TUGAS AKHIR Analisa Aerodinamika Flap Dan Slat Pada Airfoil Naca 2410 Terhadap Koefisien Lift Dan Koefisien Drag Dengan Metode Computational Fluid Dynamic.
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
200 dengan pengaturan flap pada sudut defleksi 300 serta slat pada jarak x
4% chord, dan sudut slat -20.
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 -80 ......... 65
4.4.2 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang -20 ......... 66
4.4.3 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 00 ......... 67
4.4.4 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 50 .......... 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 250 ........ 73
4.4.9. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 270 ........ 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 -80 ...... 76
4.5.2 Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang -20 ...... 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 200 ..... 83
4.5.8. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 250 .... 84
4.5.9. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 270 .... 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.
Gambar 2.2.
Gambar 2.3.
Gambar 2.4 .
Gambar 2.5.
Gaya angkat 3D pada bagian sayap ............................. 13
Sirkulasi disekitar airfoil ................................................. 14
Bentuk, bagian dan geometri sebuah airfoil ................. 15
Letak dari flap dan slat ................................................. 18
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.
Gambar 4.3.
Gambar 4.4.
Gambar 4.5.
Posisi sudut flap ............................................................
Geometri posisi slat .......................................................
Geometri sudut delta (δ) slat ..........................................
Hasil meshing fluida untuk airfoil NACA 2410
with flap dan slat pada Ansys 14.5 – CFD .....................
Gambar 4.6. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang -80 ......
Gambar 4.7. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang -20 ......
Gambar 4.8. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 00 .......
Gambar 4.9. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 5 0 .......
Gambar 4.10. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 100 .....
Gambar 4.11. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 15 0 .....
Gambar 4.12. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 20 0 .....
Gambar 4.13. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 25 0 .....
Gambar 4.14. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 27 0 .....
Gambar 4.15. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil
sudut serang -80 .............................................................
Gambar 4.16. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil
sudut serang -20 .............................................................
Gambar 4.17. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil
sudut serang 00 ..............................................................
Gambar 4.18. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil
sudut serang 50 ..............................................................
Gambar 4.19. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil
sudut serang 100 ............................................................
Gambar 4.20. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil
xv
57
60
62
64
65
66
68
69
70
71
72
74
75
76
77
79
80
81
sudut serang 150 ............................................................ 82
Gambar 4.21. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil
sudut serang 200 ............................................................ 84
Gambar 4.22. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil
sudut serang 250 ............................................................ 85
Gambar 4.23. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil
sudut serang 270 ............................................................ 86
Gambar 4.24. Streamline kecepatan disekitar airfoil pada
sudut serang 200 ............................................................ 87
Gambar 4.25. Fenomena aliran turbulence dan terjadinya vortex di atas
flap pada sudut serang 200 dan defleksi flap 300 ........... 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 300 ..................................................................... 59
Grafik 4.2. Hubungan antara koefisien lift dengan jarak x
Pada posisi flap 300 dan jarak slat 4% chord .................... 61
Grafik 4.3. Hubungan antara koefisien lift dengan sudut slat pada
posisi flap 300, jarak slat 4% chord dan sudut slat -20 ....... 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
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
200 dengan pengaturan flap pada sudut defleksi 300 serta slat pada jarak x
4% chord, dan sudut slat -20.
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 -80 ......... 65
4.4.2 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang -20 ......... 66
4.4.3 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 00 ......... 67
4.4.4 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 50 .......... 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 250 ........ 73
4.4.9. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 270 ........ 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 -80 ...... 76
4.5.2 Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang -20 ...... 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 200 ..... 83
4.5.8. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 250 .... 84
4.5.9. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 270 .... 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.
Gambar 2.2.
Gambar 2.3.
Gambar 2.4 .
Gambar 2.5.
Gaya angkat 3D pada bagian sayap ............................. 13
Sirkulasi disekitar airfoil ................................................. 14
Bentuk, bagian dan geometri sebuah airfoil ................. 15
Letak dari flap dan slat ................................................. 18
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.
Gambar 4.3.
Gambar 4.4.
Gambar 4.5.
Posisi sudut flap ............................................................
Geometri posisi slat .......................................................
Geometri sudut delta (δ) slat ..........................................
Hasil meshing fluida untuk airfoil NACA 2410
with flap dan slat pada Ansys 14.5 – CFD .....................
Gambar 4.6. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang -80 ......
Gambar 4.7. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang -20 ......
Gambar 4.8. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 00 .......
Gambar 4.9. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 5 0 .......
Gambar 4.10. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 100 .....
Gambar 4.11. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 15 0 .....
Gambar 4.12. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 20 0 .....
Gambar 4.13. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 25 0 .....
Gambar 4.14. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 27 0 .....
Gambar 4.15. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil
sudut serang -80 .............................................................
Gambar 4.16. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil
sudut serang -20 .............................................................
Gambar 4.17. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil
sudut serang 00 ..............................................................
Gambar 4.18. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil
sudut serang 50 ..............................................................
Gambar 4.19. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil
sudut serang 100 ............................................................
Gambar 4.20. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil
xv
57
60
62
64
65
66
68
69
70
71
72
74
75
76
77
79
80
81
sudut serang 150 ............................................................ 82
Gambar 4.21. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil
sudut serang 200 ............................................................ 84
Gambar 4.22. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil
sudut serang 250 ............................................................ 85
Gambar 4.23. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan
perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil
sudut serang 270 ............................................................ 86
Gambar 4.24. Streamline kecepatan disekitar airfoil pada
sudut serang 200 ............................................................ 87
Gambar 4.25. Fenomena aliran turbulence dan terjadinya vortex di atas
flap pada sudut serang 200 dan defleksi flap 300 ........... 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 300 ..................................................................... 59
Grafik 4.2. Hubungan antara koefisien lift dengan jarak x
Pada posisi flap 300 dan jarak slat 4% chord .................... 61
Grafik 4.3. Hubungan antara koefisien lift dengan sudut slat pada
posisi flap 300, jarak slat 4% chord dan sudut slat -20 ....... 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