STUDI SISTEM MEKANISME “WAVE POWER”PENGGERAK KATAMARAN

MENGGUNAKAN WINGS NACA SIMETRIS DAN ASIMETRIS

PendahuluanMahalnya bahan bakar dan meningkatnya

polusi memacu para ilmuwan untuk melakukanpenelitian dalam bidang ektraksi energi. Sepertitenaga surya, angin, gelombang laut, dan lainnya.Sudah diteliti dan telah berhasil dibuktikan (Gbr.1)oleh Prof. Kenichi Horie dan Prof. Francois Kneider.Gelombang dan arus laut dapat menjadi penggerakkapal. Sehingga bisa mengurangi kebutuhan bahanbakar atau bisa juga tidak menggunakan mesin.Indonesia merupakan negara maritim, dimanasebagian besar terdiri dari lautan.kapal menjadisarana yang sangat penting sebagai alat transportasimaupun penangkapan ikan di laut, serta kebutuhanlainnya.

Gbr. 1. Kapal Suntory Mermaid II milik Prof. Kenichi H.

Untuk pencarian sumber-sumber energialternatif,banyak hal yang bisa kita lakukan antaralain memodifikasi wings yang berupaya untukpeningkatan performan.

Dasar TeoriSistem Dua Derajat Kebebasan

Sisterm dengan dua derajat kebebasanmembutuhkan dua koordinat independen untuk

Abstrak

Sistem mekanisme wave power terdiri dari pegas dan wings, sebagai penggerak kapalkatamaran. Arus gelombang laut menggerakkan wings, diteruskan ke pegas, pegas meresponmenimbulkan hentakan pada wings, bergerak bagai ekor lumba-lumba, sehingga katamarandapat bergerak maju melawan arus laut. Studi ini secara teoritis dibantu software MATLABuntuk menghitung respon pegas, ANSYS memodelkan wings (NACA simetris dan asimetris)dan menghitung gaya dorong (trust), MAXSURF memodelkan serta menghitung hambatandan kecepatan katamaran. Dihasilkan data kecepatan kapal menggunakan wings NACA0015, 2415 dengan chord line=1,25m dan span=1,25m.Kecepatan gelombang memegangperanan penting dimana merupakan kontak langsung terhadap wings kemudian diteruskanke pegas. Diasumsikan kecepatan gelombang u= 0,1900 m/s dan w= 0,9502 m/s. Pegasmemiliki nilai Kx = 5122 N/m serta Kt = 1088 N-m/rad. Maka dihasilkan nilai simpanganpegas dan respon wings serta thrust, sehingga diketahui kecepatan katamaran.Katamarandengan sistem penggerak wave power ini nantinya dapat diaplikasikan untuk kebutuhanmoda penangkapan ikan para nelayan, sehingga dapat memberikan alternatif sebagai tenagapenggerak tambahan atau bahkan sebagai tenaga penggerak pengganti pada kapal ikan.Kata kunci:Gelombang, Wings, Pegas, Thrust.

220 BINA TEKNIKA, Volume 9 Nomor 2, Edisi Desember 2013, 220-224-

Purwo Joko SurantoPengajar pada Jurusan Teknik Perkapalan

email: jekdoank@gmail.com

UPN "VETERAN" JAKARTA

menghitung konfigurasi dari sistem tersebut. Untukkasus peredaman bebas, akan ditemukan bahwaterdapat dua cara yang mengakibatkan sistembergetar secara harmonik. Kedua cara tersebutmerupakan modus-modus utama (principal modes).Frekuensi pergerakan untuk modus utama disebutfrekuensi alami. Frekuensi alami akan diperolehpada sistem yang dapat bergetar secara harmonik.Gerak adalah bentuk gelombang kompleks (Vierck).Begitu pula getaran yang berulang dibentuk darikomponen-komponen modus utama.Persamaan differensial gerakan dapat ditulis sebagaiberikut:

AerofoilSesuai dengan tipe dan apliksi pada bentuk

streamline,karakter aerodinamis sangat berpengaruhpada bentuk (profil) pada bagian wing. Cara yangtepat untuk menentukan karakter aerodinamis padabagian wing adalah merencanakan variasi koefisiengaya (CL dan CD) melawan orientasi bagian padaaliran.

Gbr. 2. Penampang wing

Chord line : Garis lurus yang menghubungkanleading

dan trailing edgeChord : Panjang dari chord lineCamber line : Centreline ketebalan pada aerofoilCamber angle : Perbedaan gradien camber line

dengan ujungAngle of attack : Sudut antara chord line dengan

arah datangnya fluida

Karakteristik gaya-gaya aerodinamis yangbekerja pada suatu benda secara umum merupakanbentuk non-dimensional dari gaya drag dan lift,koefisien gaya drag dan lift (Abbott & VonDoenhoff, 1959) adalah sebagai berikut.

Keterangan :CL = Koefisien Lift_ = Massa Jenis [kg/m2]U0 = Kecepatan [m/s]A = Luas [m2]

Parameter utama untuk menentukan CL danCD adalah angle of attack _. Oleh karena itu,langkah awal untuk menentukan karakteristikaerofoil adalah merencanakan variasi CL dan CDterhadap _. Sebagai tambahan Reynolds numberRe=_Uc/_. Dimana secara umum untuk mengukurefek viskositas, yang memiliki efek yang kecilpada karakteristik.

Metode

Gbr. 3. Sistem mekanisme wave power.

Berikut ini merupakan sistem mekanismewave power.seperti yang dapat dilihat pada Gbr.3bahwa pegas 1 dan pegas 2 terletak pada kemiringansudut dan konstanta pegas yang sama (simetris).Dalam paper ini penulis memodelkan sistemmekanisme wave power sebagai sistem yang terdiridari wing, 2 buah pegas dan batang1 dengantumpuan engsel (Gbr. 4). Wing dimodelkan dandianalisa menggunakan ANSYS dengan sudutayunan antara sumbu x dengan chord line berkisar-20o sampai 20o, diperoleh gaya dan momen. Gayagesek pada engsel diabaikan sehingga Free bodydiagramnya sebagaimana pada Gbr. 4.

Gbr. 4. Free body diagram sistem mekanismewave power.

Dari Gbr. 4. dapat dilihat bahwa persamaan freebody diagram sistem mekanisme wave powermemiliki dua derajat kebebasan. Maka didapatkanmatriks sebagai berikut :

- 221Studi Sistem Mekanisme “Wave Power” .........(Purwo Joko Suranto)

UPN "VETERAN" JAKARTA

(3)Frekuensi natural merupakan frekuensi yang

terjadi pada sistem sebelum ada gaya dari dari luar,berupa kese t imbangan s is tem se te lahmenghilangkan gaya luar, dinyatakan dalampersamaan matriks A, sebagai berikut :

(4)Untuk menentukan nilai frekuensi natural

maka determinan matrik ini harus nol.

Respon sistem diperoleh dengan memasukanpersamaan sistem mekanisme wave power(persamaan 3) kedalam Matlab denganmenggunakan metode Ode 45.

Dari matrik ini diperoleh respon besarnyadisplasemen getaran dan kecepatan getaran.

Hasil PenelitianAdapun hasil penelitian sebagai berikut.

ThrustWave number k1 mempunyai kecepatan

horisontal fluida (u) = 0,1359 m/s, kecepatanvertikal fluida (w)=0,6797 m/s. Wave number k2mempunyai kecepatan u = 0,1900 m/s danw=0,9502 m/s.

Gbr. 5. Asumsi ketetapan wing NACA

(5)Thrust (T) = Fr*cos _, merupakan

transformasi nilai Fr ke arah sumbu x sehinggadikalikan sudut antara chord length dengan sumbux (_) sebagaimana Gbr. 5.

Gbr.6. Grafik thrust pada pada k1 dan k2 inlet dari depan

Gbr. 7. Grafik thrust pada k1 dan k2 inlet dari atas

Gbr. 8. Grafik thrust pada k1 dan k2 inlet dari bawah

Pada Gbr 6,7 dan 8 terlihat bahwa semakinbesar kecepatan fluida akan semakin besar thrustyang dihasilkan. Besarnya thrust pada inlet daridepan wing Gbr. 7 relatif kecil sehingga kurangberpengaruh terhadap kecepatan yg dihasilkan,yang berpengaruh besar adalah inlet dari arah atas(Gbr. 7) dan dari arah bawah (Gbr. 8) yangmempunyai thrust cukup besar, dan diperoleh padasaat chord line wing dan sumbu x membentuksudutantara 0o sampai 5o, lebih dari itu akan mengalamistall. Hal ini disebabkan karena koefisien lift dandrag dimana koefisien ini memiliki fungsi darisudut serang _ dan rasio aspek. Rasio aspekdidefinisikan sebagai rasio dari kuadrat panjangsayap (chord) terhadap luasan planform. Koefisienlift meningkat dan drag berkurang seiring denganpeningkatan rasio aspek. Pada kondisi ini gaya liftmerupakan sumbu y sedangkan gaya drag pada

222 BINA TEKNIKA, Volume 9 Nomor 2, Edisi Desember 2013, 220-224-

UPN "VETERAN" JAKARTA

sumbu x. Jika _ terlalu besar, maka lapisan bataspada permukaan atas berpisah, aliran pada sayapberkembang menjadi daerah ulakan turbulen yangluas. Apabila sudut serang melebihi dari 5° makalift akan semakin berkurang dan drag meningkatmaka foil akan mengalami stall. Dapat dilihatbahwa semakin besar nilai sudut serang melebihi5° maka nilai thrust pada sumbu y semakin kecil.

Frekuensi Respon.Dengan menggunakan matriks A adalah nol.

Berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan,maka diperoleh besarnya frekuensi natural dimanabesarnya Kx=5122 N/m dan Kt=1088 N-m/radSehingga frekuensi naturalnya adalah _n1=730,24rad/s dan _n2=5,82 rad/s.Dengan bantuan software MATLAB,didapat nilaisimpangan lateral dan torsional. Dimana sistemmekanisme wave power menggunakan wing NACA0015 mempunyai simpangan sebagai berikut:- Simpangan lateral pegas rata-rata 0,26 m

dan kecepatannya rata-rata 0,46 m/s.- Simpangan torsional wing rata-rata 0,87 rad

dan kecepatannya rata-rata 2,1 rad/sSedangkan menggunakan wing NACA 2415mempunyai simpangan sebagai berikut:- Simpangan lateral pegas rata-rata 0,27 m

dan kecepatannya rata-rata 0,475 m/s.- Simpangan torsional wing rata-rata 0,85 rad

dan kecepatannya rata-rata 2,1 rad/s

Hambatan Katamaran & Kecepatan.

Gbr. 9. Asumsi gerak katamaran

Gbr.10. Grafik hambatan dan kecepatan katamaran

Asumsi gerak katamaran sebagaimana terlihat padaGbr.9. Tahanan kapal pada kecepatan yangdigunakan merupakan gaya yang dibutuhkan untukmenarik kapal pada kecepatan itu di air tenang,

dengan asumsi tidak ada gaya luar yang menarikkapal (Van Manen & Van Oossanen, 1988).Sehingga gaya thrust yang dihasilkan oleh wingspada kondisi air tenang akan menarik katamaran.Perhitungan hambatan katamaran menggunakanMaxsurf Hullspeed, analisa yang dipakai untukmenghitung hambatan menggunakan Slender Bodydengan metode yg digunakan adalah Molland(catamaran) sebagaimana terlihat pada Gbr. 10.,kecepatan didapat dari grafik hambatan dimanapada sumbu y merupakan nilai hambatan sedangkanpada sumbu x merupakan kecepatan. Sistemmekanisme wave power menggunakan wing NACA0015 dengan asumsi efisiensi thrust 25%(Thorby,D., 2008) menghasilkan kecepatan:- Pada wave number k1 dapat menghasilkan

kecepatan berkisar antara 0,189 knot sampaidengan 1,577 knot.

- Sedangkan pada k2 dapat menghasilkan nilaikecepatan berkisar antara 0,079 knot sampaidengan 1,689 knot.

Sedangkan sistem mekanisme wave powermenggunakan wing NACA 2415 menghasilkankecepatan:- Pada wave number k1dapat menghasilkan

kecepatan berkisar antara 0,104 knot sampaidengan 1,577 knot.

- Sedangkan pada k2 dapat menghasilkan nilaikecepatan berkisar antara 0,152 knot sampaidengan 1,685 knot.

KesimpulanDapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :

Kecepatan gelombang sangat mempengaruhibesarnya nilai gaya thrust yang dihasilkan semakin besar kecepatan fluida maka semakin besar pula thrust yang dihasilkan.

Besarnya sudut chord line pada wings dengansumbu x juga mempengaruhi besarnya nilai thrustyang ditimbulkan, thrust terbesar pada sudut 0osampai 5o.

Wings NACA simetris menghasilkan thrustyang lebih besar dibanding asimetris .

Kecepatan kapal katamaran denganmenggunakan wings NACA 0015 berkisar antara0,079 knot sampai dengan 1,689 knot.

- 223Studi Sistem Mekanisme “Wave Power” .........(Purwo Joko Suranto)

UPN "VETERAN" JAKARTA

PustakaAbbott, I. H., & Von Doenhoff, A. E. (1959). Theory

Of Wing Sections. New York: DoverPublications, Inc.

Avallone, E. A., & Baumeister, T. (1997). Mark'sStandard Handbook For MechanicalEngineers, 11th edition. New York: Mcgraw-Hill, Inc.

Beer, F. P., & Johnston, E. R. (2007). VECTORMECHANICS FOR ENGINEERS: STATIC.The McGraw-Hill Companies, Inc.

HYPERLINK "http://www.desktop.aerol"http://www.desktop.aerol , 09 April 2013.

http:// HYPERLINK"file:///C:\\Users\\Jek\\AppData\\Roaming\\Microsoft\\Word\\www.wikipedia.org"www.wikipedia.org , 10 April 2013.

Indiyono,P., (2004).Hidrodinamika Bangunan LepasPantai. SIC, Surabaya.

Thorby, D., 2008, Structural Dynamics andVibration in Practice,An EngineeringHandbookYoghi, A., (2010), Mekanisme Wave Power

Van Manen, J. D., & Van Oossanen, P. (1988).Principle of Naval Arhitecture Volume II.The Society of Naval Architets and MarineEngineers.

Vierck, R. K. Vibrations Analysis.

224 BINA TEKNIKA, Volume 9 Nomor 2, Edisi Desember 2013, 220-224-

UPN "VETERAN" JAKARTA