-
Modul Eksperimen
PENGUKURAN TEKANAN DAN GAYA
HAMBAT PADA AIRFOIL EPPLER 205
PENYUSUN:
Dr. Romie Oktovianus Bura, B.Eng.(Hons.)
dan Tim Asisten Laboratorium Aerodinamika
Laboratorium Aerodinamika
Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara
Institut Teknologi Bandung
-
I. LATAR BELAKANG
Pengukuran karakteristik aerodinamik airfoil dapat dilakukan
dengan 2 metode, yaitu:
1. Menggunakan balance.
2. Mengukur tekanan pada permukaan airfoil dan tekanan
dibelakang airfoil.
Dengan menggunakan balance, keluaran hasil pengujian langsung
berupa gaya-gaya dan
momen-momen. Dibandingkan dengan metode kedua, metode ini
memberikan keuntungan
antara lain:
1. Waktu pengujian dan analisis lebih singkat.
2. Analisis lebih sederhana.
Metode ini baik digunakan untuk mencari karakteristik
aerodinamik benda-benda 3 dimensi,
terutama benda dengan dimensi dan bentuk sembarang, karena tidak
membutuhkan
analisis keadaan udara sepanjang permukaan benda uji
tersebut.
Untuk pengembangan dan penelitian, pengujian karakteristik
aerodinamik airfoil lazim
dilakukan menggunakan metode integrasi tekanan. Waktu pengujian
dan analisis mungkin
lebih lama, tetapi dengan metode ini, keadaan aliran sepanjang
permukaan airfoil dan
dibelakang airfoil dapat diketahui. Keadaan aliran ini berguna
sebagai data masukan jika
pengujian dimaksudkan untuk mencari airfoil dengan karakteristik
yang lebih baik.
II. TUJUAN
- Menentukan distribusi tekanan yang terjadi di sepanjang
permukaan airfoil Eppler
205
- Menentukan gaya hambat airfoil Eppler 205 dengan menggunakan
wake rake
III. DASAR TEORI
3.1 Pengukuran gaya hambat dengan metode momentum
Dengan metode momentum, gaya hambat airfoil dievaluasi dari
total head loss, yaitu
pengurangan momentum di dalam ulakan (wake). Cara yang dilakukan
yaitu dengan
memasang wake rake tegak lurus terhadap bentangan sayap di
belakang tepi buritan airfoil.
Dalam percobaan ini gaya hambat hanya dievaluasi di suatu tempat
tertentu dalam arah
-
bentangan sayap. Oleh sebab ketidaksempurnaan model, mungkin
akan terjadi variasi gaya
hambat sepanjang bentangan sayap, penjajagan gaya hambat
sepanjang bentangan sayap
perlu dikerjakan lebih dahulu untuk memilih posisi yang
memberikan harga rata-rata gaya
hambat.
wake
321
u1
u2
Gambar 1 Aliran melewati sebuah airfoil.
Teori dasar pengukuran dengan wake survey adalah sebagai
berikut. Perhatikan aliran
melewati sebuah airfoil pada gambar 2. Dapat dibayangkan bahwa
sebagian aliran udara
yang melewati airfoil mengalami pengurangan momentum karena
adanya gesekan dengan
permukaan airfoil. Pengurangan momentum ini sama dengan gaya
hambat airfoil, D, yang
dapat ditulis sebagai berikut:
tandet
kecepaperubahanik
massaD (1)
Untuk satu satuan panjang airfoil dapat ditulis:
3313 dyuuuD (2)
Dengan membagi persamaan ini dengan cu2
12
1 diperoleh koefisien gaya hambat:
c
dy
u
u
u
u
cu
DCd
3
2
1
3
1
3
2
1
2
2
1
(3)
dimana y diukur tegak lurus arah aliran bebas (u1) dalam bidang
proyeksi sayap dan c
adalah chord airfoil. Karena wake rake mengukur tekanan-tekanan
total dan statik,
persamaan (3) perlu dituliskan dalam bentuk tekanan-tekanan
total dan statik. Dengan
menggunakan persamaan Bernoulli, dapat dituliskan untuk posisi 1
dan 3 (gambar 2):
2
112
11
uppt (4)
-
2332
13
uppt (5)
Tekanan statik pada 3 sama dengan tekanan statik pada 1, jika
lokasi 3 terletak cukup jauh
di belakang profil sayap, maka:
2
312
13
uppt (6)
Dengan mensubstitusikan persamaan (4) ke persamaan (3)
diperoleh:
c
dy
pp
pp
pp
ppC
t
t
t
t
d3
1
1
1
1
1
3
1
32 (7)
Kondisi yang dapat memberikan persamaan (7) praktis tidak dapat
dicapai. Oleh karena
kenyataan ini, wake rake dapat diletakkan pada lokasi 2,
beberapa jarak di belakang ekor
airfoil, dimana p2 belum sama dengan p3. Untuk keperluan ini
dianggap bahwa aliran udara
dari lokasi 2 ke lokasi 3 tidak mengalami pengurangan momentum,
atau 32 tt
pp .
2
31
2
222
1
2
12
upuppt (8)
Dengan menggunakan persamaan kekekalan massa dari 2 ke 3
didapat:
3322 dyudyu (9)
Substitusi persamaan (9) ke persamaan (2) menghasilkan:
2312 dyuuuD (10)
Dengan membagi persamaan (10) dengan cu2
12
1 diperoleh:
c
dy
u
uu
u
u
cu
DCd
2
2
1
32
1
2
2
1
2
2
1
(11)
Substitusi persamaan (4) dan persamaan (8) ke persamaan (11)
menghasilkan:
c
dy
pp
pp
pp
ppC
t
t
t
t
d2
1
1
1
2
1
2
1
2 12
(12)
atau
-
cdy
pp
pp
pp
pp
pp
ppC
t
t
tt
t
d2
1
1
1
12
1
2
1
2
11
2 12
(13)
Persamaan (13) dapat ditulis dalam bentuk:
c
dycccC
tst pppd2
22212 (14)
3.2 Evaluasi Gaya Angkat
Evaluasi gaya angkat dapat dilakukan dengan cara menghitung gaya
normal dengan
pengukuran tekanan di permukaan airfoil. Bila distribusi tekanan
pada airfoil sudah diukur,
gaya normal airfoil dapat dihitung dengan cara sebagai berikut
(gambar 3).
Gambar 2 : Diagram Gaya Pada Aerofoil
Untuk elemen satu satuan panjang pada arah bentangan, kita dapat
menulis untuk elemen
ds dengan tekanan p pada permukaan airfoil.
cospdsdN (15)
dimana N adalah gaya normal terhadap chord, adalah sudut antara
garis singgung
permukaan pada ds dan chord. Gaya normal total dapat diperoleh
dengan integrasi
sekeliling permukaan airfoil.
dspN cos (16)
Dari hubungan geometri diperoleh:
Gambar 3 Diagram Gaya pada Airfoil
-
dxds cos (17)
dimana x diambil sepanjang chord.
Dengan menuliskan tekanan pada permukaan atas sebagai pu dan
permukaan bawah
sebagai pl, persamaan (16) dapat dituliskan sebagai:
c c
lu dxpdxpN0 0
(18)
c
lu dxppN0
(19)
Dengan membagi kedua ruas dengan qc, dimana q adalah tekanan
dinamik aliran bebas,
dan c adalah chord airfoil, kita peroleh:
c
lun
c
dx
q
pp
qc
NC
0
(20)
atau
1
0c
xdCC
qc
NC
lu ppn (21)
dimana: q
ppCp
dan p adalah tekanan aliran bebas. Bila gaya hambat airfoil D
sudah diketahui, dari gambar
3 kita peroleh:
sincos DLN
atau dalam bentuk koefisien:
sincos dln CCC
kemudian
tansec dnl CCC (22)
dimana adalah sudut serang, yaitu sudut antara aliran bebas
dengan chord.
-
IV. PERALATAN LABORATORIUM
Peralatan yang digunakan:
- Terowongan angin dengan penampang seksi uji 40 cm x 40 cm
- Model airfoil Eppler 205
Gambar 6. Model airfoil Eppler yang digunakan untuk
pengujian
- Tabung Pitot
- Scanivalve
Scanivalve adalah valve (katup) yang berfungsi untuk
menghubungkan orifice yang
terhubung langsung pada model airfoil dengan piranti pembaca
skala tekanan.
Gambar 7. Scanivalve yang digunakan pada percobaan
- DPI (Direct Pressure Indicator)
- Termometer
-
- Higrometer
- Wake Rake
Alat ini dugunakan untuk mengukur tekanan pada daerah terjadinya
ulakan.
Biasanya dipasang di bagian belakang airfoil.
Gambar 8. Wakerake yang digunakan pada percobaan
V. PROSEDUR EKSPERIMEN
Pra-percobaan:
1. Mengukur dan menghitung kondisi atmosfer laboratorium
seperti
temperature (T), kelembaban (), dan tekanan (P)
masing-masing
dengan menggunakan thermometer, hygrometer, dan barometer.
Sedangkan untuk kerapatan udara (), dan viskositas udara ()
dihitung
dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
(
)
(
)
(
)
Dimana :
-
2. Memastikan benda uji dan seksi uji dalam keadaan tidak
kotor.
3. DPI dinyalakan dan didiamkan selama minimal 24 jam
sebelum
eksperimental agar pengukuran yang ditunjukkannya cukup
stabil.
Kalibrasi Terowongan Angin
Kalibrasi pada terwongan angin dilakukan untuk mengukur
kecepatan aliran tak
terganggu yang akan digunakan saat eksperimental. Ilustrasi
kalibrasi terowongan
angin ditunjukkan oleh Gambar 9.
4. Menghubungkan DPI dengan kedua tabung pitot pada area
kalibrasi
untuk mengukur tekanan dinamik
5. Menghitung tekanan dinamik untuk dua kecepatan aliran tak
terganggu, yaitu 20 m/s dan 30 m/s. Persamaan yang digunakan
adalah sebagai berikut:
21 . .2
q U (23)
atau
2.qU
(24)
-
Gambar 9 Ilustrasi Pengambilan Data Kalibrasi Terowongan
Angin
6. Menyalakan terowongan angin dan atur hingga DPI
menunjukkan
nilai tekanan yang sama dengan tekanan dinamik yang
diinginkan.
7. Matikan terowongan angin.
Percobaan I (Pengukuran tekanan)
8. Memasang Benda uji berupa model airfoil Eppler 205 lengkap
dengan
orifice-nya di dalam seksi uji.
9. Menghubungkan selang-selang keluaran dari orifice dengan
Scanivalve.
10. Menghubungkan Scanivalve dengan DPI
11. Menyalakan terowongan angin dan melakukan setting kecepatan
yang
bersesuaian dengan Reynolds number 100000. Model dipasang
pada
sudut serang 0 derajat.
12. Melihat dan mencatat tekanan dinamik yang terjadi pada tiap
station
pada DPI.
13. Mengulangi langkah 11 dan 12 untuk sudut serang yang
berbeda, yaitu
4, 8 dan 12 derajat serta Reynolds number 200000.
Percobaan II (Pengukuran gaya hambat dengan wake rake)
14. Memasang Benda uji berupa model airfoil Eppler 205
15. Memasang wake rake tegak lurus terhadap bentangan sayap
di
belakang tepi buritan airfoil.
-
16. Menyalakan terowongan angin dan melakukan setting kecepatan
yang
bersesuaian dengan Reynolds number 100000. Model dipasang
pada
sudut serang 0 derajat.
17. Melihat dan mencatat tekanan dinamik yang terjadi pada tiap
station
pada DPI.
18. Mengulangi langkah 16 dan 17 untuk sudut serang yang
berbeda, yaitu
4, 8 dan 12 derajat serta Reynolds number 200000.
VI. UNCERTAINTY ANALYSIS
Analisis ketidak-pastian bertujuan untuk mendapatkan perkiraan
total ketidak-pastian, Ux,
yang kemudian dapat diekspresikan dengan:
di mana untuk analisis ketidak-pastian umum dan sekali
pengukuran,
( )
dengan J adalah jumlah pengukuran, adalah ketidak-pastian
absolut, untuk
semua i.
VII. HASIL DAN ANALISIS
- Seluruh pengolahan data berkaitan dengan:
Data pengukuran kondisi lingkungan laboratorium
Data kalibrasi terowongan angin
Data plot Cp terhadap chord (lihat gambar 10) untuk semua sudut
serang beserta
Cl yang dihasilkan
Data plot Cd terhadap sudut serang dari pengukuran dengan wake
rake dengan
persamaan 14.
Data plot Cl terhadap sudut serang dengan persamaan 22
- Bandingkan hasil Cl dan Cd dengan data numerik dari XFoil atau
data eksperimen.
Jika ada perbedaan hasil, uraikan penyebab-penyebab yang
memungkinkan
terjadinya perbedaan tersebut.
-
Gambar 10. Contoh penyajian data percobaan, Cp-chord.
VIII. PERTANYAAN
1. Jelaskan arti angka-angka pada penamaan airfoil seri NACA !
Apakah penamaan itu
berlaku untuk airfoil seri Eppler ? Berilah penjelasan tentang
airfoil seri Eppler,
mulailah dengan melihat website
http://www.ae.uiuc.edu/m-selig/ads.html.
2. Mengapa gaya hambat airfoil bertambah besar dengan
bertambahnya sudut serang
?
3. Tambahkan garis yang menyatakan Cl vs menurut teori airfoil
tipis untuk cambered
airfoil pada grafik Cl vs yang diperoleh dari percobaan. Apa
yang dapat anda amati
?
4. Jelaskan sebab-sebab terjadinya stall !
-
LAMPIRAN PRINSIP KERJA ALAT PRAKTIKUM
1. Tabung Pitot
Tabung pitot adalah alat yang berfungsi mengukur tekanan fluida.
Tabung pitot pun dapat
digunakan untuk mengukur kecepatan aliran fluida. Tabung pitot
hanya mengukur tekanan
fluida di satu titik di aliran fluida, bukan mengukur tekanan
rata-rata di dalam pipa atau
terowongan angin.
Gambar 1. Berbagai jenis tabung pitot
(http://en.wikipedia.org/wiki/Pitot_tube)
Pada dasarnya, tabung pitot mengukur tekanan total fluida dengan
cara menghentikan aliran
fluida lokal dengan lubang yang searah aliran fluida sehingga
fluida memberikan tekanan
stagnasi yang diterima oleh sensor. Untuk mengukur tekanan
statik, aliran fluida dibiarkan
mengalir melewati lubang statik yang tegak lurus terhadap arah
aliran fluida. Untuk
mengukur kecepatan, digunakan persamaan Bernoulli sebagai
berikut:
pt = Tekanan total
ps = Tekanan statik
= Kerapatan fluida (kg/m3)
v = Kecepatan fluida (m/s)
Dengan menggunakan tekanan total dan tekanan statik hasil
pengukuran, kecepatan aliran
dapat diperoleh:
-
Perlu diingat bahwa persamaan ini hanya dapat digunakan jika
titik yang ditinjau di aliran
adalah titik yang sama dan aliran fluida adalah aliran yang
inkompresibel.
2. Pengukuran tekanan statik di Airfoil
Untuk mengukur tekanan statik di airfoil, dibuat lubang-lubang
kecil di sepanjang airfoil yang
dihubungkan ke selang dan sensor tekanan. Dengan mengetahui
jarak setiap lubang di
airfoil, gaya angkat yang ditimbulkan dapat dihitung setelah
melakukan pengukuran tekanan
statik dengan persamaan sebagai berikut:
L = Gaya angkat airfoil (N/m)
ps l = Tekanan statik di permukaan bawah (lower) airfoil
(N/m2)
ps u = Tekanan statik di permukaan atas (upper) airfoil
(N/m2)
c = panjang chord airfoil (m)
Gambar 2 Ilustrasi airfoil dengan lubang
Setelah gaya angkat dihitung, koefisien gaya angkat airfoil (Cl,
tanpa satuan) dapat dihitung
dengan menggunakan persamaan berikut: