TUGAS AKHIR Studi Perbandingan Karakteristik Airfoil Naca 0012 Dengan Naca 2410 Terhadap Koefisien Lift Dan Koefisien Drag Pada Berbagai Variasi Sudut Serang Dengan CFD.
TUGAS AKHIR
STUDI PERBANDINGAN KARAKTERISTIK AIRFOIL NACA
0012 DENGAN NACA 2410 TERHADAP KOEFISIEN LIFT
DAN KOEFISIEN DRAG PADA BERBAGAI VARIASI SUDUT
SERANG DENGAN CFD
Tugas Akhir Ini Disusun Untuk Memenuhi Syarat Mendapatkan Gelar
Sarjana S-1 Pada Jurusan Teknik Mesin
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Disusun oleh :
NOFI FEBRIYANTO
NIM : D200 090 092
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
APRIL 2014
ii
iii
iv
v
MOTTO
Yang paling jauh dari kita adalah masa lalu,
Yang paling dekat dari kita adalah kematian,
Bekali diri kita dengan ilmu yang bermanfaat,
Wajib berusaha dan berdo’a di setiap langkah kita.
Yakinlah, bahwa di setiap kerja keras kita hari ini,
akan membuat kita tersenyum manis di suatu hari nanti,
karna ALLAH SWT MAHA ADIL
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.
•
Sahabatku (teman-teman angkatan 2009 teknik mesin 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. Tri Tjahjono, 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.
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. Tri Tjahjono, MT. selaku Pembimbing Akademik.
6. Dosen jurusan Teknik Mesin beserta Staf 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 2009 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, April 2014
Penulis
ix
STUDI PERBANDINGAN KARAKTERISTIK AIRFOIL NACA 0012
DENGAN NACA 2410 TERHADAP KOEFISIEN LIFT DAN
KOEFISIEN DRAG PADA BERBAGAI VARIASI SUDUT SERANG
DENGAN CFD
Nofi Febriyanto, Sarjito, Nur Aklis
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl. A.Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura.
Email : febriyantonofi@yahoo.co.id
ABSTRAKSI
Di masa lalu, untuk membuat dan menyelidiki kinerja airfoil harus
dilakukan dengan cara eksperimen, dan dalam pengerjaanya sering
menghasilkan limbah dan memerlukan waktu untuk membuat model.
Selain itu, untuk menguji airfoil secara fisik harus dilakukan di terowongan
angin, sangat tidak mudah untuk mendapatkan informasi dari tekanan dan
distribusi kecepatan yang akurat. Saat ini, hal itu dapat dilakukan dengan
komputasi, yang memiliki kelebihan yaitu lebih cepat dan lebih murah.
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk membandingkan hasil simulasi
antara software SolidWorks dengan hasil simulasi Ansys. Ini mencakup
distribusi tekanan, kecepatan sekitar airfoil, dan visualisasi lintasan.
Dalam studi ini akan dijelaskan perbandingan kinerja antara airfoil
simetris NACA-0012 dan airfoil tidak simetris NACA-2410 pada variasi
sudut serang -80, -20, 00, 50, 100, 150, 200 terutama hubungan antara C L
da CD secara komputasi. Percobaan diawali dengan membuat model baik
airfoil simetris dan tidak simetri dengan menggunakan software
DesainFoil, dan kemudian untuk menyesuaikan sudut menggunakan
software AutoCAD, setelah itu meshing dan proses perhitungan dilakukan
menggunakan software Ansys-CFD. Analisa meliputi distribusi tekanan,
kecepatan.
Hasil penelitian menunjukkan, bahwa peningkatan sudut akan
diikuti dengan meningkatnya koefisien gaya angkat dan gaya hambat.
Namun, dapat dilihat bahwa NACA-2410 memiliki koefisien angkat lebih
tinggi dari pada koefisien angkat dari NACA 0012. Dari hasil perbandingan
grafik CL Naca 0012 antara hasil simulasi SolidWorks dengan Ansys,
ternyata ada memiliki kecenderungan yang sama satu sama lain. Yaitu
untuk Solidworks CL tertinggi pada sudut serang 200 sebesar 0,0039
sedangkan untuk Ansys CL tertinggi sebesar 0,000993881.
Kata kunci: airfoil, naca, ansys, cfd, sudut serang, cl, cd
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 ........................................................................
1.2 Rumusan Masalah ..................................................................
1.3 Batasan Masalah ....................................................................
1.4 Tujuan Penelitian ....................................................................
1.5 Manfaat Penelitian ..................................................................
1.6 Sistematika Penulisan .............................................................
1
3
4
4
5
5
BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI
2.1 Kajian Pustaka......................................................................... 6
2.2 Dasar Teori.............................................................................. 8
2.2.1 Airfoil ............................................................................. 8
2.2.2 Konsep Dasar Airfoil...................................................... 10
2.3
Koefisien Lift dan Koefisien Drag .....................................................12
2.3.1 Koefisien Lift ..........................................................................12
2.3.2 Koefisien Drag .......................................................................12
2.4 Kurva Lift ................................................................................. 13
2.4.1 Koefisien Lift Maksimum ............................................... 14
2.5 Viscosity (Kekentalan Suatu Zat)............................................. 15
2.5.1 Aliran Viscous dan Non-Viscous ................................... 16
2.6 Distribusi Tekanan................................................................... 17
2.7 Fenomena Aliran Udara .......................................................... 18
2.7.1 Aliran Laminar ............................................................... 18
2.7.2 ALiran Turbulen............................................................. 18
xi
2.7.3 Vortex............................................................................ 19
2.8 Lapisan Batas dan Separasi Aliran.......................................... 19
2.8.1 Lapisan Batas (Boundary Layer)................................... 19
2.8.2 Separasi Aliran.............................................................. 21
2.9 Metode k-epsilon..................................................................... 22
2.10 Tahapan Proses CFD .............................................................. 23
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Diagram Alir Penelitian ............................................................ 25
3.2 Langkah-langkah Penggunaan Metode Komputasi Fluida ...... 26
3.2.1 Diagram Alir Proses Simulasi........................................ 26
BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
4.1. Verifikasi Software dan Validasi Data...................................... 34
4.2. Data Profil Airfoil Naca ............................................................ 35
4.3. Analisa Perbandingan Tekanan Aliran Udara
pada Airfoil Naca 0012 dan Naca 2410................................... 37
4.3.1. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang -80 .......... 37
4.3.2. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang -20 .......... 38
4.3.3. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 00 ........... 39
4.3.4. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 50 ........... 40
4.3.5. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 100 ......... 41
4.3.6. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 150 ......... 42
4.3.7. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 200 ......... 43
4.4 Analisa Perbandingan Kecepatan Aliran Udara
pada Airfoil Naca 0012 dan Naca 2410................................... 44
4.4.1. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang -80 ....... 44
4.4.2. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang -20 ....... 45
4.4.3. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 00 ........ 46
4.4.4. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 50 ........ 47
4.4.5. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 100 ...... 48
4.4.6. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 150 ...... 49
4.4.7. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 200 ...... 50
4.5 Perbandingan simulasi antara penelitian dahulu
dengan sekarang .................................................................... 51
4.5.1 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang -80 .......... 51
4.5.2 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 200 ......... 53
4.5.3 Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang -80 ....... 55
4.5.4 Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 200 ...... 57
4.6 Aliran Vortex ............................................................................ 59
xii
4.7 Gaya-gaya yang terjadi pada Airfoil......................................... 60
4.8 Grafik Hubungan Antara Tekanan (P) dengan
Sudut Serang (α)..................................................................... 63
4.9 Perbandingan Grafik Hasil Simulasi Sekarang dengan
Hasil Simulasi yang Dahulu .................................................... 65
BAB V PENUTUP
5.1. Kesimpulan .......................................................................... 67
5.2. Saran.................................................................................... 69
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Bentuk, bagian dan geometri sebuah airfoil. ...................... 8
Gambar 2.2. Distribusi tekanan pada berbagai sudut serang
pada airfoil ........................................................................ 11
Gambar 2.3. Gaya-gaya dari fluida di sekeliling sebuah benda
dua dimensi: (a) Gaya tekan, (b) Gaya viskos,
(c) Gaya resultan (lift dan drag) ....................................... 13
Gambar 2.4. Kurfa lift ............................................................................ 14
Gambar 2.5. Macam-macam aliran ....................................................... 18
Gambar 2.6. Aliran vortex yang terjadi pada airfoil................................ 19
Gambar 2.7. Lapisan batas disepanjang sebuah plat datar ................ 20
Gambar 2.8. Separasi aliran yang terjadi pada silinder......................... 21
Gambar 2.9. Komputasi domain............................................................ 23
Gambar 2.10. Hasil simulasi pada post-processing ................................ 24
Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian ..................................................... 25
Gambar 3.2. Diagram Alir Proses Simulasi ........................................... 26
Gambar 3.3. Profil airfoil pada Software DesignFoil.............................. 27
Gambar 3.4. Pengaturan panjang chord pada AutoCad 2010 .............. 28
Gambar 3.5. Pengaturan Sudut Airfoil dengan Solidworks
2010.................................................................................. 28
Gambar 3.6. Penampang airfoil pada Software Solidworks
2010.................................................................................. 29
Gambar 3.7. Penampang Airfoil yang diberi batasan pada ansys
12.1 workbench ................................................................ 29
Gambar 3.8. Meshing pada airfoil ......................................................... 30
Gambar 3.9. Operation conditions......................................................... 31
Gambar 3.10. Setting solver control ........................................................ 32
Gambar 3.11. Contoh proses solver pada Ansys 12.1 CFXSolver Manager ................................................................ 32
Gambar 3.12. Contoh visualisasi kontur plot kecepatan hasil
simulasi dengan Ansys 12.1 CFX-Post............................. 33
Gambar 3.13. Contoh visualisasi streamline kontur plot
kecepatan hasil simulasi dengan Ansys 12.1
CFX-Post .......................................................................... 33
Gambar 4.1. Geometri Airfoil Naca 0012 dan Naca 2410 ..................... 35
Gambar 4.2. Hasil meshing fluida untuk Airfoil Naca 0012 pada
Ansys 12.1 – CFD............................................................. 36
xiv
Gambar 4.3. Contour plot pada bidang simetri xy,
menunjukkan perbedaan tekanan pada kedua
Airfoil sudut serang -80 ..................................................... 37
Gambar 4.4. Contour plot pada bidang simetri xy,
menunjukkan perbedaan tekanan pada kedua
Airfoil sudut serang -20 ..................................................... 38
Gambar 4.5. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkan
perbedaan tekanan pada kedua Airfoil sudut serang 00 ... 39
Gambar 4.6. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkan
perbedaan tekanan pada kedua Airfoil sudut serang 5 0 ... 40
Gambar 4.7. Contour plot pada bidang simetri xy,
menunjukkan perbedaan tekanan pada kedua
Airfoil sudut serang 100 ..................................................... 41
Gambar 4.8. Contour plot pada bidang simetri xy,
menunjukkan perbedaan tekanan pada kedua
Airfoil sudut serang 150 ..................................................... 42
Gambar 4.9. Contour plot pada bidang simetri xy,
menunjukkan perbedaan tekanan pada kedua
Airfoil sudut serang 200 ..................................................... 43
Gambar 4.10. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua Airfoil sudut
serang -80 ......................................................................... 44
Gambar 4.11. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua Airfoil sudut
serang -20 ......................................................................... 45
Gambar 4.12. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua Airfoil sudut
serang 00 .......................................................................... 46
Gambar 4.13. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua Airfoil sudut
serang 50 .......................................................................... 47
Gambar 4.14. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua Airfoil sudut
serang 100 ........................................................................ 48
Gambar 4.15. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua Airfoil sudut
serang 150 ........................................................................ 49
Gambar 4.16. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua Airfoil sudut
serang 200 ........................................................................ 50
xv
Gambar 4.17. Contour plot menunjukkan perbedaan tekanan
pada Airfoil Naca 0012 untuk sudut serang -80................. 52
Gambar 4.18. Contour plot menunjukkan perbedaan tekanan
pada Airfoil Naca 2410 untuk sudut serang -80................. 53
Gambar 4.19. Contour plot menunjukkan perbedaan tekanan
pada Airfoil Naca 0012 untuk sudut serang 200 ................ 54
Gambar 4.20. Contour plot menunjukkan perbedaan tekanan
pada Airfoil Naca 2410 untuk sudut serang 200 ................ 55
Gambar 4.21. Contour plot menunjukkan perbedaan kecepatan
pada Airfoil Naca 0012 untuk sudut serang -80................. 56
Gambar 4.22. Contour plot menunjukkan perbedaan kecepatan
pada Airfoil Naca 2410 untuk sudut serang -80................. 57
Gambar 4.23. Contour plot menunjukkan perbedaan kecepatan
pada Airfoil Naca 0012 untuk sudut serang 200 ................ 58
Gambar 4.24. Contour plot menunjukkan perbedaan kecepatan
pada Airfoil Naca 2410 untuk sudut serang 200 ................ 59
Gambar 4.25. Aliran vortex yang terjadi pada airfoil naca 0012
dengan sudut serang 150 .................................................. 60
xvi
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1. Kondisi batas meshing............................................................ 30
Tabel 3.2. Kondisi operasi ....................................................................... 31
Table 4.1. Data hasil validasi................................................................... 34
xvii
DAFTAR GRAFIK
Grafik 4.1. Hubungan antara gaya angkat dengan sudut serang ............ 62
Grafik 4.2. Hubungan antara gaya hambat dengan sudut serang........... 63
Grafik 4.3. Hubungan antara tekanan dengan berbagai variasi
sudut serang pada permukaan atas airfoil Naca
0012 dan Naca 2410............................................................. 64
Grafik 4.4. Grafik hubungan antara tekanan dengan berbagai
variasi sudut serang pada permukaan bawah airfoil
Naca 0012 dan Naca 2410 ................................................... 64
Grafik 4.5. Hubungan Cl dan Cd terhadap sudut serang (Irawan
P, 2008) ................................................................................ 65
Grafik 4.6. Perbandingan grafik Cl dan Cd terhadap variasi
sudut serang antara airfoil Naca 0012 dengan Naca
2410...................................................................................... 66
xviii
STUDI PERBANDINGAN KARAKTERISTIK AIRFOIL NACA
0012 DENGAN NACA 2410 TERHADAP KOEFISIEN LIFT
DAN KOEFISIEN DRAG PADA BERBAGAI VARIASI SUDUT
SERANG DENGAN CFD
Tugas Akhir Ini Disusun Untuk Memenuhi Syarat Mendapatkan Gelar
Sarjana S-1 Pada Jurusan Teknik Mesin
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Disusun oleh :
NOFI FEBRIYANTO
NIM : D200 090 092
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
APRIL 2014
ii
iii
iv
v
MOTTO
Yang paling jauh dari kita adalah masa lalu,
Yang paling dekat dari kita adalah kematian,
Bekali diri kita dengan ilmu yang bermanfaat,
Wajib berusaha dan berdo’a di setiap langkah kita.
Yakinlah, bahwa di setiap kerja keras kita hari ini,
akan membuat kita tersenyum manis di suatu hari nanti,
karna ALLAH SWT MAHA ADIL
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.
•
Sahabatku (teman-teman angkatan 2009 teknik mesin 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. Tri Tjahjono, 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.
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. Tri Tjahjono, MT. selaku Pembimbing Akademik.
6. Dosen jurusan Teknik Mesin beserta Staf 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 2009 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, April 2014
Penulis
ix
STUDI PERBANDINGAN KARAKTERISTIK AIRFOIL NACA 0012
DENGAN NACA 2410 TERHADAP KOEFISIEN LIFT DAN
KOEFISIEN DRAG PADA BERBAGAI VARIASI SUDUT SERANG
DENGAN CFD
Nofi Febriyanto, Sarjito, Nur Aklis
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl. A.Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura.
Email : febriyantonofi@yahoo.co.id
ABSTRAKSI
Di masa lalu, untuk membuat dan menyelidiki kinerja airfoil harus
dilakukan dengan cara eksperimen, dan dalam pengerjaanya sering
menghasilkan limbah dan memerlukan waktu untuk membuat model.
Selain itu, untuk menguji airfoil secara fisik harus dilakukan di terowongan
angin, sangat tidak mudah untuk mendapatkan informasi dari tekanan dan
distribusi kecepatan yang akurat. Saat ini, hal itu dapat dilakukan dengan
komputasi, yang memiliki kelebihan yaitu lebih cepat dan lebih murah.
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk membandingkan hasil simulasi
antara software SolidWorks dengan hasil simulasi Ansys. Ini mencakup
distribusi tekanan, kecepatan sekitar airfoil, dan visualisasi lintasan.
Dalam studi ini akan dijelaskan perbandingan kinerja antara airfoil
simetris NACA-0012 dan airfoil tidak simetris NACA-2410 pada variasi
sudut serang -80, -20, 00, 50, 100, 150, 200 terutama hubungan antara C L
da CD secara komputasi. Percobaan diawali dengan membuat model baik
airfoil simetris dan tidak simetri dengan menggunakan software
DesainFoil, dan kemudian untuk menyesuaikan sudut menggunakan
software AutoCAD, setelah itu meshing dan proses perhitungan dilakukan
menggunakan software Ansys-CFD. Analisa meliputi distribusi tekanan,
kecepatan.
Hasil penelitian menunjukkan, bahwa peningkatan sudut akan
diikuti dengan meningkatnya koefisien gaya angkat dan gaya hambat.
Namun, dapat dilihat bahwa NACA-2410 memiliki koefisien angkat lebih
tinggi dari pada koefisien angkat dari NACA 0012. Dari hasil perbandingan
grafik CL Naca 0012 antara hasil simulasi SolidWorks dengan Ansys,
ternyata ada memiliki kecenderungan yang sama satu sama lain. Yaitu
untuk Solidworks CL tertinggi pada sudut serang 200 sebesar 0,0039
sedangkan untuk Ansys CL tertinggi sebesar 0,000993881.
Kata kunci: airfoil, naca, ansys, cfd, sudut serang, cl, cd
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 ........................................................................
1.2 Rumusan Masalah ..................................................................
1.3 Batasan Masalah ....................................................................
1.4 Tujuan Penelitian ....................................................................
1.5 Manfaat Penelitian ..................................................................
1.6 Sistematika Penulisan .............................................................
1
3
4
4
5
5
BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI
2.1 Kajian Pustaka......................................................................... 6
2.2 Dasar Teori.............................................................................. 8
2.2.1 Airfoil ............................................................................. 8
2.2.2 Konsep Dasar Airfoil...................................................... 10
2.3
Koefisien Lift dan Koefisien Drag .....................................................12
2.3.1 Koefisien Lift ..........................................................................12
2.3.2 Koefisien Drag .......................................................................12
2.4 Kurva Lift ................................................................................. 13
2.4.1 Koefisien Lift Maksimum ............................................... 14
2.5 Viscosity (Kekentalan Suatu Zat)............................................. 15
2.5.1 Aliran Viscous dan Non-Viscous ................................... 16
2.6 Distribusi Tekanan................................................................... 17
2.7 Fenomena Aliran Udara .......................................................... 18
2.7.1 Aliran Laminar ............................................................... 18
2.7.2 ALiran Turbulen............................................................. 18
xi
2.7.3 Vortex............................................................................ 19
2.8 Lapisan Batas dan Separasi Aliran.......................................... 19
2.8.1 Lapisan Batas (Boundary Layer)................................... 19
2.8.2 Separasi Aliran.............................................................. 21
2.9 Metode k-epsilon..................................................................... 22
2.10 Tahapan Proses CFD .............................................................. 23
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Diagram Alir Penelitian ............................................................ 25
3.2 Langkah-langkah Penggunaan Metode Komputasi Fluida ...... 26
3.2.1 Diagram Alir Proses Simulasi........................................ 26
BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
4.1. Verifikasi Software dan Validasi Data...................................... 34
4.2. Data Profil Airfoil Naca ............................................................ 35
4.3. Analisa Perbandingan Tekanan Aliran Udara
pada Airfoil Naca 0012 dan Naca 2410................................... 37
4.3.1. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang -80 .......... 37
4.3.2. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang -20 .......... 38
4.3.3. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 00 ........... 39
4.3.4. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 50 ........... 40
4.3.5. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 100 ......... 41
4.3.6. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 150 ......... 42
4.3.7. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 200 ......... 43
4.4 Analisa Perbandingan Kecepatan Aliran Udara
pada Airfoil Naca 0012 dan Naca 2410................................... 44
4.4.1. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang -80 ....... 44
4.4.2. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang -20 ....... 45
4.4.3. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 00 ........ 46
4.4.4. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 50 ........ 47
4.4.5. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 100 ...... 48
4.4.6. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 150 ...... 49
4.4.7. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 200 ...... 50
4.5 Perbandingan simulasi antara penelitian dahulu
dengan sekarang .................................................................... 51
4.5.1 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang -80 .......... 51
4.5.2 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 200 ......... 53
4.5.3 Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang -80 ....... 55
4.5.4 Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 200 ...... 57
4.6 Aliran Vortex ............................................................................ 59
xii
4.7 Gaya-gaya yang terjadi pada Airfoil......................................... 60
4.8 Grafik Hubungan Antara Tekanan (P) dengan
Sudut Serang (α)..................................................................... 63
4.9 Perbandingan Grafik Hasil Simulasi Sekarang dengan
Hasil Simulasi yang Dahulu .................................................... 65
BAB V PENUTUP
5.1. Kesimpulan .......................................................................... 67
5.2. Saran.................................................................................... 69
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Bentuk, bagian dan geometri sebuah airfoil. ...................... 8
Gambar 2.2. Distribusi tekanan pada berbagai sudut serang
pada airfoil ........................................................................ 11
Gambar 2.3. Gaya-gaya dari fluida di sekeliling sebuah benda
dua dimensi: (a) Gaya tekan, (b) Gaya viskos,
(c) Gaya resultan (lift dan drag) ....................................... 13
Gambar 2.4. Kurfa lift ............................................................................ 14
Gambar 2.5. Macam-macam aliran ....................................................... 18
Gambar 2.6. Aliran vortex yang terjadi pada airfoil................................ 19
Gambar 2.7. Lapisan batas disepanjang sebuah plat datar ................ 20
Gambar 2.8. Separasi aliran yang terjadi pada silinder......................... 21
Gambar 2.9. Komputasi domain............................................................ 23
Gambar 2.10. Hasil simulasi pada post-processing ................................ 24
Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian ..................................................... 25
Gambar 3.2. Diagram Alir Proses Simulasi ........................................... 26
Gambar 3.3. Profil airfoil pada Software DesignFoil.............................. 27
Gambar 3.4. Pengaturan panjang chord pada AutoCad 2010 .............. 28
Gambar 3.5. Pengaturan Sudut Airfoil dengan Solidworks
2010.................................................................................. 28
Gambar 3.6. Penampang airfoil pada Software Solidworks
2010.................................................................................. 29
Gambar 3.7. Penampang Airfoil yang diberi batasan pada ansys
12.1 workbench ................................................................ 29
Gambar 3.8. Meshing pada airfoil ......................................................... 30
Gambar 3.9. Operation conditions......................................................... 31
Gambar 3.10. Setting solver control ........................................................ 32
Gambar 3.11. Contoh proses solver pada Ansys 12.1 CFXSolver Manager ................................................................ 32
Gambar 3.12. Contoh visualisasi kontur plot kecepatan hasil
simulasi dengan Ansys 12.1 CFX-Post............................. 33
Gambar 3.13. Contoh visualisasi streamline kontur plot
kecepatan hasil simulasi dengan Ansys 12.1
CFX-Post .......................................................................... 33
Gambar 4.1. Geometri Airfoil Naca 0012 dan Naca 2410 ..................... 35
Gambar 4.2. Hasil meshing fluida untuk Airfoil Naca 0012 pada
Ansys 12.1 – CFD............................................................. 36
xiv
Gambar 4.3. Contour plot pada bidang simetri xy,
menunjukkan perbedaan tekanan pada kedua
Airfoil sudut serang -80 ..................................................... 37
Gambar 4.4. Contour plot pada bidang simetri xy,
menunjukkan perbedaan tekanan pada kedua
Airfoil sudut serang -20 ..................................................... 38
Gambar 4.5. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkan
perbedaan tekanan pada kedua Airfoil sudut serang 00 ... 39
Gambar 4.6. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkan
perbedaan tekanan pada kedua Airfoil sudut serang 5 0 ... 40
Gambar 4.7. Contour plot pada bidang simetri xy,
menunjukkan perbedaan tekanan pada kedua
Airfoil sudut serang 100 ..................................................... 41
Gambar 4.8. Contour plot pada bidang simetri xy,
menunjukkan perbedaan tekanan pada kedua
Airfoil sudut serang 150 ..................................................... 42
Gambar 4.9. Contour plot pada bidang simetri xy,
menunjukkan perbedaan tekanan pada kedua
Airfoil sudut serang 200 ..................................................... 43
Gambar 4.10. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua Airfoil sudut
serang -80 ......................................................................... 44
Gambar 4.11. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua Airfoil sudut
serang -20 ......................................................................... 45
Gambar 4.12. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua Airfoil sudut
serang 00 .......................................................................... 46
Gambar 4.13. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua Airfoil sudut
serang 50 .......................................................................... 47
Gambar 4.14. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua Airfoil sudut
serang 100 ........................................................................ 48
Gambar 4.15. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua Airfoil sudut
serang 150 ........................................................................ 49
Gambar 4.16. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua Airfoil sudut
serang 200 ........................................................................ 50
xv
Gambar 4.17. Contour plot menunjukkan perbedaan tekanan
pada Airfoil Naca 0012 untuk sudut serang -80................. 52
Gambar 4.18. Contour plot menunjukkan perbedaan tekanan
pada Airfoil Naca 2410 untuk sudut serang -80................. 53
Gambar 4.19. Contour plot menunjukkan perbedaan tekanan
pada Airfoil Naca 0012 untuk sudut serang 200 ................ 54
Gambar 4.20. Contour plot menunjukkan perbedaan tekanan
pada Airfoil Naca 2410 untuk sudut serang 200 ................ 55
Gambar 4.21. Contour plot menunjukkan perbedaan kecepatan
pada Airfoil Naca 0012 untuk sudut serang -80................. 56
Gambar 4.22. Contour plot menunjukkan perbedaan kecepatan
pada Airfoil Naca 2410 untuk sudut serang -80................. 57
Gambar 4.23. Contour plot menunjukkan perbedaan kecepatan
pada Airfoil Naca 0012 untuk sudut serang 200 ................ 58
Gambar 4.24. Contour plot menunjukkan perbedaan kecepatan
pada Airfoil Naca 2410 untuk sudut serang 200 ................ 59
Gambar 4.25. Aliran vortex yang terjadi pada airfoil naca 0012
dengan sudut serang 150 .................................................. 60
xvi
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1. Kondisi batas meshing............................................................ 30
Tabel 3.2. Kondisi operasi ....................................................................... 31
Table 4.1. Data hasil validasi................................................................... 34
xvii
DAFTAR GRAFIK
Grafik 4.1. Hubungan antara gaya angkat dengan sudut serang ............ 62
Grafik 4.2. Hubungan antara gaya hambat dengan sudut serang........... 63
Grafik 4.3. Hubungan antara tekanan dengan berbagai variasi
sudut serang pada permukaan atas airfoil Naca
0012 dan Naca 2410............................................................. 64
Grafik 4.4. Grafik hubungan antara tekanan dengan berbagai
variasi sudut serang pada permukaan bawah airfoil
Naca 0012 dan Naca 2410 ................................................... 64
Grafik 4.5. Hubungan Cl dan Cd terhadap sudut serang (Irawan
P, 2008) ................................................................................ 65
Grafik 4.6. Perbandingan grafik Cl dan Cd terhadap variasi
sudut serang antara airfoil Naca 0012 dengan Naca
2410...................................................................................... 66
xviii