TUGAS AKHIR. Disusun Sebagai Syarat Untuk Mencapai Gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR ANALISA AERODINAMIKA FLAP DAN SLAT PADA AIRFOIL NACA 2410 TERHADAP KOEFISIEN LIFT DAN KOEFISIEN DRAG DENGAN METODE COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC Disusun Sebagai Syarat Untuk Mencapai Gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Disusun oleh: TRI HARTANTO D JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2015 i

2 ii

3 iii

4 iv

5 v

6 MOTTO Berprasangka Positif dan Berjiwa Besar Hai orang-orang yang beriman, jadikanlah sabar dan sholatmu sebagai penolongmu, sesungguhnya Allah beserta orang-orang yang sabar (Al-Baqarah: 153) Jika kamu bersungguh-sungguh, maka kesungguhan itu untuk kebaikanmu sendiri (Al-Ankabut: 6) bermimpi & berangan-anganlah setinggi yang kita mau, karna mimpi & angan-angan kita adalah awal dari rencana hidup kita, rencana hidup kita adalah salah satu usaha kita, berusaha dan berdo a adalah kewajiban setiap manusia, maka bermimpi & berangan-anganlah setinggi yang kita mau. vi

7 HALAMAN PERSEMBAHAN Dengan penuh harap ridho Allah SWT, teriring perasaan syukur dan sabar yang mendalam serta penghargaan yang tinggi, setelah melewati berbagai ujian dalam perjuangan yang tak kenal lelah, Saya mempersembahkan Tugas Akhir ini kepada : Bapak dan Ibu yang dengan segala kasih sayang, kesabaran, keikhlasan dan pengorbanannya yang senantiasa membimbing dan mendo akanku. Sahabat-sahabatku (Keluarga Teknik Mesin angkatan 2010 yang selalu kompak, dan saling menyemangati ) Almamater ( Universitas Muhammadiyah Surakarta ) Dosen Universitas Muhammadiyah Surakarta Teknik Mesin yang telah membimbing saya didalam perkuliahan. Bapak Dosen pembimbing akedemik Ir. Sartono Putro, MT. Bapak Dosen pembimbing satu tugas akhir Ir. Sarjito, MT., Ph.D. dan Bapak Dosen pembimbing dua tugas akhir Nur Aklis, ST., M.Eng. Saya berterima kasih atas pengarahan dan bimbingannya yang telah banyak saya terima selama berada di Universitas Muhammadiyah Surakarta. Organisasi internal kampus (KMTM, BEM FT, Kopma UMS) dan organisasi eksternal (IIBF Solo, JCI Solo, SIPA Community) yang sudah memberikan saya banyak ilmu dan pengalaman. vii

8 KATA PENGANTAR Segala puji syukur ke hadirat Allah SWT atas segala rahmat dan karunia- Nya yang telah terlimpahkan kepada penulis, sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. Adapun Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan Sidang Sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak, pada kesempatan ini, penulis dengan penuh keikhlasan hati ingin menyampaikan terima kasih kepada : 1. Bapak Dr. H. Sri Sunarjono MT. Ph.D selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. 2. Bapak Tri Widodo BR. ST. MSc., Ph.D selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. 3. Bapak Ir. Sarjito, MT., Ph.D. selaku Dosen Pembimbing I yang telah membimbing, mengarahkan, memberi petunjuk dalam penyusunan Tugas Akhir ini. 4. Bapak Nur Aklis, S.T., M.Eng. selaku Dosen Pembimbing II yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan bimbingan dan arahannya. 5. Bapak Ir. Sartono Putro, MT. selaku Pembimbing Akademik. 6. Dosen jurusan Teknik Mesin beserta Staff Tata Usaha Fakultas Teknik viii

9 7. Bapak tercinta yang telah memberikan kasih sayang, mendidik dan membesarkan penulis. 8. Ibu tercinta dan teristimewa yang senantiasa mencintai, menyayangi, memberikan dukungan dan mendo akan penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir. 9. Teman angkatan 2010 yang sudah banyak membantu saya dan mendukung saya dalam perkuliahan selama di Universitas Muhammadiyah Surakarta. Akhir kata, penulis mohon maaf sebelum dan sesudahnya, jika sekiranya terdapat kesalahan dan kekurangan dalam penulisan Tugas Akhir ini, yang disebabkan adanya keterbatasan-keterbatasan antara lain waktu, dana, literatur yang ada, dan pengetahuan yang penulis miliki. Harapan penulis semoga laporan ini bermanfaat untuk pembaca. Tugas Akhir ini semoga dapat bermanfaat khususnya bagi penulis dan pihak lain yang membutuhkan, Amin ya Robbaallamin. Surakarta, Oktober 2015 Penulis ix

10 ABSTRAKSI Tujuan dari penelitian ini adalah untuk melakukan permodelan dan simulasi perilaku aerodinamika airfoil NACA 2410 yang dilengkapi dengan flap dan slat menggunakan software Ansys 14.5 CFD. Selain itu untuk mendapatkan fenomena aliran fluida yang terjadi disekitar airfoil, sehingga koefisien lift dan koefisien drag airfoil akan diketahui dan akan diperoleh perbedaan airfoil NACA 2410 yang dilengkapi flap dan slat dengan yang tidak dilengkapi flap dan slat. Dalam proses simulasi akan dilakukan dengan variasi pada berbagai sudut serang. Permodelan NACA 2410 diambil dari software designfoil kemudian menyesuaikan ukuran dan panjang chord airfoil pada Autocad kemudian desain akan di eksport ke solidwork untuk penambahan desain flap dan slat serta pengaturan sudut serang. Selanjutnya akan disimulasikan pada software Ansys dengan pengaturan berbagai kondisi batas airfoil. Parameter-parameter yang dihasilkan antara lain koefisien lift, koefisien drag, serta distribusi tekanan dan kecepatan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa peningkatan sudut serang akan diikuti dengan meningkatnya koefisien lift dan koefisien drag. Namun pada airfoil NACA 2410 dengan flap dan slat menghasilkan koefisien lift dan koefisien drag yang lebih tinggi dibanding dengan airfoil tanpa flap dan slat. Koefisien lift maksimal ketika airfoil berada pada sudut serang 20 0 dengan pengaturan flap pada sudut defleksi 30 0 serta slat pada jarak x 4% chord, dan sudut slat Kata kunci : Flap, Slat, Koefisien Lift, Koefisien Drag, Airfoil, Ansys x

11 DAFTAR ISI Halaman Judul... i Pernyataan Keaslian Skripsi... ii Halaman Persetujuan... iii Halaman Pengesahan... iv Lebar Soal Tugas Akhir... v Halaman Motto... vi Halaman Persembahan... vii Kata Pengantar... viii Abstraksi... x Daftar Isi... xi Daftar Gambar... xiv Daftar Tabel... xvii Daftar Grafik... xviii BAB I PENDAHULUN 1.1 Latar Belakang Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan... 6 BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI 2.1 Kajian Pustaka Dasar Teori Persamaan Dasar Kekekalan Teori Kutta-Joukowski Karakteristik Aerodinamika pada Airfoil Flap dan Slat xi

12 2.2.5 Sudut Serang (Angle of Attack) Karakteristik Aliran Fluida Konsep Dasar Aliran Fluida Koefisien Lift dan Drag Computational Fluid Dynamic (CFD) Proses Meshing BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Diagram Alir Penelitian Langkah-langkah Simulasi CFD Permodelan Airfoil, Flap dan Slat dengan Metode Komputasi Fluida Pre-Processing Processing/ Solver Post Processing BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN 4.1 Verifikasi Software dan Validasi Data Optimasi Flap dan Slat Optimasi Flap Optimasi Slat Hasil Optimasi Data Profil Airfoil NACA Analisa Perbandingan Tekanan Aliran Udara pada Airfoil Naca 2410 Tanpa Flap dan Slat dengan Naca 2410 Dilengkapi Flap dan Slat Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang xii

13 4.4.6 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang Analisa Perbandingan Kecepatan Aliran Udara pada Airfoil NACA 2410 Tanpa Flap dan Slat dengan Naca 2410 Dilengkapi Flap dan Slat Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang Streamline yang terjadi Koefisien Lift dan Drag (CD dan CL) yang Terjadi Pada Airfoil BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xiii

14 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Gaya angkat 3D pada bagian sayap Gambar 2.2. Sirkulasi disekitar airfoil Gambar 2.3. Bentuk, bagian dan geometri sebuah airfoil Gambar 2.4. Letak dari flap dan slat Gambar 2.5. Grafik hubungan CL dengan AoA terhadap fungsi flap dan slat Gambar 2.6. Jenis jenis flap Gambar 2.7. Letak dan penampang dari slat Gambar 2.8. Jenis jenis aliran fluida Gambar 2.9. Lapisan batas dalam sebuah plat datar Gambar Separasi aliran pada benda bulat Gambar Gaya gaya dari fluida di sekeliling sebuah benda dua dimensi Gambar Jenis sel 2D dan 3D Gambar (A) Unstructured mesh, (B) Structured mesh, dan (C) Hybrid mesh Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian Gambar 3.2. Diagram Alir Proses Simulasi Gambar 3.3. Profil airfoil pada Software DesignFoil Gambar 3.4. Pengaturan panjang chord pada AutoCad Gambar 3.5. Penampang airfoil hasil extrude pada Software Solidwork Gambar 3.6. Penampang airfoil yang dilengkapi flap dan slat hasil extrude pada Software Solidwork Gambar 3.7. Pengaturan sudut serang airfoil pada Software Solidwork Gambar 3.8. Penampang airfoil yang diberi batasan pada Ansys 14.5 workbench Gambar 3.9. Hasil proses meshing Gambar Inflation Boundary Layer Gambar Pengaturan property domain Gambar Operation conditions Gambar Setting solver control Gambar Contoh proses solver pada Ansys 14.5 CFX- Solver Manager Gambar Visualisasi kontur plot tekanan dan streamline hasil simulasi Gambar 4.1. Lokasi dari titik 1 dan titik xiv

15 Gambar 4.2. Posisi sudut flap Gambar 4.3. Geometri posisi slat Gambar 4.4. Geometri sudut delta (δ) slat Gambar 4.5. Hasil meshing fluida untuk airfoil NACA 2410 with flap dan slat pada Ansys 14.5 CFD Gambar 4.6. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang Gambar 4.7. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang Gambar 4.8. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang Gambar 4.9. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang Gambar Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang Gambar Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang Gambar Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang Gambar Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang Gambar Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang Gambar Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil sudut serang Gambar Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil sudut serang Gambar Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil sudut serang Gambar Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil sudut serang Gambar Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil sudut serang Gambar Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil xv

16 sudut serang Gambar Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil sudut serang Gambar Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil sudut serang Gambar Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil sudut serang Gambar Streamline kecepatan disekitar airfoil pada sudut serang Gambar Fenomena aliran turbulence dan terjadinya vortex di atas flap pada sudut serang 20 0 dan defleksi flap xvi

17 DAFTAR TABEL Tabel 3.1. Kondisi batas meshing Tabel 3.2. Pengaturan inflation pada mesh Tabel 3.3. Kondisi operasi Tabel 4.1. Data hasil verifikasi software Tabel 4.2. Hasil simulasi optimasi flap Tabel 4.3. Variabel jarak x Tabel 4.4. Hasil proses meshing NACA 2410 dengan flap dan slat Tabel 4.5. Hasil proses meshing NACA 2410 tanpa flap dan slat xvii

18 DAFTAR GRAFIK Grafik 4.1. Hubungan koefisien lift dengan posisi flap pada sudut flap Grafik 4.2. Hubungan antara koefisien lift dengan jarak x Pada posisi flap 30 0 dan jarak slat 4% chord Grafik 4.3. Hubungan antara koefisien lift dengan sudut slat pada posisi flap 30 0, jarak slat 4% chord dan sudut slat Grafik 4.4. Hubungan antara koefisien lift dengan sudut serang hasil perbandingan dengan penelitian Prabhakar (2013) Grafik 4.5. Hubungan antara koefisien drag dengan sudut serang xviii