analisa coanda effect menggunakan cfd (computational fluid dynamic)

i

SKRIPSI

ANALISIS COANDA EFFECT MENGGUNAKAN CFD

(COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS)

No. Soal: TKM 4403 / II – 2011 / 2012 / Pnm. / 13 / 01 / 08.03 / 2012

Disusun Oleh:

Donny Gozali

08/269361/TK/34439

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN DAN INDUSTRI

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS GADJAH MADA

YOGYAKARTA

2012

v

HALAMAN MOTTO DAN PERSEMBAHAN

Perilaku dan tindakan harus sejalan dengan semakin berkembangnya pola berpikir

Karya ini kupersembahkan untuk orang tuaku tercinta beserta

semua keluarga besar yang telah bersedia memberikan semangat

disaat aku mengalami kesusahan dan butuh bantuan. Hutang

budiku akan senantiasa mengingatkanku agar dapat tetap

memberikan yang terbaik untuk masa depan

vi

INTISARI

Coanda Effect merupakan fenomena klasik dalam fluida mekanis dimana aliran fluida

melekat pada permukaan yang tangensial terhadap arah aliran. Walaupun objek memiliki kontur

permukaan berupa lekukan, aliran fluida akan dibelokkan mendekati permukaan sebagai bentuk

keseimbangan gaya. Fenomena ini banyak dipakai aplikasinya pada kendaraan berbasis UAV

(Unmanned Air Vehicles), hal yang ingin ditonjolkan dari penggunaan fenomena Coanda adalah

kemampuan dalam membuat kendaraan udara menghasilkan gaya angkat, VTOL, serta mampu

melakukan hovering secara stabil di udara.

Tujuan dari analisis adalah untuk mensimulasikan bagaimana pengaruh dari Coanda

Effect terhadap gaya angkat yang dihasilkan untuk berbagai variasi setengah sumbu panjang,

setengah sumbu pendek, serta kecepatan masuk. Proses simulasi akan dilakukan menggunakan

CFD (Computational Fluid Dynamics), FLUENT merupakan perangkat lunak yang akan

digunakan selama proses analisa berlangsung. Objek acuan yang akan dijadikan sebagai model

simulasi diambil dari prototype UAV dinamakan Coanda Craft, kendaraan udara ini

memanfaatkan fenomena Coanda agar dapat menghasilkan gaya angkat. Disamping itu akan

dilakukan analisa menggunakan model 2D, hal ini ditujukan untuk memberikan penjelasan

secara detil mengenai perbedaan perlakuan yang diberikan sertafenomena flow attachment serta

entrainment yang terjadi.

Hasil dari analisa akan ditampilkan dalam bentuk kontur plot, vector, pathline serta grafik

XY untuk kasus besaran kecepatan, tekanan statis, beserta gaya angkat yang dihasilkan. Plot

kontur, vector, dan pathline digunakan untuk melihat arah aliran serta disipasi besaran kecepatan

serta tekanan statis yang terjadi. Identifikasi dapat dilakukan melalui spectrum warna dengan

skala mulai dari warna merah yang menandakan nilai maksimum hingga biru yang menandakan

nilai minimum. Dengan demikian diharapkan penulis dapat memberikan gambaran secara jelas

mengenai fenomena yang terjadi serta dapat memberikan kemudahan dalam penarikan

kesimpulan.

Kata kunci : Coanda Effect, flow attachment, entrainment

vii

KATA PENGANTAR

Puji syukur saya panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat, petunjuk dan

rahmat-Nya sehingga penulis dapat meyelesaikan penyusunan tugas akhir ini yang merupakan

salah satu syarat wajib untuk memenuhi salah satu syarat mencapai gelar Sarjana Teknik (S.T)

Program Studi Teknik Mesin di Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada Yogyakarta.

Atas segala petunjuk dan kelancaran yang diberikanNya, penulisan tugas akhir yang

berjudul “Analisa Coanda Effect Menggunakan CFD” dapat diselesaikan. Penulis menyadar i

bahwa tugas akhir ini bukanlah tujuan akhir dari belajar karena belajar adalah sesuatu yang tidak

terbatas.

Terselesaikannya skripsi ini tentunya tak lepas dari dorongan dan uluran tangan berbagai

pihak. Oleh karena itu, tak salah kiranya bila penulis mengungkapkan rasa terima kasih dan

penghargaan kepada:

1. Bapak Ir. M. Waziz Wildan, MSc., PhD., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin dan

Industri, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada.

2. Bapak Ir. Purnomo, MSME., Ph.D., selaku dosen pembimbing yang telah meluangkan

waktunya untuk membimbing penulis dalam penyusunan tugas akhir

3. Ibu dan Bapak, adikku Sukma, atas segala pengorbanan, do’a serta kasih sayangnya yang

menguatkan disaat lemah.

4. Bapak/Ibu dosen di lingkungan Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas

Gadjah Mada.

5. Segenap karyawan dan staff Tata Usaha, Laboratorium dan Perpustakaan Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada

6. Seluruh rekan-rekan mahasiswa Jurusan Teknik Mesin seperjuangan yang selalu

membantu dan memberikan ketenangan.

7. Teman-teman TM angkatan 2008 yang telah bersama-sama berjuang dan berprestasi.

8. Seluruh pihak yang telah banyak membantu penulis yang belum penulis sebutkan disini.

viii

Akhir kata penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun guna menambah

pengetahuan penulis di kemudian hari. Semoga Tugas Akhir ini dapat diambil manfaat yang

sebesar-besarnya bagi pembaca dan semua yang membutuhkan.

Yogyakarta , 27 Oktober 2012

Donny Gozali

ix

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL i

LEMBAR PENGESAHAN ii

HALAMAN PERNYATAAN iii

NASKAH SOAL TUGAS AKHIR iv

HALAMAN PERSEMBAHAN v

INTISARI vi

KATA PENGANTAR vii

DAFTAR ISI ix

DAFTAR GAMBAR xi

DAFTAR TABEL xiii

DAFTAR NOTASI DAN SINGKATAN xiv

BAB I PENDAHULUAN 1

1.1 Latar Belakang 1

1.2 Rumusan Masalah 2

1.3 Asumsi dan Batasan Masalah 3

1.4 Tujuan Penelitian 3

1.5 Manfaat Penelitian 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 5

BAB III LANDASAN TEORI 9

3.1 Teori Bernoulli 9

3.2 Coanda Effect 11

3.3 Computational Fluid Dynamic (CFD) 13

3.3.1 Pre – processing 14

x

3.3.2 Simulasi dan Post - processor 15

BAB IV METODOLOGI PENELITIAN 19

4.1 Langkah Pembuatan Model Simulasi 2D 20

4.2 Langkah Pembuatan Mesh 22

4.2.1 Mesh untuk area 1 23



4.3 Langkah Simulasi Menggunakan FLUENT 26

BAB V HASIL PENELITIAN DAN PERANCANGAN 35

5.1 Hasil akhir model 2 dimensi 35

5.2 Grafik distribusi kecepatan permukaan (Inflation Layer 0.02 mm) 38

5.2.1 Hasil analisa 38

5.2.2 Pembahasan 43

5.3 Grafik distribusi tekanan permukaan 44


5.3.2 Pembahasan 49

5.4 Kontur besaran kecepatan dan tekanan statis 50


5.4.2 Pembahasan 59

5.5 Gaya angkat yang dihasilkan 60


5.5.2 Pembahasan 62

BAB VI PENUTUP 64

6.1 Kesimpulan 64

6.2 Saran 64

DAFTAR PUSTAKA 65

xi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Simulasi menggunakan FLUENT…………………………………………….. 5

Gambar 2.2 Geometri awal percobaan (Mirkov, 2010)……………………………………. 6

Gambar 2.3 Penambahan Suction dan Blowing pada Geometri (Mirkov, 2010)………….. 7

Gambar 3.1 Aliran udara pada airfoil (Terry Day, 2008)………………………………….. 9

Gambar 3.2 Aliran udara tidak menyatu sempurna (John S. Denker, 1996-2008)………… 10

Gambar 3.3 Coanda Effect (Terry Colon, 2007)…………………………………………... 10

Gambar 3.4 Peristiwa entrainment dari fluida (Terry Colon, 2007)………………………. 11

Gambar 3.5 Pergeseran titik stagnasi seiring pertambahan sudut serang………………….. 12

Gambar 3.6 Coanda Effect untuk mencegah terjadinya Stall……………………………… 12

Gambar 3.7 Letak coanda jet pada pesawat tempur……………………………………….. 13

Gambar 4.1 Skema projek dari Design Workbench……………………………………….. 19

Gambar 4.2 Persamaan elips pada koordinat Cartesian…………………………………… 20

Gambar 4.3 Sketsa geometri awal…………………………………………………………. 21

Gambar 4.4 Pembagian area luasan geometri……………………………………………… 22

Gambar 4.5 Sizing Method pada area 1…………………………………………………… 23

Gambar 4.6 Detail Properties dari Face Sizing area 2…………………………………….. 24

Gambar 4.7 Inflation Layer Boundaries…………………………………………………… 24

Gambar 4.8 Detail Properties dari Inflation Layer………………………………………. 25

Gambar 4.9 Named Selection untuk Boundary Layers…………………………………… 26

Gambar 4.10 Hasil geometri check up……………………………………………………... 27

xii

Gambar 4.11 Orthogonal Quality………………………………………………………….. 27

Gambar 4.12 Pemilihan jenis material……………………………………………………... 29

Gambar 4.13 Boundary Condition untuk Velocity Inlet…………………………………... 30

Gambar 4.14 Reference Values ………………………………………………………….… 31

Gambar 4.15 Settingan untuk Solution Controls dan Solution Limits…………………….. 31

Gambar 4.16 Setingan kontur……………………………………………………………… 33

Gambar 4.17 Settingan plot grafik………………………………………………………… 34

Gambar 4.18 Settingan untuk grafik gaya angkat…………………………………………. 34

Gambar 5.1 Model 2D untuk variasi radius ½ sumbu…………………………………….. 37

Gambar 5.2 Grafik distribusi kecepatan permukaan dengan variasi kecepatan masuk …. 38

Gambar 5.3 New Plane Surface…………………………………………………………… 43

Gambar 5.4 Grafik distribusi tekanan statis pada berbagai variasi kecepatan masuk…….. 44

Gambar 5.5 Plot kontur besaran kecepatan………………………………………………... 50

Gambar 5.6 Grafik gaya angkat untuk variasi ½ sumbu pendek dan Vin………………… 60

Gambar 5.7 Grafik gaya angkat untuk variasi ½ sumbu panjang dan Vin……………….. 61

Gambar 5.8 Entrainment udara sekitar mengikuti pola aliran…………………………….. 63

xiii

DAFTAR TABEL

Tabel 5.1 Gaya angkat untuk variasi ½ sumbu pendek dan kecepatan masuk…………......61

Tabel 5.2 Gaya angkat untuk variasi ½ sumbu panjang dan kecepatan masuk……………62

xiv

DAFTAR NOTASI DAN SINGKATAN

Re = Reynold Number

p = tekanan

ρ = densitas dari fluida

v = kecepatan aliran fluida

b = ½ sumbu pendek

a = ½ sumbu panjang

Vin = kecepatan masuk melalui inlet

FL = gaya angkat atau lift yang dihasilkan

1

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Penggunaan sayap untuk memberikan gaya angkat sudah tidak menjadi suatu hal yang

aneh. Beragam jenis sayap mulai didesain untuk memberikan efek yang berbeda sesuai dengan

jenis dan tujuan pembuatan. Pesawat yang ditujukan untuk operasi militer dimana memerlukan

kecepatan tinggi dan kemampuan maneuver yang bagus akan menggunakan jenis sayap yang

berbeda dibandingkan dengan yang dikhususkan untuk mengangkut penumpang atau pesawat

komersil.

Namun pemakaian sayap memiliki beberapa kerugian, yang pertama adalah perlunya

gaya dorong atau thrust untuk menghasilkan gaya angkat pada pesawat, yang kedua adalah

ketidakmampuan pesawat untuk melakukan VTOL (Vertical Take Off and Landing) yang

dimana menjadi sebuah keharusan dalam pembuatan pesawat dengan tujuan penggunaan untuk

pengambilan citra berupa foto udara dari ketinggian tertentu seperti pesawat mata – mata.

Salah satu cara untuk memperbesar kemampuan VTOL untuk pesawat yang

menggunakan sayap untuk menghasilkan gaya angkat adalah dengan menggunakan fenomena

fluida yang dinamakan dengan Coanda Effect. Secara singkat, efek dari Coanda berupa

attachment dari fluida yang alirannya tangensial terhadap kontur dari permukaan objek yang

dilalui. Coanda Effect jarang sekali terjadi secara natural di alam, perlu adanya perlakuan khusus

untuk memicu terjadinya efek ini.

Bagi kebanyakan pesawat yang menggunakan sayap, terdapat batasan dalam kenaikan

sudut serang saat ingin memperbesar lift untuk mencapai ketinggian tertentu, begitu pula saat

ingin melakukan manuver, hal ini dikarenakan seiring dengan kenaikan sudut serang akan

menyebabkan pergeseran titik stagnasi pada pesawat dan mengakibatkan munculnya aliran

turbulen. Penggunaan Coanda Effect dapat digunakan untuk mencegah terjadinya separasi

tersebut.

2

Coanda Craft merupakan sebuah pesawat tanpa awak (UAV) yang memakai fenomena

attachment pada permukaan sayap untuk menghasilkan gaya angkat sehingga pesawat mampu

terbang tanpa menggunakan sayap pada kedua sisinya. Dengan adanya kemampuan VTOL maka

pesawat dapat mengambang, mendarat dan lepas landas secara stabil sehingga cocok digunakan

untuk pengambilan citra atau memantau keadaan dari atas.

1.2 Rumusan Masalah

Penelitian mengenai dampak dari Coanda Effect dapat dilakukan dengan 2 cara, yang

pertama dengan memanfaatkan penggunaan wind tunnel serta pembuatan objek sayap dengan

tambahan pompa jet untuk mensimulasikan keadaan yang mendekati kondisi asli. Hanya saja

tidak semua instritusi penelitian memiliki fasilitas maupun instrumen yang berkaitan, semuanya

membutuhkan biaya yang sangat besar. Cara kedua adalah dengan menggunakan software

simulasi aliran fluida seperti FLUENT.

FLUENT merupakan software yang banyak digunakan oleh para insinyur untuk

mensimulasikan aliran fluida baik internal maupun eksternal. Dikarenakan penggunaannya yang

sederhana dan tidak memerlukan biaya yang besar maka lebih memudahkan para peneliti

maupun mahasiswa dalam memecahkan kasus – kasus fluida yang ada.

Simulasi yang akan dilakukan berkutat seputar pengaruh Coanda Effect serta gaya angkat

yang dihasilkan terhadap variasi kecepatan, ½ sumbu panjang, dan ½ sumbu pendek dari sebuah

elips. Hasil dari simulasi disajikan dalam bentuk tabel, grafik dan kontur guna memudahkan

dalam penarikan kesimpulan.

Berikut merupakan piranti yang akan digunakan selama penelitian :

1. Solidworks 2009

2. Design Modeller

3. Mesh

4. Fluent

3

1.3 Asumi dan Batasan Masalah

Penelitian dilakukan dengan asumsi bahwa geometri yang akan disimulasikan berada

pada kondisi tekanan satu atmostfer. Perspektif yang digunakan menggunakan sudut pandang

sayap sebagai objek yang diberi perlakuan dan diasumsikan bahwa seolah – olah udara bergerak

masuk mengalir di permukaan sayap.

Penyederhanaan dari objek yang akan disimulasikan dilakukan dengan menggunakan

model 2D sebagai perwakilan dari keadaan objek yang sebenarnya, hal ini hanya berlaku apabila

objek asli memiliki kontur yang tidak berubah di sepanjang permukaan, dalam kasus permodelan

3D, simulasi yang akan dilakukan hanya menggunakan setengah bagian dari objek yang dibentuk

dengan cara memotong geometri terhadap sumbu simetrisnya. Penyederhanaan dilakukan dengan

tujuan meringankan kinerja komputer saat hendak melakukan iterasi dan agar hasil kalkulasi

tidak memakan waktu yang lama.

Model yang akan disimulasikan berbentuk elips dan terdapat 3 variabel yang akan

divariasikan yaitu kecepatan masuk, radius ½ sumbu serta permodelan menggunakan 2D. Bentuk

elips digunakan dikarenakan model yang akan digunakan mengambil contoh dari Coanda Craft.

Asumsi berikutnya adalah aliran yang terjadi dianggap tunak, dengan kata lain tidak ada

pertambahan kecepatan pada objek yang akan disimulasikan selama proses berlangsung. No slip

condition pada permukaan geometri yang dialiri oleh fluida. Penggunaan Coanda Effect hanya

berlaku untuk kecepatan sub-sonic dan menggunakan asumsi ideal gas.

1.4 Tujuan Penelitian

Tujuan studi kasus ini adalah :

1. Untuk mendapatkan nilai dari besaran kecepatan, tekanan statis dan berbagai variable

lainnya yang dapat membantu membuktikan adanya pengaruh dari fenomena Coanda

terhadap gaya angkat (lift) yang dihasilkan.

2. Melihat pengaruh dari Coanda Effect terhadap model berbentuk elips dalam 2D

4

3. Membandingkan pengaruh dari variasi kecepatan dan radius terhadap gaya angkat yang

dihasilkan.

4. Melihat distribusi kecepatan dan tekanan yang terjadi di permukaan benda.

1.5 Manfaat Penelitian

Untuk menunjukkan seberapa besar pengaruh Coanda Effect terhadap variasi kecepatan

masuk serta radius. Hasil yang didapat bisa digunakan sebagai referensi dalam peningkatan

efisiensi atau bahkan pembuatan alat yang berhubungan dengan studi

Penggunaan simulator untuk mensimulasikan sesuatu dapat menjadi salah satu solusi jika

terkendala oleh keterbatasan fasilitas yang ada. Dengan kata lain, penelitian dapat dilakukan

dengan memakai software yang tepat tanpa harus mengeluarkan banyak biaya.

5

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

Penelitian seputar Coanda Effect telah dilakukan oleh beberapa peneliti sebelumnya,

salah satunya adalah Florescu, Theoretical and Experimental Studies for Auto Sustainable

Device Using Coanda Effect, 2011. Tema penelitian berkutat seputar pembuatan auto

sustainable device berbasis fenomena Coanda. Proses penelitian dilakukan dengan cara

pembuatan alat berdasarkan data dan informasi yang telah diperoleh beserta simulasi

menggunakan FLUENT, hal ini bertujuan untuk melihat nilai dari kecepatan, tekanan statis,

tekanan dinamis beserta Re dari beberapa titik pada permukaan geometri.

Gambar 2.1 Simulasi menggunakan FLUENT (Florescu, 2011)

Dengan kecepatan inlet sebesar 10 m/s, berikut merupakan kesimpulan yang telah dicapai

1. Dari hasil penelitian yang dilakukan, seiring dengan pengurangan radius akan terjadi

penurunan tekanan statis pada permukaan geometri. Hal ini berdampak pada semakin

berkurangnya gaya angkat yang dihasilkan.

2. Prediksi hasil simulasi akan mengalami peningkatan seiring dengan kenaikan kecepatan.

Berikutnya adalah penelitian yang dilakukan oleh Mirkov, Numerical Simulation of Air Jet

Attacgment to Convex Walls and Application, 2010. Penelitian berkutat seputar pembuatan

geometri dengan permukaan cembung, formula yang digunakan untuk membuat lengkungan

adalah dengan memakai Bernstein Polinomial sebagai berikut

6

Untuk permukaan atas geometri

Untuk permukaan bawah geometri

Gambar 2.2 Geometri awal percobaan (Mirkov, 2010)

Bidang AC merupakan inlet, EHG merupakan outflow boundary, sedangkan EB dan FG adalah

sumbu simetri dari geometri.

Simulasi akan dilakukan menggunakan FLUENT dengan kecepatan masuk sebesar 20

m/s, persamaan untuk aliran fluida turbulen menggunakan model k – ω Shear Stress Transport

(SST). Penggunaan SST menggabungkan model k – ω dan k – α dengan cara mengkombinasikan

keduanya dan sering dipakai dalam berbagai kasus aerodinamika.

Kasus yang ingin diteliti berupa pengaruh dari adanya Active Flow Control baik berupa

suction maupun blowing terhadap disipasi aliran dan gaya angkat yang dihasilkan. Suction

7

memakai pompa vakum untuk menurunkan tekanan permukaan untuk mencegah terjadinya

separasi (Gambar 2.3 bagian kiri), sedangkan blowing memanfaatkan blower atau pompa jet

dalam kasus aerodinamika dengan menghembuskan udara tangensial terhadap permukaan untuk

memicu terjadinya Coanda Effect (Gambar 2.3 bagian kanan).

Tujuan penelitian dilakukan adalah untuk mencapai aliran permukaan tanpa terjadi

disipasi pada ujung geometri, dengan kata lain aliran udara mengalir mengikuti kontur. Hasil

yang didapat diplot dalam bentuk kontur dan grafik untuk memperlihatkan pengaruh yang

terjadi.

Gambar 2.3 Penambahan Suction dan Blowing pada Geometri (Mirkov, 2010)

8

Hasil yang didapat memperlihatkan adanya perbedaan diameter cincin vorteks yang

terbentuk beserta entrainment udara yang terjadi pada bagian bawah dari geometri. Namun

kedua perubahan yang dilakukan menunjukkan penambahan gaya angkat yang tidak terlalu

besar, hal ini disebabkan karena separasi yang masih terjadi pada percobaan.

Kesimpulan dari penelitian menunjukkan bahwa pengaruh dari Coanda Effect perlu

menjadi pertimbangan dan penelitian lebih lanjut karena akan sangat berpengaruh terhadap

kenaikan gaya angkat beserta efisiensi dari kinerja sebuah sayap pesawat maupun kasus lain

yang berkaitan.

9

BAB 3

LANDASAN TEORI

3.1 Teori Bernoulli

Teori Bernoulli mengenai hubungan antara kecepatan dan tekanan sering digunakan

dalam menjelaskan fenomena terjadinya gaya angkat pada airfoil. Persamaan dari hukum

Bernoulli tersebut berbunyi sebagai berikut

Dengan demikian saat kecepatan turun, maka tekanan akan naik begitu juga berlaku sebaliknya.

Teori ini mengatakan bahwa aliran udara pada permukaan bagian atas dari airfoil dipercepat

karena adanya camber line yang menyebabkan jarak tempuh aliran menjadi semakin jauh. Akibat

dari kenaikan kecepatan akan menyebabkan menurunnya tekanan sehingga terjadi perbedaan

antara permukaan airfoil bagian bawah dengan bagian atas dan terjadi gaya angkat.

Gambar 3.1 Aliran udara pada airfoil (Day, 2008)

Rumus untuk perhitungan gaya angkat adalah sebagai berikut

10

Dimana CL = koefisien gaya angkat

= densitas

v = kecepatan dari sayap

S = luasan area sayap

Penggunaan hukum Bernoulli sebagai landasan untuk menjelaskan bagaimana terjadinya

gaya angkat merupakan langkah yang kurang tepat. Berikut merupakan fakta yang tidak dapat

dijelaskan oleh hukum tersebut

1. Penggunaan sayap dengan camber yang terbalik dapat menghasilkan gaya angkat

2. Sayap simetris dapat terbang dengan baik dan digunakan pada pesawat Aerobatic

3. Sayap bergerak melalui udara yang diam

4. Tidak ada lapisan udara yang dipercepat mengalir di permukaan sayap

5. Objek dengan permukaan yang datar dapat diterbangkan

6. Atom dari udara yang terpisah saat mengalir dari leading edge tidak menyatu secara

sempurna pada trailing edge

Gambar 3.2 Aliran udara tidak menyatu sempurna (Denker, 1996-2008)

Dari fakta di atas dapat disimpulkan bahwa penggunaan Bernoulli tidak bisa digunakan untuk

menjelaskan bagaimana terbentuknya gaya angkat. Untuk itu dipakai Hipotesis Lanchester-

Prandtl. Isi dari teori ini meliputi pengaruh bound vortex, tip / trailing vortex dan starting vortex

yang membentuk sebuah vortex filament berbentuk cincin pada sayap saat hendak lepas landas.

11

3.2 Coanda Effect

Merupakan fenomena flow attachment yang dihasilkan oleh fluida yang mengalir pada

permukaan objek. Fenomena Coanda muncul jika ada aliran fluida yang mengalir di atas

permukaan sebuah objek berbentuk kurva dan sangat jarang terjadi secara natural.

Gambar 3.3 Coanda Effect (Colon, 2007)

Dengan kata lain Coanda Effect terjadi sebagai bentuk keseimbangan antara kecepatan, tekanan,

gaya tarik antar molekul, serta gaya sentrifugal pada objek dengan permukaan berbentuk kurva.

Gambar 3.4 Peristiwa entrainment dari fluida (Colon, 2007)

Udara yang dihembuskan cenderung mengikat udara disekitarnya untuk ikut mengalir

bersama – sama. Hal ini dinamakan entrainment of fluid (Gambar 3.11) dan disebabkan oleh

adanya reduksi tekanan yang dihasilkan aliran utama sehingga nilainya lebih besar daripada

tekanan udara sekitar.

12

Berikut merupakan aplikasi Coanda Effect pada bidang Aerodinamika. Terdapat batasan

untuk meningkatkan sudut serang suatu sayap, kenaikan yang terlalu besar akan menggeser titik

stagnasi ke bagian atas permukaan sehingga menyebabkan ternyadinya pertistiwa yang

dinamakan stall. Stall pada pesawat akan memicu terjadinya aliran turbulen, hal ini akan

menyebabkan berkurangnya gaya angkat yang dihasilkan serta menyebabkan sayap menjadi

tidak stabil.

Gambar 3.5 Pergeseran titik stagnasi seiring pertambahan sudut serang (Day, 2008)

Penggunaan fenomena Coanda untuk mencegah terjadinya stall dengan tujuan

meningkatkan gaya angkat yang dihasilkan menjadi sangat penting dalam konteks aerodinamika.

Dengan memasang Coanda jet untuk mengalirkan udara kecepatan tinggi pada bagian atas

permukaan sayap maka akan menghasilkan reduksi tekanan pada daerah di mana terjadi stagnasi.

Sehingga efek terjadinya stall dapat ditunda dan gaya angkat yang didapatkan akan menjadi lebih

besar.

13

Gambar 3.6 Coanda Effect untuk mencegah terjadinya Stall (Day, 2008)

Gambar 3.7 Letak coanda jet pada pesawat tempur (Day, 2008)

3.3 Computational Fluid Dynamic (CFD)

Merupakan sebuah perangkat lunak yang digunakan untuk mensimulasikan perilaku

fluida dinamis dengan memakai metode numerik dan algoritma untuk menghitung serta

14

menganalisa suatu permasalahan yang ada. Komputer digunakan sebagai media untuk

mengerjakan kalkulasi dalam bentuk iterasi.

Terdapat berbagai ragam jenis CFD yang beredar, FLUENT merupakan salah satu pilihan

yang sering dipakai dikarenakan memiliki fitur yang lengkap serta mudah untuk dipahami.

Dalam kajian analisa untuk topik Coanda Effect pada percobaan ini akan digunakan FLUENT

sebagai acuan dalam menganalisa semua permasalahan yang ada.

Berikut merupakan langkah kerja yang harus dilakukan untuk mensimulasikan sesuatu

menggunakan FLUENT.

- Pre processing

o Pembuatan geometri awal

o Meshing geometri, baik uniform mesh maupun non uniform mesh

o Penentuan formula untuk simulasi

o Boundary layers

- Simulasi

- Post processor menggunakan FLUENT atau CFX untuk visualisasi hasil simulasi

3.3.1 Pre processing

Rangkaian skematis Design Workbench dimulai dengan pembuatan geometri awal

sebagai acuan untuk meshing pada langkah berikutnya. Solidworks 2009 merupakan perangkat

lunak yang digunakan dalam pembuatan geometri untuk mensimulasikan fenomena Coanda.

Dari Solidworks 2009, geometri diekspor untuk kemudian dilakukan penyederhanaan pada

Design Modeller. Hal ini dikarenakan Design Modeller memiliki interface penting untuk

memberikan tambahan detail pada model sebelum dapat dilanjutkan ke proses berikutnya

Beberapa hal yang harus diperhatikan dalam pembuatan geometri awal

1. Penentuan boundary layers berupa inlet, outlet, wall, symmetry dan lain - lain

2. Ukuran Geometri harus dipertimbangkan agar tidak terjadi eror maupun reversible flow

yang dapat mengganggu hasil iterasi

3. Kontur Geometri dibentuk sedemikian rupa sehingga memudahkan saat akan melakukan

meshing

15

4. Penyederhanaan geometri berupa merging maupun projection

Selanjutnya, geometri objek yang ingin dianalisa harus dimeshing terlebih dahulu menjadi

bagian – bagian kecil yang dinamakan Cell Zone.

Berikut merupakan hal yang harus diperhatikan dalam meshing

1. Semakin besar jumlah cell yang ada maka hasil yang didapat akan semakin akurat

2. Penentuan jenis dari meshing baik itu Tri / Quad bergantung pada bentuk geometri

3. Pembentukan inflation layer

4. Penentuan Named Selection dari boundary layers

3.3.2 Simulasi dan Post Processor

Berikut merupakan interface yang disediakan oleh FLUENT

1. Orthogonal Quality check up

Untuk menunjukkan bahwa apakah meshing yang telah dilakukan memiliki tingkat

orthogonalitas yang bagus sehingga hasil dari simulasi yang dilakukan akan

menghasilkan nilai akurasi dan presisi yang tinggi

2. Mesh volume dan geometri check up

Mesh diharapkan tidak memiliki nilai volumetris yang negative karena akan

menimbulkan error selama iterasi berlangsung. Nilai negatif menandakan bahwa terdapat

node / face dari mesh yang mengalami skewness.

3. Menetapkan formula dari simulasi

Terdapat beberapa jenis formulasi aliran fluida yang dapat digunakan. Sesuai dengan

kasus yang akan diteliti maka penggunaan formulasi yang tepat diharapkan dapat

memberikan hasil yang lebih akurat.

- Spalart – Allmaras, formula yang biasanya digunakan untuk menentukan viskositas

turbulensi. Cocok digunakan pada kasus aerodinamika yang melibatkan wall – bounded

16

flow dan dapat digunakan pada mesh yang kasar. Namun tidak cocok digunakan untuk

simulasi permodelan 3D dan aliran dengan tingkat separasi yang tinggi

- Standard k – ε, umum dan dapat digunakan hampir pada semua kasus, namun tidak

begitu bagus digunakan pada aliran yang kompleks. Cocok digunakan sebagai iterasi

awal.

- Realizable k – ε, cocok untuk persoalan kompleks melibatkan aliran vorteks, swirl, dan

aliran transisi seperti separasi pada boundary, vortex shedding, stall dan lainnya

- Standard k – ω, cocok untuk aliran dengan nilai Re yang kecil dan kasus – kasus

berkaitan dengan aliran eksernal pada aerodinamika. Bisa digunakan pada aliran yang

mengalami transisi.

4. Penentuan jenis material untuk Cell Zone

Terdapat berbagai jenis material yang tersedia pada library FLUENT baik itu fluida

maupun solid dan dapat digunakan untuk simulasi.

5. Penentuan jenis Solver Settings

Terdapat 2 jenis solver yang dapat digunakan pada saat simulasi yaitu pressure based dan

density based. Pressure based menggunakan persamaan momentum serta tekanan sebagai

formula utama sementara density based menggunakan persamaan momentum,

kontinuitas, energy dan spesies dalam proses perhitungan.

Pressure based solver dapat digunakan dalam regim aliran yang luas mulai dari aliran

dengan kecepatan aliran rendah sampai tinggi, termasuk aliran incompressible maupun

compressible. Sementara density based cenderung digunakan jika terdapat keterkaitan

antara densitas, energy, momentum, dan spesies seperti contohnya dalam kasus

combustion pada aliran compressible kecepatan tinggi, aliran hypersonic, interaksi

shockwave dan lainnya.

Dalam FLUENT, variable dari solver yang telah dimasukkan akan tersimpan pada bagian

tengah dari grid cells (control volumes). Untuk menghitung data tersebut, terdapat

17

beberapa metode yang dapat digunakan sebagai estimasi nilai pada masing – masing edge

faces.

- First Order Upwind – konvergensi mudah terjadi

- Power Law – lebih akurat daripada First Order, digunakan untuk Re yang rendah

- Second Order Upwind – akurasi tinggi terlebih pada jenis mesh yang kurang bagus

namun konvergensi membutuhkan waktu yang lebih lama

- MUSCL – akurat jika digunakan pada mesh yang tidak terstruktur

- QUICK – digunakan pada hybrid mesh (quad / hex)

Terdapat beberapa metode interpolasi yang dapat digunakan untuk pressure based solver

- Standard – opsi default, tidak dapat digunakan pada kasus yang mengalami perubahan

tekanan yang besar secara mendadak

- PRESTO! – dapat digunakan untuk kasus yang mengalami perubahan tekanan yang besar

seperti fan model, combustion, aliran supersonic dan lainnya

- Linear – digunakan jika opsi lainnya mengalami kesulitan konvergensi

- Second Order – digunakan untuk aliran compressible

6. Memasukkan data yang ada berdasarkan jenis boundary layer yang sudah ditetapkan

Menentukan apakah kasus memeiliki moving boundaries, setting reference frame, multi

fase dan penentuan material pada masing – masing boundary

7. Mengatur nilai dari URF

URF atau Under Relaxation Factor berupa angka yang digunakan untuk mengatur besar

kecilnya toleransi untuk variable seperti energy, kecepatan, viskositas, momentum dan

lain – lain. Fungsi mengatur URF adalah meminimalisir error dengan memperbesar

toleransi saat hendak melakukan iterasi.

8. Menetapkan metode inisialisasi yang ingin digunakan

Terdapat 2 jenis metode yang tersedia yaitu Hybrid Initialization dan Standard

Initialization.

18

9. Memasukkan jumlah iterasi yang akan dilakukan

Semakin rumit atau kompleks suatu model maka jumlah iterasi yang diperlukan akan

semakin besar agar hasilnya konvergen..

10. Inisialisasi

Memberikan perintah pada FLUENT untuk segera melaksanakan iterasi sesuai dengan

variable yang telah dimasukkan.

11. Post Processor

Hasil simulasi dapat ditampilkan berupa contour, vector, streamline, ribbons bahkan

animasi menggunakan FLUENT atau CFX.

19

BAB 4

METODOLOGI PENELITIAN

Objek yang akan disimulasikan berbentuk elips dengan variable control berupa variasi ½

sumbu panjang dan pendek beserta kecepatan masuk, hal ini ditujukan untuk melihat seberapa

besar pengaruh fenomena Coanda terhadap gaya angkat yang dihasilkan pada berbagai besaran

kecepatan. Analisa yang dilakukan juga ingin menampilkan simulasi 2D di mana kompleksitas

dari pembentukan geometri menjadi lebih rumit dan terdapat perbedaan perlakuan yang

diberikan.

Sebagai acuan awal pembuatan geometri, digunakan sebuah prototype pesawat yang

memanfaatkan fenomena Coanda untuk menghasilkan gaya angkat yang dinamakan sebagai

Coanda Craft. Pesawat ini tergolong dalam klasifikasi VTOL (Vertical Take Off & Landing) dan

biasanya digunakan sebagai pesawat pengintai dan untuk pengambilan citra.

Skema dari urutan pembuatan dapat dilihat melalui Design Workbench sebagai berikut

Gambar 4.1 Skema projek dari Design Workbench

Urutan pembuatan dimulai dari pembentukan geometri, dilanjutkan dengan meshing, lalu masuk

ke FLUENT untuk dilakukan simulasi kasus. Tampilan dari hasil iterasi dapat ditampilkan

melalui parameter Solution atau bisa juga menggunakan software bawaan Ansys yaitu CFX.

20

4.1 Langkah Pembuatan Model Simulasi 2D

Pembuatan model 2D menggunakan software Solidworks 2009. Masing – masing

geometri memiliki cara yang berbeda dalam pembentukannya sehingga pembahasan seputar cara

pembuatan akan dibagi menjadi 2 bagian. Untuk simulasi 2D dilakukan dengan membentuk

plane. Ellipse tool digunakan untuk membentuk kontur lengkungan dari Coanda Craft dan

divariasikan terhadap pertambahan radius ½ sumbu model. Opsi lain adalah menggunakan

persamaan elips sebagai berikut

Dengan a sebagai ½ sumbu panjang dan b sebagai ½ sumbu pendek, sementara h dan k

merupakan titik pusat elips terhadap koordinat (0,0). Berikut gambaran persamaan pada

koordinat Cartesian

Gambar 4.2 Persamaan elips pada koordinat Cartesian

Geometri dibentuk hanya setengah bagian dikarenakan objek simetris terhadap sumbu y, hal ini

juga bertujuan untuk mempermudah iterasi sehingga meringankan kinerja computer.

1)()(

2

2

2

2

b

ky

a

hx

21

Gambar 4.3 Sketsa geometri awal

Dari Solidworks, data berupa part diekspor menuju software bawaan Ansys yaitu Design

Modeller yang kemudian geometri tersebut akan dipartisi menjadi 3 bagian. Fungsi dari

pembagian ini adalah agar dapat menghasilkan mesh yang conformal sehingga hasil iterasi dapat

menjadi lebih akurat.

Langkah – langkah yang harus dilakukan dalam pembagian area adalah sebagai berikut

1. Hal utama yang dilakukan adalah dengan membuat ekstra plane pada sumbu XY.

2. Buat garis di bagian yang ingin dibagi pada geometri

3. Klik pada bagian Concept > Lines From Sketches

4. Untuk membagi area geomatri gunakan Tools > Projection, pada Detail View dari

Projection ganti format Extend Edges dari No menjadi Yes

22

Gambar 4.4 Pembagian area luasan geometri

Fungsi dari pembagian luasan adalah

- Area 1 digunakan sebagai interior boundary, berfungsi sebagai medium di mana jenis

material Cell Zone akan diaplikasikan, sebagai contohnya udara, air, minyak, dan lain –

lain.

- Area 2 digunakan untuk memproyeksikan mesh secara lebih detil, densitas mesh pada

area ini lebih besar dibandingkan pada area 1, hal ini ditujukan agar kontur yang

dihasilkan lebih tajam serta dapat melihat perbedaan yang terjadi lebih jelas

- Area 3 merupakan saluran masuk dari fluida berbentuk tabung, dibuat sedemikian rupa

agar terjadi fully developed flow.

4.2 Langkah Pembuatan Mesh 2D

Meshing merupakan pembentukan partikel kecil penyusun geometri yang dinamakan

dengan Cell Zone. Fungsi dari pembuatan mesh adalah agar FLUENT dapat menjalankan

kalkulasi berdasarkan metoda finite element untuk setiap cell yang ada. Terdapat perbedaan

dalam pembentukan mesh, pada geometri 2D, meshing yang dilakukan tergantung dari geometri

yang sebelumnya telah dibagi menjadi beberapa area luasan melalui Solidworks dan Design

Modeller.

23

4.2.1 Mesh untuk area 1

Langkah – langkah pembuatan mesh area 1 :

1. Gunakan Mesh Control > Mapped Face Meshing dengan settingan Method

Quadrilateral.

2. Tentukan geometri yang ingin diberikan perlakuan

3. Gunakan Edge Sizing pada 2 pasang sisi yang ada dengan Number of Division 100 dan 40

Gambar 4.5 Sizing Method pada area 1

4.2.1 Mesh untuk Area 2


1. Klik Mesh Control > Face Sizing Method.

2. Tentukan Geometri yang ingin di Face Sizing

3. Masukkan nominal untuk Element Size sebesar 10mm.

24

Besar kecil maupun halus atau tidaknya Face Sizing pada area 2 ini menjadi faktor penentu

keakuratan hasil yang akan didapatkan saat simulasi. Semakin kecil nilai Element Size maka

hasil yang didapatkan akan semakin bagus namun hasil render dan kalkulasi akan semakin lama.

Gambar 4.6 Detail Properties dari Face Sizing area 2

Untuk permukaan objek yang ingin diteliti, dalam hal ini adalah permukaan geometri

elips harus disertai dengan adanya Inflation Layer. Inflation Layer merupakan sederetan lapisan

yang berguna untuk menambah resolusi dan untuk mempertajam keakuratan perubahan yang

terjadi setelah simulasi selesai dilakukan.

Gambar 4.7 Inflation Layer Boundaries

4. Klik Mesh Control > Inflation

Berikut merupakan Detail Properties dari Inflation

- Tentukan area geometri beserta geometry boundary yang ingin diberikan inflation

25

- Inflation Option diganti menjadi First Layer Thickness, maksudnya adalah pembuatan

inflation layer berdasarkan pada seberapa tebal lapisan awal yang ingin dibentuk.

- Setting First Layer Heigh menjadi 0.2mm

- Maximum Layer adalah 12, yang berarti terdapat 12 lapis inflation layer

- Masukkan nilai Growth Rate menjadi 1.2, Growth Rate mengontrol seberasa besar

pertambahan jarak antara lapisan bagian atas dengan bagian bawah.

Gambar 4.8 Detail Properties dari Inflation Layer

4.2.3 Mesh untuk Area 3


1. Klik Mesh Control > Face Sizing Method.

2. Tentukan Geometri yang ingin di Face Sizing

3. Masukkan nominal untuk Element Size sebesar 10mm.

Tahap terakhir dalam pembuatan mesh adalah Named Selection di mana tipe dari boundary

layers di setiap sisi geometri harus ditentukan sedemikian rupa agar FLUENT dapat secara

otomatis mengenali jenis dari boundary. Langkah dalam pembuatan Named Selection

1. Seleksi semua bagian yang ingin diberikan Named Selection

2. Klik kanan > Create Named Selection

3. Berikan nama sesuai dengan tipe dari boundary yang diinginkan

26

Gambar 4.9 Named Selection untuk Boundary Layers

4.3 Langkah Simulasi menggunakan FLUENT

Tahap – tahap yang harus dilalui sebelum kalkulasi menggunakan FLUENT dilakukan

adalah :

1. General Setup

Beberapa hal yang harus diperhatikan :

o General > Check, General > Report Quality untuk melihat informasi seputar

geometri termasuk Orthogonal Quality

Hal yang perlu diperhatikan :

Volume Geometri tidak boleh negatif

Orthogonal Quality diusahakan memiliki nilai di atas 0,3

Skala dari geometri tidak mengalami perubahan dari bentuk aslinya, jika

terdapat perubahan maka gunakan General > Scale > pada menu ganti

menjadi Specify Scaling Factor > pilih satuan unit yang diinginkan >

Scale

o Pada General solver yang digunakan adalah pressure based karena kecepatan

input tidak melebihi mach number 1

o Simulasi aliran tunak atau steady

27

Gambar 4.10 Hasil geometri check up

Untuk melihat nilai dari orthogonal quality maka dilakukan inisialisasi terlebih dahulu.

Setelah itu plot kontur dan pilih Countour of Mesh > Orthogonal quality, lalu klik

Display untuk menampilkan hasilnya.

Gambar 4.11 Orthogonal Quality

Nilai 1 atau warna merah dari pada gambar menunjukkan bahwa model memiliki kualitas

mesh yang bagus, sedangkan warna biru menunjukkan mesh yang memerlukan

28

perbaikan. Untuk kasus permodelan yang kompleks, kualitas mesh yang rendah

diperbolehkan di bawah 0.3 dan apabila tidak memiliki pengaruh yang besar terhadap

aliran utama.

2. Model

Berisi beberapa model analisis yang dapat dipakai untuk mensimulasikan keadaaan sesuai

dengan formula yang disediakan oleh pihak Ansys Fluent. Untuk kasus Coanda Effect, 2

permodelan yang dipakai adalah Energi dan Viskositas.

Langkah – langkah yang perlu dilakukan :

o Klik Energy > Edit, centang kotak yang ada untuk mengaktifkan penggunaan

persamaan yang berhubungan dengan energy saat kalkulasi

o Viscous > Edit > Gunakan formula k – ω (2 equation) dengan Model dirubah

menjadi SST. Formula k – ω (2 equation) digunakan karena lebih cocok

digunakan untuk aliran fluida eksternal, dan memiliki tingkat akurasi yang lebih

tinggi daripada formula yg menggunakan 1 persamaan seperti Spalart – Almaras.

o Klik ok

3. Materials

Pilih material yang akan diaplikasikan pada interior boundary. Dalam kasus ini adalah

udara (air)

Langkah kerja adalah :

o Pada Material Fluid klik Create / Edit > Fluent Database > gunakan material

yang diinginkan contohnya udara (air)

o Pada kolom properties ganti densitas material menjadi Incompressible – Ideal –

Gas.

o Klik Change / Create

29

Gambar 4.12 Pemilihan jenis material

4. Cell Zone Condition

Memasukkan jenis material yang sudah dipilih ke interior boundary

Langkah kerja :

o Pada zone yang diinginkan, klik Edit

o Pada Material Name, ganti menjadi jenis material yang sudah kita pilih

sebelumnya

o Klik Ok

5. Boundary Condition

Pada kolom Zone, terdata semua Named Selection yang sudah kita berikan pada saat

meshing sebelumnya. Pada bagian ini, kita harus menentukan tipe dari masing – masing

Named Selection beserta input data propertiesnya.

Langkah kerja :

o Ganti tipe dari Inlet Zone menjadi velocity-inlet

o Klik Edit > pada Momentum tab ganti Specification Method menjadi Components

o Masukkan nilai dari kecepatan masuk untuk Y-Velocity dengan nominal yang

diinginkan, tanda negatif menandakan bahwa kecepatan berarah ke bawah

30

o Untuk Turbulence Spesification Method ganti menjadi Intensity and Viscosity

Ratio dengan nilai Turbulent Viscosity 1% dan besar Turbulent Viscosity Ratio

sebesar 1

Gambar 4.13 Boundary Condition untuk Velocity Inlet

o Untuk Wall Boundary, gunakan asumsi No-slip Condition

6. Reference Value

Sebagai input data awal yang akan digunakan oleh FLUENT pada saat akan melakukan

iterasi.

Langkah kerja :

o Pada Compute From, ganti menjadi Inlet untuk memasukkan semua data inlet

boundary sebagai reference value.

o Pada Reference Zone, masukkan interior boundary dari geometri

31

Gambar 4.14 Reference Values

7. Solution Control

Merupakan tempat untuk mengatur nilai dari URF (Under Relaxation Factor).

Langkah kerja :

o Ganti nilai URF dari Energy menjadi 0,8

o Pada Solution Limits, ganti nominal dari Maximum Turbulent Viscosity Ratio

menjadi 107.

Gambar 4.15 Settingan untuk Solution Controls dan Solution Limits

32

8. Solution Initialization

Inisialisasi proses kalkulasi apakah ingin dilakukan dengan menggunakan Hybrid

Initialization atau Standard Initialization

Langkah kerja :

o Tentukan jenis inisialisasi yang diinginkan

o Initialization

9. Run Calculation

Untuk menjalankan kalkulasi harus menentukan jumlah iterasi yang diinginkan terlebih

dahulu.

Langkah kerja :

o Masukkan jumlah iterasi yang ingin di lakukan pada kolom Number of Iterations

o Tentukan setiap berapa kali iterasi FLUENT harus mengirimkan informasi pada

GUI pada kolom Reporting Interval

o Klik Calculate untuk memulai iterasi

10. Grafik dan Animasi

Digunakan untuk memplot hasil iterasi ke dalam bentuk grafik maupun animasi. Dalam

kasus ini hasil simulasi Coanda Effect akan diberikan dalam bentuk kontur grafik untuk

melihat distribusi kecepatan serta tekanan statis yang terjadi.

Langkah kerja :

o Contour > Set Up > pada pilihan Countour of ganti menjadi Velocity Magnitude

o Pada Options, centang pilihan Filled untuk menampilkan kontur secara penuh

pada permukaan geometri

o Pada Surfaces, klik area yang ingin ditampilkan konturnya

o Klik Display untuk memunculkan kontur

Langkah yang sama digunakan ketika ingin menampilkan plot kontur untuk kasus

tekanan statis maupun kasus lainnya.

33

Gambar 4.16 Setingan kontur

11. Plots

Digunakan untuk mengambil plot grafik untuk distribusi kecepatan dan tekanan pada

permukaan geometri. Pada kasus distribusi kecepatan, harus membuat plane surface

terlebih dahulu dengan memakai nomimal pada lapisan pertama yang dimasukkan saat

meshing yaitu sebesar 0.2 mm.

Langkah kerja :

o XY Plot > Set Up

o Tentukan variable mana yang akan berada pada aksis Y dan X

o Pilih surface yang ingin diplot grafik

o Klik Plot untuk memulai proses

o Centang Write to File jika ingin menyimpan data berupa angka

34

o

Gambar 4.17 Settingan plot grafik

12. Reports

Data hasil kalkulasi berupa gaya angkat dapat ditampilkan dengan menggunakan Force

yang terdapat pada Reports.

Langkah kerja :

o Pada Reports > Force > Klik Set Up

o Masukkan nilai Direction Vector untuk X = 0 dan Y = 1, hal ini dikarenakan gaya

angkat selalu berarah ke atas melawan gravitasi

o Pada Wall Zones, klik area yang ingin dilihat gaya angkat yang bekerja

o Klik Print untuk menampilkan data kalkulasi pada kolom Task Page

o Klik Write untuk menyimpan data hasil kalkulasi.

Gambar 4.18 Settingan untuk grafik gaya angkat

35

BAB 5

HASIL PENELITIAN DAN PERANCANGAN

5.1 Hasil Akhir Model 2 Dimensi

Dari geometri yang telah dibuat menggunakan Solidworks sebelumnya, berikut

merupakan tampilan 10 geometri dengan rasio radius yang berbeda. a menunjukkan ½ sumbu

pendek sedangkan b menunjukkan ½ sumbu panjang.

a = 300 mm

b = 175 mm

a = 300 mm

b = 205 mm

36

a = 300 mm

b = 235 mm

a = 300 mm

b = 265 mm

a = 300 mm

b = 300 mm

a = 350 mm

b = 175 mm

37

a = 400 mm

b = 175 mm

a = 450 mm

b = 175 mm

a = 500 mm

b = 175 mm

a = 550 mm

b = 175 mm

Gambar 5.1 Model 2D untuk variasi radius ½ sumbu

38

5.2 Grafik distribusi kecepatan permukaan (Inflation Layer 0.02 mm)

5.2.1 Hasil Analisa

a = 300 mm, b = 175 mm

Gambar 5.2 Grafik distribusi kecepatan permukaan dengan variasi kecepatan masuk

0

50

100

150

200

250

300

350

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

Kec

epat

an (

m/s

)

Radius permukaan (m)

40 m/s

45 m/s

50 m/s

55 m/s

60 m/s

Variasi kecepatan

masuk

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

Kec

epat

an (

m/s

)

Radius permukaan(m)

40 m/s

45 m/s

50 m/s

55 m/s

60 m/s

Variasi kecepatan

masuk

39

a = 300 mm, b = 205 mm

Gambar 5.2 Grafik distribusi kecepatan permukaan dengan variasi kecepatan masuk (lanjutan)

a = 300 mm, b = 235 mm


0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

Ke

cep

atan

(m/s

)


40 m/s

45 m/s

50 m/s

55 m/s

60 m/s

Variasi kecepatan

masuk

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

Kec

epat

an (m

/s)


40 m/s

45 m/s

50 m/s

55 m/s

60 m/s

Variasi kecepatan

masuk

40

a = 300 mm, b = 265 mm


a = 300 mm, b = 300 mm


0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

Ke

cep

atan

(m/s

)


40 m/s

45 m/s

50 m/s

55 m/s

60 m/s

Variasi kecepatan

masuk

0

50

100

150

200

250

300

350

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

Kec

epat

an (m

/s)


40 m/s

45 m/s

50 m/s

55 m/s

60 m/s

Variasi kecepatan

masuk

41

a = 350 mm, b = 175 mm


a = 400 mm, b = 175 mm


0

50

100

150

200

250

300

350

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Ke

cep

atan

(m/s

)


40 m/s

45 m/s

50 m/s

55 m/s

60 m/s

Variasi kecepatan

masuk

0

50

100

150

200

250

300

350

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Kec

epat

an (m

/s)


40 m/s

45 m/s

50 m/s

55 m/s

60 m/s

Variasi kecepatan

masuk

42

a = 450 mm, b = 175 mm


a = 500 mm, b = 175 mm


0

50

100

150

200

250

300

350

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Ke

cep

atan

(m/s

)


40 m/s

45 m/s

50 m/s

55 m/s

60 m/s

Variasi kecepatan

masuk

0

50

100

150

200

250

300

350

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Kec

epat

an (m

/s)


40 m/s

45 m/s

50 m/s

55 m/s

60 m/s

Variasi kecepatan

masuk

43

a = 550 mm, b = 175 mm


5.2.2 Pembahasan

Dikarenakan pembuatan inflation layer setebal 0.02 mm, maka untuk plot kecepatan

dilakukan dengan membuat New Surfaces terlebih dahulu. Hasil pembuatan Surface berdasarkan

Cell Wall Distance akan menghasilkan bentuk model sebagai berikut

Gambar 5.3 New Plane Surface

Pengambilan data dilakukan sepanjang New Surface tersebut untuk mengidentifikasi nilai

besaran kecepatan yang terjadi.

Dari Gambar 5.3 menunjukkan distribusi besaran kecepatan yang terjadi pada sepanjang

permukaan untuk berbagai variasi radius ½ sumbu serta kecepatan masuk. Dapat dilihat bahwa

terdapat pengaruh antara kedua variable tersebut terhadap distribusi kecepatan yang terjadi.

Distribusi kecepatan untuk model dengan a = 400 mm sampai a = 550 mm memiliki bentuk yang

berbeda jika dibandingkan dengan model b = 175 mm sampai b = 300 mm.

Untuk model dengan a = 400 mm sampai a = 300 mm mamiliki luasan area bawah kurva

yang lebih besar dibandingkan model dengan b = 175 mm sampai b = 300 mm, namun seiring

dengan peningkatan radius ½ sumbu panjang terjadi pengurangan pada distribusi kecepatan

permukaan. Hal ini akan berdampak nantinya pada gaya angkat yang akan dihasilkan.

44

5.3 Grafik distribusi tekanan permukaan

5.3.1 Hasil Analisa

a = 300 mm, b = 175 mm

Gambar 5.4 Grafik distribusi tekanan statis pada berbagai variasi kecepatan masuk

-20000

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

Teka

nan

(pas

cal)


45 m/s

40 m/s

50 m/s

55 m/s

60 m/s

Variasi kecepatan

masuk

45

a = 300 mm, b = 205 mm

Gambar 5.4 Grafik distribusi tekanan statis pada berbagai variasi kecepatan masuk (lanjutan)

a = 300 mm, b = 235 mm


-25000

-20000

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

Teka

nan

(pas

cal)


40 m/s

45 m/s

50 m/s

55 m/s

60 m/s

Variasi kecepatan

masuk

-30000

-25000

-20000

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

Teka

nan

(pas

cal)


40 m/s

45 m/s

50 m/s

55 m/s

60 m/s

Variasi kecepatan

imasuk

46

a = 300 mm, b = 265 mm


a = 300 mm, b = 300 mm


-25000

-20000

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

Teka

nan

(pas

cal)


40 m/s

45 m/s

50 m/s

55 m/s

60 m/s

Variasi kecepatan

masuk

-30000

-25000

-20000

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

Teka

nan

(pas

cal)


40 m/s

45 m/s

50 m/s

55 m/s

60 m/s

Variasi kecepatan

masuk

47

a = 350 mm, b = 175 mm


a = 400 mm, b = 175 mm


-40000

-30000

-20000

-10000

0

10000

20000

30000

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

Teka

nan

(pas

cal)


40 m/s

45 m/s

50 m/s

55 m/s

60 m/s

Variasi kecepatan

masuk

-40000

-30000

-20000

-10000

0

10000

20000

30000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Teka

nan

(pas

cal)


40 m/s

45 m/s

50 m/s

55 m/s

60 m/s

Variasi kecepatan

masuk

48

a = 450 mm, b = 175 mm


a = 500 mm, b = 175 mm


-40000

-30000

-20000

-10000

0

10000

20000

30000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Teka

nan

(pas

cal)


40 m/s

45 m/s

50 m/s

55 m/s

60 m/s

Variasi kecepatan

masuk

-40000

-30000

-20000

-10000

0

10000

20000

30000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Teka

nan

(m/s

)

Radius (m)

40 m/s

45 m/s

50 m/s

55 m/s

60 m/s

Variasi kecepatan

masuk

49

a = 550 mm, b = 175 mm


5.3.2 Pembahasan

Gambar 5.4 menunjukkan distribusi tekanan statis pada sepanjang permukaan geometri.

Dapat dilihat dari grafik bahwa seiring dengan bertambahnya kecepatan maka akan terjadi

penurunan tekanan. Kecepatan masuk serta radius ½ sumbu menjadi factor yang mempengaruhi

distribusi tekanan yang terjadi.

Untuk geometri dengan nilai b = 175 mm sampai 300 mm, seiring bertambahnya nilai b

maka terjadi penurunan tekanan pada area di dekat aliran masuk namun tidak demikian pada

bagian ujung dari model, tekanan yang turun menjadi tidak sebesar saat nilai b masih 175 mm.

Disamping itu pertambahan kecepatan juga akan mengakibatkan meningkatnya distribusi

tekanan yang terjadi.

-40000

-30000

-20000

-10000

0

10000

20000

30000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Teka

nan

Sta

tis

(pas

cal)


40 m/s

45 m/s

50 m/s

55 m/s

55 m/s

Variasi kecepatan

masuk

50

5.4 Kontur besaran kecepatan dan tekanan statis

5.4.1 Hasil Analisa

V = 45 m/s V = 50 m/s

V = 55 m/s V = 60 m/s

a = 300 mm, b = 175 mm

Gambar 5.5 Plot kontur besaran kecepatan

51

V = 45 m/s V = 50 m/s

V = 55 m/s V = 60 m/s

a = 300 mm, b = 205 mm

Gambar 5.5 Plot kontur besaran kecepatan (lanjutan)

52

V = 45 m/s V = 50 m/s

V = 55 m/s V = 60 m/s

a = 300 mm, b = 235 mm


53

V = 45 m/s V = 50 m/s

V = 55 m/s V = 60 m/s

a = 300 mm, b = 265 mm


54

V = 45 m/s V = 50 m/s

V = 55 m/s V = 60 m/s

a = 300 mm, b = 300 mm


55

V = 45 m/s V = 50 m/s

V =55 m/s V = 60 m/s

a = 350 mm, b = 175 mm


56

V = 45 m/s V = 50 m/s

V = 55 m/s V = 60 m/s

a = 400 mm, b = 175 mm


57

V = 45 m/s V = 50 m/s

V = 55 m/s V = 60 m/s

a = 450 mm, b = 175 mm


58

V = 45 m/s V = 50 m/s

V = 55 m/s V = 60 m/s

a = 500 mm, b = 175 mm


59

V = 45 m/s V = 50 m/s

V = 55 m/s V = 60 m/s

a = 550 mm, b = 175 mm


5.4.2 Pembahasan

Gambar 5.5 menunjukkan kontur dari besaran kecepatan pada beberapa jenis percobaan

dengan variasi radius ½ sumbu yang telah dilakukan. Tujuan dari pembuatan kontur adalah

60

untuk menunjukkan fenomena flow attachment yang muncul beserta distribusi besaran kecepatan

dan aliran di sekitar model 2D.

Seiring bertambahnya laju kecepatan masuk maka efek dari Coanda akan semakin besar,

hal ini dapat dilihat dari bertambahnya nilai dari kecepatan di sekitar permukaan bagian atas dari

geometri yang ditandai dengan warna merah pada kontur. Skala dari kontur berupa spectrum

warna mulai dari merah hingga biru. Warna merah menandakan besaran maksimum sedangkan

biru besaran minimum.

5.5 Gaya Angkat yang Dihasilkan

5.5.1 Hasil analisa

Hasil penelitian melibatkan pengaruh dari variasi radius ½ sumbu terhadap gaya angkat

atau lift dan disajikan dalam bentuk tabel dan grafik berikut.

Gambar 5.6 Grafik gaya angkat untuk variasi ½ sumbu pendek dan Vin

0

500

1000

1500

2000

2500

220 240 260 280 300 320 340 360 380

Lift

(N

ewto

n)

b(mm)

60

55

50

45

40

30

20

10

Variasi kecepatan

masuk

61

TABEL GAYA ANGKAT (LIFT) YANG DIHASILKAN (Newton)

b (mm)

175 205 235 265 300

Kec

epata

n M

asu

k (

m/s

)

10 51.697 55.924 54.193 51.69 50.52

20 198.364 235.907 220.994 202.013 200.282

30 476.499 485.039 499.577 469.413 470.084

40 824.5194 866.987 909.9144 851.7819 829.1322

45 1018.346 1121.403 1100.311 1065.935 1033.228

50 1236.633 1313.779 1440.379 1321.644 1302.21

55 1587.553 1719.824 1659.389 1623.849 1552.946

60 1826.405 2029.546 1992.883 1902.95 1850.873

Tabel 5.1 Gaya angkat untuk variasi ½ sumbu pendek dan kecepatan masuk

Gambar 5.7 Grafik gaya angkat untuk variasi ½ sumbu panjang dan Vin

0

500

1000

1500

2000

2500

300 350 400 450 500 550 600

Lift

(N

ew

ton

)

a (mm)

60 m/s

55 m/s

50 m/s

45 m/s

40 m/s

30 m/s

20 m/s

10 m/s

Variasi kecepatan

masuk

62

TABEL GAYA ANGKAT (LIFT) YANG DIHASILKAN (Newton)

a (mm)

350 400 450 500 550

Kec

epata

n M

asu

k (

m/s

)

10 55.725 52.171 56.089 56.367 54.025

20 220.245 213.736 218.56 212.36 220.364

30 507.399 460.52 445.331 503.1 497.758

40 897.532 823.858 887.219 802.434 890.241

45 1147.455 1063.843 1124.492 1103.605 1258.67

50 1411.512 1342.075 1299.676 1269.348 1335.114

55 1734.445 1588.244 1689.92 1810.812 1522.585

60 2027.974 1928.317 1825.109 1868.027 2148.116

Tabel 5.2 Gaya angkat untuk variasi ½ sumbu panjang dan kecepatan masuk

5.5.2 Pembahasan

Gaya angkat yang dihasilkan bukan dikarenakan oleh adanya hukum Bernoulli, semakin

banyak udara yang dipompa ke arah bawah maka semakin besar gaya angkatnya. Pada kasus ini,

gaya angkat timbul sebagai akibat oleh adanya fenomena Coanda Effect yang dimana

menyebabkan terjadinya flow attachment pada permukaan serta entraintment udara sekitar.

Peristiwa entrainment udara disebabkan oleh pengurangan tekanan oleh aliran udara yang

dihembuskan melalui inlet, sehingga reaksi yang dihasilkan berupa gaya angkat atau lift. Bentuk

dari entrainment yang terjadi dapat dilihat pada Gambar 5.8 berikut.

63

Gambar 5.8 Entrainment udara sekitar mengikuti pola aliran

Dari hasil analisa untuk gaya angkat pada tabel 5.1 dan 5.2 dapat disimpulkan bahwa

untuk variasi radius ½ sumbu yang kecil, efek yang ditimbulkan ketika dialiri oleh kecepatan

masuk terhadap gaya angkat tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan. Namun seiring

meningkatnya radius ½ sumbu, gaya yang dihasilkan mulai menunjukkan nilai yang fluktuatif,

hal ini dapat dilihat melalui grafik pada gambar 5.11 dan 5.12, dari grafik dapat dilihat bahwa

terdapat fluktuasi dari gaya angkat yang terjadi, namun semakin besar pertambahan maupun

pengurangan radius tidak menjamin akan menghasilkan gaya angkat yang makin besar.

Pertimbangan mengenai adanya flow separation pada permukaan perlu diperhatikan jika

simulasi yang dilakukan melibatkan adanya gaya dorong atau thrust pada geometri seperti pada

kasus sayap pesawat terbang. Kontur sayap serta derajat kelengkungan dari geometri menjadi

sangat penting mengingat akan menimbulkan pengaruh terhadap cepat atau lambatnya separasi

aliran fluida yang terjadi diakibatkan pergeseran titik stagnasi.

64

BAB 6

PENUTUP

6.1 Kesimpulan

1. Tingkat keakuratan dari hasil kalkulasi sangat bergantung kepada seberapa bagusnya

meshing yang dilakukan beserta pemilihan formula yang tepat saat akan melakukan

permodelan.

2. Coanda Effect sebagai bentuk dari flow attachment pada permukaan benda dan

mengakibatkan entrainment udara sekitar. Hal ini dapat dilihat dari peningkatan

kecepatan pada kontur yang telah diberikan.

3. Terdapat pengaruh dari radius ½ sumbu terhadap gaya angkat yang dihasilkan namun

tidak menjamin bahwa nilainya akan semakin besar seiring bertambah besarnya radius ½

sumbu.

4. Terdapat suatu nilai optimal dimana akan menghasilkan gaya angkat maksimum pada

kecepatan masuk serta radius ½ sumbu tertentu.

5. Semakin kecil nilai kecepatan masuk maka pertambahan gaya angkat menjadi tidak

begitu signifikan

6.2 Saran

Pembelajaran seputar CFD perlu diberikan bagi mahasiswa guna membantu pengerjaan

kasus fluida dinamis baik cakupannya masih dalam lingkup studi kampus maupun saat sudah

bekerja nanti. Dengan berbekal kemampuan dalam menggunakan CFD, maka akan ikut

menunjang kulitas lulusan mahasiswa sehingga mempermudah dalam menyelesaikan kasus –

kasus yang serupa di lapangan nantinya.

65

DAFTAR PUSTAKA

Collins, R.J. , 2008, Coanda – A New Airspace Platform For UAVS

Colon, T. , 2007, How Planes Can Fly, http://www.terrycolon.com, [online, diakses 15 Juli

2012]

Day, T. , 2008, The Coanda Effect And Lift, http://vortex-dynamics.com.au, [online, diakses 22

Agustus 2012]

Denker, J.S. , 1996 - 2008, See How It Flies, http://www.av8n.com, [online, diakses 20 Agustus

2012]

Florescu, I. , Florescu, D. , 2011, Theoritical And Experimental Studies For Auto Sustainable

Device Using Coanda Effect, University of Bacau, Romania

Mirkov, N. , dan Rasuo, B. , Numerical Solution of Air Jet Attachment to Convex Walls and

Applications, University of Belgrade, Europe

Naudin, J. W. , 2010, How to Build a RC “Coanda Effect Saucer”, http://diydrones.com ,

[online, diakses 22 Agustus 2012]

Nedelcut, F. , Coanda Effect UAV – A New Born Baby In The Unmanned Aerial Vehicles

Family, University of Galati, Romania

ANSYS FLUENT 13 – User’s guide

ANSYS FLUENT 13 – Lecture 5 Solver Settings

http://www.terrycolon.com/

http://vortex-dynamics.com.au/

http://www.av8n.com/

http://diydrones.com/

PDF Merger

Thank you for evaluating Wondershare PDF Merger! To remove this page, please register your program!

Go to Purchase Now>>

Merge multiple PDF files into one

Select page range of PDF to merge

Select specific page(s) to merge

Extract page(s) from different PDF

files and merge into one

http://www.wondershare.com/buy/buy-pdf-merger.html

analisa coanda effect menggunakan cfd (computational fluid dynamic)

Documents