SIMULASI NUMERIK PENGARUH MULTI-ELEMENT AIRFOIL TERHADAP LIFT DAN DRAG FORCE PADA SPOILER BELAKANG MOBIL FORMULA SAE DENGAN VARIASI ANGLE OF ATTACK ARIF AULIA RAHHMAN 2109.100.124 DOSEN PEMBIMBING NUR IKHWAN, S.T., M. Eng. JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2013
LATAR BELAKANG PENELITIAN TERDAHULU PERUMUSAN MASALAH TUJUAN PENELITIAN BATASAN MASALAH METODOLOGI PENELITIAN FLOWCHART PENELITIAN ANALISA DAN DATA KESIMPULAN DAN SARAN
LATAR BELAKANG ETH Zurich (FSAE-UK) UniStuttgart Krisis energi (FSAE Germany) Monash University (FSAE Australasia) Sophia University (FSAE Japan) Oregon State Univ. (FSAE Michigan)
Krisis energi LATAR BELAKANG
Sapuangin Speed
PENELITIAN TERDAHULU Penelitian terdahulu : 2D-Flow Karakteristik aliran melewati bodi tunggal dan centerline pada vehicle Penelitian terdahulu : 3D-Flow Efek aerodinamika dan detail karakteristik aliran melewati bodi kendaraan Penelitian tentang karakteristik aliran 3D yang melintasi sidebody pada vehicle
PENELITIAN TERDAHULU Wordley and Saunders (2006) Dengan Penambahan wing, diprediksi kecepatan pada saat menikung bertambah 10-15% jika dibandingkan dengan mobil tanpa wing
PENELITIAN TERDAHULU Wordley and Saunders (2006) Grafik hasil 2D CFD rear wing menunjukkan pada angle of attack 31 0, Coefficient of lift mencapai titik maksimum
PENELITIAN TERDAHULU Jang et al[1996] Gurney flap berguna untuk mencegah separasi aliran pada trailing edge di upper surface (sayap pesawat) atau di lower surface (sayap mobil balap)
PERUMUSAN MASALAH Leading Edge
PERUMUSAN MASALAH Bagaimana fenomena aliran melewati spoiler dengan multi-element airfoil? Bagaimana hubungan antara angle of attack dengan gaya drag dan lift? Bagaimana efek aerodinamika yang ditimbulkan spoiler terhadap kendaraan?
TUJUAN PENELITIAN Mengetahui karakteristik aliran 2D dan 3D beserta efek gaya aerodinamika yang ditimbulkan pada saat melewati bodi kendaraan Sapuangin Speed dan bodi modifikasi kendaraan Sapuangin Speed yang telah ditambahkan wing. CFD Post processing kuantitatif Cp Cd Cl Post processing kualitatif Pathline Contour Vector
BATASAN MASALAH 1. Menggunakan model turbulen k-ε realizable, boundary condition untuk inlet adalah velocity inlet dan untuk outlet adalah outflow, serta kecepatan aliran udara sebesar 11,11 m/s. 2. Energy equation diabaikan. 3. Ground Clearance sebesar 30 mm dari permukaan jalan
BATASAN MASALAH Benda uji yang digunakan adalah bodi standar dengan dimensi utama : Parameter Dimensi Chord (c) 2.5 in Main Element Chord 400 mm (Cm) Flap Element Chord 180 mm (Cf) Span (s) 1300 mm Gurney Flap (f) 3% mm gap airfoil to chord (g) 0,02 Aspect Ratio (AR) 1,85 Tinggi spoiler (h) 17 in Panjang spoiler (L) 25 in
METODOLOGI PENELITIAN Domain Pemodelan Bodi kendaraan (2D-flow) Inlet Velocity Inlet Spoiler Wall Wall Outlet Pressure Outlet 2L Wall 2L L 4L Domain Pemodelan Bodi kendaraan (3D-flow) Outlet Pressure Outlet Wall Spoiler Wall x Wall y Inlet Velocity Inlet 2L 4L z Wall L 2L 2L
METODOLOGI PENELITIAN
METODOLOGI PENELITIAN
METODOLOGI PENELITIAN Meshing Models Materials Operating Condition Residuals Initialize Solution Boundary Condition Iterasi Post Processing
ANALISA DAN PEMBAHASAN Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Analisa Pengaruh Angle of Attack (α) pada Gaya Aerodinamika (2D) Analisa Aliran 3 Dimensi
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=10 0-3 -2.5-2 -1.5-1 -0.5 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0.5 1 1.5 upper surface lower surface
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=10 0
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=10 0
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=15 0-3.5-3 -2.5 Upper surface lower surface -2-1.5-1 -0.5 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0.5 1 1.5
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=15 0
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=15 0
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=20 0-6 -5-4 upper surface lower surface -3-2 -1 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1 2
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=20 0
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=20 0
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=25 0-5 -4-3 -2 lower surface upper surface -1 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1 2
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=25 0
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=25 0
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D -4 Medan Aliran 2 Dimensi pada α=30 0-3 -2 upper surface lower surface -1 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1 2
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=30 0
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=30 0
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D -3-2.5-2 -1.5-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 Perbandingan Aliran 2 Dimensi Angle of Attack 10 0, 15 0, 20 0, 25 0, dan 30 0 upper surface 30 deg upper surface 20 deg upper surface 25 deg upper surface 15 deg upper surface 10 deg 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D -6-4 Perbandingan Aliran 2 Dimensi Angle of Attack 10 0, 15 0, 20 0, 25 0, dan 30 0 lower surface 30 deg lower surface 20 deg lower surface 25 deg lower surface 15 deg lower surface 10 deg -2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 2
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Perbandingan Aliran 2 Dimensi Angle of Attack 10 0, 15 0, 20 0, 25 0, dan 30 0 Parameter Segmen x/l pada α=10 0 x/l pada α=15 0 x/l pada α=20 0 x/l pada α=25 0 x/l pada α=30 0 Lokasi minimum pressure Lowerside 0.211024 0.04004 0.002086 0.0032 0.00705 Lokasi titik stagnasi Lokasi titik separasi Upperside 0.0006168 0.0217 0.02966 0.03846 0.03904 Lowerside - - - - 0.35603
Analisa Pengaruh Angle of Attack (α) pada Gaya Aerodinamika (2D) Cl vs α -3.62806-3.88429-3.81607-3.78284-2.59477 10 15 20 25 30 Cl
Analisa Pengaruh Angle of Attack (α) pada Gaya Aerodinamika (2D) Cd vs α 0.870005 0.213295 0.272058 0.370338 0.528038 10 15 20 25 30 Cd
Analisa Aliran 3 Dimensi -1.5-1 -0.5 0 upper midspan 3D upper 2D 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0.5 1 1.5
Analisa Aliran 3 Dimensi -3-2.5-2 -1.5 lower midspan 3D -1-0.5 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0.5 1 1.5
Analisa Aliran 3 Dimensi 0 0.2 0.4 0.6 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 upper 25% upper midspan upper 50% upper 75% 0.8 1 1.2
Analisa Aliran 3 Dimensi -3-2.5-2 -1.5 lower midspan lower 25% lower 50% lower 75% -1-0.5 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0.5
Analisa Aliran 3 Dimensi
Analisa Aliran 3 Dimensi
Analisa Aliran 3 Dimensi 2D 3D Cl -3,8849 3,488 Cd 0,213 0,755
Analisa Aliran 3 Dimensi
Perhitungan Gaya-gaya Aerodinamika ΣM RW = 0 -R f (a) + F LF (b) + W SF (b) + W(c) F DF (d) F DR (e) + F LR (f) + W SR (f) = 0 Gaya lift spoiler depan minimal saat mobil akan terangkat (Rf = 0) (F LF + W SF ) = -1585,286N (gaya angkat ke atas) Gaya lift spoiler depan minimal untuk traksi ban depan sama dengan tahun sebelumnya (Rf = 0,4W) (F LF + W SF ) = 94,166 N
Perhitungan Gaya-gaya Aerodinamika Perhitungan Gaya Drag pada angle of attack 15 0 C D = F D = (C D ). ½. ρ. V 2.. A = 31.3 N Perhitungan Gaya Lift C L = F L = (C L ). ½. ρ. V 2.. A = 164,438 N
KESIMPULAN 1. Variasi angle of attack sangat mempengaruhi karakteristik aliran dan distribusi Cp. Semakin besar angle of attack maka aliran pada lower side akan semakin cepat terseparasi 2. Variasi angleof attack sangat memberikan pengaruh terhadap drag dan lift. Semakin besar angle of attack nilai Cd semakin meningkat. 3. Efek sidebody sangat memberikan pengaruh terhadap karakteristik aliran di sekitar midspan. Hal ini terjadi karena adanya perbedaan tekanan pada bagian atas airfoil dengan bagian bawah airfoil sehingga menyebabkan terjadinya efek wing tip vortex. 4. Perbedaan nilai coefficient of pressure pada analisa 2D flow dan 3D flow disebabkan adanya efek sidebody sehingga menyebabkan adanya perbedaan posisi kecepatan maksimum dan letak titik stagnasi 5. Drag force yang ditimbulkan pada simulasi 3D flow lebih besar dibandingkan dengan drag force pada simulasi 2D flow 6. Lift force yang ditimbulkan pada simulasi 3D flow lebih kecil dibandingkan dengan lift force pada simulasi 2D flow
TERIMA KASIH MOHON SARAN DAN KRITIK