ANALISIS AERODINAMIKA AIRFOIL NACA 2412 PADA SAYAP PESAWAT MODEL TIPE GLIDER DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE BERBASIS COMPUTIONAL FLUID DINAMIC UNTUK MEMPEROLEH GAYA ANGKAT MAKSIMUM SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik M. M I R S A L L U B I S NIM. 070401060 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2012
Abstrak Karakteristik aerodinamika merupakan suatu hal yang sangat penting dalam bidang ilmu aplikasi aerodinamika yang ditujukan untuk mendapatkan performansi maksimum dari suatu bentuk benda. Analisis karakteristik aerodinamika ini dilakukan pada airfoil NACA 2412 yang digunakan pada sayap pesawat model tipe glider. Dalam penelitian ini, analisa karakteristik aerodinamika dilakukan dengan mengkaji pendistribusian aliran fluida di sepanjang kontur airfoil sayap pesawat untuk mendapatkan distribusi kecepatan, tekanan dan gaya-gaya yang terjadi disekitar airfoil. Analisis dilakukan dengan cara mensimulasikan aliran fluida yang mengalir pada airfoil NACA 2412 dengan menggunakan software solidworks 2010. Tujuan dari analisa ini adalah untuk mengetahui berapa besar sudut serang yang dapat menghasilkan gaya angkat maksimal pada sayap pesawat. Metode yang digunakan adalah metode analisis simulasi. Simulasi dilakukan dengan membuat model airfoil NACA 2412 dan kemudian memvariasikan sudut serang airfoil, sehingga didapatkan hubungan antara sudut serang terhadap kecepatan, tekanan, dan gaya angkat maksimum yang dihasilkan. Dan dari hasil analisis simulasi didapatkan nilai gaya angkat maksimum terjadi pada sudut serang 12 o yaitu sebesar 33,5509 N. Kata kunci : Aerodinamika, Airfoil sayap pesawat model, Kecepatan, Tekanan, Gaya angkat.
Abstract Aerodynamics characteristics is a very important thing in applications of aerodynamics science that aimed to get maximum performance from a form object. Analysis of aerodynamics characteristics is done at airfoil naca 2412 used in wings aircraft model glider type. In this research, analysis of aerodynamics characteristics isdone with assessing the distribution of fluid flow along the contours of an aircraft wing airfoil to get distribution of velocity, pressure and forces that occur around the airfoil. The analysis is done by simulating fluid flow that flowing at naca 2412 airfoil using solidworks2010 software. The purpose of this analysis is to find out how large the angle of attack that can produce maximum lift on the wings of the plane.the method used is a method of simulation analysis. The simulation is performed by creating a NACA 2412 airfoil model and then vary the angle of attack, and so obtained the relationship between angle of attack with speed, pressure, and maximum lift force is generated. And the result from simulation analysis is lift maximum was happened on 12 o of angle of attack with value 33,5509 N. Key word : Aerodinamics, Wing aircraft model airfoil, Velocity, Pressure, Lift.
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan ke hadirat Allah SWT atas segala karunia dan rahmat-nya yang senantiasa diberikan kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun judul skripsi ini adalah Analisis Aerodinamika Airfoil Naca 2412 Pada Sayap Pesawat Model Tipe Glider Dengan Menggunakan Software Berbasis Computional Fluid Dinamic Untuk Memperoleh Gaya Angkat Maksimum. Selama penulisan skripsi ini penulis banyak mendapat bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis menyampaikan banyak terima kasih kepada : 1. Orang tua tercinta, Nurila dan M. Nuh Lubis yang telah memberikan segala dukungan moril dan materil. 2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku dosen pembimbing dan Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU yang telah banyak meluangkan waktunya membimbing penulis hingga skripsi ini dapat terselesaikan. 3. Bapak Ir. H. Abdul Halim Nasution M. Sc. dan Ir. Tekad Sitepu sebagai dosen pembanding I dan II yang telah memberikan masukan dan saran dalam penyelesaian skripsi ini. 4. Bapak Ir. Syahril Gultom, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik USU. 5. Bapak/Ibu staff pengajar dan pegawai Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik USU. 6. Arifin Fauzi Lubis, Ricky Surya Miraza, Masniarman dan Maulida Ningsih S. yang merupakan teman satu tim dalam pengerjaan skripsi ini. 7. Teman-teman Teknik Mesin USU stambuk 2007.
Demi penyempurnaan skripsi ini penulis mengharapkan adanya kritik dan saran yang membangun dari para pembaca. Akhir kata, penulis berharap agar laporan ini dapat bermanfaat bagi pembaca pada umumnya dan penulis sendiri pada khususnya. Medan, Agustus 2012 Penulis, M. Mirsal Lubis NIM : 070401060
DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... x BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Perumusan Masalah... 2 1.3 Tujuan Penelitian... 3 1.4 Batasan Masalah... 3 1.5 Sistematika Penulisan... 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 5 2.1 Pesawat Terbang... 5 2.1.1 Sejarah Pesawat Terbang... 6 2.1.2 Pembagian Katagori Dalam Pesawat Udara... 8 2.1.3 Mekanisme Pesawat Untuk Terbang... 9 2.1.4 Pergerakan Pesawat di Udara... 12 2.2 Pesawat Model (Aeromedelling)... 13 2.2.1 Klasifikasi Pesawat Model... 15 2.2.2 RC Glider... 16 2.3 Sayap pada Pesawat Terbang... 17 2.3.1 Airfoil... 19 2.3.2 Sejarah Perkembangan Airfoil... 21 2.3.3 Airfoil NACA ( National Advisory Committee for Aeronautics )... 22 2.3.4 Konstruksi Geometri Airfoil NACA... 23 2.3.5 Sudut Serang ( Angle of Attack )... 27
2.4 Metode Elemen Hingga... 27 2.5 Computional Fluid Dinamic (CFD)... 29 2.5.1 Software software pada Computional Fluid Dinamic... 30 2.5.2 Tahapan kerja pada CFD... 30 BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 32 3.1 Pendahuluan... 32 3.2 Studi Kasus... 32 3.2.1 Identifikasi Masalah... 32 3.2.2 Variabel Penelitian... 33 3.2.2.1 Variabel Terikat... 33 3.2.2.2 Variabel Bebas... 33 3.2.3 Spesifikasi Data... 33 3.2.4 Spesifikasi Fluida... 35 3.3 Urutan Proses Analisis... 36 3.3.1Pengumpulan Data Awal... 36 3.3.2 Studi Literatur... 36 3.3.3 Komputasi Data... 37 3.3.4 Pembahasan Hasil Komputasi Data... 37 3.3.5 Penarikan kesimpulan... 37 3.4 Diagram Alir Penelitian... 38 3.5 Prosedur Komputasi Data... 39 3.6 Diagram Alir Simulasi... 46 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 47 4.1 Mencari nilai bilangan Reynold... 47 4.2 Hasil simulasi pada sudut serang 0 o... 48 4.2.1 Kontur sebaran kecepatan dan tekanan... 48 4.2.2 Gaya-gaya yang terjadi pada airfoil... 50 4.3 Hasil simulasi pada sudut serang 3 o... 51 4.3.1 Kontur sebaran kecepatan dan tekanan... 51 4.3.2 Gaya-gaya yang terjadi pada airfoil... 53
4.4 Hasil simulasi pada sudut serang 6 o... 55 4.4.1 Kontur sebaran kecepatan dan tekanan... 55 4.4.2 Gaya-gaya yang terjadi pada airfoil... 57 4.5 Hasil simulasi pada sudut serang 9 o... 59 4.5.1 Kontur sebaran kecepatan dan tekanan... 59 4.5.2 Gaya-gaya yang terjadi pada airfoil... 60 4.6 Hasil simulasi pada sudut serang 12 o... 62 4.6.1 Kontur sebaran kecepatan dan tekanan... 62 4.6.2 Gaya-gaya yang terjadi pada airfoil... 64 4.7 Hasil simulasi pada sudut serang 15 o... 65 4.7.1 Kontur sebaran kecepatan dan tekanan... 65 4.7.2 Gaya-gaya yang terjadi pada airfoil... 67 4.8 Tabulasi nilai-nilai hasil simulasi... 68 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 74 5.1 Kesimpulan... 74 5.2 Saran... 75 DAFTAR PUSTAKA
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Pesawat udara aerodinamis... 8 (a) Fixed wing... 8 (b) Rotary wing... 8 Gambar 2.2 Pesawat udara aerostatis ( balon udara )... 8 Gambar 2.3 Gaya-gaya yang bekerja pada pesawat... 9 Gambar 2.4 Arah aliran fluida pada airfoil... 11 Gambar 2.5 Arah pergerakan pesawat... 13 Gambar 2.6 Pesawat model... 14 Gambar 2.7 Pesawat terbang parasol... 17 Gambar 2.8 Pesawat terbang bersayap tinggi... 17 Gambar 2.9 Pesawat terbang bersayap tengah... 18 Gambar 2.10 Pesawat terbang bersayap bawah... 18 Gambar 2.11 Bagian-bagian airfoil... 19 Gambar 2.12 Airfoil under chamber... 20 Gambar 2.13 Airfoil flat bottom... 20 Gambar 2.14 Airfoil semi simetris... 20 Gambar 2.15 Airfoil fully simetris... 21 Gambar 2.16 Angle of attack sebuah airfoil... 27 Gambar 2.17 Pembagian mesh pada benda... 29 Gambar 3.1 Penampang Airfoil NACA 2412... 33 Gambar 3.2 Diagram alir penelitian... 38 Gambar 3.3 Input koordinat airfoil... 39 Gambar 3.4 Input panjang sayap... 39 Gambar 3.5 Input sudut serang... 40 Gambar 3.6 Penentuan sistem satuan... 40 Gambar 3.7 Input jenis aliran... 41 Gambar 3.8 Input data jenis fluida yang mengalir... 42 Gambar 3.9 Input data parameter kecepatan... 43 Gambar 3.10 Pembentukan computational domain... 43
Gambar 3.11 Menentukan tujuan (goal) dari simulasi... 44 Gambar 3.12 Menjalankan proses simulasi... 44 Gambar 3.13 Proses simulasi... 45 Gambar 3.14 Diagram alir simulasi... 46 Gambar 4.1 Kontur sebaran kecepatan pada sudut serang 0 o... 48 Gambar 4.2 Kontur sebaran tekanan pada sudut serang 0 o... 49 Gambar 4.3 Kontur sebaran kecepatan pada sudut serang 3 o... 51 Gambar 4.4 Kontur sebaran tekanan pada sudut serang 3 o... 52 Gambar 4.5 Kontur sebaran kecepatan pada sudut serang 6 o... 55 Gambar 4.6 Kontur sebaran tekanan pada sudut serang 6 o... 56 Gambar 4.7 Kontur sebaran kecepatan pada sudut serang 9 o... 59 Gambar 4.8 Kontur sebaran tekanan pada sudut serang 9 o... 60 Gambar 4.9 Kontur sebaran kecepatan pada sudut serang 12 o... 62 Gambar 4.10 Kontur sebaran tekanan pada sudut serang 12 o... 63 Gambar 4.11 Kontur sebaran kecepatan pada sudut serang 15 o... 65 Gambar 4.12 Kontur sebaran tekanan pada sudut serang 15 o... 66 Gambar 4.13 Grafik kecepatan rata-rata vs sudut serang... 68 Gambar 4.14 Grafik tekanan rata-rata vs sudut serang... 69 Gambar 4.15 Grafik gaya angkat dan gaya hambat... 70 Gambar 4.16 Grafik lift coefficient (C L ) vs sudut serang... 72 Gambar 4.17 Grafik drag coefficient (C D ) vs sudut serang... 72
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 3.1 Koordinat Airfoil NACA 2412... 34 Tabel 3.2 Densitas udara... 35 Tabel 3.3 Viskositas udara... 36 Tabel 4.1 Tabel tekanan dan kecepatan pada sudut serang 0 o... 49 Tabel 4.2 Gaya-gaya pada airfoil untuk sudut serang 0 o... 50 Tabel 4.3 Tabel tekanan dan kecepatan pada sudut serang 3 o... 53 Tabel 4.4 Gaya-gaya pada airfoil untuk sudut serang 3 o... 53 Tabel 4.5 Tabel tekanan dan kecepatan pada sudut serang 6 o... 57 Tabel 4.6 Gaya-gaya pada airfoil untuk sudut serang 6 o... 57 Tabel 4.7 Tabel tekanan dan kecepatan pada sudut serang 9 o... 60 Tabel 4.8 Gaya-gaya pada airfoil untuk sudut serang 9 o... 61 Tabel 4.9 Tabel tekanan dan kecepatan pada sudut serang 12 o... 63 Tabel 4.10 Gaya-gaya pada airfoil untuk sudut serang 12 o... 64 Tabel 4.11 Tabel tekanan dan kecepatan pada sudut serang 15 o... 66 Tabel 4.12 Gaya-gaya pada airfoil untuk sudut serang 15 o... 67 Tabel 4.13 Tabulasi nilai kecepatan dan tekanan rata-rata... 68 Tabel 4.14 Nilai-nilai gaya angkat dan gaya hambat... 70 Tabel 4.15 Tabulasi nilai C L dan C D... 71