STUDI KOMPUTASIONAL NACA 2412 PADA VARIASI SUDUT PENGGUNAAN SINGLE SLOTTED FLAP DAN FIXED SLOT DENGAN SOFTWARE FLUENT

Transkripsi

1 STUDI KOMPUTASIONAL NACA 2412 PADA VARIASI SUDUT PENGGUNAAN SINGLE SLOTTED FLAP DAN FIXED SLOT DENGAN SOFTWARE FLUENT Skripsi Untuk Memenuhi Persyaratan Mencapai Derajat Sarjana Strata 1 (S1) Disusun oleh: AMALIA WULANDARI NIM : JURUSAN TEKNIK PENERBANGAN SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI ADISUTJIPTO YOGYAKARTA 2010

2 LEMBAR PERSETUJUAN PEMBIMBING Skripsi dengan judul: STUDI KOMPUTASIONAL NACA 2412 PADA VARIASI SUDUT PENGGUNAAN SINGLE SLOTTED FLAP DAN FIXED SLOT DENGAN SOFTWARE FLUENT Yang dipersiapkan oleh: nama : Amalia Wulandari nomor mahasiswa : jurusan : Teknik Penerbangan telah memenuhi persyaratan dan siap untuk diujikan Disetujui pada tanggal 3 Juni 2010 Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II M. Ardi Cahyono, ST. MT. Kareseno KS., INZ. SE. MM. ii

3 LEMBAR PENGESAHAN STUDI KOMPUTASIONAL NACA 2412 PADA VARIASI SUDUT PENGGUNAAN SINGLE SLOTTED FLAP DAN FIXED SLOT DENGAN SOFTWARE FLUENT Yang dipersiapkan dan disusun oleh: AMALIA WULANDARI NIM : Telah dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada tanggal 17 Juni 2010 dan dinyatakan telah memenuhi syarat guna memperoleh Gelar Sarjana Teknik Ketua Penguji Penguji I Penguji II Penguji III Susunan Tim Penguji Nama Lengkap : M. Ardi Cahyono, ST. MT : Karseno KS., INZ. SE. MM. : Ir. Djarot Wahju S., MT. : Ir. Heru Yudanarsa Tanda Tangan Yogyakarta, 8 Juli 2010 Jurusan Teknik Penerbangan Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto Ketua Jurusan, Ir. Djarot Wahju Santoso, MT. iii

4 PERNYATAAN Yang bertanda tangan di bawah ini, saya: nama : Amalia Wulandari nomor mahasiswa : jurusan : Teknik Penerbangan judul skripsi : Studi Komputasional NACA 2412 pada Variasi Sudut Penggunaan Single Slotted Flap dan Fixed Slot dengan Software Fluent Menyatakan bahwa skripsi ini adalah hasil pekerjaan saya sendiri dan sepanjang pengetahuan saya tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau telah dipergunakan dan diterima sebagai persyaratan penyelesaian studi pada universitas atau instansi lain, kecuali pada bagian-bagian tertentu yang telah dinyatakan dalam teks. Yogyakarta, 31 Mei 2010 Yang Menyatakan, AMALIA WULANDARI NIM : iv

5 LEMBAR PERSEMBAHAN Skripsi ini saya persembahkan untuk Adik tercinta, Bayu Atma W. v

6 KATA PENGANTAR Alhamdulillah, puji syukur kehadirat Allah SWT. yang memberi rahmat dan hidayah-nya kepada penulis, karena dengan rahmat dan hidayah-nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat akademis untuk menyelesaikan pendidikan S-1 Program Studi Teknik Penerbangan Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto Yogyakarta. Dalam kesempatan ini, penulis juga ingin mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah mendukung penyelesaian skripsi ini, karena tanpa dukungan tersebut, penulis tidak mungkin dapat menyelesaikan skripsi dengan baik. Oleh karena itu, penulis ingin berterima kasih kepada: 1. Allah SWT.; 2. Kedua orang tua, 3. Kakak-kakak dan adik tercinta; 4. Bapak Ir. Suyitmadi, MT. selaku Ketua Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto; 5. Bapak Ir. Djarot Wahju S., MT. selaku Ketua Jurusan Teknik Penerbangan; 6. Bapak M. Ardi Cahyono, ST. MT. selaku dosen pembimbing; 7. Bapak Karseno KS., INZ. SE. MM. selaku dosen pembimbing; 8. Rekan-rekan mahasiswa TP A angkatan 2005 atas semangat dan dukungannya; serta semua pihak yang tidak bisa disebutkan satu persatu. vi

7 Demikian yang dapat saya sampaikan. Penulis memohon maaf jika dalam penyusunan skripsi ini masih terdapat kekurangan. Karena kesempurnaan hanya milik Allah SWT. dan penulis tentu masih memiliki banyak kekurangan. Oleh karena itu, saran-saran dari rekan-rekan sangat diharapkan. Semoga skripsi yang penulis susun dapat bermanfaat bagi pembaca pada umumnya, dan bermanfaat bagi penulis khususnya. Yogyakarta, 31 Mei 2010 Penulis vii

8 STUDI KOMPUTASIONAL NACA 2412 PADA VARIASI SUDUT PENGGUNAAN SINGLE SLOTTED FLAP DAN FIXED SLOT DENGAN SOFTWARE FLUENT Oleh: Amalia Wulandari ABSTRAK Penambahan lift airfoil dapat dilakukan dengan penambahan camber, namun bila sayap didisain dengan camber besar akan sangat tidak efisien untuk fasa cruising. Camber dapat ditingkatkan dengan menggunakan peralatan mekanikal yang dipasangkan pada nose maupun di bagian belakang sayap. Peralatan ini disebut dengan high lift devices. Untuk melihat pengaruh yang ditimbulkan karena penggunaan high lift devices pada airfoil penulis melakukan pengujian secara komputasional dengan software Fluent. Dari komputasi didapatkan nilai-nilai C l dan C d airfoil yang disimulasikan pada model-model uji di tiap kenaikan angle of attack hingga mengalami stall. Fluent sendiri adalah salah satu software menghitungan dan simulasi aliran fluida. Sedangkan high lift devices yang dipilih adalah single slotted flap dan leading edge device dengan tipe fixed slot. Nilai-nilai C l dan C d kemudian dimunculkan dalam bentuk grafik. Hasil penelitian menunjukan bahwa dengan high lift devices, nilai C lmax meningkat demikian pula dengan C d. C lmax tertinggi diperoleh dengan menggunakan fixed slot dan slotted flap defleksi 40, ΔC lmax mencapai 1,2. Dengan Fluent, kontur kecepatan dan distribusi tekanan, vektor aliran, juga dapat divisualkan. Kata kunci : airfoil, coefficient lift, fixed slot, Fluent, slotted flap. viii

9 DAFTAR ISI JUDUL SKRIPSI LEMBAR PERSETUJUAN PEMBIMBING LEMBAR PENGESAHAN LEMBAR PERNYATAAN LEMBAR PERSEMBAHAN KATA PENGANTAR ABSTRAK DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL DAFTAR GRAFIK DAFTAR SIMBOL DAFTAR LAMPIRAN i ii iii iv v vi viii ix xii xvi xvii xvii xix BAB I PENDAHULUAN Latar belakang Masalah Rumusan Masalah Tujuan Penulisan Batasan Masalah Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan 5 ix

10 BAB II LANDASAN TEORI Airfoil Lift (Gaya Angkat) High Lift Devices Leading Edge Device Slotted Flap Aliran Viskos pada HLD Computational Fluid Dynamics (CFD) Gambit Fluent 28 BAB III METODE PENELITIAN Objek Penelitian Teknik Pengumpulan Data Software yang Digunakan Model Uji Model Turbulensi Tahap-Tahap Penyelesaian Masalah Aerodinamika dengan CFD 36 BAB IV ANALISIS DAN PEMBAHASAN Umum Langkah-langkah Pengerjaan Data Hasil Perhitungan dengan CFD Pembahasan 71 x

11 BAB V PENUTUP Kesimpulan Saran 90 DAFTAR PUSTAKA 91 xi

12 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Terminologi Airfoil 6 Gambar 2.2 Variasi coefficient lift terhadap angle of attack 9 Gambar 2.3 Wake pada airfoil 10 Gambar 2.4 C l vs α airfoil NACA Gambar 2.5 Data eksperimen C d airfoil NACA Gambar 2.6 Gaya-gaya yang bekerja pada airfoil 13 Gambar 2.7 Distribusi tekanan di airfoil 14 Gambar 2.8 Plain flap 17 Gambar 2.9 Split flap 18 Gambar 2.10 Single slotted flap 18 Gambar 2.11 Fowler flap 19 Gambar 2.12 Krueger flap 19 Gambar 2.13 (a) Aliran udara pada leading edge slat 20 Gambar 2.13 (b) Perbandingan kurva Cl vs α pada plain airfoil, airfoil dengan flap, dan airfoil dengan flap dan slat 20 Gambar 2.14 Boundary layer di sekitar flap 21 Gambar 2.15 Aliran viskos pada airfoil dengan HLD 22 Gambar 2.16 Stream tube 24 Gambar 2.17 (a) Stream tube dan elemen untuk persamaan momentum 25 Gambar 2.17 (b) Gaya pada elemen massa fluida 25 Gambar 2.18 Volum kendali untuk persamaan energi 26 Gambar 3.1 NACA 2412 dengan flap 0,25c 30 xii

13 Gambar 3.2 Parameter slotted flap 30 Gambar 3.3 Fixed slot pada permodelan dengan Gambit 31 Gambar 3.4 NACA 2412 clear (tanpa HLD) 33 Gambar 3.5 NACA 2412 dengan flap Gambar 3.6 NACA 2412 dengan fixed slot 34 Gambar 3.7 NACA 2412 dengan fixed slot dan flap Gambar 4.1 Tampilan awal Javafoil 40 Gambar 4.2 Airfoil yang dibentuk Javafoil 40 Gambar 4.3 Titik-titik koordinat airfoil NACA Gambar 4.4 Menjalankan Gambit 41 Gambar 4.5 Tampilan awal Gambit 42 Gambar 4.6 Mengimport data ke Gambit 42 Gambar 4.7 Membuat garis lengkung (nurbs) 43 Gambar 4.8 Titik-titik koordinat yang dihubungkan dengan garis 43 Gambar 4.9 Membuat titik 44 Gambar 4.10 Memotong garis dengan titik 45 Gambar 4.11 Flap yang dibentuk pada Gambit 46 Gambar 4.12 Membuat titik pada garis 46 Gambar 4.13 Slat yang dibentuk pada Gambit 47 Gambar 4.14 Membuat bidang 48 Gambar 4.15 Slat Main Airfoil - Flap 48 Gambar 4.16 Garis-garis topologi 49 Gambar 4.17 Garis-garis topologi khusus untuk airfoil dengan HLD 50 xiii

14 Gambar 4.18 Membuat mesh garis 51 Gambar 4.19 Mesh Garis topologi 52 Gambar 4.20 Mesh bidang aliran freestream 53 Gambar 4.21 Examine mesh 53 Gambar 4.22 Grouping 54 Gambar 4.23 Mendefinisikan bounday types 54 Gambar 4.24 Mengeksport mesh 55 Gambar 4.25 Memilih versi solver 55 Gambar 4.26 Grid check 56 Gambar 4.27 Memilih solver 57 Gambar 4.28 Mengaktifkan persamaan energi 57 Gambar 4.29 Mengaktifkan model viskositas 58 Gambar 4.30 Mendefinisikan material udara 58 Gambar 4.31 Mendefinisikan boundary condition 59 Gambar 4.32 Inisial nilai-nilai pada freestream 60 Gambar 4.33 Mengaktifkan window iterasi 61 Gambar 4.34 Mengaktifkan windows coefficient lift dan coefficient drag 62 Gambar 4.35 Nilai-nilai referensi 63 Gambar 4.36 Iterasi 64 Gambar 4.37 Menampilkan hasil dalam bentuk gambar 64 Gambar 4.38 Kontur Kecepatan Airfoil NACA 2412 (α = 14) 65 Gambar 4.39 Boundary layer di awal terjadinya separasi 65 xiv

15 Gambar 4.40 Kontur kecepatan airfoil 71 Gambar 4.41 Kontur tekanan pada airfoil dengan angle of attack 0, 4, 8, dan Gambar 4.42 Gambar 4.43 Kecepatan aliran dan boundary layer di sekitar slat pada angle of attack Kontur Tekanan di permukaan airfoil tanpa dan dengan fixed slot 83 Gambar 4.44 Kecepatan aliran pada slotted flap 20 dengan angle of attack Gambar 4.45 Kontur tekanan pada airfoil dengan penggunaan slotted flap dan fixed slot 88 xv

16 DAFTAR TABEL Tabel 4.1 Koordinat Leading edge Flap 44 Tabel 4.2 Koordinat Slot flap 45 Tabel 4.3 Koordinat slat 47 Tabel 4.4 Titik-titik koordinat batas frestream 49 Tabel 4.5 Garis-garis yang membentuk bidang topologi 50 Tabel 4.6 Data ukuran mesh garis 51 Tabel 4.7 Zone yang didefinisikan untuk tiap group 55 Tabel 4.8 Hasil pengujian untuk Clear Airfoil dan dengan Fixed Slot 66 Tabel 4.9 Tabel 4.10 Tabel 4.11 Tabel 4.12 Hasil pengujian untuk airfoil dengan Flap 10 dan dengan penanbahan Fixed Slot 67 Hasil pengujian untuk airfoil dengan Flap 20 dan dengan penanbahan Fixed Slot 68 Hasil pengujian untuk airfoil dengan Flap 30 dan dengan penanbahan Fixed Slot 69 Hasil pengujian untuk airfoil dengan Flap 40 dan dengan penanbahan Fixed Slot 70 xvi

17 DAFTAR GRAFIK Grafik 4.1 C l vs α, C d vs α, C l vs C d untuk airfoil clear 73 Grafik 4.2 C l vs α, C l vs C d, C d vs α untuk penggunaan flap yang didefleksikan Grafik 4.3 C l vs α, C l vs C d, C d vs α untuk penggunaan flap yang didefleksikan Grafik 4.4 C l vs α, C l vs C d, C d vs α untuk penggunaan flap yang didefleksikan Grafik 4.5 C l vs α, C l vs C d, C d vs α untuk penggunaan flap yang didefleksikan Grafik 4.6 C l vs α, C l vs C d, C d vs α untuk clear airfoil dan airfoil hanya dengan fixed slot 81 Grafik 4.7 C l vs α airfoil dengan defleksi slotted flap 84 Grafik 4.8 C d vs α airfoil dengan defleksi slotted flap 86 Grafik 4.9 C l vs α untuk kombinasi defleksi single slotted flap dan fixed slot 87 xvii

18 DAFTAR SIMBOL α angle of attack (derajat, ) A Luas penampang streamtube (m 2 ) γ sudut antara sumbu aliran dan sumbu vertical (, deg) c chord (m) C d C l C pl C pu cp c p, c v d Coefficient drag Coefficient lift Coefficient pressure lower surface Coefficient pressure upper surface center of pressure specific heat pada tekanan konstan dan volum konstan drag (N) g Percepatan gravitasi (m/s 2 ) l lift (N) µ viskositas (kg/ms) ρ densitas (kg/m 3 ) p 0 p L p l p u q Re tekanan ambien (Pa, N/m) tekanan lokal (Pa, N/m) tekanan di lower surface (Pa, N/m) tekanan di upper surface (Pa, N/m) tekanan dinamik, ½ρv 2 (Pa, N/m) Bilangan Reynold S Luas area sayap (m 2 ) s panjang lintasan aliran (m) t waktu (sec) V velocity (m/s) v volume (m 3 ) W berat (kg) xviii

19 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran A Koordinat Airfoil NACA 2412 Lampiran B Lampiran C Arah Gaya dan Vektor Kecepatan udara Distribusi Tekanan Hasil Pengujian xix