Tugas Akhir Teknik Mesin ITS Bidang Studi Mekanika Fluida - Konversi Energi 1 BAB. I PENDAHULUAN Rekayasa aerodinamika telah berkembang pesat sejak Wright bersaudara berusaha menerbangkan pesawat terbang pertama mereka (Anderson, 2001). Wright bersaudara telah menguji berbagai profil sayap untuk mencari profil yang mampu menghasilkan lift sesuai dengan yang mereka inginkan. Sehingga mampu menerbangkan benda yang memiliki berat melebihi udara, dimana pada waktu itu masih dianggap mustahil. Riset yang mengacu pada pengembangan teknologi airfoil sebagai salah satu bagian yang penting dalam dunia aerodinamika telah banyak dilakukan pada tahun-tahun belakangan ini (McGhee dan Beasley, 1973). Hasil dari berbagai eksperimen telah banyak digunakan untuk mendesain airfoil dalam berbagai konfigurasi sayap yang sesuai dengan penggunaannya. Karakteristik airfoil tergantung banyak hal, sehingga dapat dikatakan bahwa tiap airfoil mempunyai penggunaan yang spesifik. Demikian pula untuk modifikasi yang dilakukan pada airfoil, tidak dapat digeneralisasi. Untuk hal seperti inilah kita menguji suatu konfigurasi spesifik antara airfoil dan modifikasinya, dalam hal ini penambahan winglet / endplate. I.1 Latar Belakang Sayap merupakan komponen untuk menghasilkan daya angkat pada pesawat terbang, sehingga merupakan bagian yang sangat penting pada pesawat terbang. Dalam hal ini airfoil dengan NASA LS (1) 0417 sangat familiar sekali dalam aplikasi dunia penerbangan secara umum. Bahkan untuk saat ini tipe airfoil semacam ini mulai dirancang untuk menjadi sudu-sudu turbin angin dan secara khusus sebagai spoiler atau sayap Tugas Akhir Teknik Mesin ITS Bidang Studi Mekanika Fluida - Konversi Energi 2 belakang mobil formula 1. Pada bidang penerbangan, sayap pesawat mempunyai berbagai bentuk yang bervariasi dengan tujuan meningkatkan kinerja sayap. Diantara berbagai bentuk rekayasa aerodinamika yang ada adalah slotted / flapped wing yang bertujuan untuk menambah CLmax dan luasan sayap pada saat tertentu seperti take off, climbing, ataupun landing. Penambahan winglet dan endplate berguna untuk menghindari terjadinya aliran dari lower side sayap yang mempunyai tekanan tinggi menuju upper side yang mempunyai tekanan rendah. Aliran udara dari lower side tersebut menuju upper side melalui bagian wingtip akan bertemu dengan aliran dari upper side membentuk trailing vortex pada downstream. Hal ini menimbulkan induced downwash velocities yang akan mempengaruhi effective angle of attack, hal ini disebabkan karena induced downwash velocities akan mempengaruhi sudut serang efektif aliran fluida melewati trailing edge. Perubahan pada effective aspect ratio dan effective angle of attack berpengaruh pada lift yang mampu dihasilkan sayap. Timbulnya trailing vortex merupakan suatu konsekuensi dari lift yang dihasilkan oleh finite span airfoil, sedangkan pada infinite airfoil tidak akan terjadi fenomena trailling vortex. Pengaruh vortex pada wingtip di downstream ini akan menyebabkan vektor kecepatan pada aliran lokal, akan berubah sehingga lift yang terjadi juga berubah seiring adanya perubahan arah vektor lift, fenomena ini dinamakan induced drag. Untuk memperbaiki kinerja dari suatu airfoil, para peneliti mencoba berbagai bentuk modifikasi winglet atau endplate untuk mendapatkan hasil yang optimal. Hemke (1928) mengindikasikan adanya penurunan rata-rata dari drag. Hal tersebut meningkat seiring dengan menurunnya aspect ratio. Penurunan induced drag dan sedikit peningkatan lift pada sayap juga terjadi pada sayap yang dilengkapi dengan winglet yang berbentuk Tugas Akhir Teknik Mesin ITS Bidang Studi Mekanika Fluida - Konversi Energi 3 lingkaran, elliptical dan trapesium. Pesawat glider dengan winglet yang didesain secara tepat akan menambah kecepatan jelajah, handling dan kemampuan menanjak (Maughmer, 2001). I.2 Perumusan Masalah Studi eksperimen mengenai airfoil dapat dikatakan sebagai suatu usaha untuk mengatur aliran eksternal agar dapat memberi manfaat semaksimal mungkin bagi pesawat terbang. Pengaturan aliran pada airfoil dibatasi oleh fenomena stall, karena jika sudah terjadi stall maka airfoil sudah tidak mampu lagi memberikan manfaat lebih lanjut. Plain airfoil akan mengalami spanwise flow pada wingtip yang akan merusak pola aliran, dengan adanya winglet/endplate akan sangat berguna dalam membantu mengurangi spanwise flow sehigga meminimalisasi kerugian. Setiap airfoil mempunyai karakteristik yang bergantung pada geometri, kecepatan aliran yang melewati, dan properties fluida kerja sehingga setiap airfoil akan memiliki geometri winglet/endplate tersendiri yang mampu meningkatkan kinerjanya. Untuk itu penelitian ini dilakukan, untuk melihat pengaruh winglet/endplate dengan geometri tertentu terhadap kinerja sebuah airfoil. Benda kerja yang digunakan adalah airfoil NASA LS (1) 0417 dengan penambahan endplate yang mempunyai bentuk croped delta. Detil benda kerja dapat dilihat pada bab III. I.3 Tujuan penelitian Tujuan penelitian ini adalah mengetahui pengaruh penambahan endplate yang mempunyai profil delta pada kinerja airfoil NASA LS (1) 0417 yang dikondisikan pada aliran dengan kecepatan freestream v = 12 m/s dan v = 17 m/s pada subsonic wind tunnel. Variasi angle of attack yang diberikan adalah 0o, 3o, 6o, 9o,10o,12o,14o, 15o, dan 16o.Serta Tugas Akhir Teknik Mesin ITS Bidang Studi Mekanika Fluida - Konversi Energi 4 geometri endplate yang digunakan adalah dengan perbandingan c t adalah masing-masing 0,4; 0,48; 0,56; 0,64. Hasil eksperimen dibandingkan dengan literature. Pengukuran pada model airfoil akan meliputi drag, lift, dan distribusi tekanan sepanjang permukaan airfoil. Penelitian ini dilengkapi dengan visualisasi smoke flow. I.4 Pembatasan Masalah Dalam penelitian ini, batasan masalah yang diambil adalah : 1. Fluida yang dipakai adalah fluida incompressible, steady dan uniform di sisi upstream. 2. Tidak meninjau perpindahan panas yang terjadi. 3. Benda kerja yang digunakan adalah airfoil pejal dengan dimensi dan bahan yang sama. 4. Profil model airfoil adalah finite wing dengan efek ujung tidak dianalisa. Endplate dengan perbandingan c t = 0,4 Endplate dengan perbandingan c t = 0,48 Gambar 1.1 variasi benda uji ( ukuran dalam mm ) Tugas Akhir Teknik Mesin ITS Bidang Studi Mekanika Fluida - Konversi Energi 5 Endplate dengan perbandingan c t = 0,56 Endplate dengan perbandingan c t = 0,64 Gambar 1.1 variasi benda uji ( ukuran dalam mm ) (lanjutan) I.5 Manfaat Penelitian Studi eksperimental ini memiliki manfaat untuk: 1. Menunjukkan perbandingan unjuk kerja airfoil tipe NASA LS (1) 0417 dengan dan tanpa adanya penambahan endplate /winglet. 2. Membandingkan hasil eksperimen yang ada dengan airfoil yang dimodifikasi sekat/alur baik transversal maupun longitudinal pada bagian upper surface. 3. Mengetahui fisik aliran yang melintasi airfoil NASA LS (1) 0417 dengan atau tanpa endplate melalui visualisasi aliran. I.6. Sistematika Penulisan Penulisan tugas akhir ini terbagi dalam beberapa bab yang dapat diperinci sebagai berikut : Tugas Akhir Teknik Mesin ITS Bidang Studi Mekanika Fluida - Konversi Energi 6 BAB I PENDAHULUAN Bab ini berisi latar belakang, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan penulisan, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan. BAB II DASAR TEORI Bab ini memuat teori-teori yang berkaitan dengan penelitian yang dilakukan, hasil - hasil dan kesimpulan dari penelitian terdahulu serta berbagai persamaan dan pengertian yang didukung penelitian tersebut. BAB III METODE PENELITIAN Bab ini memuat prosedur pelaksanaan penelitian dan pengambilan data, dimensi benda uji serta spesifikasi peralatan yang digunakan. BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN Bab ini memuat contoh perhitungan, hasil perhitungan yang ditampilkan dalam bentuk grafik serta analisa dan pembahasan dari hasil penelitian tersebut. BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Bab ini memuat kesimpulan dari hasil penelitian yang dilakukan serta saran-saran yang ditujukan untuk penelitian - penelitian selanjutnya. Gambar 1.1 variasi benda uji ( ukuran dalam mm ) (lanjutan)