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 D200 100 080 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2015 i
ii
iii
iv
v
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
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
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
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
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 -2 0. Kata kunci : Flap, Slat, Koefisien Lift, Koefisien Drag, Airfoil, Ansys x
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... 1 1.2 Perumusan Masalah... 4 1.3 Batasan Masalah... 4 1.4 Tujuan Penelitian... 5 1.5 Manfaat Penelitian... 5 1.6 Sistematika Penulisan... 6 BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI 2.1 Kajian Pustaka... 7 2.2 Dasar Teori... 10 2.2.1 Persamaan Dasar Kekekalan... 10 2.2.2 Teori Kutta-Joukowski... 12 2.2.3 Karakteristik Aerodinamika pada Airfoil... 14 2.2.4 Flap dan Slat... 18 xi
2.2.5 Sudut Serang (Angle of Attack)... 23 2.2.6 Karakteristik Aliran Fluida... 24 2.2.7 Konsep Dasar Aliran Fluida... 26 2.2.8 Koefisien Lift dan Drag... 30 2.2.9 Computational Fluid Dynamic (CFD)... 31 2.2.10 Proses Meshing... 36 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Diagram Alir Penelitian... 39 3.2 Langkah-langkah Simulasi CFD... 40 3.3 Permodelan Airfoil, Flap dan Slat dengan Metode Komputasi Fluida... 42 3.3.1 Pre-Processing... 42 3.3.2 Processing/ Solver... 51 3.3.3 Post Processing... 52 BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN 4.1 Verifikasi Software dan Validasi Data... 54 4.2 Optimasi Flap dan Slat... 56 4.2.1 Optimasi Flap... 56 4.2.2 Optimasi Slat... 59 4.2.3 Hasil Optimasi... 63 4.3 Data Profil Airfoil NACA 2410... 63 4.4. Analisa Perbandingan Tekanan Aliran Udara pada Airfoil Naca 2410 Tanpa Flap dan Slat dengan Naca 2410 Dilengkapi Flap dan Slat... 65 4.4.1 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang -8 0... 65 4.4.2 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang -2 0... 66 4.4.3 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 0 0... 67 4.4.4 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 5 0... 68 4.4.5 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 10 0... 69 xii
4.4.6 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 15 0... 71 4.4.7 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 20 0... 72 4.4.8. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 25 0... 73 4.4.9. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 27 0... 74 4.5 Analisa Perbandingan Kecepatan Aliran Udara pada Airfoil NACA 2410 Tanpa Flap dan Slat dengan Naca 2410 Dilengkapi Flap dan Slat... 76 4.5.1 Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang -8 0... 76 4.5.2 Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang -2 0... 77 4.5.3 Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 0 0... 78 4.5.4 Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 5 0... 79 4.5.5 Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 10 0... 81 4.5.6 Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 15 0... 82 4.5.7 Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 20 0... 83 4.5.8. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 25 0... 84 4.5.9. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 27 0... 86 4.6 Streamline yang terjadi... 87 4.7 Koefisien Lift dan Drag (CD dan CL) yang Terjadi Pada Airfoil... 88 BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan... 94 5.2. Saran... 96 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xiii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Gaya angkat 3D pada bagian sayap... 13 Gambar 2.2. Sirkulasi disekitar airfoil... 14 Gambar 2.3. Bentuk, bagian dan geometri sebuah airfoil... 15 Gambar 2.4. Letak dari flap dan slat... 18 Gambar 2.5. Grafik hubungan CL dengan AoA terhadap fungsi flap dan slat... 19 Gambar 2.6. Jenis jenis flap... 21 Gambar 2.7. Letak dan penampang dari slat... 22 Gambar 2.8. Jenis jenis aliran fluida... 25 Gambar 2.9. Lapisan batas dalam sebuah plat datar... 28 Gambar 2.10. Separasi aliran pada benda bulat... 29 Gambar 2.11. Gaya gaya dari fluida di sekeliling sebuah benda dua dimensi... 31 Gambar 2.12. Jenis sel 2D dan 3D... 37 Gambar 2.13. (A) Unstructured mesh, (B) Structured mesh, dan (C) Hybrid mesh... 38 Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian... 39 Gambar 3.2. Diagram Alir Proses Simulasi... 41 Gambar 3.3. Profil airfoil pada Software DesignFoil... 42 Gambar 3.4. Pengaturan panjang chord pada AutoCad 2010... 43 Gambar 3.5. Penampang airfoil hasil extrude pada Software Solidwork 2010... 43 Gambar 3.6. Penampang airfoil yang dilengkapi flap dan slat hasil extrude pada Software Solidwork 2010... 44 Gambar 3.7. Pengaturan sudut serang airfoil pada Software Solidwork 2010... 45 Gambar 3.8. Penampang airfoil yang diberi batasan pada Ansys 14.5 workbench... 46 Gambar 3.9. Hasil proses meshing... 47 Gambar 3.10. Inflation Boundary Layer... 48 Gambar 3.11. Pengaturan property domain... 49 Gambar 3.12. Operation conditions... 50 Gambar 3.13. Setting solver control... 51 Gambar 3.14. Contoh proses solver pada Ansys 14.5 CFX- Solver Manager... 52 Gambar 3.15. Visualisasi kontur plot tekanan dan streamline hasil simulasi... 53 Gambar 4.1. Lokasi dari titik 1 dan titik 2... 55 xiv
Gambar 4.2. Posisi sudut flap... 57 Gambar 4.3. Geometri posisi slat... 60 Gambar 4.4. Geometri sudut delta (δ) slat... 62 Gambar 4.5. Hasil meshing fluida untuk airfoil NACA 2410 with flap dan slat pada Ansys 14.5 CFD... 64 Gambar 4.6. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang -8 0... 65 Gambar 4.7. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang -2 0... 66 Gambar 4.8. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 0 0... 68 Gambar 4.9. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 5 0... 69 Gambar 4.10. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 10 0... 70 Gambar 4.11. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 15 0... 71 Gambar 4.12. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 20 0... 72 Gambar 4.13. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 25 0... 74 Gambar 4.14. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 27 0... 75 Gambar 4.15. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil sudut serang -8 0... 76 Gambar 4.16. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil sudut serang -2 0... 77 Gambar 4.17. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 0 0... 79 Gambar 4.18. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 5 0... 80 Gambar 4.19. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 10 0... 81 Gambar 4.20. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil xv
sudut serang 15 0... 82 Gambar 4.21. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 20 0... 84 Gambar 4.22. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 25 0... 85 Gambar 4.23. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 27 0... 86 Gambar 4.24. Streamline kecepatan disekitar airfoil pada sudut serang 20 0... 87 Gambar 4.25. Fenomena aliran turbulence dan terjadinya vortex di atas flap pada sudut serang 20 0 dan defleksi flap 30 0... 88 xvi
DAFTAR TABEL Tabel 3.1. Kondisi batas meshing... 47 Tabel 3.2. Pengaturan inflation pada mesh... 48 Tabel 3.3. Kondisi operasi... 50 Tabel 4.1. Data hasil verifikasi software... 55 Tabel 4.2. Hasil simulasi optimasi flap... 58 Tabel 4.3. Variabel jarak x... 60 Tabel 4.4. Hasil proses meshing NACA 2410 dengan flap dan slat... 64 Tabel 4.5. Hasil proses meshing NACA 2410 tanpa flap dan slat... 64 xvii
DAFTAR GRAFIK Grafik 4.1. Hubungan koefisien lift dengan posisi flap pada sudut flap 30 0... 59 Grafik 4.2. Hubungan antara koefisien lift dengan jarak x Pada posisi flap 30 0 dan jarak slat 4% chord... 61 Grafik 4.3. Hubungan antara koefisien lift dengan sudut slat pada posisi flap 30 0, jarak slat 4% chord dan sudut slat -2 0... 62 Grafik 4.4. Hubungan antara koefisien lift dengan sudut serang hasil perbandingan dengan penelitian Prabhakar (2013)... 91 Grafik 4.5. Hubungan antara koefisien drag dengan sudut serang... 91 xviii