Analisa Stress pada Ekor Pesawat Akibat Aliran Udara Laminar

Analisa Stress pada Ekor Pesawat Akibat Aliran Udara Laminar
menggunakan Analisa CFD Solidworks
Safrial Dwiky Darmawan
1206239831
Absraksi :
Karakteristik aerodinamika merupakan suatu hal yang sangat penting dalam bidang ilmu
aplikasi aerodinamika yang ditujukan untuk mendapatkan bentuk benda yang aerodinamis.
Penelitian karakteristik aerodinamika ini dilakukan pada ekor pesawat. Dalam penelitian ini,
analisa karakteristik aerodinamika dilakukan dengan metoda pendistribusikan aliran pusaran (
vortex ) di sepanjang kontur ekor pesawat untuk mendapatkan distribusi tekanan pada kontur sayap
tersebut. Tujuan dari analisa ini adalah untuk mengetahui nilai tekanan dan kecepatan serta hasil
grafik dari Bilangan Reynold yang diberikan pada model ekor pesawat untuk aliran Laminar yaitu
1500
sehingga
mendapatkan
distribusi
tekana
pada
bagian
ekor
sayap.
udara ) yang beragam menyebabkan gaya
1. Pendahuluan
reaksi pada ekor pesawat beragam, hal
A. Latar Belakang
tersebut bias ditunjukkan dengan distribusi
Ekor pada Pesawat digunakan sebagai
penyeimbang,
baik
vertikal
maupun
horizontal. Pada aplikasinya dalam dunia
tekanan pada tiap daerah ekor pesawat.
Daerah yang mengalami tekanan yang plaing
besar memiliki potensi fail yang besar pula.
nyata, ekor pesawat juga akan mengalami
C. Tujuan
gaya yang diakibatkan oleh aliran fluida yang
mengalir melewati ekor pesawat. Aliran
Simulasi aliran udara pada ekor pesawat
fluida yang melewati ekor pesawat akan
mengunakan analisa CFD pada software
menimbulkan gaya aksi yang harus dilawan
Solidworks bertujuan untuk mengetahui
dengan gaya reaksi oleh ekor pesawat
letak daerah pada ekor pesawat dimana
sehingga timbul distribusi tekanan pada ekor
tekanan yang timbul maksimal.
pesawat yang besarnya tergantung dari jenis
2. Dasar Teori
aliran, kecepatan aliran dan lain-lain. Apabila
tekanan yang timbul pada ekor pesawat
-
Konsep Aliran Viscous, Aliran
terlalu besar maka akan terjadi crack pada
Laminar, serta Aliran Eksternal
daerah dimana tekanan maksimal.
Aliran fluida berdasarkan viskositasnya
B. Permasalahan
dibagi menjadi dua bagian yaitu aliran inviscid
dan viscous. Pada aliran inviscid efek dari
Aliran Fluida yang melewati ekor
pesawat akan menimbulkan distribusi tekanan
yang berbeda pada kontur ekor pesawat akibat
perbedaan kecepatan udara saat melewati
ekor pesawat. Pada kecepatan yang tinggi,
tekanan udara menjadi rendah, namun pada
kecepatan
yang rendah, tekanan udara
menjadi besar. Perbedaan tersebut terjadi saat
udara melewati ekor pesawat, sehinggan gaya
viskositas ( kemampuan menahan tegangan
geser ) fluida diabaikan ( 𝜇 = 0 ). Sebenarnya
aliran fluida dengan viskositas sama dengan
nol
ini
tidak
ada.
Namun
untuk
menyederhanakan analisa beberapa fenomena
aliran
mengabaikan
dilakukan.
Untuk
viskositas
aliran
fluida
boleh
dimana
viskositas sangat penting atau diperhatikan
maka aliran itu disebut aliran viscous.
yang diberikan aliran udara juga berbedabeda untuk tiap daerah di ekor pesawat, akibat
``Berdasarkan struktur alirannya, aliran fluida
profil dari ekor pesawat. Gaya ( akibat aliran
dibedakan menjadi aliran laminar dan aliran
turbulen. Untuk aliran laminar kecepatan
pada suatu titik akan tetap terhadap waktu.
Sedangkan aliran turbulen kecepatannya akan
mengindikasikan suatu fluktuasi yang acak.
Dalam aliran turbulen, profil kecepatan pada
suatu titik dihasilkan dari gerak acak partikel
fluida berdasarkan waktu dalam jarak dan
arah. Jika kita mengambil kecepatan rata-rata
terhadap waktu, maka kecepatan sesaat dapat
dihitung dengan menambahkan kecepatan
rata-rata dengan kecepatan fluktuasi.
-
Karakteristik Aliran Melewati Sebuah
Benda
Aliran-Aliran yang melewati benda-benda
meliputi berbagai variasi fenomena mekanika
fluida yang. Jelas bahwa karakter dari medan
aliran adalah sebuah fungsi dari bentuk
geometri benda aliran-aliran yang melewati
bentuk-bentuk
geometri
yang
relative
sederhana diperkirakan memiliki medanmedan aliran yang sederhana dibandingkan
aliran yang melewat sebuah sebuah pesawat
Aliran yang dibatasi oleh suatu
terbang. Meskipun demikian, bahakan benda
permukaan batas seperti pipa atau pembuluh
yang bentuknya paling sederhana sekalipun
disebut aliran internal. Aliran mengalir pada
menghasilkan
benda yang terbenam di dalam fluida yang tak
kompleks.
berbatas diistilahkan aliran eksternal. Aliran
dimensional, karakter aliran akan tergantung
internal dan eksternal keduanya dapat berupa
pada berbagai parameter tak berdimensi yang
aliran laminer atau turbulen, kompresibel atau
terlibat. Untuk aliran luar yang biasa, yang
inkompresibel
paling penting dari parameter-parameter ini
eksternal
.
Contoh-contoh
mencakup
aliran
udara
aliran
pada
pesawat terbang, mobil, gumpalan salju yang
aliran-aliran
Mneurut
yang
argument
agak
analisis
adalah bilangan Reynolds, bilangan Mach,
-
Konsep Lapisan Batas
turun, atau aliran air disekitar kapal selam dan
ikan. Aliran eksternal yang melibatkan udara
Sebuah pencapaian yang hebat dalam
sering disebut sebagai aerodinamika untuk
mekanika fluida terjadi pada tahun 1904
menunjukkan arti penting dari aliran eksternal
sebagai hasil dari pemikiran Ludwig Prandtl
yang dihasilkan ketika sebuah objek seperti
( 1875-1953 ), seorang fisikawan dan ahli
sebuah pesawat terbang menjelajah atmosfer.
aerodinamika Jerman. Dia memiliki gagasan
mengenai lapisan batas, sebuah daerah tipis di
permukaan suatu benda dimana efek viskos
sangat
penting
dan
diluarnya
berperilaku seakan-akan inviscid.
fluida
-
-
Efek Gradien Tekanan
pesawat. ( screenshot proses dilampirkan
Secara umum, ketika sebuah fluida
pada Bab Lampiran )
mengalir melewati sebuah benda selain palat
datar, medan tekanan tidak seragam.jika
-
Menentukan bilangan Reynold ( yaitu
1500 ) untuk aliran laminar sehingga
bilangan Reynolds besar, lapisan-lapisan
batas yang relatif tipis akan berkembang di
Membuat assembly prototype model ekor
didapatkan kecepatan aliran.
-
sepanjang permukaan. Di dalam lapisa-
Menginput data inlet dan oulet berupa
kecepatan aliran, bilangan mach, tekanan,
lapisan ini komponen-komponen gradient
temperatur, mass flow, volume flow, serta
tekanan dalam arah aliran ( yaitu sepanjang
menentukan control volume yang akan
permukaan benda ) tidak nol, meskipun
disimulasikan.
gradien tekanan tegak lurus terhadap
dilampirkan pada Bab Lampiran )
permukaan kecil dan dapat diabaikan.
-
“Run”
untuk
(
screenshot
memulai
proses
simulasi.
(
Artinya, jika kita akan mengukur tekanan
screenshot proses dilampirkan pada Bab
sambil bergerak melintasi lapisan batas dari
Lampiran )
benda menuju tepi lapisan batas, kita akan
-
Menunggu proses iterasi oleh komputer.
mendapati bahwa tekanan pada dasarnya
( screenshot proses dilampirkan pada Bab
konstan.
Lampiran )
Namun
demikian,
tekanan
bervariasi dalam arah sepanjan permukaan
-
Memilih “Surface Plot” untuk melihat
benda jika benda melengkung. Variasi dari
distribusi tekanan yang terjadi pada ekor
kecepatan fluida pada tepi lapisan batas,
pesawat. ( screenshot proses dilampirkan
adalah penyebab dari gradient tekanan.
pada Bab Lampiran )
-
3. Metodologi
Membuat “Report” dari hasil simulasi. (
dilampirkan pada dokumen yang terpisah
Penelitian
dilakukan
dengan
menggunakan feature “Flow Simulation” (
Analisa CFD ) pada software SolidWorks
2013, dengan
langkah-langkah sebagai Berikut.
)
paling rendah ( 75.064 KPa ) terjadi pada daerah
4. Hasil dan Pembahasan
rudder ( stabilizer horizontal ) serta pada daerah
elevator ( stabilizer vertikal ). ( screenshot hasil
-
Tabel Full Report hasil Iterasi
dilampirkan pada Bab Lampiran )
Name
Minimum
Maximum
Pressure [Pa]
75064.67
167554.00
Temperature [K]
273.77
350.88
Density [kg/m^3]
0.80
1.84
Velocity [m/s]
0
397.033
Velocity (X) [m/s]
-64.003
99.544
Velocity (Y) [m/s]
-93.370
80.761
Velocity (Z) [m/s]
-396.545
10.103
beragam
Temperature
(Fluid) [K]
273.77
350.88
benda.
Mach Number [ ]
0
1.20
Vorticity [1/s]
1.572
13641.623
Shear Stress [Pa]
0
403.76
Relative Pressure
[Pa]
-26260.33
66229.00
Heat Transfer
Coefficient
[W/m^2/K]
0
0
Surface Heat Flux
[W/m^2]
0
5. Kesimpulan
-
Bentuk benda yang tidak simetris
menyebabkan
kecepatan
timbulnya
gradient
dari
aliran
yang
tekanan
terjadi
karena
melewatinya.
-
Gradien
adanya gradient kecepatan yang
-
sepanjang
permukaan
Tekanan terbesar ( yang terdapat pada
daerah permukaan ekor pesawat )
akibat adanya aliran udara laminar (
Re =1500 ) yang melewati ekor
pesawat adalah 167.554 KPa dan
terdapat pada ujung aerofoil yang
menempel pada akhir ujung badan
pesawat/awal ujung ekor pesawat dan
juga pada daerah stagnasi aerofoil.
0
-
Tekanan terendah ( yang terdapat
pada daerah permukaan ekor pesawat
Dari hasil iterasi yang dilakukan
komputer terhadap simulasi aliran pada ekor
) akibat adanya aliran udara laminar (
Re =1500 ) yang melewati ekor
pesawat terbang, dihasilkan bahwa tekanan yang
pesawat adalah 75.064 KPa yang
paling besar ( 167.554 KPa ) terjadi pada daerah
terjadi pada daerah rudder ( stabilizer
ujung aerofoil yang menempel pada akhir ujung
horizontal ) serta pada daerah elevator (
badan pesawat/awal ujung ekor pesawat dan juga
stabilizer vertikal ).
pada daerah stagnasi aerofoil. Serta tekanan yang
6. Lampiran
-
Prototype Model Ekor Pesawat
Gambar 1. Desain Assembly dari Prototype Ekor pesawat pada SolidWorks
-
Input Data untuk Inlet dan Outlet
Gambar 2. Proses Input Data pada Inlet dan Oulet Aliran
-
Run Proses
Gambar 3. Run Proses Simulasi dengan Iterasi Komputer terhadap Aliran