TUGAS AKHIR

STUDI PERBANDINGAN KARAKTERISTIK AIRFOIL NACA0012 DENGAN NACA 2410 TERHADAP KOEFISIEN LIFT

DAN KOEFISIEN DRAG PADA BERBAGAI VARIASI SUDUTSERANG DENGAN CFD

Tugas Akhir Ini Disusun Untuk Memenuhi Syarat Mendapatkan GelarSarjana S-1 Pada Jurusan Teknik MesinUniversitas Muhammadiyah Surakarta

Disusun oleh :

NOFI FEBRIYANTONIM : D200 090 092

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

APRIL 2014

ii

iii

iv

v

vi

MOTTO

Yang paling jauh dari kita adalah masa lalu,

Yang paling dekat dari kita adalah kematian,

Bekali diri kita dengan ilmu yang bermanfaat,

Wajib berusaha dan berdo’a di setiap langkah kita.

Yakinlah, bahwa di setiap kerja keras kita hari ini,

akan membuat kita tersenyum manis di suatu hari nanti,

karna ALLAH SWT MAHA ADIL

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.

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 2009 teknik mesin 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. Tri Tjahjono, 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.

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

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. Tri Tjahjono, MT. selaku Pembimbing Akademik.

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

ix

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 2009 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, April 2014

Penulis

x

STUDI PERBANDINGAN KARAKTERISTIK AIRFOIL NACA 0012DENGAN NACA 2410 TERHADAP KOEFISIEN LIFT DAN

KOEFISIEN DRAG PADA BERBAGAI VARIASI SUDUT SERANGDENGAN CFD

Nofi Febriyanto, Sarjito, Nur AklisJurusan Teknik Mesin Fakultas TeknikUniversitas Muhammadiyah Surakarta

Jl. A.Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura.Email : febriyantonofi@yahoo.co.id

ABSTRAKSI

Di masa lalu, untuk membuat dan menyelidiki kinerja airfoil harusdilakukan dengan cara eksperimen, dan dalam pengerjaanya seringmenghasilkan limbah dan memerlukan waktu untuk membuat model.Selain itu, untuk menguji airfoil secara fisik harus dilakukan di terowonganangin, sangat tidak mudah untuk mendapatkan informasi dari tekanan dandistribusi kecepatan yang akurat. Saat ini, hal itu dapat dilakukan dengankomputasi, yang memiliki kelebihan yaitu lebih cepat dan lebih murah.Tujuan dari penelitian ini adalah untuk membandingkan hasil simulasiantara software SolidWorks dengan hasil simulasi Ansys. Ini mencakupdistribusi tekanan, kecepatan sekitar airfoil, dan visualisasi lintasan.

Dalam studi ini akan dijelaskan perbandingan kinerja antara airfoilsimetris NACA-0012 dan airfoil tidak simetris NACA-2410 pada variasisudut serang -80, -20, 00, 50, 100, 150, 200 terutama hubungan antara CLda CD secara komputasi. Percobaan diawali dengan membuat model baikairfoil simetris dan tidak simetri dengan menggunakan softwareDesainFoil, dan kemudian untuk menyesuaikan sudut menggunakansoftware AutoCAD, setelah itu meshing dan proses perhitungan dilakukanmenggunakan software Ansys-CFD. Analisa meliputi distribusi tekanan,kecepatan.

Hasil penelitian menunjukkan, bahwa peningkatan sudut akandiikuti dengan meningkatnya koefisien gaya angkat dan gaya hambat.Namun, dapat dilihat bahwa NACA-2410 memiliki koefisien angkat lebihtinggi dari pada koefisien angkat dari NACA 0012. Dari hasil perbandingangrafik CL Naca 0012 antara hasil simulasi SolidWorks dengan Ansys,ternyata ada memiliki kecenderungan yang sama satu sama lain. Yaituuntuk Solidworks CL tertinggi pada sudut serang 200 sebesar 0,0039sedangkan untuk Ansys CL tertinggi sebesar 0,000993881.

Kata kunci: airfoil, naca, ansys, cfd, sudut serang, cl, cd

xi

DAFTAR ISI

Halaman Judul ......................................................................................... iPernyataan Keaslian Skripsi .................................................................... iiHalaman Persetujuan .............................................................................. iiiHalaman Pengesahan ............................................................................. ivLebar Soal Tugas Akhir ........................................................................... vHalaman Motto......................................................................................... viHalaman Persembahan ........................................................................... viiKata Pengantar ........................................................................................ viiiAbstraksi .................................................................................................. xDaftar Isi .................................................................................................. xiDaftar Gambar……………………………………………………………………………….xivDaftar Tabel………………………………………………………………………………….xviiDaftar Grafik........................................................................................... xviii

BAB I PENDAHULUN1.1 Latar Belakang ........................................................................ 11.2 Rumusan Masalah .................................................................. 31.3 Batasan Masalah .................................................................... 41.4 Tujuan Penelitian .................................................................... 41.5 Manfaat Penelitian .................................................................. 51.6 Sistematika Penulisan............................................................. 5

BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI2.1 Kajian Pustaka......................................................................... 62.2 Dasar Teori.............................................................................. 8

2.2.1 Airfoil ............................................................................. 82.2.2 Konsep Dasar Airfoil...................................................... 10

2.3 Koefisien Lift dan Koefisien Drag .....................................................122.3.1 Koefisien Lift ..........................................................................122.3.2 Koefisien Drag .......................................................................12

2.4 Kurva Lift ................................................................................. 132.4.1 Koefisien Lift Maksimum ............................................... 14

2.5 Viscosity (Kekentalan Suatu Zat)............................................. 152.5.1 Aliran Viscous dan Non-Viscous ................................... 16

2.6 Distribusi Tekanan................................................................... 172.7 Fenomena Aliran Udara .......................................................... 18

2.7.1 Aliran Laminar ............................................................... 182.7.2 ALiran Turbulen............................................................. 18

xii

2.7.3 Vortex............................................................................ 192.8 Lapisan Batas dan Separasi Aliran.......................................... 19

2.8.1 Lapisan Batas (Boundary Layer)................................... 192.8.2 Separasi Aliran.............................................................. 21

2.9 Metode k-epsilon..................................................................... 222.10 Tahapan Proses CFD.............................................................. 23

BAB III METODOLOGI PENELITIAN3.1 Diagram Alir Penelitian ............................................................ 253.2 Langkah-langkah Penggunaan Metode Komputasi Fluida ...... 26

3.2.1 Diagram Alir Proses Simulasi........................................ 26

BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN4.1. Verifikasi Software dan Validasi Data...................................... 344.2. Data Profil Airfoil Naca ............................................................ 354.3. Analisa Perbandingan Tekanan Aliran Udara

pada Airfoil Naca 0012 dan Naca 2410................................... 374.3.1. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang -80 .......... 374.3.2. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang -20 .......... 384.3.3. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 00 ........... 394.3.4. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 50 ........... 404.3.5. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 100 ......... 414.3.6. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 150 ......... 424.3.7. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 200 ......... 43

4.4 Analisa Perbandingan Kecepatan Aliran Udarapada Airfoil Naca 0012 dan Naca 2410................................... 444.4.1. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang -80 ....... 444.4.2. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang -20 ....... 454.4.3. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 00 ........ 464.4.4. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 50 ........ 474.4.5. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 100 ...... 484.4.6. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 150 ...... 494.4.7. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 200 ...... 50

4.5 Perbandingan simulasi antara penelitian dahuludengan sekarang .................................................................... 514.5.1 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang -80 .......... 514.5.2 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 200 ......... 534.5.3 Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang -80 ....... 554.5.4 Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 200 ...... 57

4.6 Aliran Vortex ............................................................................ 59

xiii

4.7 Gaya-gaya yang terjadi pada Airfoil......................................... 604.8 Grafik Hubungan Antara Tekanan (P) dengan

Sudut Serang (α)..................................................................... 634.9 Perbandingan Grafik Hasil Simulasi Sekarang dengan

Hasil Simulasi yang Dahulu .................................................... 65

BAB V PENUTUP5.1. Kesimpulan .......................................................................... 675.2. Saran.................................................................................... 69

DAFTAR PUSTAKALAMPIRAN

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Bentuk, bagian dan geometri sebuah airfoil. ...................... 8Gambar 2.2. Distribusi tekanan pada berbagai sudut serang

pada airfoil ........................................................................ 11Gambar 2.3. Gaya-gaya dari fluida di sekeliling sebuah benda

dua dimensi: (a) Gaya tekan, (b) Gaya viskos,(c) Gaya resultan (lift dan drag) ....................................... 13

Gambar 2.4. Kurfa lift ............................................................................ 14Gambar 2.5. Macam-macam aliran ....................................................... 18Gambar 2.6. Aliran vortex yang terjadi pada airfoil................................ 19Gambar 2.7. Lapisan batas disepanjang sebuah plat datar ................ 20Gambar 2.8. Separasi aliran yang terjadi pada silinder......................... 21Gambar 2.9. Komputasi domain............................................................ 23Gambar 2.10. Hasil simulasi pada post-processing ................................ 24Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian ..................................................... 25Gambar 3.2. Diagram Alir Proses Simulasi ........................................... 26Gambar 3.3. Profil airfoil pada Software DesignFoil .............................. 27Gambar 3.4. Pengaturan panjang chord pada AutoCad 2010 .............. 28Gambar 3.5. Pengaturan Sudut Airfoil dengan Solidworks

2010.................................................................................. 28Gambar 3.6. Penampang airfoil pada Software Solidworks

2010.................................................................................. 29Gambar 3.7. Penampang Airfoil yang diberi batasan pada ansys

12.1 workbench ................................................................ 29Gambar 3.8. Meshing pada airfoil ......................................................... 30Gambar 3.9. Operation conditions......................................................... 31Gambar 3.10. Setting solver control ........................................................ 32Gambar 3.11. Contoh proses solver pada Ansys 12.1 CFX-

Solver Manager ................................................................ 32Gambar 3.12. Contoh visualisasi kontur plot kecepatan hasil

simulasi dengan Ansys 12.1 CFX-Post............................. 33Gambar 3.13. Contoh visualisasi streamline kontur plot

kecepatan hasil simulasi dengan Ansys 12.1CFX-Post .......................................................................... 33

Gambar 4.1. Geometri Airfoil Naca 0012 dan Naca 2410 ..................... 35Gambar 4.2. Hasil meshing fluida untuk Airfoil Naca 0012 pada

Ansys 12.1 – CFD............................................................. 36

xv

Gambar 4.3. Contour plot pada bidang simetri xy,menunjukkan perbedaan tekanan pada keduaAirfoil sudut serang -80 ..................................................... 37

Gambar 4.4. Contour plot pada bidang simetri xy,menunjukkan perbedaan tekanan pada keduaAirfoil sudut serang -20 ..................................................... 38

Gambar 4.5. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkanperbedaan tekanan pada kedua Airfoil sudut serang 00 ... 39

Gambar 4.6. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkanperbedaan tekanan pada kedua Airfoil sudut serang 50 ... 40

Gambar 4.7. Contour plot pada bidang simetri xy,menunjukkan perbedaan tekanan pada keduaAirfoil sudut serang 100..................................................... 41

Gambar 4.8. Contour plot pada bidang simetri xy,menunjukkan perbedaan tekanan pada keduaAirfoil sudut serang 150..................................................... 42

Gambar 4.9. Contour plot pada bidang simetri xy,menunjukkan perbedaan tekanan pada keduaAirfoil sudut serang 200..................................................... 43

Gambar 4.10. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkanperbedaan kecepatan pada kedua Airfoil sudutserang -80 ......................................................................... 44

Gambar 4.11. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkanperbedaan kecepatan pada kedua Airfoil sudutserang -20 ......................................................................... 45

Gambar 4.12. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkanperbedaan kecepatan pada kedua Airfoil sudutserang 00 .......................................................................... 46

Gambar 4.13. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkanperbedaan kecepatan pada kedua Airfoil sudutserang 50 .......................................................................... 47

Gambar 4.14. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkanperbedaan kecepatan pada kedua Airfoil sudutserang 100 ........................................................................ 48

Gambar 4.15. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkanperbedaan kecepatan pada kedua Airfoil sudutserang 150 ........................................................................ 49

Gambar 4.16. Contour plot pada bidang simetri xy, menunjukkanperbedaan kecepatan pada kedua Airfoil sudutserang 200 ........................................................................ 50

xvi

Gambar 4.17. Contour plot menunjukkan perbedaan tekananpada Airfoil Naca 0012 untuk sudut serang -80................. 52

Gambar 4.18. Contour plot menunjukkan perbedaan tekananpada Airfoil Naca 2410 untuk sudut serang -80................. 53

Gambar 4.19. Contour plot menunjukkan perbedaan tekananpada Airfoil Naca 0012 untuk sudut serang 200................ 54

Gambar 4.20. Contour plot menunjukkan perbedaan tekananpada Airfoil Naca 2410 untuk sudut serang 200................ 55

Gambar 4.21. Contour plot menunjukkan perbedaan kecepatanpada Airfoil Naca 0012 untuk sudut serang -80................. 56

Gambar 4.22. Contour plot menunjukkan perbedaan kecepatanpada Airfoil Naca 2410 untuk sudut serang -80................. 57

Gambar 4.23. Contour plot menunjukkan perbedaan kecepatanpada Airfoil Naca 0012 untuk sudut serang 200................ 58

Gambar 4.24. Contour plot menunjukkan perbedaan kecepatanpada Airfoil Naca 2410 untuk sudut serang 200................ 59

Gambar 4.25. Aliran vortex yang terjadi pada airfoil naca 0012dengan sudut serang 150.................................................. 60

xvii

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1. Kondisi batas meshing............................................................ 30Tabel 3.2. Kondisi operasi ....................................................................... 31Table 4.1. Data hasil validasi................................................................... 34

xviii

DAFTAR GRAFIK

Grafik 4.1. Hubungan antara gaya angkat dengan sudut serang............ 62Grafik 4.2. Hubungan antara gaya hambat dengan sudut serang........... 63Grafik 4.3. Hubungan antara tekanan dengan berbagai variasi

sudut serang pada permukaan atas airfoil Naca0012 dan Naca 2410............................................................. 64

Grafik 4.4. Grafik hubungan antara tekanan dengan berbagaivariasi sudut serang pada permukaan bawah airfoilNaca 0012 dan Naca 2410 ................................................... 64

Grafik 4.5. Hubungan Cl dan Cd terhadap sudut serang (IrawanP, 2008) ................................................................................ 65

Grafik 4.6. Perbandingan grafik Cl dan Cd terhadap variasisudut serang antara airfoil Naca 0012 dengan Naca2410...................................................................................... 66