SIMULASI NUMERIK PENGARUH MULTI-ELEMENT AIRFOIL TERHADAP LIFT DAN DRAG FORCE PADA SPOILER BELAKANG MOBIL FORMULA SAE DENGAN VARIASI ANGLE OF ATTACK
ARIF AULIA RAHHMAN 2109.100.124 DOSEN PEMBIMBING NUR IKHWAN, S.T., M. Eng.
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2013
LATAR BELAKANG PENELITIAN TERDAHULU PERUMUSAN MASALAH TUJUAN PENELITIAN
BATASAN MASALAH METODOLOGI PENELITIAN
FLOWCHART PENELITIAN ANALISA DAN DATA KESIMPULAN DAN SARAN
LATAR BELAKANG ETH Zurich (FSAE-UK)
UniStuttgart Krisis energi (FSAE Germany)
Sophia University (FSAE Japan)
Monash University (FSAE Australasia) Oregon State Univ. (FSAE Michigan)
LATAR BELAKANG
Krisis energi
Sapuangin Speed
PENELITIAN TERDAHULU
Penelitian terdahulu : 2D-Flow •Karakteristik aliran melewati bodi tunggal dan centerline pada vehicle Penelitian terdahulu : 3D-Flow •Efek aerodinamika dan detail karakteristik aliran melewati bodi kendaraan
Penelitian tentang karakteristik aliran 3D yang melintasi sidebody pada vehicle
PENELITIAN TERDAHULU • Wordley and Saunders (2006) Dengan Penambahan wing, diprediksi kecepatan pada saat menikung bertambah 10-15% jika dibandingkan dengan mobil tanpa wing
PENELITIAN TERDAHULU • Wordley and Saunders (2006)
Grafik hasil 2D CFD rear wing menunjukkan pada angle of attack 310 , Coefficient of lift mencapai titik maksimum
PENELITIAN TERDAHULU • Jang et al[1996]
Gurney flap berguna untuk mencegah separasi aliran pada trailing edge di upper surface (sayap pesawat) atau di lower surface (sayap mobil balap)
PERUMUSAN MASALAH
Leading Edge
PERUMUSAN MASALAH • Bagaimana fenomena aliran melewati spoiler dengan multi-element airfoil? • Bagaimana hubungan antara angle of attack dengan gaya drag dan lift? • Bagaimana efek aerodinamika yang ditimbulkan spoiler terhadap kendaraan?
TUJUAN PENELITIAN Mengetahui karakteristik aliran 2D dan 3D beserta efek gaya aerodinamika yang ditimbulkan pada saat melewati bodi kendaraan Sapuangin Speed dan bodi modifikasi kendaraan Sapuangin Speed yang telah ditambahkan wing.
CFD Post processing kuantitatif
Post processing kualitatif
Cp
Pathline
Cd
Contour
Cl
Vector
BATASAN MASALAH 1. Menggunakan model turbulen k-ε realizable, boundary condition untuk inlet adalah velocity inlet dan untuk outlet adalah outflow, serta kecepatan aliran udara sebesar 11,11 m/s. 2. Energy equation diabaikan. 3. Ground Clearance sebesar 30 mm dari permukaan jalan
BATASAN MASALAH Benda uji yang digunakan adalah bodi standar dengan dimensi utama :
Parameter Chord (c) Main Element Chord (Cm) Flap Element Chord (Cf) Span (s) Gurney Flap (f) gap airfoil to chord (g) Aspect Ratio (AR) Tinggi spoiler (h) Panjang spoiler (L)
Dimensi 2.5 in 400 mm 180 mm 1300 mm 3% mm 0,02 1,85 17 in 25 in
METODOLOGI PENELITIAN Domain Pemodelan Bodi kendaraan (2D-flow)
Wall Inlet Velocity Inlet
Outlet Pressure Outlet 2L Spoiler Wall
Wall 2L
4L
L
Domain Pemodelan Bodi kendaraan (3D-flow) Outlet Pressure Outlet
Wall Wall
Spoiler Wall
y Inlet Velocity Inlet
x
Wall
z 4L L
2L 2L
2L
METODOLOGI PENELITIAN
METODOLOGI PENELITIAN
METODOLOGI PENELITIAN Meshing
Models
Materials
Operating Condition
Residuals
Initialize
Solution
Boundary Condition
Iterasi
Post Processing
ANALISA DAN PEMBAHASAN Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Analisa Pengaruh Angle of Attack (α) pada Gaya Aerodinamika (2D) Analisa Aliran 3 Dimensi
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=100 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
0 0.5 1 1.5
upper surface lower surface
1
1.2
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=100
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=100
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=150 -3.5 Upper surface
-3
lower surface
-2.5
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=150
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=150
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=200 -6 upper surface
-5
lower surface
-4 -3 -2 -1
0 1 2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=200
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=200
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=250 -5 -4
lower surface
upper surface
-3 -2 -1 0 0 1
2
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=250
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=250
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=300
-4 -3
upper surface
lower surface
-2 -1 0
0 1 2
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=300
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Medan Aliran 2 Dimensi pada α=300
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Perbandingan Aliran 2 Dimensi Angle of Attack 100, 150, 200, 250, dan 300
-3 -2.5
upper surface 30 deg
upper surface 20 deg
-2
upper surface 25 deg
upper surface 15 deg
-1.5
upper surface 10 deg
-1
-0.5 0 0 0.5 1 1.5
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Perbandingan Aliran 2 Dimensi Angle of Attack 100, 150, 200, 250, dan 300
-6 lower surface 30 deg lower surface 25 deg lower surface 10 deg
-4
lower surface 20 deg lower surface 15 deg
-2 0 0 2
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Analisa Pengaruh Angle of Attack pada Medan Aliran 2D Perbandingan Aliran 2 Dimensi Angle of Attack 100, 150, 200, 250, dan 300
Parameter
Segmen
x/l pada α=150
x/l pada α=200
x/l pada α=250
x/l pada α=300 0.00705
Lokasi minimum pressure
Lowerside
Lokasi titik stagnasi
Upperside
Lokasi titik separasi
x/l pada α=100
0.211024
0.0006168
0.04004
0.002086
0.0032
0.0217
0.02966
0.03846
0.03904 0.35603
Lowerside
-
-
-
-
Analisa Pengaruh Angle of Attack (α) pada Gaya Aerodinamika (2D) Cl vs α
-3.62806
-3.88429
-3.81607
-3.78284 -2.59477
10
15
20 Cl
25
30
Analisa Pengaruh Angle of Attack (α) pada Gaya Aerodinamika (2D) Cd vs α 0.870005 0.528038 0.213295
0.272058
10
15
0.370338
20
Cd
25
30
Analisa Aliran 3 Dimensi -1.5 upper midspan 3D -1
upper 2D
-0.5 0 0
0.5 1 1.5
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Analisa Aliran 3 Dimensi -3 -2.5 lower midspan 3D
-2
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Analisa Aliran 3 Dimensi 0 0 0.2
0.4 0.6 0.8 1
1.2
0.2
0.4
0.6
0.8
1
upper 25% upper midspan upper 50% upper 75%
1.2
Analisa Aliran 3 Dimensi -3 lower midspan lower 25% lower 50% lower 75%
-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0
0.5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Analisa Aliran 3 Dimensi
Analisa Aliran 3 Dimensi
Analisa Aliran 3 Dimensi
Cl Cd
2D -3,8849 0,213
3D 3,488 0,755
Analisa Aliran 3 Dimensi
Perhitungan Gaya-gaya Aerodinamika
ΣMRW = 0 -Rf(a) + FLF(b) + WSF(b) + W(c) – FDF(d) – FDR(e) + FLR(f) + WSR(f) = 0
Gaya lift spoiler depan minimal saat mobil akan terangkat (Rf = 0) (FLF + WSF) = -1585,286N (gaya angkat ke atas) Gaya lift spoiler depan minimal untuk traksi ban depan sama dengan tahun sebelumnya (Rf = 0,4W) (FLF + WSF) = 94,166 N
Perhitungan Gaya-gaya Aerodinamika Perhitungan Gaya Drag pada angle of attack 150 CD = FD = (CD ) . ½ . ρ . V2. . A
= 31.3 N Perhitungan Gaya Lift CL = FL = (CL ) . ½ . ρ . V2. . A = 164,438 N
KESIMPULAN 1. Variasi angle of attack sangat mempengaruhi karakteristik aliran dan distribusi Cp. Semakin besar angle of attack maka aliran pada lower side akan semakin cepat terseparasi 2. Variasi angleof attack sangat memberikan pengaruh terhadap drag dan lift. Semakin besar angle of attack nilai Cd semakin meningkat . 3. Efek sidebody sangat memberikan pengaruh terhadap karakteristik aliran di sekitar midspan. Hal ini terjadi karena adanya perbedaan tekanan pada bagian atas airfoil dengan bagian bawah airfoil sehingga menyebabkan terjadinya efek wing tip vortex . 4. Perbedaan nilai coefficient of pressure pada analisa 2D flow dan 3D flow disebabkan adanya efek sidebody sehingga menyebabkan adanya perbedaan posisi kecepatan maksimum dan letak titik stagnasi 5. Drag force yang ditimbulkan pada simulasi 3D flow lebih besar dibandingkan dengan drag force pada simulasi 2D flow 6. Lift force yang ditimbulkan pada simulasi 3D flow lebih kecil dibandingkan dengan lift force pada simulasi 2D flow
TERIMA KASIH MOHON SARAN DAN KRITIK