i

TUGAS AKHIR

ANALISA AERODINAMIKA FLAP DAN SLAT PADA

AIRFOIL NACA 2410 TERHADAP KOEFISIEN LIFT DAN

KOEFISIEN DRAG DENGAN METODE COMPUTATIONAL

FLUID DYNAMIC

Disusun Sebagai Syarat Untuk Mencapai Gelar Sarjana Teknik

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta

Disusun oleh:

TRI HARTANTO

D200 100 080

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

2015

ii

iii

iv

v

vi

MOTTO

“Berprasangka Positif dan Berjiwa Besar”

“Hai orang-orang yang beriman, jadikanlah sabar dan sholatmu sebagai

penolongmu, sesungguhnya Allah beserta orang-orang yang sabar”

(Al-Baqarah: 153)

“Jika kamu bersungguh-sungguh, maka kesungguhan itu untuk

kebaikanmu sendiri“

(Al-Ankabut: 6)

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.

Sahabat-sahabatku (Keluarga Teknik Mesin angkatan 2010 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. Sartono Putro, 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.

Organisasi internal kampus (KMTM, BEM FT, Kopma UMS) dan

organisasi eksternal (IIBF Solo, JCI Solo, SIPA Community) yang

sudah memberikan saya banyak ilmu dan pengalaman.

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. Sartono Putro, MT. selaku Pembimbing Akademik.

6. Dosen jurusan Teknik Mesin beserta Staff 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 2010 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, Oktober 2015

Penulis

x

ABSTRAKSI

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk melakukan permodelan dan

simulasi perilaku aerodinamika airfoil NACA 2410 yang dilengkapi dengan

flap dan slat menggunakan software Ansys 14.5 – CFD. Selain itu untuk

mendapatkan fenomena aliran fluida yang terjadi disekitar airfoil, sehingga

koefisien lift dan koefisien drag airfoil akan diketahui dan akan diperoleh

perbedaan airfoil NACA 2410 yang dilengkapi flap dan slat dengan yang

tidak dilengkapi flap dan slat.

Dalam proses simulasi akan dilakukan dengan variasi pada

berbagai sudut serang. Permodelan NACA 2410 diambil dari software

designFoil kemudian menyesuaikan ukuran dan panjang chord airfoil pada

Autocad kemudian desain akan di eksport ke solidwork untuk

penambahan desain flap dan slat serta pengaturan sudut serang.

Selanjutnya akan disimulasikan pada software Ansys dengan pengaturan

berbagai kondisi batas airfoil. Parameter-parameter yang dihasilkan

antara lain koefisien lift, koefisien drag, serta distribusi tekanan dan

kecepatan.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa peningkatan sudut serang

akan diikuti dengan meningkatnya koefisien lift dan koefisien drag. Namun

pada airfoil NACA 2410 dengan flap dan slat menghasilkan koefisien lift

dan koefisien drag yang lebih tinggi dibanding dengan airfoil tanpa flap

dan slat. Koefisien lift maksimal ketika airfoil berada pada sudut serang

200 dengan pengaturan flap pada sudut defleksi 300 serta slat pada jarak x

4% chord, dan sudut slat -20.

Kata kunci : Flap, Slat, Koefisien Lift, Koefisien Drag, Airfoil, Ansys

xi

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 ............................................................................................... xi

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

Daftar Tabel ........................................................................................... xvii

Daftar Grafik......................................................................................... xviii

BAB I PENDAHULUN

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

1.2 Perumusan Masalah............................................................. 4

1.3 Batasan Masalah .................................................................. 4

1.4 Tujuan Penelitian .................................................................. 5

1.5 Manfaat Penelitian ................................................................ 5

1.6 Sistematika Penulisan .......................................................... 6

BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI

2.1 Kajian Pustaka .................................................................... 7

2.2 Dasar Teori .......................................................................... 10

2.2.1 Persamaan Dasar Kekekalan ..................................... 10

2.2.2 Teori Kutta-Joukowski ................................................ 12

2.2.3 Karakteristik Aerodinamika pada Airfoil ...................... 14

2.2.4 Flap dan Slat .............................................................. 18

xii

2.2.5 Sudut Serang (Angle of Attack) .................................. 23

2.2.6 Karakteristik Aliran Fluida ........................................... 24

2.2.7 Konsep Dasar Aliran Fluida ........................................ 26

2.2.8 Koefisien Lift dan Drag ............................................... 30

2.2.9 Computational Fluid Dynamic (CFD) .......................... 31

2.2.10 Proses Meshing ........................................................ 36

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Diagram Alir Penelitian ....................................................... 39

3.2 Langkah-langkah Simulasi CFD ......................................... 40

3.3 Permodelan Airfoil, Flap dan Slat dengan Metode

Komputasi Fluida ................................................................. 42

3.3.1 Pre-Processing .......................................................... 42

3.3.2 Processing/ Solver .................................................... 51

3.3.3 Post Processing ........................................................ 52

BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

4.1 Verifikasi Software dan Validasi Data ................................. 54

4.2 Optimasi Flap dan Slat ....................................................... 56

4.2.1 Optimasi Flap ............................................................ 56

4.2.2 Optimasi Slat ............................................................. 59

4.2.3 Hasil Optimasi ........................................................... 63

4.3 Data Profil Airfoil NACA 2410 ............................................. 63

4.4. Analisa Perbandingan Tekanan Aliran Udara pada Airfoil

Naca 2410 Tanpa Flap dan Slat dengan Naca 2410

Dilengkapi Flap dan Slat ..................................................... 65

4.4.1 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang -80 ......... 65

4.4.2 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang -20 ......... 66

4.4.3 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 00 ......... 67

4.4.4 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 50 .......... 68

4.4.5 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 100 ........ 69

xiii

4.4.6 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 150 ........ 71

4.4.7 Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 200 ........ 72

4.4.8. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 250 ........ 73

4.4.9. Perbandingan Tekanan Pada Sudut Serang 270 ........ 74

4.5 Analisa Perbandingan Kecepatan Aliran Udara pada Airfoil

NACA 2410 Tanpa Flap dan Slat dengan Naca 2410

Dilengkapi Flap dan Slat ...................................................... 76

4.5.1 Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang -80 ...... 76

4.5.2 Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang -20 ...... 77

4.5.3 Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 00 ....... 78

4.5.4 Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 50 ....... 79

4.5.5 Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 100 ..... 81

4.5.6 Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 150 ..... 82

4.5.7 Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 200 ..... 83

4.5.8. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 250 .... 84

4.5.9. Perbandingan Kecepatan Pada Sudut Serang 270 .... 86

4.6 Streamline yang terjadi ........................................................ 87

4.7 Koefisien Lift dan Drag (CD dan CL) yang Terjadi

Pada Airfoil .......................................................................... 88

BAB V PENUTUP

5.1. Kesimpulan .......................................................................... 94

5.2. Saran ................................................................................... 96

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

xiv

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Gaya angkat 3D pada bagian sayap ............................. 13

Gambar 2.2. Sirkulasi disekitar airfoil ................................................. 14

Gambar 2.3. Bentuk, bagian dan geometri sebuah airfoil ................. 15

Gambar 2.4 . Letak dari flap dan slat ................................................. 18

Gambar 2.5. Grafik hubungan CL dengan AoA terhadap

fungsi flap dan slat .......................................................... 19

Gambar 2.6. Jenis – jenis flap ............................................................ 21

Gambar 2.7. Letak dan penampang dari slat ..................................... 22

Gambar 2.8. Jenis – jenis aliran fluida .............................................. 25

Gambar 2.9. Lapisan batas dalam sebuah plat datar .......................... 28

Gambar 2.10. Separasi aliran pada benda bulat .................................. 29

Gambar 2.11. Gaya – gaya dari fluida di sekeliling sebuah

benda dua dimensi ......................................................... 31

Gambar 2.12. Jenis sel 2D dan 3D ...................................................... 37

Gambar 2.13. (A) Unstructured mesh, (B) Structured mesh,

dan (C) Hybrid mesh ...................................................... 38

Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian .................................................. 39

Gambar 3.2. Diagram Alir Proses Simulasi ........................................ 41

Gambar 3.3. Profil airfoil pada Software DesignFoil ........................... 42

Gambar 3.4. Pengaturan panjang chord pada AutoCad 2010 ........... 43

Gambar 3.5. Penampang airfoil hasil extrude pada

Software Solidwork 2010 ............................................... 43

Gambar 3.6. Penampang airfoil yang dilengkapi flap dan slat

hasil extrude pada Software Solidwork 2010 ................. 44

Gambar 3.7. Pengaturan sudut serang airfoil pada

Software Solidwork 2010 ................................................. 45

Gambar 3.8. Penampang airfoil yang diberi batasan

pada Ansys 14.5 workbench .......................................... 46

Gambar 3.9. Hasil proses meshing .................................................... 47

Gambar 3.10. Inflation Boundary Layer ................................................ 48

Gambar 3.11. Pengaturan property domain ......................................... 49

Gambar 3.12. Operation conditions ...................................................... 50

Gambar 3.13. Setting solver control ..................................................... 51

Gambar 3.14. Contoh proses solver pada Ansys 14.5

CFX- Solver Manager .................................................... 52

Gambar 3.15. Visualisasi kontur plot tekanan dan

streamline hasil simulasi ................................................ 53

Gambar 4.1. Lokasi dari titik 1 dan titik 2 ........................................... 55

xv

Gambar 4.2. Posisi sudut flap ............................................................ 57

Gambar 4.3. Geometri posisi slat ....................................................... 60

Gambar 4.4. Geometri sudut delta (δ) slat .......................................... 62

Gambar 4.5. Hasil meshing fluida untuk airfoil NACA 2410

with flap dan slat pada Ansys 14.5 – CFD ..................... 64

Gambar 4.6. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan

tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang -80 ...... 65

Gambar 4.7. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan

tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang -20 ...... 66

Gambar 4.8. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan

tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 00 ....... 68

Gambar 4.9. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan

tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 50 ....... 69

Gambar 4.10. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan

tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 100 ..... 70

Gambar 4.11. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan

tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 150 ..... 71

Gambar 4.12. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan

tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 200 ..... 72

Gambar 4.13. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan

tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 250 ..... 74

Gambar 4.14. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan

tekanan pada kedua kondisi airfoil sudut serang 270 ..... 75

Gambar 4.15. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan

perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil

sudut serang -80 ............................................................. 76

Gambar 4.16. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan

perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil

sudut serang -20 ............................................................. 77

Gambar 4.17. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan

perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil

sudut serang 00 .............................................................. 79

Gambar 4.18. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan

perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil

sudut serang 50 .............................................................. 80

Gambar 4.19. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan

perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil

sudut serang 100 ............................................................ 81

Gambar 4.20. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan

perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil

xvi

sudut serang 150 ............................................................ 82

Gambar 4.21. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan

perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil

sudut serang 200 ............................................................ 84

Gambar 4.22. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan

perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil

sudut serang 250 ............................................................ 85

Gambar 4.23. Contour plot pada bidang simetry xy, menunjukkan

perbedaan kecepatan pada kedua kondisi airfoil

sudut serang 270 ............................................................ 86

Gambar 4.24. Streamline kecepatan disekitar airfoil pada

sudut serang 200 ............................................................ 87

Gambar 4.25. Fenomena aliran turbulence dan terjadinya vortex di atas

flap pada sudut serang 200 dan defleksi flap 300 ........... 88

xvii

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1. Kondisi batas meshing ........................................................ 47

Tabel 3.2. Pengaturan inflation pada mesh ......................................... 48

Tabel 3.3. Kondisi operasi ................................................................... 50

Tabel 4.1. Data hasil verifikasi software .............................................. 55

Tabel 4.2. Hasil simulasi optimasi flap ................................................. 58

Tabel 4.3. Variabel jarak x ................................................................... 60

Tabel 4.4. Hasil proses meshing NACA 2410 dengan flap dan slat .... 64

Tabel 4.5. Hasil proses meshing NACA 2410 tanpa flap dan slat ....... 64

xviii

DAFTAR GRAFIK

Grafik 4.1. Hubungan koefisien lift dengan posisi flap pada

sudut flap 300 ..................................................................... 59

Grafik 4.2. Hubungan antara koefisien lift dengan jarak x

Pada posisi flap 300 dan jarak slat 4% chord .................... 61

Grafik 4.3. Hubungan antara koefisien lift dengan sudut slat pada

posisi flap 300, jarak slat 4% chord dan sudut slat -20 ....... 62

Grafik 4.4. Hubungan antara koefisien lift dengan sudut serang hasil

perbandingan dengan penelitian Prabhakar (2013) ........... 91

Grafik 4.5. Hubungan antara koefisien drag dengan sudut serang ..... 91