematis bisa ditulis :
MR= Δ x RA ...(1)
Untuk memperoleh keseimbangan maka MR harus sama dengan MH. Hal tersebut bisa dilihat dari pada gambar 1.
Gambar 2. Pertambahan sudut heeling kapal (Marchaj, 1982)
Apabila θ bertambah maka momen heeling juga akan semakin bertambah.Dengan menganalisa gambar 2, di mana diasumsikan gerakan kapal adalah steady begitu juga dengan θ, maka righting momen akan konstan dan MR tetap harus seimbang dengan heeling momen. Sehingga didapat :
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012 X - 94
MH = MR = FH x (h x Δh) ...(2) Di mana :
1. h adalah tinggi dari CE (Center of effort) ke CLR (Center of lateral resistance)
2. (h x Δh) adalah jarak dari CE (Center of effort) ke CLR (Center of lateral resistance) ketika centerboard pada posisi rendah atau miring.
Untuk kapal layar ada kriteria stabilitas tambahan, karena penggunaan layar harus memenuhi persyaratan daya tahan terhadap angin dan rolling (kriteria cuaca) dengan kriteria sebagai berikut :
1. Sudut oleng pada kondisi steady wind tidak lebih besar dari 16° .
2. Perbandingan sudut oleng pada kondisi steady wind dengan sudut geladak tenggelam tidak lebih besar dari 80%.
3. Luas area ―b‖ harus lebih besar dari area ―a‖ (b ≥ a).
Gambar 3. Kriteria cuaca (Intact Stability Code, 2002) Keterangan pada gambar 3 didefinisikan sebagai berikut :
θ0 : Sudut oleng pada kondisi steady wind : 16° atau 80% sudut geladak tenggelam,diambil
yang terkecil, dianjurkan sampai maksimum.
θ1 : Sudut putar (roll) arah darimana angin bertiup karena kondisi gelombang.
θ2: Minimum dari θf, 50o, θc
θf : Sudut oleng dimana bukaan pada lambung, bangunan atas atau rumah geladak, yang tidak
dapat tertutup kedap air, tenggelam.
θc : Sudut pada perpotongan kedua antara lengan oleng angin (wind heeling lever – lw2 ) kurva
lengan stabilitas (GZ). 3. Metodologi Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah dengan perhitungan numerik menggunakan software komersial seperti CFD dan Maxsurf. Perhitungan numerik diaplikasikan untuk merancang layar, menghitung stabilitas dan olah gerak kapal akibat interaksi antara badan kapal dengan layar.
Estimasi massa dan titik pusat massa kapal dilakukan sebagai langkah awal untuk melakukan perhitungan stabilitas. Estimasi massa dan titik pusat massa dilakukan dengan menggunakan perhitungan pendekatan.
Pemodelan kapal dan layar dilakukan pada software maxsurfpro dan CFD terhadap badan kapal dan pemasangan layar pada kapal tersebut. Pada software CFD bentuk layar divariasikan menjadi tiga bentuk, yaitu segitiga, persegi dan trapesium. Pemodelan dilakukan dengan memperhatikan beberapa kondisi batas seperti volume fluida/angin yang akan dilakukan analisis. Volume tersebut dinyatakan dalam batas fluida terhadap layar baik secara vertikal, horisontal melintang, maupun horisontal memanjang. Batasan tersebut ditentukan dengan dasar bahwa batasan-batasan tersebut tidak akan mempengaruhi terhadap aliran fluida yang
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012 X - 95 melewati layar.
Di dalam pemodelan CFD, dilakukan pemodelan kapal dan layar secara 3D dengan berbagai variasi pemodelan yang telah ditentukan. Analisa besarnya gaya yang bekerja pada layar dapat dilakukan dengan memodelkan layar dan memasukkan kondisi batasnya. Hasil keluaran dari pemodelan CFD ini adalah besarnya gaya Lift dan Drag pada layar. Untuk analisa layar ini digunakan pemodelan pada software Ansys ICEM CFD dan CFX.
Proses selanjutnya yaitu melakukan analisis terhadap stabilitas kapal dan olah gerak kapal setelah dipadukan dengan layar menggunakan software hydromax dan seakeeper. Jika kriteria di atas tidak terpenuhi, maka dilakukan proses ulang mengenai penentuan badan kapal, sehingga kriterianya tercapai. Untuk perhitungan stabilitas kapal dilakukan pada kondisi kapal dengan muatan penuh dan kapal dengan muatan kosong.
4. Analisis dan Pembahasan