TUGAS AKHIR

STUDI CFD ALIRAN UDARA DI SEKELILING WING

NACA0015 YANG DILENGKAPI SPLIT FLAP

Disusun sebagai Syarat untuk Mencapai Gelar Sarjana Teknik

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta

Disusun oleh :

EDY NUGROHO

NIM : D200 11 0011

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

2015

ii

iii

iv

v

vi

MOTTO

Sesuatu yang besar pasti diawali dengan yang kecil,

maka berbahagialah jika masih menjadi yang kecil,

Karena bahagia adalah kunci meraih kesuksessan.

Tidak ada kesuksessan yang diraih dengan instan, semua butuh proses

untuk menggapainya, usaha dan do’alah yang akan menghantarkanya.

Dan yakinlah, bahwa di setiap kerja keras kita hari ini,

akan membuat kita tersenyum manis di suatu hari nanti,

karena ALLAH SWT MAHA ADIL

vii

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 2011 teknik mesin yang

selalu kompak, dan saling menyemangati )

Almamater ( Universitas Muhammadiyah Surakarta )

Dosen Universitas Muhammadiyah Surakarta Teknik Mesin

yang telah membimbing saya didalam perkuliahan.

viii

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

keiklasan hati ingin menyampaikan terima kasih kepada :

1. Bapak Ir. 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 utama yang

telah membimbing, mengarahkan, memberi petunjuk dalam

penyusunan tugas akhir ini.

4. Bapak Marwan Effendy, ST. MT. Ph.D selaku Dosen Pembimbing

pendamping yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan

bimbingan dan arahannya.

5. Bapak Ir. Agus Hariyanto, MT. selaku Pembimbing Akademik.

6. Dosen jurusan Teknik Mesin beserta Staf Tata Usaha Fakultas Teknik

ix

x

ABSTRAKSI

Untuk mengetahui koefisien lift dan koefisien drag dari sebuah airfoil yang dimodelkan dengan Wing NACA 0015 dapat dilakukan melalui pendekatan numerik, misalnya dengan CFX. Tujuan penelitian ini adalah untuk mensimulasikan dan memperoleh sudut defleksi flap dan sudut serang yang paling optimal dan untuk mendiskripsikan koefisien lift (CL) dan koefisien drag (CD) diberbagai variasi kecepatan dan temperatur.

Penelitian ini menjelaskan tentang kinerja Wing NACA 0015 yang bekerja pada saat proses take off dan landing saja, sehingga kecepatan yang bekerja masih relatif rendah. Penelitian ini diawali dengan membuat model Wing NACA 0015 dengan menggunakan solidwork, setelah itu dilakukan meshing yang dilakukan software Ansys-CFD. Parameter yang dihasilkan antara lain koefisien lift, koefisien drag serta distribusi tekanan dan kecepatan yang terjadi.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada proses take off dan landing defleksi flap yang paling optimal pada posisi 20o dan sudut serang optimal pada posisi 8o. Pada Hubungan antara koefisien lift dan koefisien drag terhadap variasi kecepatan dan temperatur diperoleh koefisien lift tertinggi pada kecepatan 30 m/s sebesar 0,604 dan pada temperatur 15oC sebesar 0,577 sedangkan untuk koefisien drag tertinggi pada kecepatan 5 m/s sebesar 0,039 dan pada temperatur 40o C sebesar 0,0335. Hasil terendah pada kecepatan 5 m/s sebesar 0,547 dan temperatur 40o sebesar 0,569 untuk koefisien lift, sedangkan koefisien drag terendah pada kecepatan 30 m/s sebesar 0,032 dan temperatur 15o sebesar 0,331.

Kata kunci : Wing, NACA, Flap, Koefisien Lift, Koefisien Drag.

xi

ABSTRACT

The values of lift and drag coefficients of airfoil which is formed by Wing NACA0015 can be obtained through numerical approach, for example by using CFX. The objectives of this study are to simulate and to get the optimum angle of deflection flap and angle of attack and to describe the lift coefficient (CL) and the drag coefficient (CL) in various speed and temperature. This study is to explain the work of wing NACA0015 that operates when take off and landing process only. At the time the speed is relative low. The fist step is to build a model of Wing NACA0015 using solidwork. After that the meshing process was carried out using Ansys CFD software. Those processes resulted parameter, that are : lift coefficient, drag coefficient, distribution of speed and the pressure that accur. The result of this study shows that in the take off and landing process the optimum deflection flap is on 20o and the optimum angle of attack is on 8o. The study also found the highest lift coefficient that is 0,604 at 30 m/s speed and 0,577 at 15o C temperature, meanwhile for the highest drag coefficient that is 0,039 at 5 m/s speed and 0,0335 at 40o C temperature. The lowest lift coefficient that is 0,547 at 5 m/s speed and 0,569 at 40o C temperature, meanwhile for the lowest drag coefficient thats is 0,032 at 30 m/s speed and 0,331 at 15o C temperature.

Key words : Wing, NACA, Flap, Lift Coefficient, Drag Coefficient.

xii

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 .................................................................................................. xii

Daftar Gambar……………………………………………………………………………….xiv

Daftar Tabel…………………………………………………………………………………. xv

BAB I PENDAHULUN

1.1 Latar Belakang ........................................................................ 1

1.2 Perumusan Masalah ............................................................... 3

1.3 Batasan Masalah dan Asumsi ................................................. 3

1.4 Tujuan Penelitian .................................................................... 4

1.5 Sistematika Penulisan ............................................................. 4

BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka ..................................................................... 6

2.2 Landasan Teori ........................................................................ 8

2.2.1 Airfoil ............................................................................. 8

2.2.2 Flap .............................................................................. 10

2.3 Koefisien Lift dan Drag 2.3.1 Koefisien Lift ................................................................. 12 2.3.2 Koefisien Drag .............................................................. 12 2.4 Karakteristik Aliran Fluida 2.4.1 Aliran Laminar .............................................................. 13 2.4.2 Aliran Turbulen ............................................................. 13 2.4.3 Aliran Transisi ............................................................... 14 2.5 Konsep Dasar Aliran Fluida 2.5.1 Viskositas ..................................................................... 14 2.5.2 Vorteks ......................................................................... 15 2.5.3 Bilangan Teynolds ........................................................ 15 2.5.4 Lapisan Batas dan Separasi Aliran ............................... 16 2.6 Computational Fluid Dynamics .............................................. 19 2.7 Model k-epsilon ...................................................................... 22

xiii

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Diagram Alir Penelitian ........................................................... 24

3.2 Langkah-langkah Simulasi ..................................................... 25

3.2.1 Pembuatan Geometri dan Proses Meshing .................. 26

3.2.2 Pre Processor .............................................................. 30

3.2.3 Solver Manager ........................................................... 33

3.2.4 Post Processor ............................................................ 34

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Validasi Data .......................................................................... 35

4.2 Studi Optimasi Sudut Defleksi Flap dan Sudut Serang

4.2.1 Optimasi Sudut Defleksi Flap ....................................... 37

4.2.2 Optimasi Sudut Serang ............................................... 39

4.3 Studi Hubungan Koefisien Lift dan Koefisien Drag terhadap

Perubahan Kecepatan ........................................................... 40

4.3.1 Hubungan Koefisien Lift terhadap Kecepatan .............. 41

4.3.2 Hubungan Koefisien Drag terhadap Kecepatan ........... 42

4.4 Studi Hubungan Koefisien Lift dan Koefisien Drag terhadap

Perubahan Temperatur ........................................................... 42

4.4.1 Hubungan Koefisien Lift terhadap Temperatur ........... 43

4.4.2 Hubungan Koefisien Drag terhadap Temperatur ........ 44

4.5 Studi Hubungan Koefisien Lift dan Koefisien Drag terhadap

Perubahan Densitas ............................................................... 45

4.5.1 Hubungan Koefisien Lift terhadap Densitas ................ 46

4.5.2 Hubungan Koefisien Drag terhadap Densitas .............. 47

4.6 Studi Visualisasi Tekanan dan Kecepatan Airfoil NACA 0015

dengan Split Flap

4.6.1 Visualisasi Tekanan ..................................................... 48

4.6.2 Visualisasi Kecepatan ................................................. 49

4.7 Studi Visualisasi pola Aliran Streamline Airfoil NACA 0015

dengan Split Flap ................................................................... 50

BAB V PENUTUP

5.1. Kesimpulan .......................................................................... 52

5.2. Saran ................................................................................... 52

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Bagian-bagian airfoil. .......................................................... 9

Gambar 2.2. Jenis-jenis Flap ................................................................ 11

Gambar 2.3. Jenis-jenis Aliran Fluida ................................................... 14

Gambar 2.4. Lapisan Batas di sepanjang plat datar ............................. 17

Gambar 2.5. Separasi Aliran yang terjadi pada Silinder ....................... 18

Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian ..................................................... 24

Gambar 3.2. Pembuatan profil airfoil pada Solidwork ........................... 26

Gambar 3.3. Penampang airfoil pada Solidwork .................................. 26

Gambar 3.4. Hasil Import pada producing geometri ............................. 27

Gambar 3.5. Computational domain ..................................................... 27

Gambar 3.6. Hasil Meshing .................................................................. 28

Gambar 3.7. Inflaction Boundary Layer ................................................ 39

Gambar 3.8. Pengaturan Properti domain ............................................ 31

Gambar 3.9. Letak Kondisi Batas Domain ........................................... 32

Gambar 3.10. Setting Solver Control ...................................................... 33

Gambar 3.11. Proses Solver Manager ................................................... 34

Gambar 3.12. Contoh Fungction Calculator Lift Force hasil

simulasi software CFX-Post ............................................. 34

Gambar 4.1. Hubungan antara koefisien lift terhadap sudut

serang pada NACA0015 ................................................... 36

Gambar 4.2. Optimasi Sudut Defleksi Flap .......................................... 38

Gambar 4.3. Optimasi Sudut serang .................................................... 39

Gambar 4.4. Hubungan Koefisien Lift terhadap Kecepatan ................. 41

Gambar 4.5. Hubungan Koefisien Drag terhadap Kecepatan .............. 42

Gambar 4.6. Hubungan Koefisien Lift terhadap Temperatur ................ 43

Gambar 4.7. Hubungan Koefisien Drag terhadap Temperatur ............. 44

Gambar 4.8. Hubungan Koefisien Lift terhadap Densitas .................... 46

Gambar 4.9. Hubungan Koefisien Drag terhadap Densitas ................. 47

Gambar 4.10. Visualisasi Tekanan ......................................................... 48

Gambar 4.11. Visualisasi Kecepatan ..................................................... 49

Gambar 4.12. Visualisasi Pola Aliran Streamline ................................... 50

xv

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1. Tingkat Kelembutan Meshing . ............................................... 28

Tabel 3.2. Pengaturan Inflaction pada proses Mesh .............................. 29

Tabel 3.3. Kondisi Batas Simulasi .......................................................... 32

Tabel 4.1. Karakteristik kelembutan mesh ............................................... 35

Table 4.2. Properti Fisika Udara pada Tekanan Atmosfer Standart ....... 45