i

TUGAS AKHIR

STUDI WINGLET NACA 2409 MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL

FLUID DYNAMIC (CFD)

Disusun Sebagai Syarat Untuk Mencapai Gelar Sarjana Teknik

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta

Disusun oleh:

Alif Komarudin

NIM : D200110134

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

2015

ii

iii

iv

v

vi

MOTTO

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.

Yakinlah, bahwa di setiap kerja keras kita hari ini,

akan membuat kita tersenyum manis di suatu hari nanti,

karna ALLAH SWT MAHA ADIL

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.

Tri Hartanto, Edy Nugroho, Herlambang Putra Jawi, yang selalu

membantu dalam segala hal baik moril maupun materiel.

Sahabatku (teman-teman angkatan 2011 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 Moh. Alfatih Hendrawan,

MT. Bapak Dosen pembimbing satu tugas akhir Ir. Sarjito, MT.,

Ph.D.dan Bapak Dosen pembimbing dua tugas akhir Ir. Sunardi

Wiyono, MT 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 Ir. Sri Sunarjono MT. Ph.D selaku Dekan Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta.

2. Bapak Tri Widodo BR. ST. MSc., Ph.Dselaku 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 Ir. Sunardi Wiyono, MT selaku Dosen Pembimbing II yang telah

meluangkan waktunya untuk memberikan bimbingan dan arahannya.

5. Bapak Moh. Alfatih Hendrawan, MT. selaku Pembimbing Akademik.

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

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 2011 yang sudah banyak membantu saya dan

mendukung saya dalam perkuliahan selama di Universitas

Muhammadiyah Surakarta.

ix

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

Alif Komarudin

x

ABSTRAKSI

Di masa lalu penelitian untuk mengetahui peforma suatu benda aerodinamika harus melalui simulasi wind tunnel. Dalam hal ini pengujian menggunakan wind tunnel dari segi akurasi, seksi uji, dan biaya kurang efektif. Oleh sebab itu pada perkembangan teknologi guna memperoleh efektifitas dan akurasi hasil, seksi uji, serta biaya dikembangkan softwere pengganti simulasi wind tunnel, Softwere itu antara lain Ansys, SolidWork, dsb. Tujuan penelitian ini adalah mengetahui optimal winglet, hubungan antara ketinggian penerbangan terhadap performa coefisient lift (CL) dan coefisient drag (CD), distribusi tekanan sertakecepatan pada winglet. Dalam studi penelitian ini dijelaskan hubungan kinerja winglet NACA 2409 pada ketinggian penerbangan 2 km, 4 km, 6 km, 8 km, 10 km, 12 km, 14 km, 16 km, 18 km, 20 km, 24 km, 28 km, 30 km, 32 km terutama hubungan CL dan CD secara komputasi. Percobaan diawali dengan pembuatan model winglet menggunakan SolidWorks, setelah itu meshing dan proses perhitungan yang dilakukan software Ansys-CFD. Analisa meliputi distribusi tekanan dan kecepatan. Hasil penilitian menujukan bahwa kenaikan ketinggian penerbangan dikuti perubahan beberapa hal. Hal tersebut adalah tekanan, suhu, densitas, serta gaya angkat dan gaya hambat. hasil yang diperoleh yang tertinggi pada ketinggian 20 km dengan presurre 5529 Pa, densitas 0,0889 kg.m-3, suhu 216,6 K mendapatkan koefisien lift ( CL ) sebesar 0,921626346 serta koefisien Drag ( CD ) sebesar 0,053 . Hasil terendah pada ketinggian 32 km dengan pressure 889 Pa, densitas 0,0889 kg.m-3, suhu 228,5 K mendapatkan koefisien lift ( CL ) sebesar 0,5266 serta koefisien Drag ( CD ) sebesar 0,0385.

Kata kunci : winglet, NACA, Ketinggian, CL, CD

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

BAB I PENDAHULUAN

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

1.2 Perumusan Masalah .................................................................... 2

1.3 Batasan Masalah ......................................................................... 3

1.4 Tujuan penilitian ........................................................................... 4

1.5 Sistematika Penulisan .................................................................. 4

BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI

2.1 Tinjuan Pustaka ........................................................................... 6

2.2 Landasan Teori ............................................................................ 9

2.3 Karakteristik Aliran Fluida ............................................................ 12

2.5 Konsep Dasar Aliran Fluida .......................................................... 13

2.5 Koefisien Lift dan Drag ................................................................ 18

2.6 Kurva Lift .................................................................................... 19

2.7 Atmosfir ....................................................................................... 21

xii

2.8 Winglet ......................................................................................... 23

2.9 Computational Fluid Dynamic (CFD) .......................................... 24

BAB III METODE PENELITIAN

3.2 Diagram Alir Penelitian ................................................................. 29

3.2 Langkah – Langkah simulasi winglet NACA 2409 dengan

computatin fuid dynamic ( CFD ) ................................................. 30

3.2.1 Pembuatan Geometry dan proses meshing ..................... 31

3.2.2 Pre processor ................................................................... 37

3.2.3 Solver Manager ................................................................ 40

3.2.4 Post processor .................................................................. 41

BAB IV PEMBAHASAN DAN ANALISA DATA

4.1. Verifikasi Software dan Validasi Data ........................................ 43

4.2 Studi Optimasi Sudut cant dan Sudut Serang pada winglet NACA

2409 model Wingtip Fance .......................................................... 45

4.2.1 Optimasi Sudut cant ........................................................... 45

4.2.2 Optiamsi Sudut Serang ...................................................... 47

4.3 Studi winglet NACA 2409 model Wingtip Fance dengan sudut cant

340 dan sudut serang 120 Hubungan Perubahan Ketinggian

Terhadap Koefisien Lift ( CL ) Dan Koefisien Drag ( CD ) ............ 48

4.4 Studi visualisasi winglet NACA 2409 model Wingtip Fance dengan

sudut cant 340 dan sudut serang 120 .......................................... 52

4.4,1 Visualisasi pressure saat ketinggian 12 km ........................ 52

4.4.2 Visualisasi pressure saat ketinggian 14 km ....................... 53

4.4.3 Visualisasi pressure saat ketinggian 16 km ...................... 54

4.4.4 Visualisasi pressure saat ketinggian 18 km ....................... 55

4.4.5 Visualisasi pressure saat ketinggian 20 km ....................... 56

xiii

4.4.6 Visualisasi Velocity saat ketinggian 12 km ......................... 57

4.4.7 Visualisasi Velocity saat ketinggian 14 km ......................... 58

4.4.8 Visualisasi Velocity saat ketinggian 16 km ......................... 59

4.4.9 Visualisasi Velocity saat ketinggian 18 km ........................ 60

4.4,10 Visualisasi Velocity saat ketinggian 20 km ....................... 61

BAB V PENUTUP

5.1 Kesimpulan ................................................................................ 63

5.2 Saran ......................................................................................... 64

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Bentuk,bagian dan geometri sebuah airfoil ......................... 9

Gambar 2.2 Jenis – jenis Aliran fluida .................................................... 13

Gambar 2.3 Lapisan batas dalam sebuah plat datar .............................. 16

Gambar 2.4 Separasi Aliran pada benda bulat...................................... 17

Gambar 2.5 Gaya-gaya pada airfoil ........................................................ 19

Gambar 2.6 Kurva lift .............................................................................. 19

Gambar 2.7 Pembagian atmosfir ............................................................. 21

Gambar 2.8 Macam – macam winglet ..................................................... 23

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ........................................................ 29

Gambar 3.2 Diagram Alir Simulasi .......................................................... 30

Gambar 3.3 Desain Winglet untuk simulasi ............................................. 32

Gambar 3.4 Prototipe Winglet ................................................................. 32

Gambar 3.5 Hasil impor pada producing geometry ................................. 33

Gambar 3.6 Computational Domain ........................................................ 34

Gambar 3.7 Hasil proses meshing .......................................................... 35

Gambar 3.8 Inflation Boundary Layer ...................................................... 37

Gambar 3.9 Pengaturan property domain ............................................... 38

Gambar 3.10 Letak kondisi batas untuk domain komputasi .................... 38

Gambar 3.11 Kontrol solver padakondisisteady danunsteady/transient .. 41

Gambar 3.12 function calculator hasil simulasi dengan software CFX-

post ........................................................................................... 42

xv

Gambar 4.1 Diagram hubungan antara sudut serang terhadap coefisient

lift pada winglet NACA 2409 model Wingtip Fance dengan sudut

cant 450 .................................................................................... 44

Gambar 4.2 Diagram Optiamsi sudut cant pada winglet NACA 2409

model Wingtip Fance ................................................................ 46

Gambar 4.3 Diagram hubungan antara sudut serang pada simulasi

winglet cant 340 ....................................................................... 47

Gambar 4.4 Diagram hubungan antara ketinggian penerbangan terhadap

koefisien Lift ( CL ) ..................................................................... 50

Gambar 4.5 Diagram hubungan antara ketinggian penerbangan terhadap

koefisien Drag ( CD ) .................................................................. 51

Gambar 4.6 Visualisasi pressure saat ketingggian 12 km ...................... 52

Gambar 4.7 Visualisasi pressure saat ketingggian 14 km ...................... 53

Gambar 4.8Visualisasi pressure saat ketingggian 16 km ....................... 54

Gambar 4.9 Visualisasi pressure saat ketingggian 18 km ...................... 55

Gambar 4.10 Visualisasi pressure saat ketingggian 20 km .................... 56

Gambar 4.11 Visualisasi pressure saat ketingggian 12 km .................... 57

Gambar 4.12Visualisasi velocity saat ketingggian 14 km ....................... 58

Gambar 4.13 Visualisasi velocity saat ketingggian 16 km ...................... 59

Gambar 4.14 Visualisasi velocity saat ketingggian 18 km ...................... 60

Gambar 4.15 Visualisasi velocity saat ketingggian 20 km ....................... 61

xvi

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Kondisi batas meshing ............................................................. 35

Tabel 3.2 Hasil proses meshing winglet Naca 2409 ................................ 35

Tabel 3.3 Pengaturan inflation pada mesh .............................................. 36

Table 3.4 Kondisi batas untuk kondisi simulasi steady state ................... 40

Tabel 4.1 nilai kondisi lingkungan simulasi .............................................. 43

Tabel 4.2 Data hasil validasi .................................................................... 45

Tabel 4.3 Standart Internasional Atmosphere ( SIA ) ............................... 49