KAJIAN PERBANDINGAN KARAKTERISTIK TURBULENSI
DAN PULSASI ANTARA PROPELER PESAWAT TANPA
AWAK YANG RENDAH BISING DAN PROPELER
PABRIKAN MELALUI ANALISA KOMPUTASI DINAMIKA
FLUIDA
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh :
ANDI YONGKO (090401036)
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
M E D A N
ABSTRACT
As one of the most crucial component in the airplane, propeller has the purpose to generate a push-force known as thrust. However, in practices, despite the thrust, propeller has the role in causing the noise while operating. Propeller’s noise is prohibited to exceed the limit level of the government legislation of environmental noise. As the decision of environmental minister, number : KEP-48/MENLH/11/1996 about basic sound level 25th November 1996, that the permitted sound level in residential area is 55dB and in industrial area is 70 dB. Nevertheless, in the realization, the common sound level of the propeller is 80 dB within 300 m. Therefore, this script is to seek for the lowest noise of several propeller, run by a petrol engine, but with a high quality of flight by using the CFD (Computational Fluid Dynamic) software Solidworks. The level of turbulence and the pressure field of the CLARK-Y airfoil propeller which is about to be used in the UAV (Unmanned Aerial Vehicle), is going to be compare with the other of the two manufactured propeller, APC and Master Airscrew. The diameter of CLARK-Y propeller is 0,46 m with the value of Sound Power Level produced is 71,4 dB and Sound Pressure Level is 43,5 dB ( range 10 m). The diameter of APC is 0,38 m with Sound Power Level produced is 67,99 dB and Sound Pressure Level is 40,1 dB (range 10 m). For Master Airscrew (diameter = 0,2 m), the Sound Power Level produced is 60,38 dB of and Sound Pressure Level 32,5 dB (range 10 m). Meanwhile, the value of Thrust which is gained for each propeller is opposite to those, with CLARK-Y generates 89,5 N, APC generates 54,7 N and Master Airscrew generates 14,8 N at the speed of 10 m/s
ABSTRAK
Propeler merupakan salah satu komponen penting pada pesawat. Fungsi propeler adalah untuk menghasilkan gaya dorong atau yang sering disebut Thrustdengan diberi input tenaga putar dari mesin. Namun dalam prakteknya, selain memberikan gaya dorong, propeler turut berperan dalam menimbulkan kebisingan ketika sedang berputar. Kebisingan propeler ini tidak boleh melewati batas ambang kebisingan yang telah ditetapkan dalam perundang – undangan pemerintah. Berdasarkan keputusan menteri negara lingkungan hidup nomor : KEP-48/MENLH/11/1996 tentang baku tingkat kebisingan tanggal 25 November 1996, bahwa tingkat kebisingan yang diizinkan untuk daerah permukiman adalah 55 dB dan untuk daerah industri adalah 70 dB. Namun dalam realisasinya, propeler pada umumnya memiliki tingkat kebisingan di atas 80 dB untuk pengukuran di dalam jarak 300 m. Oleh sebab itu, tugas akhir ini memiliki tantangan untuk mencari propeler yang memiliki tingkat kebisingan yang rendah namun memiliki unjuk kerja yang tinggi melalui software analisa CFD (Komputasi Dinamika Fluida) Solidworks. Tugas akhir ini akan membandingkan tingkat turbulensi dan pulsasi antara propeler yang dibentuk dari airfoil CLARK – Y yang akan digunakan untuk pesawat tanpa awak, dengan propeler pabrikan. Propeler CLARK-Y yang memiliki diameter 0,46 m dengan Sound Power Level yang dihasilkan sebesar 71,4 dB dan Sound Pressure Level sebesar 43,5 dB (jarak ukur 10 m). Propeler APC dengan diameter 0,38 m menghasilkan Sound Power Level 67,99 dB dan Sound Pressure Level 40,1 dB (jarak ukur 10 m) dan propeler Master Airscrew dengan diameter 0,2 m, menghasilkan Sound Power Level sebesar 60,38 dB dan Sound Pressure Level sebesar 32,5 dB (jarak ukur 10 m). Sedangkan nilai Thrust yang dihasilkan berbanding terbalik dengan CLARK-Y adalah 89,5 N, APC adalah 54,7 N dan Master Airscrew adalah 14,8 N setelah mencapai kecepatan 10 m/s.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini yang berjudul “KAJIAN PERBANDINGAN KARAKTERISTIK TURBULENSI DAN PULSASI
ANTARA PROPELER PESAWAT TANPA AWAK YANG RENDAH
BISING DAN PROPELER PABRIKAN MELALUI ANALISA
KOMPUTASI DINAMIKA FLUIDA”.
Skripsi ini disusun untuk memenuhi persyaratan untuk menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Dalam menyelesaikan skripsi ini, tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa dan bantuan baik material, moral maupun spiritual dari berbagai pihak, akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu dengan penuh ketulusan hati, penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Kedua orang tua penulis, Pau Min dan Erwani yang setiap saat selalu memberikan dukungan, doa serta kasih sayang kepada penulis.
2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Dosen Pembimbing yang dengan penuh kesabaran telah banyak memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.
3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima saran, usul dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima Kasih.
Medan, April 2014
DAFTAR ISI
ABSTRAK ...i
KATA PENGANTAR ...iii
DAFTAR ISI ... iv
DAFTAR GAMBAR...vii
DAFTAR TABEL...ix
DAFTAR NOTASI ... x
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ...1
1.2 Perumusan Masalah ...2
1.3 Tujuan Penilitian ...2
1.3.1 Tujuan Umum ...2
1.3.2 Tujuan Khusus ...2
1.4 Batasan Masalah ...3
1.5Sistematika Penulisan...3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Sistem Propulsi ...5
2.2 Pengertian Propeller ...5
2.3 Bagian-Bagian Propeler ...6
2.4 Dasar Elemen Propeller ...8
2.5 Teori Momentum Sederhana ...11
2.6 Gaya Yang Terjadi Pada Propeler ...14
2.8 Tingkat Kebisingan ...18
2.9 Computational Fluid Dynamics (CFD)...21
BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Pendahuluan ...23
3.2 Waktu dan Tempat ...23
3.3 Variabel Penelitian ...23
3.3.1 Variabel Terikat ...23
3.3.2 Variabel Bebas ...24
3.4 Peralatan Yang Digunakan ...24
3.5 Spesifikasi Data ...24
3.6 Spesifikasi Fluida ...26
3.7 Spesifikasi Jenis Propeler Pabrikan ...27
3.8 Spesifikasi Mesin Gasoline...29
3.9 Urutan Proses Analisa ...29
3.10 Diagram Alir Penelitian...31
3.11 Tahap Pengujian Propeler...31
3.2 Diagram Alir Simulasi...37
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Verifikasi Teoritis ...40
4.1.1 Propeler Clark-Y ...42
4.1.2 Propeler APC ...48
4.1.3 Propeler Master Airsrew ...52
4.2 Analisa Gaya Dorongan Propeler (Thrust) ...57
4.3 Analisa Kebisingan ...60
4.3.1 Karakteristik Perambatan Kebisingan Pada Udara ...60
4.3.2 Analisa Kebisingan Pada Propeler ...65
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ...71
5.2 Saran ...72
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Bagian – Bagian Propeler ...6
Gambar 2.2 Luas Permukaan Sebuah Baling Propeller ... 7
Gambar 2.3 Elemen Pada Baling – Baling Propeller... ...8
Gambar 2.4 Sudut Pada Baling – Baling Propeler...9
Gambar 2.5 Udara Relatif...10
Gambar 2.6 Jalur Pergerakan Propeler ...10
Gambar 2.7 Geometric dan Effective Pitch...11
Gambar 2.8 Aliran Plat Penggerak (Actuator Disk Flow)...11
Gambar 2.9 Tegangan Pada Propeler...15
Gambar 2.10 Sumber-sumber noise pada komponen aerodinamis...17
Gambar 2.11 Noise GenerationMechanisme pada propeller...18
Gambar 3.1 Detail Geometri Propeler CLARK-Y...25
Gambar 3.2 Penampang Propeler CLARK – Y ...26
Gambar 3.3 Detail Geometri Propeler APC...27
Gambar 3.4 Penampang Propeler APC...28
Gambar 3.5 Detail Propeler Master Airscrew...28
Gambar 3.6 Penampang Propeler Master Airscrew...29
Gambar 3.7 Diagram Alir Penelitian...31
Gambar 3.8 Koordinat Airfoil CLARK Y...33
Gambar 3.9 Pengisian Koordinat Airfoil CLARK Y...34
Gambar 3.10 Input Sudut Serang... ...34
Gambar 3.11 Pemilihan Jenis Fluida... ...36
Gambar 3.12 Diagram Alir Simulasi...38
Gambar 3.13 Diagram Alir Simulasi (lanjutan) ...39
Gambar 4.1 Aliran Kecepatan Udara Melewati Propeler... ...42
Gambar 4.2 Kontur Kecepatan Udara Propeler CLARK -Y...43
Gambar 4.3 Kontur Tekanan Propeler CLARK -Y...44
Gambar 4.5 Kontur Tekanan Pada Permukaan Propeler CLARK – Y...46
Gambar 4.6 Kontur Energi Turbulensi Propeler CLARK-Y...47
Gambar 4.7 Aliran Kecepatan Udara Pada Propeler APC...49
Gambar 4.8 Kontur Kecepatan Aliran Udara Propeler APC...49
Gambar 4.9 Kontur Tekanan Propeler APC... 50
Gambar 4.10 Kontur Kecepatan Permukaan Propeler APC...50
Gambar 4.11 Kontur Tekanan Permukaan Propeler APC...51
Gambar 4.12 Kontur Energi Turbulensi Propeler APC... 51
Gambar 4.13 Karakteristik Kecepatan Udara Pada Propeler Master Airscrew...52
Gambar 4.14 Kontur Kecepatan Udara Propeler Master Airscrew...53
Gambar 4.15 Kecepatan Permukaan Propeler Master Airscrew...54
Gambar 4.16 Kontur Tekanan Permukaan Propeler Master Airscrew...54
Gambar 4.17 Kontur Tekanan Propeler Master Airscrew...55
Gambar 4.18 Kontur Energi Turbulensi Propeler Master Airscrew...56
Gambar 4.19 Grafik Nilai Thrust Propeler...60
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Contoh SPL Berdasarkan Sumbernya ... 19
Tabel 2.2 Basic Sound Power Level Spectrum Lw(B)... 20
Tabel 3.1 Spesifikasi Data ... 25
Tabel 3.2 Spesifikasi Fluida Udara Atmosfir ... 26
Tabel 3.3 Koordinat Airfoil CLARK – Y ... 33
Tabel 4.1 Perbandingan Hasil Teoritis Dan Hasil Simulasi... 41
Tabel 4.2 Hasil Simulasi Propeler CLARK-Y... 48
Tabel 4.3 Hasil Simulasi Propeler APC ... 52
Tabel 4.4 Hasil Simulasi Propeler Master Airscrew ... 56
Tabel 4.5 Hasil Thrust Propeler CLARK-Y ... 57
Tabel 4.6 Hasil Thrust Propeler APC ... 58
Tabel 4.7 Hasil Thrust Propeler Master Airscrew ... 59
Tabel 4.8 Sound Power Level Hasil Pengujian ... 67
Tabel 4.9 SPL Berdasarkan Jarak Dengar Untuk Propeler CLARK-Y .... 67
Tabel 4.10 SPL Berdasarkan Jarak Dengar Untuk Propeler APC ... 68
DAFTAR NOTASI
Simbol Arti Satuan
c Kecepatan Suara m/s
T Temperatur K
ζ Impedansi rayl
ϒ Rasio Panas Spesifik -
Massa Jenis kg/m3
v kecepatan m/s
Q Debit m3/s
Lw Sound Power Level dB
LP Sound Pressure Level dB
P Tekanan Pa
Nb Jumlah Blade -
D Diameter m
r Radius m
A Luas Penampang cm2
ABSTRACT
As one of the most crucial component in the airplane, propeller has the purpose to generate a push-force known as thrust. However, in practices, despite the thrust, propeller has the role in causing the noise while operating. Propeller’s noise is prohibited to exceed the limit level of the government legislation of environmental noise. As the decision of environmental minister, number : KEP-48/MENLH/11/1996 about basic sound level 25th November 1996, that the permitted sound level in residential area is 55dB and in industrial area is 70 dB. Nevertheless, in the realization, the common sound level of the propeller is 80 dB within 300 m. Therefore, this script is to seek for the lowest noise of several propeller, run by a petrol engine, but with a high quality of flight by using the CFD (Computational Fluid Dynamic) software Solidworks. The level of turbulence and the pressure field of the CLARK-Y airfoil propeller which is about to be used in the UAV (Unmanned Aerial Vehicle), is going to be compare with the other of the two manufactured propeller, APC and Master Airscrew. The diameter of CLARK-Y propeller is 0,46 m with the value of Sound Power Level produced is 71,4 dB and Sound Pressure Level is 43,5 dB ( range 10 m). The diameter of APC is 0,38 m with Sound Power Level produced is 67,99 dB and Sound Pressure Level is 40,1 dB (range 10 m). For Master Airscrew (diameter = 0,2 m), the Sound Power Level produced is 60,38 dB of and Sound Pressure Level 32,5 dB (range 10 m). Meanwhile, the value of Thrust which is gained for each propeller is opposite to those, with CLARK-Y generates 89,5 N, APC generates 54,7 N and Master Airscrew generates 14,8 N at the speed of 10 m/s
ABSTRAK
Propeler merupakan salah satu komponen penting pada pesawat. Fungsi propeler adalah untuk menghasilkan gaya dorong atau yang sering disebut Thrustdengan diberi input tenaga putar dari mesin. Namun dalam prakteknya, selain memberikan gaya dorong, propeler turut berperan dalam menimbulkan kebisingan ketika sedang berputar. Kebisingan propeler ini tidak boleh melewati batas ambang kebisingan yang telah ditetapkan dalam perundang – undangan pemerintah. Berdasarkan keputusan menteri negara lingkungan hidup nomor : KEP-48/MENLH/11/1996 tentang baku tingkat kebisingan tanggal 25 November 1996, bahwa tingkat kebisingan yang diizinkan untuk daerah permukiman adalah 55 dB dan untuk daerah industri adalah 70 dB. Namun dalam realisasinya, propeler pada umumnya memiliki tingkat kebisingan di atas 80 dB untuk pengukuran di dalam jarak 300 m. Oleh sebab itu, tugas akhir ini memiliki tantangan untuk mencari propeler yang memiliki tingkat kebisingan yang rendah namun memiliki unjuk kerja yang tinggi melalui software analisa CFD (Komputasi Dinamika Fluida) Solidworks. Tugas akhir ini akan membandingkan tingkat turbulensi dan pulsasi antara propeler yang dibentuk dari airfoil CLARK – Y yang akan digunakan untuk pesawat tanpa awak, dengan propeler pabrikan. Propeler CLARK-Y yang memiliki diameter 0,46 m dengan Sound Power Level yang dihasilkan sebesar 71,4 dB dan Sound Pressure Level sebesar 43,5 dB (jarak ukur 10 m). Propeler APC dengan diameter 0,38 m menghasilkan Sound Power Level 67,99 dB dan Sound Pressure Level 40,1 dB (jarak ukur 10 m) dan propeler Master Airscrew dengan diameter 0,2 m, menghasilkan Sound Power Level sebesar 60,38 dB dan Sound Pressure Level sebesar 32,5 dB (jarak ukur 10 m). Sedangkan nilai Thrust yang dihasilkan berbanding terbalik dengan CLARK-Y adalah 89,5 N, APC adalah 54,7 N dan Master Airscrew adalah 14,8 N setelah mencapai kecepatan 10 m/s.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1Latar Belakang
Propeler merupakan salah satu sistem penggerak umum yang digunakan oleh pesawat UAV (Unmanned Aerial Vehicle) atau yang dikenal sebagai pesawat tanpa awak. Pada umumnya, terjadi 4 (Empat) jenis gaya utama yang bekerja pada pesawat yaitu gaya angkat (Lift), gaya hambat (Drag Force), beban pesawat (Weight) dan gaya dorong (Thrust). Dari keempat jenis gaya ini, propeler memiliki fungsi untuk menghasilkan gaya dorong/ Thrust untuk pesawat.
Namun dalam prakteknya, propeler menjadi bagian penyumbang kebisingan terbesar dibandingkan bagian pesawat yang lain. Kebisingan ini disebabkan oleh adanya turbulensi dan pulsasi yang terjadi akibat adanya kecepatan udara yang bergerak melewati propeler. Kebisingan yang terjadi akibat putaran propeler ini telah menimbulkan gangguan dan masalah untuk lingkungan terbuka, dimana berdasarkan Surat Keputusan Menteri Negara Lingkungan Hidup Nomor KEP-48/MENLH/11/1996 tentang baku tingkat kebisingan adalah sebesar 50 dB. Namun pada realisasinya, pesawat secara umum memiliki tingkat kebisingan diatas 80 dB untuk pengukuran pada jarak 300 m.
propeler yang jauh lebih mudah, cepat dan hemat biaya melalui simulasi CFD (Computational Fluid Dynamics) dibandingkan dengan menganalisa benda jadi. Dengan adanya simulasi CFD, geometri propeler dapat diubah untuk mendapatkan hasil analisa yang dianggap maksimal.
1.2Perumusan Masalah
Pesawat tanpa awak (UAV) secara umum dapat digunakan di berbagai bidang penting, khusunya di bidang pertahanan dan spionase, yang sangat membutuhkan persyaratan rendah bising. Oleh karena kepentingan tersebut, maka penulis tertarik untuk melakukan penganalisaan tingkat kebisingan melalui CFD akibat dua jenis faktor yang berpengaruh, yaitu turbulensi dan pulsasi, pada sebuah propeler pesawat tanpa awak (UAV) dengan propeller pabrikan yamg sama – sama menggunakan petrol engine. Turbulensi merupakan salah satu sumber kebisingan yang diakibatkan aliran fluida dengan pola yang berantakan setelah melewati suatu permukaan yang tidak rata. Pulsasi diakibatkan adanya perubahan tekanan yang kontras sehingga berpotensi menyebabkan pergetaran yang menimbulkan kebisingan dan dihitung melalui Sound Pressure Level.
1.3Tujuan Penelitian
1.3.1 Tujuan Umum
Tujuan umum penelitian ini adalah untuk mengkaji karakteristik turbulensi dan pulsasi pada desain geometri propeler rendah bising yang digunakan pada pesawat tanpa awak / UAV dan propeller pabrikan dengan menggunakan software simulasi Solidworks.
Secara khusus, penelitian ini bertujuan untuk :
1. Mengetahui karakteristik turbulensi dan pulsasi serta unjuk kerja yang terjadi pada tiga jenis propeler pada berbagai variasi kecepatan.
2. Melakukan simulasi desain propeller dengan menggunakan CFD untuk mengetahui kontur dan peningkatan kecepatan udara yang melewati propeler.
3. Membandingkan hasil yang diperoleh pada kedua jenis propeller untuk mendapatkan validasi hasil propeller yang lebih rendah bising.
1.4 Batasan Masalah
Dalam analisa propeler, terdapat berbagai jenis faktor yang dapat berpengaruh.Oleh karena itu, diperlukan batasan masalah agar tidak melebar dari tujuan utama. Berikut adalah batasan masalah di dalam penelitian ini :
1. Desain propeler untuk pesawat ini hanya dibatasi pada 2 (dua) buah jumlah blade dengan putaran sebesar 8500 rpm sesuai input dari petrol engine.
2. Topik pembahasan di dalam penelitian ini dikhususkan pada dua sub bidang Noise Generation Mechanisme (NGM) yaitu turbulensi (turbulence) dan pulsasi (pressure field).
3. Kajian analisa akan dilakukan dengan simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD) melalui software Solidworks 2010.
Tugas akhir ini disajikan kedalam tulisan yang terdiri dari 5 bab. Pada bab pertama yang merupakan pendahuluan, adalah gambaran menyeluruh mengenai tugas akhir yang meliputi pembahasan tentang latar belakang, batasan masalah, tujuan, dan sistematika penulisan.
Selanjutnya pada bab kedua merupakan tinjauan pustaka yang berisikan landasan teori dan studi literatur yang berkaitan dengan pokok permasalahan serta metode pendekatan yang digunakan untuk menganalisa persoalan.
Bab ketiga adalah metode penelitian. Bab ini berisikan metode analisa propeler pesawat dengan menggunakan CFD melalui software Solidworks. Analisis ini berisikan sebuah propeler di dalam sebuah kotak yang diberikan aliran udara dengan spesifikasi tertentu.
Bab keempat berisikan mengenai hasil dan pembahasan, yang merupakan hasil pengolahan data yang diperoleh dari hasil penelitian kemudian dilakukan pembahasan terhadap hasil pengujian.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sistem Propulsi
Sistem propulsi merupakan sistem penggerak dimana untuk pesawat sistem ini memberikan gaya dorongan sehingga pesawat dapat bergerak maju ke depan. Semua jenis sistem propulsi didasarkan pada hukum ketiga Newton yang berbunyi seperti berikut: “Untuk setiap aksi, terdapat reaksi berlawanan yang sesuai”. (Shevell, 1983)
Pada fluida seperti udara, sistem propulsi akan mendorong udara dan sebagai reaksi nya, udara akan mendorong kembali sistem propulsi sehingga menciptakan Thrust ( Gaya Dorong). Gaya Thrust yang dihasilkan adalah sama dengan rasio waktu dari perubahan momentum fluida. Sistem propulsi memiliki bermacam – macam bentuk, seperti propeller, mesin jet, turbofan, turbin gas, mesin roket, dan berbagai jenis alat pendorong lainnya. (Shevell, 1983)
2.2 Pengertian Propeller
2.3 Bagian – Bagian Propeler
Untuk menjelaskan teori propeller, perlu terlebih dahulu mengetahui bagian – bagian dari geometri propeller. Pada gambar 2.1 di bawah ini, terdapat sebuah propeller berjenis dua baling yang didesain untuk pesawat bobot ringan.
Gambar 2.1 Bagian – Bagian Propeler
Berikut adalah bagian – bagian yang terdapat pada sebuah propeler: 1. Leading Edge (Bagian depan)
Merupakan bagian depan sebuah airfoil yang berfungsi untuk memotong udara. Ketika udara terbelah, maka aliran udara akan melewati permukaan yang melengkung (cambered face) dan bagian bawah yang rata (flat face). 2. Tip
3. Root
Adalah bagian dari baling yang terdekat dengan hub. 4. Hub
Merupakan pusat propeller sebagai bagian dimana baling – baling melekat.
Luas permukaan dari sebuah baling propeller dapar dilihat dari gambar 2.2 di bawah ini. Melalui gambar ini terlihat bahwa pada sebuah baling (blade) terdapat leading edge sebagai bagian terluar dari propeller, trailing edge sebagai bagian dalam, cambered side sebagai daerah melengkung dan flat side atau face sebagai bagian yang rata. Baling – baling (Blade) propeller memiliki bentuk airfoil yang serupa dengan sayap pesawat sebagaimana terlihat di gambar 2.2. (Kroes, 1994)
Gambar 2.2 Luas Permukaan Sebuah Baling Propeller
atas, namun pada propeller, aliran udara ini mengakibatkan propeller maju ke depan. (Kroes, 1994)
2.4 Dasar Elemen Propeller
Terdapat beberapa elemen penting pada sebuah propeller seperti Vo, n, d,
β, w, dan L. Pada gambar 2.3 terdapat sketsa elemen propeller khususnya mengenai sudut serang (angle of attack) dari propeller. Untuk menghitung angle
of attack αe yangefektif, perlu diketahui elemen Vo, n, ddan sudut airfoil β dimana angle of attack yang diperoleh akan digunakan untuk menghitung nilai rasio lift/drag (L/D). Karena nilai d berbeda pada setiap bagian airfoil dimulai dari awal sampai ujung baling – baling, Vo / πnd juga akan berbeda dan sudut baling yang berbeda juga akan diperoleh untuk bagian – bagian lainnya. Untuk alasan inilah maka baling propeller diputar sesuai dengan angle of attack yang paling efektif sepanjang blade.
Elemen n merupakan revolusi propeller per satuan detik. Elemen d adalah diameter pada stasiun airfoil. Sudut β merupakan sudut blade di stasiun airfoil.
Elemen w adalah kecepatan induksi ( induced velocity). VR merupakan kecepatan resultan udara tanpa kecepatan induksi dan VRe adalah kecepatan resultan efektif udara yang termasuk kecepatan induksi.
Gambar 2.4 Sudut Pada Baling – Baling Propeler
Sudut baling (blade angle) dibentuk dari arah permukaan elemen dan bidang rotasi. Sudut baling di sepanjang propeler memiliki nilai yang berbeda - beda. Hal ini dikarenakan bahwa kecepatan pada tiap bagian baling – baling berbeda – beda. Setiap elemen harus didesain sedemikian rupa untuk mendapatkan sudut serang (angle of attack) yang terbaik untuk menghasilkan thrust ketika berputar pada kecepatan desain terbaiknya.
Berikut adalah istilah – istilah lain yang terdapat dalam elemen propeler:
Merupakan udara yang bergerak menuju dan melewati airfoil ketika airfoil bergerak melewati udara.
Gambar 2.5 Udara Relatif
• Angle of Attack (Sudut Serang)
Atau sering disebut sudut serang, merupakan sudut yang terjadi antara chord dari elemen dengan arah udara relatif
• Propeler Path (Jalur Pergerakan Propeler)
Adalah arah dari pergerakan elemen baling propeler
Gambar 2.6 Jalur Pergerakan Propeler
• Pitch
Pitch merupakan jarak pergerakan sekali revolusi dari propeler yang membentuk jalur spiral.
• Geometric Pitch
• Effective Pitch
Adalah jarak sebenarnya dari perjalanan propeler dalam sekali revolusi di udara. Effective pitch biasanya lebih pendek dibandingkan geometric pitch, dimana hal ini disebabkan udara adalah fluida dan selalu terjadi slip
Gambar 2.7 Geometric dan Effective Pitch
2.5 Teori Momentum Sederhana
Sebuah metode sederhana untuk menghitung propeller yang sedang beroperasi bergantung terhadap energi momentum dan kinetik dari sistem. Propeller diasumsikan terdiri dari sejumlah besar baling – baling (blade), sehingga terbentuk plat penggerak (actuator disk) dengan thrust terdistribusi secara merata di sekitar plat. Kecepatan aksian dari fluida berlangsung secara kontinu melewati plat propeller untuk mencapai kontinuitas aliran. Tekanan fluida, Δp, meningkat secara tiba – tiba ketika berada di plat propeller. Δp bernilai sama dengan thrust
Gambar 2.8 Aliran Plat Penggerak (Actuator Disk Flow)
Pada luas permukaan A dari sebuah plat penggerak di sebuah aliran dengan kecepatan Vo , kecepatan aksial meningkat ketika mendekati plat menjadi
Vo + a Vo dan tekanan menurun dari pomenjadi p1. Selama melewati plat, kecepatan udara konstan tetapi setelah mencapai daerah slipstream akhir, kecepatan meningkat menjadi Vo + b Vo . Tekanan juga meningkat secara cepat menjadi (p1 + Δp) = p2 ketika berada di belakang plat dan setelah itu kembali lagi menjadi po .
Tekanan total asli ��1 = �0+�
2�� 2 = �
1+�2(��+���)2 (2.1) (Freestream) (Tepat di depan plat)
Tekanan total akhir ��2 = �0+�2(��+���)2
(Jauh di belakang propeller) (2.2)
= (�1+∆�) + �
2(��+���)
2
(Tepat di belakang propeller)
Dengan menggunakan persamaan freestream dari ��1dan persamaan daerah jauh untuk ��2, maka diperoleh
∆�=��2 − ��1 =�
2(2���
2+�2��2) =���2�1 +�
2� � (2.3)
Thrust adalah nilai dari perubahan momentum dari daerah yang jauh di belakang plat.
�=∆�� =�(��+���)���� (2.4)
jadi
Dengan membandingkan 2.3 dan 2.5, maka diperoleh �= �
2 (2.6)
Kemudian dengan memasukkan nilai 2.6 ke dalam persamaan 2.4 maka didapat
�= 2���02(1 +�)� (2.7)
Peningkatan energi kinetik fluida tiap satuan waktu di daerah slipstream
adalah perbedaan antara energi kinetik di daerah slipstream akhir dan energi kinetik dengan jumlah massa udara yang sama jauh di atas propeller. Dimana M
adalah massa aliran melalui plat penggerak tiap satuan waktu,
∆�.�. = �[��(1+�)]2
2 −
��02 2
=����(1+�)
2 {[��(1 +�)]
2− �
�2} (2.8)
=����(1+�) 2 [�0
2�1 +�
2�2�] Dengan menukar b = 2a, diperoleh
∆�.�. = �����(�+�) �(��)
� (2.9)
= 2���03(1 +�) 2�
Dengan memasukkan persamaan 2.7 ke dalam persamaan 2.9 , diperoleh ∆�.�. = ���(1 +�) (2.10)
Efisiensi ideal dari sebuah propeller, η, dapat dihitung melalui
� =������
����� = ��� ∆�.�.
= ���
���(1+�) (2.11)
= 1
Maka semakin besar percepatan fluida melewati propeller, maka semakin rendah efisiensi yang diperoleh propeller. Sebuah propeller besar yang menggerakan sejumlah udara yang banyak tetapi memberikan percepatan udara yang rendah, lebih efisien dibandingkan propeller kecil yang menggerakkan sedikit udara dengan kecepatan tinggi.
2.6Gaya Yang Terjadi Pada Propeler
Pada umumnya terdapat tiga jenis gaya yang terjadi pada saat sebuah propeler beroperasi. Berikut adalah gaya – gaya tersebut:
1. Thrust
Merupakan gaya udara terhadap propeler yang bersifat paralel terhdap arah pergerakan dan tegangan putar induksi pada propeler.
2. Gaya Sentrifugal (Centrifugal Force)
Disebabkan oleh gaya rotasi dari propeler dan cenderung untuk melempar baling – baling dari pusat.
3. Gaya Torsi atau Twist
Disebabkan oleh gaya resultan dari udara yang cenderung memutar baling – baling menuju sudut blade yang lebih rendah.
menggerakan pesawat melalui dorongan udara. Propeler terdiri dari dua baling (blade) atau lebih yang dihubungkan oleh sebuah “hub”. Hub berfungsi untuk menghubungkan bilah menuju poros mesin.
Baling – baling propeler dibuat dari bentuk sebuah airfoil seperti sayap pada pesawat. Ketika mesin memutar baling propeler, gaya dorong akan tercipta dan udara yang melewati sayap pesawat akan menghasilkan gaya angkat.
Gambar 2.9 Tegangan Pada Propeler
Selain gaya –gaya di atas tersebut, masih ada tegangan yang terjadi pada sebuah propeler ketika beroperasi di udara, yaitu :
1. Tegangan Bending (Bengkok)
2. Tegangan tensil (Tensile stresses)
Disebabkan oleh gaya sentrifugal pada propeler. 3. Tegangan Torsi (Torsion Stress)
Tegangan ini dihasilkan pada blade propeler yang berotasi pada dua keadaan twist. Salah satu tegangan ini dihasilkan dari reaksi udara terhadap blade yang dikenal sebagai aerodynamic twisting moment. Tegangan lain yang disebabkan oleh gaya sentrifugal disebut centrifugal twisting moment.
2.7 Sumber Noise Aerodinamis
Sumber noise pada komponen aerodinamis diketahui sebagai bunyi akibat pergerakan antara udara terhadap medium lingkungannya.Sumber noise secara umum dikenal dengan istilah sebagai Noise Generation Mechanism, adalah mekanisme sumber kebisingan yang disebabkan oleh adanya operasi atau kegiatan serta peralatan yang menimbulkan kebisingan seperti kegiatan crushing, pengetokan, pengeboman, punch-press, penempaan, drilling, dan juga pada pemutaran suatu propeler. Secara umum, Noise Generation Mechanism terbagi menjadi tiga jenis yaitu:
• Turbulensi : Disebabkan oleh pergerakan aliran udara yang acak karena
melewati perubahan bentuk suatu daerah
• Pulsasi : Merupakan tekanan bidang yang disebabkan adanya perubahan
kecepatan yang signifikan sehingga mengakibatkan perubahan tekanan yang drastis, pada umumnya disebut sebagai pressure field
Sumber noise pada komponen aerodinamis secara skematik dapat dilihat pada Gambar2.10.
Gambar 2.10 Sumber-sumber noise pada komponen aerodinamis
Menurut Harris,Cyrill M didalam bukunya Handbook of Noise Control,
menyebutkan bahwa noise dari propeler yang menggerakkan pesawat terbagi menjadi dua jenis sumber bising yang utama. Yaitu kebisingan yang bersumber dari motor penggerak dan kebisingan yang bersumber dari propeler itu sendiri.
Noise generation mechanismpada propeller yang berputar dihasilkan dari tiga jenis faktor yang berbeda.Yang pertama dihasilkan melalui bending vibration
dari bilah propeler.Yang kedua adalah noise dari rotasi propeler yang dihasilkan oleh tekanan bidang (pulsasi) yang mengelilingi setiap blade sebagai konsekuensi dari setiap pergerakannya, dimanakeadaan ini sangat dipengaruhi oleh sudut dari
yang dihasilkan oleh vortex noise yang dihasilkan oleh vortisitas udara pada aliran lintasan baling yang terkumpul pada bilah propeler selama perputaran.
Secara skematik, penjabaran tentang mekanisme pembentukan kebisingan dapat dilihat pada gambar 2.11.
Gambar 2.11Noise GenerationMechanisme pada propeller
2.8Tingkat Kebisingan
Untuk mempermudah penentuan nilai kebisingan, maka ada metode yang digunakan dengan menggunakan skala level atau tingkat kebisingan suara dalam satuan desibel (db) yang dibagi menjadi dua kategori yakni sound pressure level dan sound power level.
a. Sound Power level
Sound power level dapat di definisikan dalam persamaan Lw = 10 log10 ��
��� (db) (2.12)
Dimana W = Sound Power
Hampir setiap pemikiran umum mendefenisikan kata desibel (db) dengan mengaitkan terhadap sound pressure level.Hal seperti ini telah menjadi suatu kesimpulan tersendiri bahwa apabila berbicara tentang skala desibel berbarti merupakan suatu hasil perhitungan dari sound pressure level.Contoh contoh bentuk tingkat daya suara yang dihasilkan oleh sumber kebisingan ditunjukkan pada tabel 2.1.
Tabel 2.1. Contoh SPL Berdasarkan Sumbernya
Sound Souces (Noise) Sound Pressure Level
Examples with distance (dB)
Jet Aircraft,50 m Away Threshold of pain
140 130 Threhold of discomfort
Chainsaw,1 m distance
120 110 Disco, 1 m from speaker
Diesel truck, 10 m away
100 90 kerbside of busy road, 5 m
vacuum cleaner,1 m distance
80 70 conversational speech 1 m
avarage home
60 50 quiet library
quiet bedroom at night
40 30 background in tv studio
rustling leaves
20 10
threshold of hearing 0
Perhitungan level kebisingan pada mekanisme pulsasi (Presure field) merupakan perhitungan berdasarkan laju aliran volumetrik dan tekanan fluida yang terjadi pada permukaan bilah propeler. Sound power level untuk setiap oktav band dapat di estimasikan dengan mengikuti korelasi Graham (Barron,Randall F.
2001).
Lw= Lw(B) + 10 log10��� 0�
+ 20 log10��� 0�
+ BT (2.13)
Dimana Lw(B) = basic sound level (diperoleh dari tabel Q = laju aliran volumetric
Q0 = laju aliran volumetric referensi = 0,47195 dm3/s P = tekanan melalui Propeler
P0 = tekanan referensi = 248,8 Pa
BT = Blade tone komponen (diperoleh dari table 2.2)
Setiap baling baling menghasilkan bunyi (tone) berdasarkan Blade pass frequency (BPF) yang di peroleh dari persamaan
BPF = Nb x RPM
60 (2.14)
Tabel 2.2 Basic Sound Power Level Spectrum Lw (B)
(Sumber: Baron, 2001)
Karena propeler pesawat beroperasi ketika pesawat terbang di udara, maka noise yang dihasilkan pada kondisi kerja propeler tergolong kedalam jenis transmisi outdoor.untuk menghitung level tekanan suara tersebut dapat di peroleh dari persamaan (Barron,2001)
Lp = Lw + (DI – 20 log10( r ) + 10log10 ( �-mr ) – 10log10�
4�.(����2 )
�.���� � (2.15) Dimana DI = directivity index (untuk permukaan datar = 3)
r = jarak penentuan tingkat tekanan suara m = 2�dimana � = koefisien energi attenuation � = Karakteristik impedansi
2.9 Computational Fluid Dynamics (CFD)
menganalisis masalah yang melibatkan dari aliran fluida tersebut. Pada analisis ini komputer digunakan untuk melakukan perhitungan yang diperlukan untuk mensimulasikan interaksi cairan dan gas dengan permukaan yang didefinisikan oleh kondisi batas, dengan kecepatan tinggi superkomputer, agar hasil analisis yang lebih baik dapat dicapai. Di berbagai penelitian yang sedang berlangsung, banyak dihasilkan perangkat lunak yang meningkatkan akurasi dan kecepatan skenario simulasi yang kompleks seperti mengalir transonik atau turbulen. Validasi awal dari perangkat lunak tersebut dilakukan menggunakan terowongan angin dengan validasi akhir datang dalam tes penerbangan. Dewasa ini telah banyak software engineering yang dibuat untuk analisa CFD seperti
BAB III
METODOLOGI
3.1 Pendahuluan
Analisa CFD propeller dilakukan melalui simulasi software
SOLIDWORKS 2010. Propeller akan dianalisis pada sebuah medium yang diberikan kecepatan aliran udara yang bergerak dan dibandingkan dengan produk pabrikan. Kemudian udara yang melewati propeller akan ditinjau karakteristik turbulensi dan pulsasinya.
3.2 Waktu dan Tempat
Penelitian ini berlangsung selama ± 5 bulan yang dimulai dari Oktober 2013 sampai Maret 2014. Tempat dilaksanakannya penelitian adalah di Laboratorium Noise and Vibration Control program Magister dan Doktoral Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
3.3 Variabel Penelitian
Pada penelitian ini ditentukan dua buah variable penelitian, yakni variable terikat dan variable bebas.
3.3.1 Variabel Terikat
Untuk menyederhanakan permasalahan dalam kajian kebisingan pada propeler , maka dalam penelitian ini ditetapkan variable terikat yakni:
3.3.2 Variabel Bebas
Variable bebas pada penelitian ini merupakan pengaruh yang diakibatkan oleh adanya variabel terikat dan ditetapkan dalam empat hal yakni:
1. Kecepatan 2. Tekanan
3. Energi turbulensi 4. Tingkat tekanan suara
3.4Peralatan Yang Digunakan
Jenis peralatan yang dibutuhkan untuk analisis CFD propeller UAV ini adalah sebuah laptop dengan spesifikasi sebagai berikut :
Processor : Intel Core i5
RAM : 2 GB
CPU : 2,4 GHz
System : Windows 7 32 – bit VGA : ATI Mobility Radeon
Software : Solidworks Design and Flow simulation
3.5Spesifikasi Data
Tabel 3.1. Spesifikasi data
No Spesifikasi Karakteristik
1 Structure Aluminium Magnesium
2 Tipe CLARK Y
3
Kecepatan Ujung Blade
204 m/s
4 Ketinggian maksimum 7.000 kaki (2133 m)
5 Mesin DLE – 30 / 30 cc / 8500 RPM
6 Diameter sapuan 460 mm (18”)
7 Material Aluminium 2024 – 0
8 Number of blade 2
9 Chord 30 mm
10 Ukuran Propeler
[image:39.595.117.500.110.724.2]18 x 10 (Diameter 18 inch dan Pitch 10 inch)
Gambar 3.2 Penampang Propeler CLARK – Y
3.6Spesifikasi Fluida
Data untuk fluida ini digunakan dalam proses simulasi dan proses perhitungan nilai kebisingan. Parameter parameter fluida digunakan dalam perhitungan nilai kebisingan untuk mendapatkan nilai impedansi dan disipasi gelombang suara yang terjadi di udara.Oleh karena itu di gunakan propertis fluida pada keadaan atmosfir yang di tabulasikan pada tabel 3.2.
Tabel 3.2. Spesifikasi Fluida udara atmosfir
No Spesifikasi
1 2 Jenis Fluida Temperatur udara atmosfir 293,2 K 3 4 Tekanan Kelembapan 101,3 kPa 70% 5 6 Viskositas bilangan Prandtl
18,21 x10-6 Pa-s 0,717 7
8
specific heat ratio Massa jenis
3.7Spesifikasi Jenis Propeler Pabrikan
Terdapat dua jenis propeler pabrikan yang dipilih karena kedua jenis propeler ini banyak diminati di pasaran pabrikan pesawat tanpa awak. Kedua jenis propeler ini dianggap paling ideal untuk berbagai jenis tipe pesawat dan lebih tangguh. Berikut adalah dua jenis propeler yang akan dibandingkan:
1. Propeler APC
Memiliki spesifikasi berupa :
Diameter =380 mm
Chord = 30 mm
Material = Fiber Glass
[image:41.595.132.487.248.662.2]Angle of Attack = 9,50
Gambar 3.4 Penampang Propeler APC
2. Propeler Master Airscrew Memiliki spesifikasi berupa :
Diameter = 200 mm
Chord = 15 mm
Material = Nylon 101
Angle of Attack = 70
[image:42.595.151.449.276.714.2]Gambar 3.6 Penampang Propeler Master Airscrew
3.8Spesifikasi Mesin Gasoline
Adapun dalam analisa propeler ini, tenaga input diperoleh dari mesin gasoline bertipe DLE – 30. Berikut adalah spesifikasi data yang dimiliki mesin ini:
- 3,7 hp / 30 CC - 8500 rpm
- Idle @ 1600 rpm
3.9Urutan Proses Analisa
Untuk melakukan analisa kebisingan pada propeler ini, diperlukan urutan proses agar dalam pengerjaan tugas akhir ini dapat berjalan dengan baik yang meliputi:
1. Pengumpulan data awal
2. Studi Literatur
Penelitian ini harus dilakukan berlandaskan pada azas azas teoritis yang diakui di dalam dunia ilmu pengetahuan sehingga dapat dijadikan rujukan penyelesaian penelitian ini. Studi literatur ini dilakukan dengan cara memperolehnya dari buku buku referensi, jurnal jurnal ilmiah, kumpulan symposium, diskusi personal, atau bahkan lewat media internet.
3. Perhitungan data
Perhitungan data pada penelitian ini dilakukan melalui simulasi software SolidWorks 2010.Data-data yang dibutuhkan selama proses pengerjaan di input kedalam proses komputasi data dimulai dari pemodelan bentuk geometrijenis airfoil yang sesuai, kemudian melakukan simulasi kedua untuk memperoleh parameterfluida keluaran propeler dengan memasukkan variabel bebas yang ada.
4. Analisa Hasil Komput asi data
Pada tahapan ini akan dilakukan pembahasan terhadap masing masing hasil simulasi dengan berbagai input variabel bebasnya untuk di pilih disain propeler yang memiliki tingkat turbulensi paling rendah. Kemudian akan dihitung tingkat kebisingannya dalam skala desibel (db) dengan memasukkan parameter hasil simulasi kedalam persamaan persamaan kebisingan.
5. Penarikan kesimpulan
3.10 Diagram Alir Penelitian
[image:45.595.140.411.185.652.2]Secara garis besar, pelaksanaan penelitian ini akan dilaksanakan berurutan dan sistematis seperti ditunjukkan pada gambar 3.7
Gambar 3.7 Diagram Alir Penelitian
SELESAI KESIMPULAN ANALISA DATA PENGOLAHAN DATA :
Komputasi data PENGUMPULAN DATA :
• Data Pesawat
• Data Fluida
STUDI AWAL :
Studi literatur
Identifikasi masalah dan menetapkan tujuan penelitian
MULAI
3.11 Tahap Pengujian Propeler
Propeler didefinisikan sebagai sayap berputar dengan sudut twist tertentu yang memiliki susunan geometri dasar airfoil. Adapun jenis propeller yang akan dianalisa menggunakan airfoil jenis CLARK – Y dengan jumlah blade yaitu dua buah. Pemilihan airfoil jenis ini didasarkan pada penelitian Sdr. Armansyah, ST. pada tugas akhirnya yang menyimpulkan bahwa airfoil Clark Y memiliki tingkat turbulensi yang paling rendah dan unjuk kerja aerodinamika yang paling tinggi. Berikut adalah koordinat airfoil CLARK – Y yang diperoleh dari situs resmi
Tabel 3.3 Koordinat Airfoil CLARK-Y 0.0000000 0.0000000 0.0005000 -.0046700 0.0010000 -.0059418 0.0020000 -.0078113 0.0040000 -.0105126 0.0080000 -.0142862 0.0120000 -.0169733 0.0200000 -.0202723 0.0300000 -.0226056 0.0400000 -.0245211 0.0500000 -.0260452 0.0600000 -.0271277 0.0800000 -.0284595 0.1000000 -.0293786 0.1200000 -.0299633 0.1400000 -.0302404 0.1600000 -.0302546 0.1800000 -.0300490 0.2000000 -.0296656 0.2200000 -.0291445 0.2400000 -.0285181 0.2600000 -.0278164 0.2800000 -.0270696 0.3000000 -.0263079 0.3200000 -.0255565 0.3400000 -.0248176 0.3600000 -.0240870 0.3800000 -.0233606
0 4000000 0226341 0.0000000 0.0000000 0.0005000 0.0023390 0.0010000 0.0037271 0.0020000 0.0058025 0.0040000 0.0089238 0.0080000 0.0137350 0.0120000 0.0178581 0.0200000 0.0253735 0.0300000 0.0330215 0.0400000 0.0391283 0.0500000 0.0442753 0.0600000 0.0487571 0.0800000 0.0564308 0.1000000 0.0629981 0.1200000 0.0686204 0.1400000 0.0734360 0.1600000 0.0775707 0.1800000 0.0810687 0.2000000 0.0839202 0.2200000 0.0861433 0.2400000 0.0878308 0.2600000 0.0890840 0.2800000 0.0900016 0.3000000 0.0906804 0.3200000 0.0911857 0.3400000 0.0915079 0.3600000 0.0916266 0.3800000 0.0915212
Gambar 3.8 Koordinat Airfoil CLARK Y
Untuk membentuk propeler, perlu dimodelkan airfoil CLARK Y terlebih dahulu. Pemodelan geometri airfoil, membutuhkan beberapa tahapan yang dilakukan di dalam simulasi software Solid Works, yaitu sebagai berikut :
1. Input koordinat Airfoil Clark Y
Gambar 3.9 Pengisian Koordinat Airfoil CLARK Y
2. Penginputan sudut serang airfoil
Karakteristik turbulensi pada propeler dipengaruhi oleh sudut serang yang dibentuk oleh airfoil. Maka untuk airfoil CLARK Y, perlu dilakukan pengujian untuk menentukan sudut serang yang optimum untuk pengoperasian propeler nantinya. Sudut serang ini disimbolkan sebagai Clmaks
.
Gambar 3.10 Input Sudut Serang
3. Pemodelan propeler
Geometri tiga dimensi ini yang dimana akan menjadi propeler kemudian diputar dengan sudut twist tertentu yang akan menghasilkan aliran fluida berbeda tergantung sudut nya.
4. Pembentukan daerah putaran ( Rotating Region )
Pada keadaan yang dialami propeler, bilah propeler akan berputar sehingga menghasilkan aliran fluida yang bergerak menuju badan pesawat. Inilah yang akan menghasilkan gaya dorong (Thrust) kepada pesawat. Dikarenakan pada software Solidwork ini, propeler tidak bisa dibuat bergerak berputar maka cara yang dilakukan adalah membentuk Rotating Region yang memanfaatkan daerah fluida menjadi udara berputar melewati propeler.
5. Penentuan jenis aliran fluida
Gambar 3.11 Pemilihan Jenis Fluida
6. Penginputan Parameter Kecepatan Aliran
Setelah jenis fluida ditentukan yaitu berupa udara, maka perlu ditetapkan berapa kecepatan aliran udara yang akan melewati propeler. Kecepatan angin yang akan melewati propeller dianggap dari awal 0 m/s sehingga akan diperoleh kecepatan angin yang akan dihasilkan apabila propeler dimulai dari keadaan diam.
7. Pembentukan Daerah Perhitungan (Computational Domain)
Untuk melaksanakan simulasi, perlu dibatasi terlebih dahulu daerah yang akan dianalisa karakteristik aliran udaranya. Daerah yang dibatasi akan meliputi daerah sekitar propeler beserta propeler di dalamnya yang didasarkan perkiraan daerah yang akan dilewati aliran udara dan karakteristik yang terjadi setelah aliran udara melewati propeler.
8. Pelaksanaan Simulasi
dicapai. Pada simulasi ini, terdapat tiga hal yang perlu dicapai yaitu kecepatan (velocity), tekanan (pressure) dan energi turbulensi (turbulent energy). Setelah penentuan goal atau tujuan, maka simulasi telah siap untuk dijalankan.
3.12 Diagram Alir Simulasi
Secara khusus untuk alur proses pengerjaan simulasi dipisahkan dari alur proses penelitian. Hal ini guna mendetailkan proses simulasi yang terjadi. Alur proses ini ditunjukkan pada gambar 3.12 dan 3.13.
Gambar 3.12Diagram Alir Simulasi
A
INPUT DATA :
- Jenis airfoil terpilih - Sudut twisting propeler
SIMULASI TAHAP 1
Pemilihan Jenis Airfoil INPUT DATA :
- Koordinat dan sudut serang - Propertis fluida
STUDI AWAL :
Studi Simulasi MULAI
Tidak
[image:53.595.117.479.96.520.2]Ya
Gambar 3.13 Diagram Alir Simulasi (lanjutan)
HASIL
- Parameter tekanan - Kecepatan
- turbulensi
SELESAI
A
SIMULASI TAHAP 2
BAB IV
Hasil dan Pembahasan
Pada bab ini, akan dilakukan pembahasan mengenai hasil dari analisa aliran fluida yang telah dilakukan pada ketiga jenis propeler dengan kondisi yang sama. Kemudian dengan menggunakan hasil yang telah diperoleh, akan dilakukan perhitungan dan pembahasan yang berkaitan dengan turbulensi dan pulsasi yang terjadi dengan tujuan untuk mencapai propeler yang rendah bising. Analisa yang dilakukan pada ketiga jenis propeler ini meliputi tentang analisa kontur kecepatan, tekanan dan turbulensi dimana akan ditampilkan secara gambar berwarna yang disertai parameter nilai yang dicapai.
Adapun jenis propeler yang akan dibahas adalah propeler dari airfoil CLARK-Y, propeler APC dan propeler Master Airscrew. Propeler APC dan Master Airscrew dipilih sebagai perbandingan terhadap propeler CLARK-Y dikarenakan alasan bahwa kedua jenis propeler ini merupakan produk pabrikan yang sedang diminati masyarakat internasional sebagai propeler yang secara konstan rendah bising serta memiliki kualitas unjuk kerja yang baik.
4.1 Verifikasi Teoritis
�� ��� �� � =�
(���) ��(��) � 3,14 (12 � 60)
Diketahui : N = 8500 rpm
DClark-Y = 0,46 m ~18,11 in DAPC = 0,38 m ~ 14,96 in DClark-Y = 0,20 m ~ 8,66 in
Dan setelah dilakukan perhitungan, diperoleh bahwa kecepatan rotasional untuk propeler CLARK-Y adalah 204,62 m/s, propeler APC adalah 169,03 m/s dan propeler Master Airscrew adalah 97,85 m/s. Hasil perhitungan ini akan diperbandingkan dengan hasil kecepatan permukaan propeler yang telah diperoleh dari simulasi CFD dan akan disajikan dalam tabel berikut.
Tabel 4.1 Perbandingan Hasil Teoritis Dan Hasil Simulasi
PROPELER Hasil Perhitungan Hasil Simulasi Ralat (%)
CLARK-Y 204,62 m/s 202,7 m/s 0,938
APC 169,03 m/s 166,2 m/s 1,67
Master Airscrew 88,96 m/s 87,55 m/s 1,58
4.1 Analisa Kecepatan, Tekanan Dan Turbulensi Propeler
Propeler yang telah memiliki geometri akan dimasukkan ke dalam ruang simulasi pada software Solidworks untuk memperoleh karakteristik aliran fluida yang mengalir melaluinya. Kondisi fluida dan parameter keadaan yang diuji pada ketiga jenis propeler ini adalah sama. Setelah diperoleh hasil simulasi, maka akan diperbandingkan satu sama lain untuk memperoleh kandidat jenis propeler yang terbaik.
4.1.1 Propeler CLARK-Y
[image:56.595.142.510.470.682.2]Propeler ini dianalisa dengan menginput spesifikasi data yang telah dibahas pada bab sebelumnya. Hasil iterasi yang dilaksanakan pada simulasi ini adalah sebesar 11.039 kali. Analisa propeler CLARK-Y ini akan menampilkan beberapa hasil simulasi yaitu kontur kecepatan, kontur tekanan, kontur turbulensi dan data – data simulasi lainnya.
Untuk mengetahui kecepatan yang lebih spesifik pada udara yang melewati propeler, dapat dilihat pada kontur kecepatan berikut ini yang disertai dengan penunjuk kecepatan pada titik -titik tertentu.
Gambar 4.2 Kontur Kecepatan Udara Propeler CLARK –Y
Gambar 4.3 Kontur Tekanan Propeler CLARK –Y
Pada kontur tekanan yang ditampilkan pada gambar di atas, dapat dilihat bahwa persebaran tekanan di sekitar areal propeler adalah sekitar 101,1 kPa hingga 101,3 kPa pada jarak 1.400 mm. Namun pada areal pusat propeler tekanan menurun menjadi 101.096 Pa, dimana hal ini disebabkan kecepatan di ujung propeler menjadi tinggi.
(b)
Gambar 4.4 Kontur Kecepatan Permukaan Propeler CLARK-Y (a) dan Titik Kecepatan Tertinggi (b)
Gambar 4.5 Kontur Tekanan Pada Permukaan Propeler CLARK – Y
Gambar 4.6 Kontur Energi Turbulensi Propeler CLARK-Y
Pada gambar kontur turbulensi di atas, terlihat bahwa turbulensi terjadi pada daerah yang berjarak 0,3 m dari propeler dengan karakteristik yang terbelah dan mencapai nilai maksimum sekitar 12 J/kg pada jarak x = 1,1 m dan y = 0,088 m. Turbulensi pada CLARK-Y menghasilkan intensitas sekitar 0,4 W hingga 0,53 W pada daerah pertengahan dan pada titik turbulensi maksimum juga menghasilkan intensitas maksimum yaitu 2,77 W. Perhitungan intensitas dan daya (Power) dilakukan secara manual dengan menggunakan rumus berikut
� �� �� �2 =
� �� ��� �× � ��� �� �3 × �(�)
�(�)
Dimana untuk jarak 1 m, diketahui
• H = 0,020879 (J/kg).
• t = 5 s
� �� �� �2 =
0,020879 �� ��� �× 1,18969��� �� �3 × 1 (�)
5 �
� �� �� �2 = 2,68727 Dalam satuan desibel menjadi
�(��) = 10���10� � �0�
Dimana Io adalah intensitas ambang batas rata – rata bawah pendengaran dengan nilai 10-12 W/m2, sehingga
�(��) = 10���10�
2,68727 10−12 �
�= 124,29 ��
Maka Power (W) yang diperoleh adalah
�(�) =�(��) � (�2)
�(�) = 124,29 × 0,004 = 0,497172 �
Tabel 4.2 Hasil Simulasi Propeler CLARK-Y
Goal Name Unit Value
GG Max Dynamic Pressure 1 [Pa] 24973.05696
GG Max Velocity 1 [m/s] 202.7112881
GG Max Turbulent Energy 1 [J/kg] 245.8376173
Iterations: 11039
4.1.2 Propeler APC
Gambar 4.7 Aliran Kecepatan Udara Pada Propeler APC
Untuk mengetahui kecepatan yang lebih spesifik pada setiap daerah, akan disajikan pada gambar kontur kecepatan berikut ini.
Gambar 4.8 Kontur Kecepatan Aliran Udara Propeler APC
15 m/s . Kecepatan udara mengalami penurunan dan mengekor menjadi sekitar 10 m
/s .
Gambar 4.9 Kontur Tekanan Propeler APC
[image:64.595.113.527.137.376.2]Pada gambar persebaran tekanan di atas, tekanan mengalami penurunan di daerah pertengahan dimulai dari jarak x = 0 m hingga 0,8 m yaitu sekitar 101,2 kPa untuk y = 0,1 dan -0,1 m. Tekanan udara normal yang ditandai dengan warna yang lebih gelap berkisar 101,3 kPa.
Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa kecepatan tertinggi pada ujung propeler adalah sekitar 166 m/s dan berangsur – angsur turun hingga mencapai 0,19 m/s pada pusat propeler.
Gambar 4.11 Kontur Tekanan Permukaan Propeler APC
Dari gambar tekanan di atas terlihat bahwa daerah tekanan tertinggi adalah 108.282 Pa pada titik berwarna merah dan terendah adalah 9.2744 Pa pada titik berwarna biru.
[image:65.595.113.528.508.740.2]Dari gambar kontur di atas terlihat bahwa turbulensi terjadi di dua daerah, yaitu daerah pertama pada pusat propeler dan daerah kedua yang berjarak agak jauh yaitu sekitar 1 m dari propeler. Pada daerah yang berlokasi pada titik x = 1,8 m dan y = 0,04 m, terjadi energi turbulensi maksimum yaitu sekitar 1,63 J/kg dengan intensitas 0,514 W.
Tabel 4.3 Hasil Simulasi Propeler APC
Goal Name Unit Value
GG Max Dynamic Pressure 1 [Pa] 16449.78691
GG Max Velocity 1 [m/s] 166.2538551
GG Max Turbulent Energy 1 [J/kg] 14.92372445
Iterations: 10675
4.1.3 Propeler Master Airscrew
Untuk simulasi terhadap propeler Master Airscrew, dilakukan iterasi sebanyak 11.039 kali dan fokus utama simulasi adalah mengenai kecepatan, tekanan dan juga energi turbulensi. Berikut ini adalah hasil dari analisa kecepatan yang dilakukan pada propeler Master Airscrew.
Melalui gambar di atas, terlihat bahwa aliran kecepatan udara yang terjadi cenderung lebih pendek dibanding kedua propeler sebelumnya. Hal ini mengindikasikan bahwa tenaga yang dihasilkan cenderung tidak besar dan pada umumnya lebih efektif untuk pesawat yang membutuhkan kecepatan tinggi namun kurang bertenaga.
Gambar 4.14 Kontur Kecepatan Udara Propeler Master Airscrew
Gambar 4.15 Kecepatan Permukaan Propeler Master Airscrew
Dari simulasi diperoleh bahwa kecepatan tertinggi pada ujung propeler berada pada 87,55 m/s dan kemudian menurun hingga mencapai 0,17 m/s pada pusat propeler. Kecepatan yang termasuk rendah apabila dibandingkan dengan dua propeler sebelumnya dikarenakan panjang propeler ini lebih pendek dibanding propeler CLARK – Y dan propeler APC.
[image:68.595.220.433.502.729.2]Untuk persebaran tekanan pada propeler Master Airscrew terlihat bahwa pada ujung sebelah kanan atas propeler merupakan bagian tekanan terendah dengan aliran udara bergerak berlawanan arah jarum jam. Namun dapat dilihat pada sisi yang sama terdapat bagian berwarna merah yang berarti tekanan tinggi. Hal ini diakibatkan geometri propeler yang menghambat gerakan udara sehingga menjadikan tekanan meningkat pada daerah tersebut.
Gambar 4.17 Kontur Tekanan Propeler Master Airscrew
Gambar 4.18 Kontur Energi Turbulensi Propeler Master Airscrew
Hasil simulasi menunjukan bahwa propeler jenis ini tidak menghasilkan energi turbulensi yang besar dimana pada daerah setelah udara melewati propeler, energi turbulensi yang terjadi relatif sama dan bagian yang terdeteksi lebih besar sedikit hanya mencapai 0,7 J/kg yaitu pada jarak 0,7 m dari propeler. Intensitas tertinggi pada propeler ini terdapat pada daerah 0,1 m dari propeler yaitu sebesar 0,5 W.
Tabel 4.4 Hasil Simulasi Propeler Master Airscrew
Goal Name Unit Value
GG Max Dynamic Pressure 1 [Pa] 5279.752254
GG Max Velocity 1 [m/s] 96.19982243
GG Max Turbulent Energy 1 [J/kg] 27.50131856
4.2 Analisa Gaya Dorong Propeler (Thrust)
Ketiga jenis propeler ini akan dihitung berdasarkan gaya dorong (Thrust) yang dapat dihasilkan sebagai perbandingan unjuk kerja yang diperoleh tiap – tiap propeler. Adapun gaya dorong propeler dihitung berdasarkan rumus berikut.
�= � 4�
2��+∆�
2 � �.∆�
Dimana untuk :
•CLARK Y (D =0,46 m dan ΔV = 21,3 m/s)
•APC (D = 0,38 m dan ΔV = 19,8 m/s)
•Master Airscrew (D = 0,22 m dan ΔV = 17,2 m/s)
•Semua Propeler (ρ = 1,225 kg/m3)
[image:71.595.222.395.496.749.2]Perhitungan dilakukan untuk kecepatan (V) dari 0 m/s sampai 40 m/s. Berikut adalah hasil Thrust yang diperoleh dan disajikan dalam bentuk tabel.
Tabel 4.5 Hasil Thrust Propeler CLARK-Y
CLARK Y
V (m/s) T (N)
0 46.15839
2 54.82663
4 63.49487
6 72.16311
8 80.83135
10 89.49959
12 98.16784
14 106.8361
16 115.5043
18 124.1726
22 141.509
24 150.1773
26 158.8455
28 167.5138
30 176.182
32 184.8503
34 193.5185
36 202.1867
38 210.855
[image:72.595.219.404.363.743.2]40 219.5232
Tabel 4. 6 Hasil Thrust Propeler APC
APC
V (m/s) T (N)
0 27.21907
2 32.71788
4 38.21668
6 43.71548
8 49.21428
10 54.71309
12 60.21189
14 65.71069
16 71.20949
18 76.7083
20 82.2071
22 87.7059
24 93.2047
26 98.70351
28 104.2023
30 109.7011
32 115.1999
36 126.1975
38 131.6963
[image:73.595.224.405.223.665.2]40 137.1951
Tabel 4.7 Hasil Thrust Propeler Master Airscrew
Master Airscrew
V (m/s) T (N)
0 6.884589
2 8.485656
4 10.08672
6 11.68779
8 13.28886
10 14.88992
12 16.49099
14 18.09206
16 19.69313
18 21.29419
20 22.89526
22 24.49633
24 26.09739
26 27.69846
28 29.29953
30 30.9006
32 32.50166
34 34.10273
36 35.7038
38 37.30486
40 38.90593
unjuk kerja yang paling tinggi. Berikut adalah grafik dari nilai thrust untuk ketiga jenis propeler ini.
Gambar 4.19 Grafik Nilai Thrust Propeler
Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa propeler memiliki unjuk kerja yang paling tinggi dimana pada kecepatan 40 m/s nilai thrust yang diperoleh propeler CLARK-Y adalah 179,5 N. Untuk propeler APC adalah 137 N dan yang paling rendah adalah Master Airscrew dengan nilai 38,9 N. Dari sisi segi unjuk kerja, maka disimpulkan bahwa propeler CLARK-Y memiliki kemampuan thrust tertinggi.
4.3 Analisa Kebisingan
4.3.1 Karakteristik Perambatan Kebisingan Pada Udara
Analisa kebisingan pada udara merupakan proses pendefenisian parameter -parameter yang mempengaruhi propagasi kebisingan dari sumbernya menuju titik ukur dimana media propagasi adalah udara (airborne). Parameter - paramater
0 50 100 150 200 250
0 2 4 6 8 10121416182022242628303234363840
T hr us t ( N ) Velocity (m/s)
Thrust vs Velocity
CLARK Y
APC
penting ini meliputi cepat rambat suara, impedansi, koefisien relaksasi dan atenuasi.
Cepat rambat suara pada udara dapat dinyatakan dengan persamaan. Yakni merupakan fungsi dari temperatur,konstanta gas, dan spesific heat ratio. Sehingga kecepatan suara dinyatakan sebagai
c = ������
= �287��� . 293.2 �. 1.40 .1
= 343.23 m/s
Sedangkan impedansi yang terjadi merupakan impedansi akustik spesifik karena propagasi suara propeler terjadi pada ruang terbuka secara terus menerus. Sehingga impedansi yang terjadi dapat dihitung berdasarkan persamaan
�
=
�.cg�
=
1.204 kg /m3 .343,23 m/s 1= 413.248 rayl
Perhitungan koefisien energi attenuasi merupakan kompilasi yang rumit antara koefisien relaksasi klasikal dengan koefisien attenuasi klasikal. Dengan spesifikasi data fluida yang ada pada bab 3.
Maka tahapan pertama yang akan dilakukan untuk mecari keseluruhan harga koefisien atenuasi energi adalah dengan mencari nilai koefisien relaksasi klasikal dengan menggunakan persamaan
�
classical=
� ��2�
4 3
+
= 18,21 x10
−6
1.204 x343.232
�
4 3+
1,400−1 0,717
�
= 0,243 x10-9 s = 0,243 ns
Klasikal koefisien atenuasi dapat dihitung dari persamaan
�classical =
2�2.�2����������
��3
=
2�2.83,33 2 x 0,243 x10−9 343.233
= 1.64578 x 10-12 Np/m
Efek dari Interaksi molekul antara O2 dan H2O pada relative humidity sebesar 20 % dapat dihitung berdasarkan persamaan
H = (RH). ����
�
= 0.20 X 2.338
101.3
= 0.00 461
Waktu relaksasi untuk O2 diketahui berdasarkan persamaan
( ����� )
2�.Γ�(�2)
=
24 + (4,41)(10 6) h(0,05 + 100ℎ)
0,391+100ℎ
( 1)
2�.Γ�(�2)
= 24 + (4,41)(10
6) 0.00 461(0,05 + 100 � 0.00 461)
0,391+100 � 0.00 461
=
12,235 /sΓ
�(
�
2)
=
(1)
2� � 12,235 /� = 13,01 x 10—6 s
Di udara atmosfir fraksi mol dari O2 (yj O2) adalah sebesar 0,21.dan vibrational specific heat diperoleh dari persamaan
cvib
R = yj
��
� ��
2�
(− Π� � )= (0,21)
��
2239293,2
�
2�
(−2239 293 ,2)
= 0,005904
Koefisien atenuasi tak terhingga dari oksigen diperoleh dari persamaan
�
∞=
�
c vibR�
(
γ−
1)
22.
�
.
Γ
�.
�
= (0,005904)(1,4−1)
2 2 � 343 � 13,01 � 10−6. � 1,4
= 0,07941 Np/m
ωΓ�(�2)
=
2 �f x Γ�(�2)= 2 � 83,33 x 13,01 x 10—6
s = 0,006808
Sehingga kontribusi vibrational antara O2 dengan uap air dapat dihitung berdasarkan persamaan
�� = �∞
( ���)�
�+( ���)�
=
0,07941 x (0,006808 )21+(0,006808 )2
Dengan cara yang sama juga dilakukan untuk menghitung kontribusi
attenuasi vibrational antara N2 dengan uap air.
������ �
2�.Γ�(�2)
=
[9 + (3,5)(10 4) h�–F ] .�������
� ��
Diman dalam penelitian ini nilai F = 0 karena Tref = T
( 1)
2�.Γ�(�2)
=9+ (3,5)(10
4)x 0.00 461 = 170,5 s
Γ�(�2)
=
1 2� � 170,5 s
=
0,933 x 10 -3 sFraksi mol dari Nitrgen di atmofer y(N2) = 0,79 . vibrational specific
heatuntuk Nitrogen dengan uap air sebagai berikut :
cvib
R = yj
��
� ��
2�
(− Π� � )=
0,79 x
��
3352293,2
�
2�
(−3352
293 ,2)
=
0,001118�
∞=
(0,001118 )(1,4−1)2 2 � 343,23 � 0,933 x 10−3 .1,4
= 0,0001961Np/m
ωΓ�(�2)
=
2 �f x Γ�(�2)�
�=
�∞( ���)�
�+( ���)�
=
0,0001961 x (0,488250 )21+(0,4882502
= 3.7749 x 10-5
�
=
�classical + [ ��(O2) + �� (N2) ]=
1.64578 x 10
-12+ [
3.68039 x 10-6+
3.7749 x 10-5 ]= 4.14294 x 10-5 m = 2 �
= 2 x 4.14294 x 10-5 = 8,28588x 10-5Np/m
4.3.2 Analisa Kebisingan Pada Propeler
Analisa kebisingan yang akan dilakukan pada fluida yang melewati propeler merupakan langkah lanjutan dari proses simulasi yang menghasilkan data data yang dibutuhkan. Analisa ini ditujukan untuk mendapatkan nilai tingkat tekanan suara pada masing masing variabel penelitian. Persamaan tingkat tekanan suara yang digunakan merupakan persamaan yang didasari pada tingkat daya suara atau sound power level. Perhitungan nilai tingkat daya suara ini dilakukan berdasarkan persamaan
Lw= Lw(B) + 10 log10
�
�����
�
+ 20 log10�
� �0
�
+ BT
Kecepatan yang diambil adalah kecepatan maksimum udara yang tercipta sebagai hasil dari putaran propeler, dengan kata lain kecepatan maksimum setelah udara melewati propeler. Hal ini dikarenakan udara yang tercipta setelah putaran propelerlah yang menjadi sumber kebisingan. Berikut adalah kecepatan maksimum yang diperoleh dari masing – masing propeler.
Propeler CLARK – Y v = 21,3 m/s
Propeler APC v = 19,8 m/s
Propeler Master Airscrew v = 17,2 m/s
QClark-Y = 21,3 m/s x (� x 0.462)
= 14,15 m3/s
QAPC = 19,8 m/s x (� x 0.382)
= 8,977 m3/s
QMA = 17,2 m/s x (� x 0.222)
= 2,6 m3/s
Nilai Lw(B) merupakan nilai tingkat daya suara dasar yang dimiliki oleh propeler berdasarkan harga frekuensi laluan dari bilah propeler atau yang biasa disebut dengan BPF yang dihitung berdasarkan persamaan
BPF = Nb x
RPM 60
= 2 x8500
60
= 283.33 Hz
Lw= 48,733 dB+ 10 log10
�
14,15 �3/�
0.47195 �3/�
�
+ 20 log10�
276 ��248 ��
�
+ 7 dB=71,4 dB
Dengan cara yang sama, maka diperoleh tingkat daya suara (sound power level) untuk masing-masing propeler dan ditampilkan hasil dalam tabel 4. berikut
Tabel 4.8 Sound Power Level Hasil Pengujian Jenis Propeler Sound Power Level (dB)
CLARK-Y 71,4
APC 67,99
Master Airscrew 60,38
Sementara nilai tingkat tekanan suara propeler CLARK-Y yang diukur pada jarak r = 10 m dengan DI = 3 dapat dihitung berdasarkan persamaan
Lp = Lw + (DI – 20 log10( r ) + 10log10 ( � -mr
) – 10log10�
4�.(����2 )
�������
= 71,4 + { 3 – 20 Log10 (10 m) – 4,434 m(10) – 10log10�
4�.(20 � 10−6)2 413 .248 � 10−12�} = 71,4 + { 3 – 20 – (4,434 x 8,28588 x 10-5 x 10) – 10.848389}
= 43,
