SIMULASI NUMERIK PENGARUH MULTI-ELEMENT AIRFOIL TERHADAP LIFT DAN DRAG FORCE PADA SPOILER BELAKANG MOBIL FORMULA SAE DENGAN VARIASI ANGLE OF ATTACK

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