Analisis Ukuran dan Bentuk Layar Kapal Ikan Jenis Purse Seine; Studi Kasus: KM Maju

Transkripsi

1 Abstrak Analisis Ukuran dan Bentuk Layar Kapal Ikan Jenis Purse Seine; Studi Kasus: KM Maju Yogi Rianto dan Ahmad Nasirudin Jurusan Teknik Perkapalan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, Indonesia Layar merupakan salah satu dari berbagai macam alat penggerak yang digunakan di kapal. Tidak seperti alat penggerak yang lain, besarnya gaya dorong yang dihasilkan oleh layar sangat dipengaruhi oleh faktor alam yaitu arah dan kecepatan angin. Di samping bentuk, ukuran tentu mempengaruhi gaya dorong yang dihasilkan. Pada penelitian ini dilakukan analisa pengaruh ukuran dan bentuk layar terhadap besarnya gaya dorong yang dihasilkan. Selain itu, dilakukan juga perhitungan besarnya kontribusi gaya dorong layar terhadap kecepatan KM Maju yang memiliki kecepatandinassebesar 7 knot. Analisis ukuran layar dilakukan terhadap modifikasi layar utama KM. Maju, yaitu berbentuk trapesium (4,24 m x 5,5 m) dengan 2 variasi yaitu layar persegi panjang (4,24 m x 5 m), layar segitiga (5,66 m x 7,55 m). Analisis gaya dorong layar dilakukan dengan meggunakan simulasi CFD (Computational Fluid Dynamic) dan pengujian langsung di lapangan. Analisis layar dilakukan dengan arah angin dari belakang kapal (downwind). Untuk menghitung kontribusi daya dorong layar terhadap kecepatan kapal, maka dilakukan perhitungan hambatan kapal menggunakan metode Holtrop dengan bantuan software maxsurf. Dari hasil analisis CFD didapatkan bahwa kontribusi terbesar layar terhadap kecepatan KM.Maju adalah sebesar 3,377 knot dan 4,3 knot dari hasil pengujian lapangan. Kontribusi tersebut di dapatkan dari layar dengan bentuk persegi panjang dengan posisi 90º terhadap arah angin (angle ofattack, α) serta kapal bergerak dengan arah 180º terhadap arah angin (apparent wind angle, β). Penggunaan layar dapat menghemat penggunaan BBM sebesar 20%. Kata kunci : layar, KM Maju 1. Pendahuluan Zaman dahulu nenek moyang kita adalah pelaut yang tangguh dan disegani. Mereka menggunakan kapal layar untuk dapat menyatukan nusantara. Hal ini sangat berbeda sekali dengan nelayan-nelayan Indonesia saat ini. Mereka terlalu dimanja oleh kemajuan teknologi dan program motorisasi, banyak nelayan yang mulai meninggalkan penggunaan layar sebagai alat penggerak kapal dan beralih dengan menggunakan mesin yang membutuhkan BBM sebagai bahan bakarnya. KM Maju termasuk salah satu kapal dampak program motorisasi dari kemajuan teknologi. Dahulu kapal jenis purse seine (KM Maju) terkenal tangguh bila menggunakan layar. Namun sekarang kapal jenis ini tidak ada lagi yang menggunakan layar, contoh di daerah kraksaan, Probolinggo. Nelayan cenderung menggunakan mesin bahkan ada dalam satu kapal menggunakan 2 (dua) mesin sekaligus. Program motorisasi ini sebenarnya sangat menguntungkan bagi nelayan karena nelayan tidak akan bergantung dengan kondisi alam (angin) pada saat akan melaut. Namun untuk saat ini dengan harga BBM yang mulai merangkak naik membuat nelayan berfikir dua kali untuk melaut. Oleh karena itu, agar konsumsi bahan bakar dapat direduksi maka penggunaan layar pada nelayan mulai digalakkan kembali. KM Maju merupakan kapal percontohan dengan menggunakan alat penggerak layar yang mudah dan murah. Dalam uji coba menggunakan layar, KM Maju mampu menempuh perjalanan hingga 12,8 mil laut dengan kecepatan rata-rata 3 knot tanpa menggunakan mesin. Jika menggunakan mesin dibutuhkan solar sekitar 15,35 liter untuk menempuh jarak 12,8 mil laut dengan kecepatan rata-rata 7 knot. Oleh karena itu, dengan menganalisa ulang ukuran dan bentuk layar yang sudah ada, diharapkan mendapatkan gaya dorong yang lebih besar dibandingkan dengan layar sebelumnya. Dengan pertambahan gaya dorong penghematan penggunaan BBM akan lebih maksimal.

2 2. Numerical Test Numerical test dilakukan dengan menggunakan simulasi CFD pada layar dan badan kapal dengan pendekatan tiga dimensi. Simulasi dilakukan dengan software ansys ICEM CFD dan CFX. 2.1 Pemodelan layar dan badan kapal Layar yang dikaji adalah layar utama (main sail) dengan bentuk persegi panjang, trapesium, dan segitiga. Adapun ukuran layar yang dimodelkan sebagai berikut Table 1. Variasi ukuran dan bentuk main sail KM Maju Bentuk Trapesium (eksis) Persegi Panjang Segitiga Luas (m 2 ) Chord (m) Span (m) Pada experimental test, layar yang diuji hanya bentuk trapesium. Hal ini dilakukan sebagai pembanding dari hasil numerical test. 2.2 Kondisi Batas Batas fluida (domain) ditentukan sebesar 75 m x 30 x 15 m dengan kondisi batas kecepatan angin pada inlet sebesar 3 10 knot, tekanan di outlet sebesar 0 Pa, dan bagian sisi-sisinya adalah free slip. Sedangkan kondisi batas pada lambung kapal adalah no-slip. Gambar 1. Meshing bentuk layar utama trapesium

3 Gambar 2. Meshing bentuk layar utama persegi panjang Gambar 3. Meshing bentuk layar utama segitiga 2.3 Penentuan Jumlah Elemen Meshing Seperti diketahui bahwa hasil dari perhitungan dengan menggunakan CFD sangat tergantung dari jumlah elemen meshing model. Untuk itu, maka proses grid independence, dimana dengan penambahan jumlah elemen, maka tidak akan mengubah hasil simulasi. Adapun hasil grid independence dapat dilihat pada gambar 4. Gaya Drag (N) Grid Independece Jumlah Meshing Grid Gambar 4. Grid independence

4 3. Experimental Test Experimental test dilakukan di lepas pantai kraksaan, Probolinggo, Jawa Timur. Pantai Kraksaan merupakan tempat KM Maju biasanya digunakan. Rute pelayaran pengujian ini disamakan dengan rute perjalanan pada saat KM Maju digunakan untuk menangkap ikan. Kapal diposisikan membelakangi arah angin atau angin dating dari belakang kapal (down wind). Untuk mengetahui kecepatan angin digunakan anemometer dan kecepatan kapal diukur dengan menggunakan GPS. Pengukuran dilakukan pada saat kapal telah mendapat kecepatan konstan. Gambar 5. Lokasi Pantai Kraksaan (google maps) Gambar 6. Percobaan Layar KM Maju 4. Hasil dan Pembahasan Data output dari simulasi atau pemodelan layar pada CFD adalah data data gaya Lift dan drag layar. Besarnya nilai gaya dorong (driving force) dan (heeling force) akibat gaya aerodinamis layar, dapat diketahui dengan memasukkan gaya gaya lift dan drag pada persamaan di bawah ini. FR = L sin β D cos β FH = L cos β + D sin β..(4.1)..(4.2) Simulasi dilakukan pada kecepatan angin, Va 3-10 knot dengan angle of attack (α 90 dan apparent wind angle (β)180. Hal ini dilakukan agar sesuai dengan kondisi pada saat pengujian di lapangan. Tabel 2. Nilai driving force,fr dan heeling force,fh main sail trapesium (eksis)

5 NO angin (knot) DRAG (N) LIFT (N) β F R F H Tabel 3. Nilai driving force,fr dan heeling force,fh main sail persegi panjang NO angin (knot) DRAG (N) LIFT (N) β F R F H Tabel 4. Nilai driving force,fr dan heeling force,fh main sail Segitiga NO angin (knot) DRAG (N) LIFT (N) β F R F H Dari tabel 2,3,4 diketahui bahwa gaya lift mengalami kenaikan seiring dengan bertambahnya kecepatan angin. Begitu pula dengan kenaikan gaya drag, semakin besar kecepatan angin maka gaya drag yang terjadi juga akan semakin besar. Hal ini terjadi dikarenakan angin sebagai sumber penggerak dari kapal. Main sail dengan bentuk persegi panjang memiliki gaya drag paling besar jika dibandingkan dengan bentuk trapesium (eksis) maupun segitiga. Oleh karena itu, dengan memiliki gaya drag yang paling besar maka main sail dengan bentuk persegi panjang juga memiliki driving force yang paling optimal jika dibandingkan dengan yang lainnya. Pada kecepatan angin 10 knot main sail dengan bentuk persegi panjang mampu menghasilkan driving force sebesar 491,122 N. Main sail dengan bentuk segitiga memiliki gaya lift paling besar jika dengan bentuk trapesium (eksis) maupun persegi panjang. Dengan demikian maka main sail bentuk segitiga juga memiliki heeling force yang paling besar yakni pada kecepatan angin 10 knot menghasilkan heeling force -1,2143 N. Tanda negative pada heeling force menunjukan bahwa gaya ke arah port side dari kapal.

6 Main sail bentuk persegi panjang memiliki gaya dorong yang paling besar jika dibandingkan main sail bentuk trapesium dan segitiga. Karena bentuk persegi panjang mendapatkan angin yang lebih besar dari main sail trapesium dan segitiga. Gambar 7 Visualisasi vektor kecepatan main sail Trapesium Gambar 8. Visualisasi vektor kecepatan main sail Persegi Panjang Gambar 9 Visualisasi vektor kecepatan main sail Segitiga Dari gambar 7 dapat dilihat bahwa bentuk layar trapesium kurang begitu efektif menangkap angin, karena semakin tinggi semakin berkurang lebarnya. Hal ini terjadi juga pada bentuk main sail segitiga pada gambar 9. Bentuk main sail persegi panjang paling efektif menangkap angin, dapat dilihat pada gambar 8 dimana bentuk persegi panjang meliliki lebar yang tetap meskipun

7 ketinggian yang berbeda. Perbedaan bentuk ini berpengaruh pada daya tangkap terhadap angin karena kecepatan angin berbanding lurus dengan ketinggian suatu tempat.semakin tinggi maka kecepatan angin juga semakin besar pula. Oleh karena itu, bentuk main sail persegi panjang memiliki gaya dorong yang lebih besar dibandingkan dengan bentuk lainnya. Untuk mengetahui kontribusi gaya dorong layar terhadap kecepatan kapal dibutuhkan data hambatan kapal. Hambatan total dan Driving Force F R dimasukan dalam persamaan hukum Newton II untuk mendapatkan percepatan yang dihasilkan tiap kontribusi kecepatan kapal yang dihasilkan gaya dorong layar dengan variasi bentuk layar yang berbeda. Perhitungan secara umum dilakukan dengan urutan sederhana pada persamaan 5.4 dan 5.5. F = m x a... (4.3) FR - RT = x a... (4.4) Hambatan total RT dan Driving Force FR dapat dilihat pada tabel 5 Tabel 5. Hambatan KM Maju dengan sofware Maxsurf No kapal (knot) ( kn ) 1 1 0, , , , , , , , , ,58 Tabel 6 Kontribusi layar terhadap kecepatan dan percepatan kapal (vangin 10 knot) Kontribusi Percepatan S F = F R - No kapal a ( m/s 2 ) (knot) ( N ) Trapesium P.panjang Segitiga Trapesium P.panjang Segitiga

8 Pada Tabel 6 menunjukan bahwa dengan kecepatan angin 10 knot dimana pada kecepatan angin tersebut ketiga model bentuk layar memiliki driving Force F R paling besar, hanya mampu menghasilkan kecepatan sekitar 3 knot. Percepatan yang dihasilkan pun hampir sama dari ketiga model yaitu 0,04 m/s 2. Nilai negatif pada kolom percepatan menyatakan kondisi dimana kapal tidak dapat bergerak maju karena hambatan total kapal lebih besar dari gaya dorong layar. Untuk tabel kontribusi layar pada kecepatan angin 3 9 knot dapat dilihat di lampiran. Melalui persamaan interpolasi maka didapatkan kecepatan konstan (percepatan 0 m/s2) maksimal yang dapat dihasilkan dari setiap variasi bentuk layar. Tabel 7 setiap variasi main sail dengan CFD No Angin kapal (knot) (knot) Trapesium P.panjang Segitiga 1 4 1,203 1,205 1, ,518 1,521 1, ,904 1,907 1, ,252 2,255 2, ,620 2,624 2, ,027 3,031 3, ,373 3,377 3,375 Dari tabel kontribusi layar di atas dapat diketahui bahwasanya, variasi main sail persegi panjang memiliki kontribusi kecepatan kapal yang terbesar jika dibandingkan dengan variasi main sail yang lain. Sebab pada variasi main sail persegi panjang memiliki gaya driving force yang besar, sehingga pengurangan terhadap besarnya nilai hambatan juga semakin besar. Selisih besarnya kontribusi main sail bentuk persegi dengan bentuk trapesium dan segitiga tidaklah besar, hal ini bias dilihat pada gambar 5.5 dimana grafiknya saling berimpit. 4 3,5 kapal (knot) 3 2,5 2 1,5 1 0, Angin 7 (knot) Trapesi um (eksis) Persegi panjan g Gambar 10. Grafik kecepatan angin kecepatan kapal pemodelan CFD Perhitungan gaya dorong layar pada CFD harus ada pembandingnya agar hasil perhitugan tersebut valid. Pada tugas akhir ini,validasi dilakukan dengan pengujian langsung di lapangan dengan menggunakan model layar trapesium pada layar utama. Adapun hasil pengujian langsung adalah sebagai berikut

9 Kapal (Knot) Grafik angin - kapal y = 0,7139e 0,1866x Angin ( Knot) Gambar 11. Grafik pengujian layar eksis ( main sail trapesium) Tabel 8. Hasil pengujian layar eksis ( main sail trapesium) Angin (Knot) Kapal (Knot) Angin (Knot) Kapal (Knot) Dari gambar 11 dapat diketahui bertambahnya kecepatan kapal dipengaruhi oleh kecepatan angin. Semakin cepat angin berhembus maka semakin cepat pula dengan kecepatan kapal. Hal ini sama dengan pada saat dilakukan pemodelan di CFD, bahwa kecepatan kapal sangat bergantung dengan kecepatan angin. Perbandingan kontribusi kecepatan layar pada pemodelan CFD dengan hasil pengujian lapangan dapat dilihat pada gambar 12.

10 kapal (knot) y = 0,7139e 0,1866x y = 0,6477e 0,1711x angin (knot) Gambar 12. Grafik perbandingan trend kecepatan model CFD dan pengujian langsung Pada grafik diatas dapat diketahui bahwa hasil pemodelan CFD dengan percobaan di lapangan memiliki trend kecepatan yang berbeda dimana pada pemodelan CFD memiliki trend kecepatan yang lebih rendah dari pengujian langsung. Selisih antara pemodelan CFD dan pengujian langsung semakin besar saat bertambahnya kecepatan angin. Perbedaan hasil pengujian ini disebabkan idealisasi chamber pada saat pemodelan CFD,di mana layar dianggap pelat datar (chamber 0 %). Menurut Fajar A.W (2010) bahwa model pelat datar tanpa camber tidak cocok digunakan sebagai layar karena menghasilkan gaya lift yang kecil dan efisiensi yang rendah. Sehingga gaya dorong yang dihasilkan lebih rendah dibandingkan jika ada chamber. Idealisasi dilakukan karena penulis mengalami kesulitan mentukan chamber pada saat pengujian di lapangan. Karena saat kapal berlayar, kondisi kelengkungan layar selalu berubah tergantung pada kondisi di lapangan. Gambar 13. Visualisai vektor kecepatan Kerugian idealisasi dapat dilihat pada gambar 5.8, di mana layar kurang optimal menangkap angin. Jika diasumsikan vektor kecepatan adalah angin, maka dapat dilihat angin langsung bergeser ke langsung samping sehingga gaya yang dihasilkan pun berkurang. Selain itu, dalam beberapa percobaan desain layar dengan CFD yang pernah dilakukan, dipercaya bahwa kesalahan perhitungan antara 10% sampai 20% biasa terjadi (Miyata. H., Lee, Y.W., 1999). Dengan demikian hasil pemodelan CFD pada KM maju masih dapat dikatakan valid. Dengan menggunakan layar, KM Maju dapat menghemat konsumsi BBM karena dapat beroperasi tanpa menggunakan mesin pada saat akan menuju dan kembali dari fishing ground. Mesin digunakan saat kapal beroperasi di fishing ground, yaitu saat kapal menempatkan dan

11 menarik purse seine dari laut. Berikut ini Tabel perbandingan saat KM Maju menggunakan mesin dan layar. Kondisi Tabel 9. Perbandingan Penggunaan BBM Konsumsi BBM Jarak Tempuh Waktu Tempuh Kec. Rata2 Jika memakai mesin liter 12.8 mill laut 1 jam 46 menit knot Jika memakai layar 3.07 liter 12.8 mill laut 2 jam 8 menit 3 Knot Dari tabel diatas, meskipun menggunakan layar KM Maju masih membutuhkan BBM untuk memasang purse seine saat menangkap ikan.sebab tidak memungkin bila menggunakan layar saat menangkap karena membutuhkan waktu yang cepat dan kemampuan maneuvering yang baik. Jadi layar hanya digunakan pada saat akan menuju fishing ground dan saat perjalanan pulang. Konsumsi BBM kapal (jika memakai mesin tanpa layar) selama 1 bulan = 15,35liter x 2(pp) x 30 hari = 921 liter/bulan/kapal. Dengan menggunakan layar 3,07 liter x 2 (pp) x 30 hari = 184,2 liter/bulan. Jadi penggunaan layar pada KM Maju dapat melakukan penghematan BBM sebesar 20 %. Penghematan penggunaan bahan bakar pengaruh penggunaan layar sangat tergantung pada kondisi angin. Selain itu, penggunaan layar memakan waktu hampir 2 kali lipat jika dibandingkan dengan penggunaan mesin. Namun dengan adanya layar dapat dijadikan alternatif bagi nelayan sebagai alternatif penggerak kapal. 5. Kesimpulan Dengan adanya pemasangan layar sebagai alat penggerak bantu pada kapal ikan KM Maju, maka akan didapatkan besarnya kontribusi kecepatan dari layar terhadap kecepatan kapal sebagai berikut : Tabel 10. Kontribusi setiap variasi layar No Angin kapal (knot) (knot) Trapesium P.panjang Segitiga Dari tabel diatas direkomendasikan menggunakan layar dengan bentuk main sail persegi panjang karena memiliki konstribusi yang paling besar debandingkan dengan bentuk yang lainnya. Selain itu, penggunaan layar juga dapat menghemat penggunaan BBM sebesar 20 %. 6. Penghargaan Penelitian ini didukung dari Balai Besar Pengembangan Penangkapan Ikan (BBPPI) Kementrian Kelautan dan Perikanan. 7. Daftar Pustaka Adik W,F (2010), Tugas Akhir, Analisis Desain Layar Menggunakan Simulasi Computational Fluid Dynamics dan Pengujian pada Wind Tunnel, ITS, Surabaya.

12 C. A. Marchaj (1982), Sailing Theory and Practice, New York, United State. H. Miyata, Y.-W. Lee (1999), Application of CFD simulation to the design of sails, Journal of Marine Science and Technology, Vol.4, Kurniawan, I (2006), Tugas Akhir, Studi Penentuan Jumlah dan Jenis Layar yang Optimal pada Sistem Propulsi Kombinasi Layar dan Motor pada Kapal Kayu Penangkap Ikan Cahaya Bone, ITS, Surabaya.

13 LAMPIRAN A PERHITUNGAN KONTRIBUSI LAYAR Tabel A.1 Kontribusi main sail Trapesium No kapal S F = F R - (N) (knot) ( N ) V angin 3 knot V angin 4 knot V angin 5 knot V angin 6 knot V angin 7 knot V angin 8 knot V angin 9 knot V angin 10 knot Tabel A.2 Kontribusi main sail Trapesium (lanjutan) No kapal Kontribusi Percepatan (m/s 2 ) (knot) ( N ) V angin 3 knot V angin 4 knot V angin 5 knot V angin 6 knot V angin 7 knot V angin 8 knot V angin 9 knot V angin 10 knot

14 Tabel A.3 Kontribusi main sail Persegi panjang No kapal S F = F R - (N) (knot) ( N ) V angin 3 knot V angin 4 knot V angin 5 knot V angin 6 knot V angin 7 knot V angin 8 knot V angin 9 knot V angin 10 knot Tabel A.4 Kontribusi main sail Persegi panjang (lanjutan) No kapal Kontribusi Percepatan (m/s 2 ) (knot) ( N ) V angin 3 knot V angin 4 knot V angin 5 knot V angin 6 knot V angin 7 knot V angin 8 knot V angin 9 knot V angin 10 knot

15 Tabel A.5 Kontribusi main sail Segitiga No kapal S F = F R - (N) (knot) ( N ) V angin 3 knot V angin 4 knot V angin 5 knot V angin 6 knot V angin 7 knot V angin 8 knot V angin 9 knot V angin 10 knot Tabel A.6 Kontribusi main sail Segitiga (lanjutan) No kapal Kontribusi Percepatan (m/s 2 ) (knot) ( N ) V angin 3 knot V angin 4 knot V angin 5 knot V angin 6 knot V angin 7 knot V angin 8 knot V angin 9 knot V angin 10 knot