Jurnal Kajian Teknik Mesin Vol .
Halaman Available online at JKTM Website :
http://journal.
id/index.
php/jktm/index JURNAL KAJIAN TEKNIK MESIN Vol.
NoA Hal Jurnal Artikel Analisis Lift Performance Sayap Pesawat Terhadap Penambahan Winglet dan Variasi Aspect Ratio Muhammad Farhan Abidin1*.
Bobie Suhendra2.
Aripin3 Teknik Mesin.
Universitas Singaperbangsa Karawang Teknik Mesin.
Universitas Singaperbangsa Karawang Teknik Mesin.
Universitas Singaperbangsa Karawang 1910631150108@student.
id, 2bobie.
suhendra@ft.
id, 3arifin@staff.
*Corresponding author Ae Email : 1910631150108@student.
Artkel Info - : Received :
Revised :
Accepted:
Abstrak Sayap merupakan komponen vital dalam sebuah pesawat terbang karena berperan dalam terbentuknya gaya angkat pesawat.
Sayap pesawat juga memiliki beragam parameter yang bertujuan menunjang performa gaya angkat pesawat, seperti aspect ratio, tapper ratio, sudut sibak dan sudut twist.
Dalam penelitian ini parameter aspect ratio dianalisis lebih dalam untuk melihat pengaruhnya terhadap lift performance sayap seperti Cl dan Cd.
Selain itu, efek penambahan winglet akan ikut dikaji dalam penelitian ini karena komponen ini umum ditemui pada sayap pesawat saat ini yang ditujukan untuk meningkatkan efisiensi aerodinamis sayap.
Sebagai bahan analisis, sayap pesawat CN-235 dipilih dalam analisis ini.
Analisis dilakukan dengan metode simulasi menggunakan Ansys Fluent untuk memeroleh karakteristik Cl dan Cd.
Metode ini menghasilkan geometri, perilaku aliran, serta karakteristik aerodinamika sayap dengan menggunakan persamaan RANS (Reynolds Averaged Navier-Stoke.
dengan model turbulen.
Hasil analisis menunjukkan bahwa dengan menggabungkan variasi aspect ratio dan penambahan winglet pada planform sayap maka menghasilkan sayap yang mampu meraih sudut serang maksimum yang lebih rendah dari variasi sayap yang lain dan koefisien lift yang lebih tinggi.
Selain itu, sayap juga mampu menghasilkan efisiensi yang lebih tinggi pada jenis sayap dengan winglet.
Kata Kunci: aspect ratio.
koefisien drag.
koefisien lift.
Abstract Wings are a vital component in an airplane because they play a role in the formation of the aircraft's lift Airplane wings also have various parameters that aim to support the performance of aircraft lift, such as aspect ratio, tapper ratio, offset angle and twist angle.
In this study the aspect ratio parameter was analyzed more deeply to see its effect on wing lift performance such as Cl and Cd.
In addition, the effect of adding winglets will also be studied in this study because these components are commonly found on current aircraft wings which are intended to increase wing aerodynamic efficiency.
As an analysis material, the CN-235 aircraft wing was chosen in this analysis.
The analysis was carried out using a simulation method using Ansys Fluent to obtain the characteristics of Cl and Cd.
This method produces geometry, flow behavior, and aerodynamic characteristics of the wing using the RANS (Reynolds Averaged Navier-Stoke.
equation with the turbulent model.
The results of the analysis show that combining aspect ratio variations and adding winglets to the wing planform results in a wing capable of achieving a lower maximum angle of attack than other wing variations and a higher lift coefficient.
addition, the wings are also able to produce higher efficiency on the types of wings with winglets.
Keywords: aspect ratio.
drag coefficient.
lift coefficient.
PENDAHULUAN
Pesawat CN 235 adalah sebuah peswat transportasi taktis yang dikembangkan oleh perusahaan penerbangan Indonesia.
IPTN Jurnal Kajian Teknik Mesin Vol .
ekarang dikenal sebagai PT Dirgantara Indonesi.
bekerja sama dengan perusahaan penerbangan Spanyol.
CASA .
ekarang dikenal sebagai Airbus Militar.
Pesawat ini pertama kali diperkenalkan pada tahun 1983 dan telah digunakan oleh berbagai negara di seluruh dunia.
CN 235
dirancang sebagai kemampuan serbaguna, dapat digunakan untuk berbagai misi termasuk transportasi penumpang dan kargo, misi SAR (Search And Rescu.
, pemadam kebakaran, pengintaian maritim, patroli perbatasan, dan ragam kegunaan lainnya.
Pesawat ini memiliki kemampuan operasi dari landasan pacu yang pendek dan tidak beraspal, membuatnya cocok untuk operasi di daerah terpencil atau wilayah dengan infrastruktur yang terbatas.
Kemampuan pesawat ini dalam melakukan berbagai misi direpresentasikan melalui prestasi terbang pesawat tersebut.
Prestasi terbang mengacu pada kecepatan maksimum pesawat, jarak maksimum yang dapat ditempuh, kapasitas penumpang, manuvertabilitas pesawat.
Prestasi terbang tersebut berhubungan dengan peran sayap pesawat yang akan memengaruhi prestasi Hal ini dikarenakan pada sayap tertumpu hampir seluruh beban yang ada seperti gaya aerodinamik, gaya inersial, dan gaya propulsi.
Untuk menanggung seluruh beban pada pesawat maka perlu untuk memperhatikan parameter-parameter yang ada pada sayap.
Parameter penting pada sayap pesawat adalah aspect ratio, tapper ratio, sudut dihedral, sudut sibak, dan sudut twist.
Pada penelitian ini parameter sayap yang diteliti adalah aspect ratio yang akan diuji.
Selain aspect ratio variabel lainnya yang akan dikaji adalah efek penambahan winglet pada setiap variasi aspect ratio.
Tujuan penelitian ini dilakukan untuk mengetahui lift performance pesawat berupa koefisien lift (C.
, koefisien drag (C.
, dan efisiensi aerodinamis ().
Proses penghitungan lift .
Halaman menggunakan Ansys Fluent .
Sayap pesawat terbang merupakan komponen vital yang berperan penting dalam prosesnya untuk mengangkat badan pesawat dan menerbangkan pesawat terbang menuju tujuannya.
Sayap pesawat terbang dalam prinsipnya yang paling sederhana berfungsi untuk menghasilkan gaya angkat melalui bentuknya yang .
Sayap penghasil utama gaya angkat, tersusun atas airfoil di seluruh luasan sayap .
Pada bagian ujung sayap umumnya terjadi aliran turbulen yang biasa disebut wingtip vortex.
Ini merupakan fenomena aliran udara menggulung ke belakang pada ujung sayap yang dikarenakan perbedaan tekanan pada bagian atas dan bawah sayap Pergerakan menggulung ke belakang .
terjadi akibat gerak maju pesawat .
Aspect ratio merupakan perbandingan kuadrat panjang bentang sayap .
terhadap panjang sayap dari depan ke .
Berdasarkan penjelasan berikut, aspect ratio dapat dirumuskan sebagai berikut:
ycyc = yeEya Dimana berdasarkan rumusan di atas dapat terlihat bahwa aspect ratio yang lebih tinggi akan memiliki gaya hambat yang lebih rendah pada kondisi gaya angkat tertentu dibandingkan dengan sayap yang memiliki luas yang sama namun lebih pendek dan lebar.
Aerodinamika merupakan suatu cabang ilmu dinamika fluida dan gas yang mempelajari pergerakan udara khususnya saat berinteraksi dengan benda padat.
Interaksi aerodinamis yang timbul akibat gesekan udara dengan sayap pesawat terbang sehingga terjadi perbedaan tekanan antara permukaan sayap bagian atas dan bagian bawah .
Setidaknya terdapat dua gaya yang timbul yaitu, gaya angkat pesawat .
dan gaya hambat pesawat .
Gaya angkat pesawat (L) timbul akibat Jurnal Kajian Teknik Mesin Vol dari resultan gaya (R) yang tegak lurus terhadap kecepatan aliran bebas .
cO ) yang dalam hal ini adalah kecepatan udara.
Sedangkan gaya hambat (D) pesawat timbul akibat resultan gaya (R) yang sejajar dengan kecepatan aliran bebas.
Selain itu terdapat gaya normal (N) yang merupakan gaya yang timbul dari resultan gaya (R) yang tegak lurus terhadap chord .
Sedangkan gaya aksial (A) timbul akibat resultan gaya (R) yang sejajar dengan chord .
Hubungan geometrik antar gaya dapat dilihat pada gambar di bawah.
Gambar 1.
Hubungan geometrik gaya aerodinamika .
Berdasarkan hubungan geometrik gaya aerodinamika yang ditampilkan pada gambar di atas, dapat digambarkan suatu persamaan berikut .
ya = ycA cos yu Oe ya sin yu ya = ycA sin yu ya cos yu dimana merupakan sudut serang dari sayap pesawat.
Pengetahuan mengenai gaya-gaya aerodinamik sangat penting dalam proses analisis untuk menghasilkan serangkaian Namun, banyaknya parameter pengujian dalam menentukan besar gaya-gaya aerodinamik tersebut menjadi sukar untuk ditentukan melalui pengujian eksperimental.
Dengan adanya koefisien gaya tak berdimensi, dimensi sayap dapat diperkecil untuk pengujian terowongan angin, karena nilai koefisien gaya tak berdimensinya sama walaupun dengan skala ukuran sayap yang berbeda .
Koefisien gaya tak .
Halaman berdimensi dapat diformulasikan sebagai ya yaya O yc ycI ya yaya O yc ycI ycO = 2 yuUO ycOO2 Gambar 2.
a Whitcomb winglet.
b Tip c Canted winglet.
d Vortex e Raked winglet.
f Blended g Blended split h Sharklet.
i Spiroid winglet.
Downward canted k Active winglets.
l Tip sails .
Pada gambar di atas terlihat beberapa jenis winglet yang umum digunakan pada sayap pesawat.
Seperti jenis raked winglet memiliki bentuk yang sedikit miring atau condong ke belakang.
Tipe winglet ini dirancang untuk mengurangi turbulensi di ujung sayap dengan mengalihkan aliran udara di sekitar ujung sayap, jenis winglet ini diterapkan pada pesawat Boeing 787 Dreamliner menggunakan raked winglet.
Jenis winglet yang umum digunakan selanjutnya adalah blended winglet di mana tipe ini memiliki bentuk melengkung yang terintegrasi dengan sayap.
Desain ini memberikan transisi yang halus antara sayap dan winglet, mengurangi turbulensi dan meningkatkan efisiensi aerodinamis.
Jenis winglet lainnya adalah canted winglet yang dalam penerapannya dapat memvariasikan sudut cant, di mana besar sudut cant yang baik akan membantu memengaruhi aliran udara di sekitar sayap, mengurangi resistensi induksi dan meningkatkan efisiensi aerodinamis sayap .
Hal ini Jurnal Kajian Teknik Mesin Vol ditujunkkan oleh penelitian yang dilakukan Guerrero.
Sanguineti.
Wittkowski pada 2020 di mana sudut cant yang tepat dapat meningkatkan kurva lift maksimum, dan meningkatkan lift-to-drag Sehingga dalam penelitian ini dipilihlah jenis canted winglet sebagai tipe winglet yang akan diterapkan .
METODE PENELITIAN
Dalam penelitian ini jenis airfoil yang digunakan adalah NACA 65.
Airfoil jenis ini merupakan airfoil yang diterapkan pada sayap pesawat CN 235.
Airfoil kemudian dikembangkan pada software Solidworks untuk membuat desain 3D dari sayap pesawat yang akan diuji.
Dalam pengujian ini dibuat 3 variasi aspect ratio, yaitu AR 0,4.
AR 7,13.
dan AR 12 dengan menggunakan winglet.
Winglet yang digunakan dalam penelitian ini adalah jenis canted winglet dengan sudut 45A.
Gambar 3.
Desain 3D sayap .
tanpa winglet dan .
dengan winglet Selanjutnya file desain sayap pesawat disimpan dalam bentuk .
STEP
untuk diekspor ke dalam Ansys Spececlaim.
Di dalam Ansys Spaceclaim file desain kemudian diolah lebih lanjut untuk membuat enclosure yang berfungsi sebagai wind tunel virtual.
Kemudian melakukan proses name selection untuk memberikan nama pada setiap part enclosure dan desain sayap, ini berfungsi .
Halaman untuk memudahkan pemberian boundary condition pada proses setup di Ansys Fluent.
Gambar 4.
Enclosure yang telah dibuat Proses melakukan meshing pada geometri yang telah dibuat.
Pada penelitian ini jenis mesh yang digunakan adalah unstructed mesh dengan jumlah mesh 300.
Dalam proses meshing yang terpenting adalah bagaimana mesh yang dibuat mampu merepresentasikan geometri yang telah dibuat, hal ini bertujuan agar analisis CFD dalam Ansys Fluent tidak melenceng.
Semakin banyak jumlah mesh yang digunakan maka hasil simulasi yang akan diperoleh juga semakin akurat .
Namun, penggunaan mesh dalam jumlah yang banyak akan memakan waktu simulasi Sehingga memerhatikan kapasitas memori komputer yang digunakan agar tetap mampu menjalankan simulasi dengan baik.
Gambar 4.
Hasil meshing Untuk melanjutkan pada proses simulasi pada Ansys Fluent diperlukan data karakteristik udara yang akan di-input.
Maka dari itu, berikut adalah tabel yang memuat karakteristik udara yang akan disimulasikan pada Ansys Fluent.
Tabel 1.
Karakteristik Udara .
Jurnal Kajian Teknik Mesin Vol .
Halaman Karakteristik Ukuran Ketinggian Density 653 kg/m3 Total Pressure 46576,188 Pa Temperature 248,547 K Velocity 126 m/s Viscocity 1,59e-5 kg/m.
Setelah mengetahui karakteristik udara yang akan disimulasikan, maka dapat dilakukan proses simulasi pada Ansys Fluent.
Hasil simulasi akan menghasilkan besar nilai lift performance yaitu koefisien lift (C.
dan koefisien drag (C.
pada setiap variasi sayap yang diuji.
Setelahnya, nilainilai tersebut dapat diolah dalam bentuk tabulasi maupun grafik, dan hasil simulasi dapat divisualisasikan dalam bentuk kontur yang akan menampilkan distribusi tekanan dan lain sebagainya.
titik koefisien lift maksimum, sayap pesawat mulai mengalami penurunan di mana pada sudut serang 20A terjadi penurunan di semua variasi aspect ratio.
Variasi aspect ratio 12 mengalami penurunan yang lebih rendah dibandingkan dengan variasi aspect ratio lainnya.
Hal ini disebabkan oleh pertambahan koefisien drag yang lebih besar pada aspect ratio 12.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Sayap tanpa winglet
0,05
Koefisien lift terhadap sudut serang
AR 10,16
AR 7,13
AR 12
AoA Gambar 5.
Grafik Cl variasi aspect ratio Berdasarkan grafik di atas terlihat bahwa Clmax terjadi ketika sayap dengan variasi AR 12 berada pada sudut serang 15A.
Hal ini menunjukkan perbaikan tingkat lift performance pada sayap pesawat jika dibandingkan dengan aspect ratio pabrikan yaitu AR 10,16.
Namun, seperti yang dipaparkan pada bagian landasan teori bahwa setelah mencapai Clmax sayap pesawat akan mengalami penurunan bertambahnya keofisien gaya hambat.
Pada gambar di atas terlihat setelah mencapai Koefisien drag terhadap sudut serang
0,25
0,15
AR 10,16
AR 7,13
AR 12
AoA Gambar 6.
Grafik Cd pada variasi aspect Berdasarkan grafik di atas terlihat bahwa kenaikan aspect ratio pada sayap pesawat juga diikuti oleh kenaikan Grafik menggambarkan aspect ratio yang lebih besar mengalami pertumbuhan koefisien gaya hambat yang lebih besar daripada variasi aspect ratio lainnya.
Hal ini pula yang menyebabkan pada sudut serang yang tinggi aspect ratio yang lebih besar memiliki koefisien gaya angkat yang lebih rendah dibandingkan sayap dengan variasi aspect ratio lainnya.
Pertumbuhan nilai koefisien drag terjadi karena adanya peristiwa separasi aliran udara pada upper surface yang lebih tinggi dibandingkan permukaan sayap pesawat dengan aspect ratio yang lebih rendah.
Jurnal Kajian Teknik Mesin Vol
Halaman Efisiensi terhadap sudut serang
AR 10,16
AR 7,13
Cl/Cd AR 12
AoA
Koefisien lift terhadap sudut serang
AR 10,16
Winglet .
Gambar 7.
Separasi aliran .
AR 7,13 dan .
AR 12 Separasi fenomena aliran udara di sekitar sayap pesawat tidak mengikuti kontur permukaan dengan baik dan terlepas dari permukaan tersebut .
Pada gambar di atas terlihat adanya separasi aliran udara yang terjadi pada kedua kondisi sayap antara variasi AR 7,13 dan AR 12.
Pada sudut serang tinggi yaitu 17A, sayap dengan AR 7,13 permukaan atas sayap memiliki kecepatan yang lebih tinggi dibandingkan dengan kecepatan udara pada bagian atas sayap AR 12.
Hal ini berpengaruh penting terhadap terjadinya separasi aliran karena kecepatan udara yang rendah akan menyebabkan tekananan udara menurun dan mengakibatkan aliran udara terlepas .
Gambar 8.
Grafik efisiensi dari beragam variasi aspect ratio Separasi aerodinamis pada pesawat.
Aliran yang terlepas dari permukaan menciptakan turbulensi yang meningkatkan gaya gesek dan mengurangi efisiensi aerodinamis.
Gambar di atas menunjukkan hal tersebut di mana pada sudut serang rendah ketika sayap pesawat tidak mengalami separasi aliran, efisiensi aerodinamis sayap AR 12 sangat tinggi yaitu 22,8%.
Namun, saat sudut serang semakin tinggi efisiensinya terus menurun akibat fenomena separasi aliran yang terjadi.
Sayap dengan winglet
AR 7,13
Winglet
AR 12
Winglet AoA Gambar 9.
Grafik Cl variasi sayap dengan Sekilas terlihat grafik di atas tidak jauh berbeda dengan grafik pada gambar sebelumnya, namun dalam grafik di atas terjadi penambahan koefisien gaya angkat pada sayap pesawat.
Pada setiap variasi aspect ratio yang diuji mengalami kenaikan Clmax.
Sayap dengan AR 10,16 mengalami kenaikan Clmax dari 1,108 menjadi 1,12 dan begitu juga dengan AR 12 dari 1,096 menjadi 1,109.
Perbandingan koefisien lift dari setiap variasi aspect ratio dengan atau tanpa winglet dapat terlihat dari grafik di bawah ini.
Dalam grafik di bawah juga dapat terlihat bahwa pada sayap tanpa winglet dengan AR 7,13 memiliki koefisien lift yang sedikit lebih besar dibandingkan dengan jenis AR yang sama namun dengan menggunakan winglet.
Hal ini dipengaruhi oleh disebabkan ketidakcocokan jenis winglet yang diterapkan pada sayap jenis AR 7,13.
Ketidakcocokan ini menyebabkan aliran udara di sekitar sayap terganggu sehingga menimbulkan turbulensi yang pada Fenomena ini didukung oleh penelitian yang dilakukan J.
Guerrero.
Sanguineti.
Wittkowski pada 2020 yang meniliti tentang pengaruh variasi sudut cant pada jenis canted winglet terhadap lift performance sayap Onera M6.
Hasil yang didapatkan adalah bahwa pada sudut serang 20A jenis sayap tanpa winglet menghasilkan koefisien lift yang sedikit lebih besar dibandingkan dengan sayap yang menggunakan winglet dengan sudut cant 80A .
Halaman Koefisien lift terhadap sudut serang
AR 10,16
Winglet
AR 7,13
Winglet
AR 12
Winglet
AR 10,16
Jurnal Kajian Teknik Mesin Vol
AR 7,13
AoA Gambar 10.
Grafik Cl pada semua variasi Kenaikan koefisien lift yang lebih tinggi saat sayap pesawat menggunakan winglet terjadi karena salah satu penyebab utama separasi aliran adalah turbulensi yang terbentuk di ujung sayap.
Winglet dirancang untuk mengurangi turbulensi ini dengan mengalihkan aliran udara di sekitar ujung sayap.
Dapat terlihat pada gambar di bawah merupakan kondisi pertumbuhan turbulensi di ujung sayap .
ingtip vorte.
menggunakan winglet.
Gambar 11.
Wingtip vortex pada sayap .
winglet dan .
tanpa winglet Pada gambar di atas dapat terlihat bahwa sayap dengan penambahan winglet Jurnal Kajian Teknik Mesin Vol dapat lebih mampu mengarahkan aliran udara yang turbulen pada permukaan Dengan mengarahkan aliran udara turbulen pada ujung sayap, winglet membantu menjaga aliran udara tetap melekat pada permukaan sayap pesawat, sehingga mengurangi terjadinya separasi aliran udara.
Selanjutnya, seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa separasi aliran menyebabkan resistensi berupa penambahan gaya hambat akibat timbulnya gaya gesek yang semakin tinggi seiring dengan pertambahan sudut serang pesawat.
Penggunaan winglet dalam penelitian ini menunjukkan bahwa gaya hambat dapat direduksi melalui pertumbuhan koefisien drag pada kurva di bawah ini.
0,25
Koefisien drag terhadap sudut serang
AR 10,16
Winglet
AR 7,13
Winglet
AR 12 Winglet
0,15
AR 10,16
AR 7,13
AR 12
0,05
AoA Gambar 12.
Grafik Cd pada semua variasi Berdasarkan grafik di atas dapat dibuat sebuah gambaran mengenai peran winglet dalam mereduksi koefisien drag yang terjadi.
Dengan melakukan tabulasi terkait data yang telah diperoleh pada grafik di atas, maka dapat dilihat tabel drag kemampuan winglet dalam mengurangi resistensi gaya hambat yang terjadi pada variasi setiap sayap.
Tabel-tabel di bawah menunjukkan bahwa winglet mereduksi cukup besar resistensi gaya hambat yang terjadi dengan nilai maksimum 2,63% pada variasi sayap pesawat AR 12 di sudut serang 5A.
Tabel 2.
Drag reduction AR 10,16 .
Halaman AoA
OICd
0,017742
0,025879
0,016426
0,011427
0,001047
0,001842
0,018111
Drag
(%)
1,774164
2,587938
1,642611
1,142728
0,104692
0,184222
1,811052
Tabel 3.
Drag reduction AR 7,13 Drag reduction AoA
OICd
(%)
0,019057 1,90571
0,02456
2,45598
0,005839 0,583884
0,006866 0,686616
0,013917 1,391734
0,01361
1,361031
0,001219 0,121922
Tabel 4.
Drag reduction AR 12
Drag reduction AoA
OICd
(%)
0,013665 1,366546
0,026314 2,631405
0,016618 1,661811
0,013512 1,351206
0,006148 0,614758
0,007816 0,781572
0,013129 1,312885
Dengan pengurangan koefisien drag maka implikasi selanjutnya adalah penambahan winglet mampu menaikkan efisiensi aerodinamis pada sayap seperti terlihat pada gambar di bawah ini.
Di mana dapat terlihat bahwa konfigurasi sayap dengan AR 12 dan penambahan winglet menghasilkan efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan konfigurasi sayap lainnya.
Hal ini menunjukkan adanya keterkaitan yang baik antara memvariasikan aspect
ratio sayap pesawat dengan penambahan Jurnal Kajian Teknik Mesin Vol
Efisiensi terhadap sudut serang
Cl/Cd AR 10,16 Winglet
AR 7,13
Winglet
AR 12
Winglet
AR 10,16
AR 7,13
AoA Gambar 13.
Efisiensi pada setiap variasi Penambahan winglet pada sayap pesawat yang mampu menghasilkan koefisien gaya angkat yang lebih besar dibandingkan sayap pesawat tanpa winglet dipengaruhi oleh distribusi tekanan yang Pada sayap dengan winglet tekanan pada bagian bawah sayap mampu terbentuk lebih besar dibandingkan dengan sayap tanpa winglet.
Hal ini menyebabkan sayap pesawat mampu menghasilkan gaya angkat yang lebih besar dibandingkan sayap tanpa winglet.
Distribusi tekanan pada sayap pesawat dengan dan tanpa winglet ini dapat dilihat melalui grafik di bawah ini.
Gambar 14.
Grafik distribusi tekanan DAFTAR PUSTAKA