ANALISA PENGARUH TAPER RASIO TERHADAP EFISIENSI AERODINAMIKA DAN EFEKTIFITAS TWIST ANGLE PADA DESAIN SAYAP SEKELAS CESSNA 162 MENGGUNAKAN SOFTWARE FLUENT
Skripsi
Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mencapai Derajat Sarjana Strata 1 (S1)
Disusun Oleh: SLAMET SUTRISNO 07050130
JURUSAN TEKNIK PENERBANGAN SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI ADISUTJIPTO YOGYAKARTA 2011
LEMBAR PERSETUJUAN PEMBIMBING
Skripsi
ANALISA PENGARUH TAPER RASIO TERHADAP EFISIENSI AERODINAMIKA DAN EFEKTIFITAS TWIST ANGLE PADA DESAIN SAYAP SEKELAS CESSNA 162 MENGGUNAKAN SOFTWARE FLUENT
Yang dipersiapkan oleh: Nama
: Slamet Sutrisno
Nomor mahasiswa : 07050130 Jurusan
: Teknik Penerbangan
telah memenuhi persyaratan dan siap untuk diujikan
Disetujui pada tanggal 15 Juli 2011
Dosen Pembimbing I
Dosen Pembimbing II
M. Ardi Cahyono, ST., MT.
Karseno KS., INZ., SE., MM.
ii
LEMBAR PENGESAHAN
ANALISA PENGARUH TAPER RASIO TERHADAP EFISIENSI AERODINAMIKA DAN EFEKTIFITAS TWIST ANGLE PADA DESAIN SAYAP SEKELAS CESSNA 162 MENGGUNAKAN SOFTWARE FLUENT
Yang dipersiapkan dan disusun oleh: SLAMET SUTRISNO 07050130
Telah dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada tanggal 25 Juli 2011 dan dinyatakan telah memenuhi syarat guna memperoleh Gelar Sarjana Strata 1
Susunan Tim Penguji Nama Lengkap
Tanda Tangan
Ketua Penguji
: Gunawan, ST., MT.
………………
Penguji I
: Ir. Heru Yudanarsa
………………
Penguji II
: Dwi Hartini, ST.
………………
Yogyakarta, 09 Agustus 2011 Jurusan Teknik Penerbangan Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto Ketua Jurusan,
Ir. Djarot Wahju Santoso, MT. iii
PERNYATAAN
Yang bertanda tangan di bawah ini, saya: Nama
: Slamet Sutrisno
Nomor mahasiswa : 07050130 Jurusan
: Teknik Penerbangan
Judul skripsi
: Analisa pengaruh taper rasio terhadap efisiensi aerodinamika dan efektifitas twist angle pada desain sayap sekelas Cessna 162 menggunakan software fluent
Menyatakan bahwa skripsi ini adalah hasil pekerjaan saya sendiri dan sepanjang pengetahuan saya tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau telah dipergunakan dan diterima sebagai persyaratan penyelesaian studi pada universitas atau instansi lain, kecuali pada bagian-bagian tertentu yang telah dinyatakan dalam teks.
Yogyakarta, 15 Juli 2011 Yang Menyatakan,
SLAMET SUTRISNO NIM : 07050130
iv
MOTTO
Lintasilah penjuru langit dan bumi dengan ilmu dan kekuatan yang kamu miliki, Allah SWT berfirman : Hai jama'ah jin dan manusia, jika kamu sanggup menembus (melintasi) penjuru langit dan bumi, Maka lintasilah, kamu tidak dapat menembusnya kecuali dengan kekuatan ( Al-Quran surat, Ar Rohman: 33)
v
HALAMAN PERSEMBAHAN
Alhamdulillah Skripsi ini kupersembahkan kepada maha besar Allah yang memiliki kesempurnaan ilmu. Untuk orang tuaku tercinta abi dan ummi, kaka serta keluarga besar tercinta Terimakasih atas dukungannya selama ini, dan sahabatku yang telah memberikan semangat.
vi
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, puji syukur kehadirat Allah SWT. yang memberi rahmat dan hidayah-Nya kepada penulis, karena dengan rahmat dan hidayah-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat akademis untuk menyelesaikan pendidikan S-1 Program Studi Teknik Penerbangan Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto Yogyakarta. Dalam kesempatan ini, penulis juga ingin mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah mendukung penyelesaian skripsi ini, karena tanpa dukungan tersebut, penulis tidak mungkin dapat menyelesaikan skripsi dengan baik. Oleh karena itu, penulis ingin berterima kasih kepada: 1. Allah SWT.; 2. Kedua orang tua, 3. Kakak-kakak dan adik tercinta; 4. Bapak Ir. Sutjianto S., MT. selaku Ketua Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto; 5. Bapak Ir. Djarot Wahju S., MT. selaku Ketua Jurusan Teknik Penerbangan; 6. Bapak M. Ardi Cahyono, ST, MT. selaku dosen pembimbing I; 7. Bapak Karseno KS., INZ, SE, MM. selaku dosen pembimbing II; 8. Rekan-rekan mahasiswa angkatan 2007 atas semangat dan dukungannya, serta semua pihak yang tidak bisa disebutkan satu persatu.
vii
Demikian yang dapat saya sampaikan. Penulis memohon maaf jika dalam penyusunan skripsi ini masih terdapat kekurangan. Karena kesempurnaan hanya milik Allah SWT. dan penulis tentu masih memiliki banyak kekurangan. Oleh karena itu, saran-saran dari rekan-rekan sangat diharapkan. Semoga skripsi yang penulis susun dapat bermanfaat bagi pembaca pada umumnya, dan bermanfaat bagi penulis khususnya. Yogyakarta,
Juli 2010
Penulis
viii
ANALISA PENGARUH TAPER RASIO TERHADAP EFISIENSI AERODINAMIKA DAN EFEKTIFITAS TWIST ANGLE PADA DESAIN SAYAP SEKELAS CESSNA 162 MENGGUNAKAN SOFTWARE FLUENT
Oleh: Slamet Sutrisno 07050130
ABSTRAK Desain sayap yang terlihat dari atas secara langsung dengan aliran udara tiga dimensi sangat penting untuk memahami kinerja sayap, karakteristik aerodinamika, dan karakteristik terbang dari pesawat. Taper rasio, pada fix wing dapat mempengaruhi kinerja dari sayap tersebut. Untuk melihat pengaruh yang ditimbulkan karena penggunaan taper rasio pada wing, penulis melakukan pengujian secara komputasional dengan software Fluent, dan data pengujian di ambil dari pesawat sekelas Cessna 162 dengan kecepatan subsonic rendah. Hasil penelitian malalui perhitungan komputasional menunjukan bahwa dengan adanya taper rasio, nilai 𝐶𝐿𝑚𝑎𝑥 dan nilai 𝐶𝐿 𝐶𝐷 meningkat demikian juga dengan 𝐶𝐷 . 𝐶𝐿𝑚𝑎𝑥 dan 𝐶𝐿 𝐶𝐷 tertinggi diperoleh pada taper rasio λ 0.5, 𝐶𝐿𝑚𝑎𝑥 mencapai 1,1225 dengan 𝐶𝐿 𝐶𝐷 sebesar 4,01. Dan dari perhitungan manual nilai efektifitas twis angle 𝛼°𝑅𝑇 pada taper rasio λ 0,5 sebesar 3,26° (negativ). Dari nilai perhitungan diatas dapat disimpulkan bahwa tingkat efektifitas penggunaan taper rasio pada sayap sekelas Cessna 162 yang memiliki kecepatan subsonic rendah dalam pengujian ini yaitu 0,18 M adalah wing dengan taper rasio λ 0,5 karena wing taper rasio λ 0,5 memiliki nilai koefisien lift maksimum yang paling tinggi dimana harga efisiensi aerodinamika memiliki optimum angle yang paling besar yaitu 1°.
Kata kunci : wing 3D, taper rasio, efisiensi aerodinamik, Fluent, twis angle.
ix
DAFTAR ISI
JUDUL SKRIPSI
i
LEMBAR PERSETUJUAN PEMBIMBING
ii
LEMBAR PENGESAHAN
iii
LEMBAR PERNYATAAN
iv …………………………………………….
MOTTO
v
LEMBAR PERSEMBAHAN
vi
KATA PENGANTAR
vii
ABSTRAK
ix
DAFTAR ISI
x
DAFTAR GAMBAR
xiii
DAFTAR TABEL
xvii
DAFTAR GRAFIK
xviii
DAFTAR SIMBOL
xix
DAFTAR LAMPIRAN
xxi
BAB I
PENDAHULUAN
1
1.1. Latar belakang Masalah
1
1.2. Rumusan Masalah
2
1.3. Tujuan
2
1.4. Batasan Masalah
3
1.5. Manfaat Penelitian
3
1.6. Sistematika Penulisan
3 x
BAB II
LANDASAN TEORI
5
2.1. Teori Airfoil
5
2.2. Gaya Angkat (lif)t
7
2.3. Gaya Hambat (Drag)
11
2.3.1 Jenis-jenis Gaya Hambat (Drag) ………………..
14
2.4. Moment Aerodinamik
16
2.5. Teori dasar wing
18 ……………………..
20
……………………………..
24
…………………………………………..
26
2.5.4 Wing configuration (bentuk sayap) …………….
27
2.5.1 Terminologi sayap (Wing) 2.5.2 Wing Taper Rasio 2.5.3 Wing Twist
2.6. Computational Fluid Dynamics (CFD
31
2.6.1 GAMBIT ………………………………………………. 32 2.6.2 FLUENT ……………………………………………… 33 2.7. Konfigurasi CESSNA model 162
36
2.7.1
Dimensions
37
2.7.2
Performance
37
BAB III METODE PENELITIAN
38
3.1. Tinjauan Umum Wing uji
38
3.2. Teknik Pengumpulan Data
38
3.3. Proses pembuatan model dan simulasi
39
3.4. Model Uji
40
3.5. Pengambilan kesimpulan
41
BAB IV ANALISIS DAN PEMBAHASAN
43
4.1. Umum
43
4.2. Langkah-langkah Pengerjaan
43
4.3. Perhitungan Geometri wing design
46
xi
4.4. Membuat Geomtri wing menggunakan CATIA
47
4.5. Wing meshing pada GAMBIT
…………………………
51
4.6. Wing Processing pada Fluent
…………………………. 59
4.7. Wing Post-proccessing menggunakan Fluent …………...
72
4.8. Data hasil pengujian dengan CFD Fluent ……………….. 77 4.9. Pembahasan …………………………………………….. 78
BAB V
PENUTUP
89
5.1. Kesimpulan
89
5.2. Saran
90
DAFTAR PUSTAKA
91
xii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1
Airfoil
6
Gambar 2.2
Airfoil seri empat angka
7
Gambar 2.3
Gaya angkat, aliran udara, dan tekanan pada airfoil
8
Gambar 2.4
Angle of attack (α) dari suatu airfoil
9
Gambar 2.5
Variasi gaya angkat terhadap angle of attack
10
Gambar 2.6
Weak pada airfoil
11
Gambar 2.7
Data eksperimen 𝑐𝑑 dan 𝑐𝑚 airfoil NACA 2412
12
Gambar 2.8
Induced Drag
14
Gambar 2.9
Distribusi tekanan dan tegangan geser
16
Gambar 2.10
a)moment quarter chord point, b) moment leading ed.
17
Gambar 2.11
Visualisasi tip vortex
18
Gambar 2.12
Efek tip vortex terhadap vector gaya angkat
19
Gambar 2.13
𝑐𝑙 alfa pada berbagai AR
20
Gambar 2.14
Geometric wing
21
Gambar 2.15
Lift koefisien vs Drag koefisien, asper rasio 1 – 7
22
Gambar 2.16
Rectanguler wing
23
Gambar 2.17
Elliptical wing
Gambar 2.18
Wing taper/ Trapesoidal wing/ Tappered wing
Gamabr 2.19
Efek taper rasio terhadap variasi koefisien lift ………… 25
Gambar 2.20
Wing twist …………………………………………….. 27
Gambar 2.21 – 2.61
……………………………………………
23 24
Bentuk sayap ……………………………………. 27
xiii
Gambar 2.62
Struktur komponen program fluent …………………...
35
Gambar 2.63
Exterior Dimensions …………………………………..
36
Gambar 3.1
Wing Design Taper rasio λ 1,0 dengan AR 7,6
40
Gambar 3.2
Wing Design Taper rasio λ 0,7 dengan AR 7,6
41
Gambar 3.3
Wing Design Taper rasio λ ,50 dengan AR 7,6
41
Gambar 3.4
Diagram Alur simulasi
42
Gambar 4.1
Wab Javafoil Application
44
Gambar 4.2
Software Javafoil Application
44
Gambar 4.3
koordinat airfoil NACA 2412
45
Gambar 4.4
airfoil NACA 2412 pada java foil
45
Gambar 4.5
Design airfoil NACA 2412 pada CATIA
47
Gambar 4.6
2 Dimensi utama
48
Gambar 4.7
Definisi swept surface
49
Gambar 4.8
Hasil desain CATIA, wing taper λ 1.0
50
Gambar 4.9
Hasil desain CATIA, wing taper λ 0,7
50
Gambar 4.10
Hasil desain CATIA, wing taper λ 0,5
51
Gambar 4.11
Menjalankan Gambit
51
Gambar 4.12
Tampilan awal Gambit
52
Gambar 4.13
Tab boundary Layer
54
Gambar 4.14
Mesh edge pada model uji λ 1.0
55
Gambar 4.15
Mesh edge pada model uji λ 0,7
56
Gambar 4.16
Mesh edge pada model uji λ 0,5
56
Gambar 4.17
Meshing volume λ 1,0 ……………………………....
57
xiv
Gambar 4.18
Meshing volume λ 0,7
57
Gambar 4.19
Meshing volume λ 0,5
57
Gambar 4.20
Tampilan fluent version
59
Gambar 4.21
Grid check
60
Gambar 4.22
Pilihan solver
60
Gambar 4.23
Persamaan energy
61
Gambar 4.24
Viscous model
61
Gambar 4.25
Mendifinisikan material
62
Gambar 4.26
Kondisi operasi
63
Gambar 4.27
Kondisi batas
64
Gambar 4.28
Pressure inlet
64
Gambar 4.29
Pressure outlet
65
Gambar 4.30
Solution control
66
Gambar 4.31
Solution initialization
67
Gambar 4.32
Residual monitor
67
Gambar 4.33
Force monitors
68
Gambar 4.34
Nilai reference
69
Gambar 4.35
Tampilan iterate
69
Gambar 4.36
Definisi vektor
73
Gambar 4.37
Kontur Mach number 3D λ 0,5
74
Gambar 4.38
Kontur Mach number 2D λ 0,5
74
Gambar 4.39
Kontur Static pressure 3D λ 0,5
75
Gambar 4.40
Kontur Static pressure 2D λ 0,5
75
xv
Gambar 4.41
Turbulent viscosity 3D λ 0,5
76
Gambar 4.42
Turbulent viscosity 2D λ 05
76
Gambar 4.43
Kontur kecepatan wing λ 1,0 pada AOA 10°
80
Gambar 4.44
Kontur kecepatan wing λ 0,7 pada AOA 10° ………….. 80
Gambar 4.45
Kontur kecepatan wing λ 0,5 pada AOA 10°
80
Gambar 4.46
Kontur tekanan static wing λ 1,0 pada AOA 10°
81
Gambar 4.47
Kontur tekanan static wing λ 0,7 pada AOA 10°
82
Gambar 4.48
Kontur tekanan static wing λ 0,5 pada AOA 10°
82
Gambar 4.49
Tip vortex tampak atas dan samping pada taper rasio λ 1,0 AOA 10° ………………………………………...
Gambar 4.50
83
Tip vortex tampak atas dan samping pada taper rasio λ 0,7 AOA 10° ………………………………………… 83
Gambar 4.51
Tip vortex tampak atas dan samping pada taper rasio λ 0,5 AOA 10° ………………………………………… 84
xvi
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1
Face bidang uji
53
Tabel 4.2
Mesh Edge
55
Tabel 4.3
Specify boundary types
58
Tabel 4.4
Hasil pengujian
77
Tabel 4.5
Hasil pengujian pada efektifitas twis angle
79
xvii
DAFTAR GRAFIK
Grafik 4.1
Scaled residual
70
Grafik 4.2
Lift convergence history
70
Grafik 4.3
Drag convergence history
71
Grafik 4.4
moment convergence history
71
Grafik 4.5
𝐶𝐿 vs α° (sudut serang) pada wing taper rasio λ 1.0, 0.7, 0.
85
Grafik 4.6
𝐶𝐷 vs α° (sudut serang) pada wing taper rasio λ 1.0, 0.7, 0.
85
Grafik 4.7
𝐶𝑀 vs α° (sudut serang) pada wing taper rasio λ 1.0, 0.7, 0.
86
Grafik 4.8
𝐶𝐿 𝐶𝐷 vs λ pada wing taper rasio λ 1.0, 0.7, 0.5 ………….
87
Grafik 4.9
𝐶𝐿 𝐶𝐷 vs α° (sudut serang) pada wing taper rasio λ 1.0, 0.7..
88
xviii
DAFTAR SIMBOL
𝑘𝑔
ρ
berat jenis (density)
V
kecepatan
μ
dynamic viscosity 𝜌𝑎 atau N. 𝑠 𝑚2
q
Tekanan dinamik
X
diameter m
L
Lift
𝐶𝐿
Koefisien lift
𝑚
𝑚3
𝑠
𝐶𝐿𝑚𝑎𝑥 Harga maksimum gaya angkat α
Sudut serang (Angle of attack)
D
Drag
𝐶𝐷
Koefisien drag
𝐷𝑖
Induced drag
𝐶𝐷𝑖
Koefisien Induced drag
𝐷𝑝
Parasit drag
𝐶𝐷𝑝
Koefisien parasit drag
𝐶𝑀
Koefisien moment
xix
𝑎𝑜
Kemiringan gaya angkat
M
(Mach Number)
S
Luas sayap
b
Span ( rentang sayap)
λ
Taper rasio
𝑐
Chord rata-rata (average chord)
𝑐𝑟
Root chord
𝑐𝑡
Tip chord
AR
Aspek rasio
Re
(Reynold Number)
𝑐
m.a.c (mean aerodynamic chord)
Λ
Sweep angle
e
(span effisiensi factor)
𝛼°𝑅𝑇
Total twist angle
𝛽°𝑐
Sweep angle 2 chord
2
1
π
Setengah lingkaran
M
Moment (N.m)
xx
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran A
Koordinat Airfoil NACA 2412
Lampiran B
Kontur hasil pengujian CFD Fluent
xxi
