analisis aerodinamika airfoil naca 2412 pada sayap pesawat model

ANALISIS AERODINAMIKA AIRFOIL NACA 2412 PADA
SAYAP PESAWAT MODEL TIPE GLIDER DENGAN
MENGGUNAKAN SOFTWARE BERBASIS
COMPUTIONAL FLUID DINAMIC
UNTUK MEMPEROLEH
GAYA ANGKAT MAKSIMUM
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
M.MIRSAL LUBIS
NIM. 070401060
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2012
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Abstrak
Karakteristik aerodinamika merupakan suatu hal yang sangat penting dalam
bidang ilmu aplikasi aerodinamika yang ditujukan untuk mendapatkan
performansi maksimum dari suatu bentuk benda. Analisis karakteristik
aerodinamika ini dilakukan pada airfoil NACA 2412 yang digunakan pada sayap
pesawat model tipe glider. Dalam penelitian ini, analisa karakteristik
aerodinamika dilakukan dengan mengkaji pendistribusian aliran fluida di
sepanjang kontur airfoil sayap pesawat untuk mendapatkan distribusi kecepatan,
tekanan dan gaya-gaya yang terjadi disekitar airfoil. Analisis dilakukan dengan
cara mensimulasikan aliran fluida yang mengalir pada airfoil NACA 2412 dengan
menggunakan software solidworks 2010. Tujuan dari analisa ini adalah untuk
mengetahui berapa besar sudut serang yang dapat menghasilkan gaya angkat
maksimal pada sayap pesawat. Metode yang digunakan adalah metode analisis
simulasi. Simulasi dilakukan dengan membuat model airfoil NACA 2412 dan
kemudian memvariasikan sudut serang airfoil, sehingga didapatkan hubungan
antara sudut serang terhadap kecepatan, tekanan, dan gaya angkat maksimum
yang dihasilkan. Dan dari hasil analisis simulasi didapatkan nilai gaya angkat
maksimum terjadi pada sudut serang 12o yaitu sebesar 33,5509 N.
Kata kunci : Aerodinamika, Airfoil sayap pesawat model, Kecepatan, Tekanan,
Gaya angkat.
Universitas Sumatera Utara
Abstract
Aerodynamics characteristics is a very important thing in applications of
aerodynamics science that aimed to get maximum performance from a form
object. Analysis of aerodynamics characteristics is done at airfoil naca 2412
used in wings aircraft model glider type. In this research, analysis of
aerodynamics characteristics isdone with assessing the distribution of fluid flow
along the contours of an aircraft wing airfoil to get distribution of velocity,
pressure and forces that occur around the airfoil. The analysis is done by
simulating fluid flow that flowing at naca 2412 airfoil using solidworks2010
software. The purpose of this analysis is to find out how large the angle of attack
that can produce maximum lift on the wings of the plane.The method used is a
method of simulation analysis. The simulation is performed by creating a NACA
2412 airfoil model and then vary the angle of attack, and so obtained the
relationship between angle of attack with speed, pressure, and maximum lift force
is generated. And the result from simulation analysis is lift maximum was
happened on 12o of angle of attack with value 33,5509 N.
Key word : Aerodinamics, Wing aircraft model airfoil, Velocity, Pressure, Lift.
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan ke hadirat Allah SWT atas segala
karunia dan rahmat-Nya yang senantiasa diberikan kepada penulis, sehingga
penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana
Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera
Utara. Adapun judul skripsi ini adalah “Analisis Aerodinamika Airfoil Naca 2412
Pada Sayap Pesawat Model Tipe Glider Dengan Menggunakan Software Berbasis
Computional Fluid Dinamic Untuk Memperoleh Gaya Angkat Maksimum”.
Selama penulisan skripsi ini penulis banyak mendapat bimbingan dan bantuan
dari berbagai pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis menyampaikan
banyak terima kasih kepada :
1. Orang tua tercinta, Nurila dan M. Nuh Lubis yang telah memberikan segala
dukungan moril dan materil.
2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku dosen pembimbing dan Ketua
Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU yang telah banyak
meluangkan waktunya membimbing penulis hingga skripsi ini dapat
terselesaikan.
3. Bapak Ir. H. Abdul Halim Nasution M. Sc. dan Ir. Tekad Sitepu sebagai
dosen pembanding I dan II yang telah memberikan masukan dan saran dalam
penyelesaian skripsi ini.
4. Bapak Ir. Syahril Gultom, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin,
Fakultas Teknik USU.
5. Bapak/Ibu staff pengajar dan pegawai Departemen Teknik Mesin, Fakultas
Teknik USU.
6. Arifin Fauzi Lubis, Ricky Surya Miraza, Masniarman dan Maulida Ningsih S.
yang merupakan teman satu tim dalam pengerjaan skripsi ini.
7. Teman-teman Teknik Mesin USU stambuk 2007.
Universitas Sumatera Utara
Demi penyempurnaan skripsi ini penulis mengharapkan adanya kritik dan
saran yang membangun dari para pembaca.
Akhir kata, penulis berharap agar laporan ini dapat bermanfaat bagi
pembaca pada umumnya dan penulis sendiri pada khususnya.
Medan,
Penulis,
Agustus 2012
M. Mirsal Lubis
NIM : 070401060
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK ....................................................................................................... i
KATA PENGANTAR ..................................................................................... iii
DAFTAR ISI .................................................................................................... v
DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... viii
DAFTAR TABEL ............................................................................................ x
BAB I PENDAHULUAN ................................................................................ 1
1.1 Latar Belakang ........................................................................................... 1
1.2 Perumusan Masalah ................................................................................... 2
1.3 Tujuan Penelitian ....................................................................................... 3
1.4 Batasan Masalah ........................................................................................ 3
1.5 Sistematika Penulisan ................................................................................ 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA...................................................................... 5
2.1 Pesawat Terbang ........................................................................................ 5
2.1.1 Sejarah Pesawat Terbang ................................................................. 6
2.1.2 Pembagian Katagori Dalam Pesawat Udara .................................... 8
2.1.3 Mekanisme Pesawat Untuk Terbang................................................ 9
2.1.4 Pergerakan Pesawat di Udara........................................................... 12
2.2 Pesawat Model (Aeromedelling) ................................................................ 13
2.2.1 Klasifikasi Pesawat Model ............................................................... 15
2.2.2 RC Glider ......................................................................................... 16
2.3 Sayap pada Pesawat Terbang ..................................................................... 17
2.3.1 Airfoil ............................................................................................... 19
2.3.2 Sejarah Perkembangan Airfoil......................................................... 21
2.3.3 Airfoil NACA ( National Advisory Committee for Aeronautics ) ... 22
2.3.4 Konstruksi Geometri Airfoil NACA ............................................... 23
2.3.5 Sudut Serang ( Angle of Attack ) ..................................................... 27
Universitas Sumatera Utara
2.4 Metode Elemen Hingga ............................................................................. 27
2.5 Computional Fluid Dinamic (CFD) ........................................................... 29
2.5.1 Software – software pada Computional Fluid Dinamic ................... 30
2.5.2 Tahapan kerja pada CFD.................................................................. 30
BAB III METODOLOGI PENELITIAN......................................................... 32
3.1 Pendahuluan ............................................................................................... 32
3.2 Studi Kasus ................................................................................................ 32
3.2.1 Identifikasi Masalah ......................................................................... 32
3.2.2 Variabel Penelitian ........................................................................... 33
3.2.2.1 Variabel Terikat ................................................................... 33
3.2.2.2 Variabel Bebas..................................................................... 33
3.2.3 Spesifikasi Data ............................................................................... 33
3.2.4 Spesifikasi Fluida ............................................................................. 35
3.3 Urutan Proses Analisis ............................................................................... 36
3.3.1Pengumpulan Data Awal .................................................................. 36
3.3.2 Studi Literatur .................................................................................. 36
3.3.3 Komputasi Data................................................................................ 37
3.3.4 Pembahasan Hasil Komputasi Data ................................................. 37
3.3.5 Penarikan kesimpulan ...................................................................... 37
3.4 Diagram Alir Penelitian ............................................................................. 38
3.5 Prosedur Komputasi Data .......................................................................... 39
3.6 Diagram Alir Simulasi ............................................................................... 46
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ......................................................... 47
4.1 Mencari nilai bilangan Reynold ................................................................. 47
4.2 Hasil simulasi pada sudut serang 0o ........................................................... 48
4.2.1 Kontur sebaran kecepatan dan tekanan ............................................ 48
4.2.2 Gaya-gaya yang terjadi pada airfoil ................................................. 50
4.3 Hasil simulasi pada sudut serang 3o ........................................................... 51
4.3.1 Kontur sebaran kecepatan dan tekanan ............................................ 51
4.3.2 Gaya-gaya yang terjadi pada airfoil ................................................. 53
Universitas Sumatera Utara
4.4 Hasil simulasi pada sudut serang 6o ........................................................... 55
4.4.1 Kontur sebaran kecepatan dan tekanan ............................................ 55
4.4.2 Gaya-gaya yang terjadi pada airfoil ................................................. 57
4.5 Hasil simulasi pada sudut serang 9o ........................................................... 59
4.5.1 Kontur sebaran kecepatan dan tekanan ............................................ 59
4.5.2 Gaya-gaya yang terjadi pada airfoil ................................................. 60
4.6 Hasil simulasi pada sudut serang 12o ......................................................... 62
4.6.1 Kontur sebaran kecepatan dan tekanan ............................................ 62
4.6.2 Gaya-gaya yang terjadi pada airfoil ................................................. 64
4.7 Hasil simulasi pada sudut serang 15o ......................................................... 65
4.7.1 Kontur sebaran kecepatan dan tekanan ............................................ 65
4.7.2 Gaya-gaya yang terjadi pada airfoil ................................................. 67
4.8 Tabulasi nilai-nilai hasil simulasi .............................................................. 68
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN........................................................... 74
5.1 Kesimpulan ................................................................................................ 74
5.2 Saran........................................................................................................... 75
DAFTAR PUSTAKA
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1
Pesawat udara aerodinamis ....................................................... 8
(a) Fixed wing ........................................................................... 8
(b) Rotary wing ......................................................................... 8
Gambar 2.2
Pesawat udara aerostatis ( balon udara ) ................................... 8
Gambar 2.3
Gaya-gaya yang bekerja pada pesawat...................................... 9
Gambar 2.4
Arah aliran fluida pada airfoil ................................................... 11
Gambar 2.5
Arah pergerakan pesawat .......................................................... 13
Gambar 2.6
Pesawat model ........................................................................... 14
Gambar 2.7
Pesawat terbang parasol ............................................................ 17
Gambar 2.8
Pesawat terbang bersayap tinggi ............................................... 17
Gambar 2.9
Pesawat terbang bersayap tengah .............................................. 18
Gambar 2.10 Pesawat terbang bersayap bawah .............................................. 18
Gambar 2.11 Bagian-bagian airfoil................................................................. 19
Gambar 2.12 Airfoil under chamber ............................................................... 20
Gambar 2.13 Airfoil flat bottom ...................................................................... 20
Gambar 2.14 Airfoil semi simetris .................................................................. 20
Gambar 2.15 Airfoil fully simetris................................................................... 21
Gambar 2.16 Angle of attack sebuah airfoil.................................................... 27
Gambar 2.17 Pembagian mesh pada benda .................................................... 29
Gambar 3.1
Penampang Airfoil NACA 2412 ............................................... 33
Gambar 3.2
Diagram alir penelitian .............................................................. 38
Gambar 3.3
Input koordinat airfoil ............................................................... 39
Gambar 3.4
Input panjang sayap................................................................... 39
Gambar 3.5
Input sudut serang ..................................................................... 40
Gambar 3.6
Penentuan sistem satuan ............................................................ 40
Gambar 3.7
Input jenis aliran ........................................................................ 41
Gambar 3.8
Input data jenis fluida yang mengalir ........................................ 42
Gambar 3.9
Input data parameter kecepatan ................................................. 43
Gambar 3.10 Pembentukan computational domain ....................................... 43
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.11 Menentukan tujuan (goal) dari simulasi................................... 44
Gambar 3.12 Menjalankan proses simulasi ................................................... 44
Gambar 3.13 Proses simulasi ......................................................................... 45
Gambar 3.14 Diagram alir simulasi ............................................................... 46
Gambar 4.1
Kontur sebaran kecepatan pada sudut serang 0o ...................... 48
Gambar 4.2
Kontur sebaran tekanan pada sudut serang 0o .......................... 49
Gambar 4.3
Kontur sebaran kecepatan pada sudut serang 3o ...................... 51
Gambar 4.4
Kontur sebaran tekanan pada sudut serang 3o .......................... 52
Gambar 4.5
Kontur sebaran kecepatan pada sudut serang 6o ...................... 55
Gambar 4.6
Kontur sebaran tekanan pada sudut serang 6o .......................... 56
Gambar 4.7
Kontur sebaran kecepatan pada sudut serang 9o ...................... 59
Gambar 4.8
Kontur sebaran tekanan pada sudut serang 9o .......................... 60
Gambar 4.9
Kontur sebaran kecepatan pada sudut serang 12o .................... 62
Gambar 4.10 Kontur sebaran tekanan pada sudut serang 12o ........................ 63
Gambar 4.11 Kontur sebaran kecepatan pada sudut serang 15o .................... 65
Gambar 4.12 Kontur sebaran tekanan pada sudut serang 15o ........................ 66
Gambar 4.13 Grafik kecepatan rata-rata vs sudut serang .............................. 68
Gambar 4.14 Grafik tekanan rata-rata vs sudut serang .................................. 69
Gambar 4.15 Grafik gaya angkat dan gaya hambat ....................................... 70
Gambar 4.16 Grafik lift coefficient (CL) vs sudut serang ............................... 72
Gambar 4.17 Grafik drag coefficient (CD) vs sudut serang ........................... 72
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 3.1 Koordinat Airfoil NACA 2412 ..................................................... 34
Tabel 3.2 Densitas udara ............................................................................... 35
Tabel 3.3 Viskositas udara ............................................................................ 36
Tabel 4.1 Tabel tekanan dan kecepatan pada sudut serang 0o ...................... 49
Tabel 4.2 Gaya-gaya pada airfoil untuk sudut serang 0o .............................. 50
Tabel 4.3 Tabel tekanan dan kecepatan pada sudut serang 3o ...................... 53
Tabel 4.4 Gaya-gaya pada airfoil untuk sudut serang 3o .............................. 53
Tabel 4.5 Tabel tekanan dan kecepatan pada sudut serang 6o ...................... 57
Tabel 4.6 Gaya-gaya pada airfoil untuk sudut serang 6o .............................. 57
Tabel 4.7 Tabel tekanan dan kecepatan pada sudut serang 9o ...................... 60
Tabel 4.8 Gaya-gaya pada airfoil untuk sudut serang 9o .............................. 61
Tabel 4.9 Tabel tekanan dan kecepatan pada sudut serang 12o .................... 63
Tabel 4.10 Gaya-gaya pada airfoil untuk sudut serang 12o ............................ 64
Tabel 4.11 Tabel tekanan dan kecepatan pada sudut serang 15o .................... 66
Tabel 4.12 Gaya-gaya pada airfoil untuk sudut serang 15o ............................ 67
Tabel 4.13 Tabulasi nilai kecepatan dan tekanan rata-rata ............................. 68
Tabel 4.14 Nilai-nilai gaya angkat dan gaya hambat ...................................... 70
Tabel 4.15 Tabulasi nilai CL dan CD ............................................................... 71
Universitas Sumatera Utara