Skripsi. Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mencapai Derajat Sarjana Strata 1 (S1) Disusun Oleh: SLAMET SUTRISNO JURUSAN TEKNIK PENERBANGAN

Transkripsi

1 ANALISA PENGARUH TAPER RASIO TERHADAP EFISIENSI AERODINAMIKA DAN EFEKTIFITAS TWIST ANGLE PADA DESAIN SAYAP SEKELAS CESSNA 162 MENGGUNAKAN SOFTWARE FLUENT Skripsi Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mencapai Derajat Sarjana Strata 1 (S1) Disusun Oleh: SLAMET SUTRISNO JURUSAN TEKNIK PENERBANGAN SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI ADISUTJIPTO YOGYAKARTA 2011

2 LEMBAR PERSETUJUAN PEMBIMBING Skripsi ANALISA PENGARUH TAPER RASIO TERHADAP EFISIENSI AERODINAMIKA DAN EFEKTIFITAS TWIST ANGLE PADA DESAIN SAYAP SEKELAS CESSNA 162 MENGGUNAKAN SOFTWARE FLUENT Yang dipersiapkan oleh: Nama : Slamet Sutrisno Nomor mahasiswa : Jurusan : Teknik Penerbangan telah memenuhi persyaratan dan siap untuk diujikan Disetujui pada tanggal 15 Juli 2011 Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II M. Ardi Cahyono, ST., MT. Karseno KS., INZ., SE., MM. ii

3 LEMBAR PENGESAHAN ANALISA PENGARUH TAPER RASIO TERHADAP EFISIENSI AERODINAMIKA DAN EFEKTIFITAS TWIST ANGLE PADA DESAIN SAYAP SEKELAS CESSNA 162 MENGGUNAKAN SOFTWARE FLUENT Yang dipersiapkan dan disusun oleh: SLAMET SUTRISNO Telah dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada tanggal 25 Juli 2011 dan dinyatakan telah memenuhi syarat guna memperoleh Gelar Sarjana Strata 1 Ketua Penguji Penguji I Penguji II Susunan Tim Penguji Nama Lengkap : Gunawan, ST., MT. : Ir. Heru Yudanarsa : Dwi Hartini, ST. Tanda Tangan Yogyakarta, 09 Agustus 2011 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 : Slamet Sutrisno Nomor mahasiswa : Jurusan : Teknik Penerbangan Judul skripsi : Analisa pengaruh taper rasio terhadap efisiensi aerodinamika dan efektifitas twist angle pada desain sayap sekelas Cessna 162 menggunakan 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, 15 Juli 2011 Yang Menyatakan, SLAMET SUTRISNO NIM : iv

5 MOTTO Lintasilah penjuru langit dan bumi dengan ilmu dan kekuatan yang kamu miliki, Allah SWT berfirman : Hai jama'ah jin dan manusia, jika kamu sanggup menembus (melintasi) penjuru langit dan bumi, Maka lintasilah, kamu tidak dapat menembusnya kecuali dengan kekuatan ( Al-Quran surat, Ar Rohman: 33) v

6 HALAMAN PERSEMBAHAN Alhamdulillah Skripsi ini kupersembahkan kepada maha besar Allah yang memiliki kesempurnaan ilmu. Untuk orang tuaku tercinta abi dan ummi, kaka serta keluarga besar tercinta Terimakasih atas dukungannya selama ini, dan sahabatku yang telah memberikan semangat. vi

7 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. Sutjianto S., 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 I; 7. Bapak Karseno KS., INZ, SE, MM. selaku dosen pembimbing II; 8. Rekan-rekan mahasiswa angkatan 2007 atas semangat dan dukungannya, serta semua pihak yang tidak bisa disebutkan satu persatu. vii

8 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, Juli 2010 Penulis viii

9 ANALISA PENGARUH TAPER RASIO TERHADAP EFISIENSI AERODINAMIKA DAN EFEKTIFITAS TWIST ANGLE PADA DESAIN SAYAP SEKELAS CESSNA 162 MENGGUNAKAN SOFTWARE FLUENT Oleh: Slamet Sutrisno ABSTRAK Desain sayap yang terlihat dari atas secara langsung dengan aliran udara tiga dimensi sangat penting untuk memahami kinerja sayap, karakteristik aerodinamika, dan karakteristik terbang dari pesawat. Taper rasio, pada fix wing dapat mempengaruhi kinerja dari sayap tersebut. Untuk melihat pengaruh yang ditimbulkan karena penggunaan taper rasio pada wing, penulis melakukan pengujian secara komputasional dengan software Fluent, dan data pengujian di ambil dari pesawat sekelas Cessna 162 dengan kecepatan subsonic rendah. Hasil penelitian malalui perhitungan komputasional menunjukan bahwa dengan adanya taper rasio, nilai C Lmax dan nilai C L C D meningkat demikian juga dengan C D. C Lmax dan C L C D tertinggi diperoleh pada taper rasio λ 0.5, C Lmax mencapai 1,1225 dengan C L C D sebesar 4,01. Dan dari perhitungan manual nilai efektifitas twis angle α RT pada taper rasio λ 0,5 sebesar 3,26 (negativ). Dari nilai perhitungan diatas dapat disimpulkan bahwa tingkat efektifitas penggunaan taper rasio pada sayap sekelas Cessna 162 yang memiliki kecepatan subsonic rendah dalam pengujian ini yaitu 0,18 M adalah wing dengan taper rasio λ 0,5 karena wing taper rasio λ 0,5 memiliki nilai koefisien lift maksimum yang paling tinggi dimana harga efisiensi aerodinamika memiliki optimum angle yang paling besar yaitu 1. Kata kunci : wing 3D, taper rasio, efisiensi aerodinamik, Fluent, twis angle. ix

10 DAFTAR ISI JUDUL SKRIPSI LEMBAR PERSETUJUAN PEMBIMBING LEMBAR PENGESAHAN LEMBAR PERNYATAAN i ii iii iv MOTTO. v LEMBAR PERSEMBAHAN KATA PENGANTAR ABSTRAK DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL DAFTAR GRAFIK DAFTAR SIMBOL DAFTAR LAMPIRAN vi vii ix x xiii xvii xviii xix xxi BAB I PENDAHULUAN Latar belakang Masalah Rumusan Masalah Tujuan Batasan Masalah Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan 3 x

11 BAB II LANDASAN TEORI Teori Airfoil Gaya Angkat (lif)t Gaya Hambat (Drag) Jenis-jenis Gaya Hambat (Drag) Moment Aerodinamik Teori dasar wing Terminologi sayap (Wing) Wing Taper Rasio Wing Twist Wing configuration (bentuk sayap) Computational Fluid Dynamics (CFD GAMBIT FLUENT Konfigurasi CESSNA model Dimensions Performance 37 BAB III METODE PENELITIAN Tinjauan Umum Wing uji Teknik Pengumpulan Data Proses pembuatan model dan simulasi Model Uji Pengambilan kesimpulan 41 BAB IV ANALISIS DAN PEMBAHASAN Umum Langkah-langkah Pengerjaan Perhitungan Geometri wing design 46 xi

12 4.4. Membuat Geomtri wing menggunakan CATIA Wing meshing pada GAMBIT Wing Processing pada Fluent Wing Post-proccessing menggunakan Fluent Data hasil pengujian dengan CFD Fluent Pembahasan.. 78 BAB V PENUTUP Kesimpulan Saran 90 DAFTAR PUSTAKA 91 xii

13 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Airfoil 6 Gambar 2.2 Airfoil seri empat angka 7 Gambar 2.3 Gaya angkat, aliran udara, dan tekanan pada airfoil 8 Gambar 2.4 Angle of attack (α) dari suatu airfoil 9 Gambar 2.5 Variasi gaya angkat terhadap angle of attack 10 Gambar 2.6 Weak pada airfoil 11 Gambar 2.7 Data eksperimen c d dan c m airfoil NACA Gambar 2.8 Induced Drag 14 Gambar 2.9 Distribusi tekanan dan tegangan geser 16 Gambar 2.10 a)moment quarter chord point, b) moment leading ed. 17 Gambar 2.11 Visualisasi tip vortex 18 Gambar 2.12 Efek tip vortex terhadap vector gaya angkat 19 Gambar 2.13 c l alfa pada berbagai AR 20 Gambar 2.14 Geometric wing 21 Gambar 2.15 Lift koefisien vs Drag koefisien, asper rasio Gambar 2.16 Rectanguler wing 23 Gambar 2.17 Elliptical wing 23 Gambar 2.18 Wing taper/ Trapesoidal wing/ Tappered wing 24 Gamabr 2.19 Efek taper rasio terhadap variasi koefisien lift 25 Gambar 2.20 Wing twist.. 27 Gambar Bentuk sayap. 27 xiii

14 Gambar 2.62 Struktur komponen program fluent Gambar 2.63 Exterior Dimensions.. 36 Gambar 3.1 Wing Design Taper rasio λ 1,0 dengan AR 7,6 40 Gambar 3.2 Wing Design Taper rasio λ 0,7 dengan AR 7,6 41 Gambar 3.3 Wing Design Taper rasio λ,50 dengan AR 7,6 41 Gambar 3.4 Diagram Alur simulasi 42 Gambar 4.1 Wab Javafoil Application 44 Gambar 4.2 Software Javafoil Application 44 Gambar 4.3 koordinat airfoil NACA Gambar 4.4 airfoil NACA 2412 pada java foil 45 Gambar 4.5 Design airfoil NACA 2412 pada CATIA 47 Gambar Dimensi utama 48 Gambar 4.7 Definisi swept surface 49 Gambar 4.8 Hasil desain CATIA, wing taper λ Gambar 4.9 Hasil desain CATIA, wing taper λ 0,7 50 Gambar 4.10 Hasil desain CATIA, wing taper λ 0,5 51 Gambar 4.11 Menjalankan Gambit 51 Gambar 4.12 Tampilan awal Gambit 52 Gambar 4.13 Tab boundary Layer 54 Gambar 4.14 Mesh edge pada model uji λ Gambar 4.15 Mesh edge pada model uji λ 0,7 56 Gambar 4.16 Mesh edge pada model uji λ 0,5 56 Gambar 4.17 Meshing volume λ 1, xiv

15 Gambar 4.18 Meshing volume λ 0,7 57 Gambar 4.19 Meshing volume λ 0,5 57 Gambar 4.20 Tampilan fluent version 59 Gambar 4.21 Grid check 60 Gambar 4.22 Pilihan solver 60 Gambar 4.23 Persamaan energy 61 Gambar 4.24 Viscous model 61 Gambar 4.25 Mendifinisikan material 62 Gambar 4.26 Kondisi operasi 63 Gambar 4.27 Kondisi batas 64 Gambar 4.28 Pressure inlet 64 Gambar 4.29 Pressure outlet 65 Gambar 4.30 Solution control 66 Gambar 4.31 Solution initialization 67 Gambar 4.32 Residual monitor 67 Gambar 4.33 Force monitors 68 Gambar 4.34 Nilai reference 69 Gambar 4.35 Tampilan iterate 69 Gambar 4.36 Definisi vektor 73 Gambar 4.37 Kontur Mach number 3D λ 0,5 74 Gambar 4.38 Kontur Mach number 2D λ 0,5 74 Gambar 4.39 Kontur Static pressure 3D λ 0,5 75 Gambar 4.40 Kontur Static pressure 2D λ 0,5 75 xv

16 Gambar 4.41 Turbulent viscosity 3D λ 0,5 76 Gambar 4.42 Turbulent viscosity 2D λ Gambar 4.43 Kontur kecepatan wing λ 1,0 pada AOA Gambar 4.44 Kontur kecepatan wing λ 0,7 pada AOA Gambar 4.45 Kontur kecepatan wing λ 0,5 pada AOA Gambar 4.46 Kontur tekanan static wing λ 1,0 pada AOA Gambar 4.47 Kontur tekanan static wing λ 0,7 pada AOA Gambar 4.48 Kontur tekanan static wing λ 0,5 pada AOA Gambar 4.49 Tip vortex tampak atas dan samping pada taper rasio λ 1,0 AOA Gambar 4.50 Tip vortex tampak atas dan samping pada taper rasio λ 0,7 AOA Gambar 4.51 Tip vortex tampak atas dan samping pada taper rasio λ 0,5 AOA xvi

17 DAFTAR TABEL Tabel 4.1 Face bidang uji 53 Tabel 4.2 Mesh Edge 55 Tabel 4.3 Specify boundary types 58 Tabel 4.4 Hasil pengujian 77 Tabel 4.5 Hasil pengujian pada efektifitas twis angle 79 xvii

18 DAFTAR GRAFIK Grafik 4.1 Scaled residual 70 Grafik 4.2 Lift convergence history 70 Grafik 4.3 Drag convergence history 71 Grafik 4.4 moment convergence history 71 Grafik 4.5 C L vs α (sudut serang) pada wing taper rasio λ 1.0, 0.7, Grafik 4.6 C D vs α (sudut serang) pada wing taper rasio λ 1.0, 0.7, Grafik 4.7 C M vs α (sudut serang) pada wing taper rasio λ 1.0, 0.7, Grafik 4.8 C L C D vs λ pada wing taper rasio λ 1.0, 0.7, Grafik 4.9 C L C D vs α (sudut serang) pada wing taper rasio λ 1.0, xviii

19 DAFTAR SIMBOL ρ berat jenis (density) kg m 3 V kecepatan m s μ dynamic viscosity ρ a atau N. s m 2 q X L Tekanan dinamik diameter m Lift C L Koefisien lift C Lmax Harga maksimum gaya angkat α D Sudut serang (Angle of attack) Drag C D Koefisien drag D i Induced drag C Di Koefisien Induced drag D p Parasit drag C Dp Koefisien parasit drag C M Koefisien moment xix

20 a o Kemiringan gaya angkat M S b λ c c r c t AR Re c Λ e α RT β c 2 π M (Mach Number) Luas sayap Span ( rentang sayap) Taper rasio Chord rata-rata (average chord) Root chord Tip chord Aspek rasio (Reynold Number) m.a.c (mean aerodynamic chord) Sweep angle (span effisiensi factor) Total twist angle Sweep angle 1 chord 2 Setengah lingkaran Moment (N.m) xx

21 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran A Koordinat Airfoil NACA 2412 Lampiran B Kontur hasil pengujian CFD Fluent xxi