STUDI EKSPERIMENTAL DAN SIMULASI TURBULENSI
PENGARUH VARIASI PUTARAN TERHADAP KARAKTERISTIK
KEBISINGAN PROTOTIPE PROPELLER RENDAH BISING
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
AFRIZAL NURFI
100401006
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2015
Abstrak
Pesawat model adalah pesawat terbang tanpa awak yang dikendalikan dari jarak jauh oleh pilot atau mampu mengendalikan dirinya sendiri sesuai dengan program yang telah ditentukan. Pesawat tak berawak berfungsi untuk keperluan pengintaian atau untuk misi ke luar angkasa misalnya oleh militer atau badan luar angkasa disebut UAV (Unmanned Air Vehicle). Permasalahan kebisingan pada pesawat tanpa awak sedang menjadi konsentrasi penelitian yang terus meningkat dari tahun ke tahun. Salah satu syarat yang harus dipenuhi oleh pesawat tanpa awak yang bertujuan untuk melakukan pengintaian adalah rendahnya tingkat kebisingan dari pesawat tersebut. Sumber utama dari kebisingan pesawat yang digerakkan oleh propeller terletak pada propeller itu sendiri. Penelitian ini bertujuan untuk melakukan kajian eksperimental karakteristik dan menganalisa kebisingan serta energi turbulensi pada sebuah prototipe propeller rendah bising. Pengukuran dilakukan dengan variasi putaran 600 rpm – 1800 rpm dengan arah horizontal, vertical, dan aksial. Dari analisa kebisingan yang dihasilkan dari prototipe propeller nilai kebisingan terbesar terdapat pada arah aksial (Y+) di putaran 1800 rpm jarak 1 m dengan nilai 93.2 dB dan nilai energi turbulensinya 22.438 J/Kg.
Kata kunci : Pesawat model, UAV, Propeller, Kebisingan, Turbulensi.
Abstract
Model aircraft is an unmanned aircraft controlled remotely by pilots or able controlling itself in accordance with the specified program.Unmanned aircraft serves to conduct reconnaissance or for space mission,for example by the military or space agency called UAV (Unmanned Air Vehicle).The problem of noise in the unmanned aircraft is being to concentration of research that increase each year.One of the condition must be fullfilled by an unmanned aircraft to carry out the reconnaissance is the lowest noise level of the aircraft.The main source of noice aircraft which driven by propeller is on the propeller itself.This research aims to conduct experimental study characteristics and to analyze noise and energy ofturbulence on a prototype low propeller noise.Measurements were made in variations of rotation 600 rpm - 1800 rpm with a horizontal, vertical, and axial.Through of the noise analysis which produced by the prototype propeller, the greatest value of noise contained in the axial direction (Y + ) at 1800 rpm rotation distance of 1 m with a value 93.2 dB and the value of turbulence energy 22 438 J / Kg.
Keyword : Model Aircraft,UAV,Propeller,Noise,Turbulence
i
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, atas segala karunia dan rahmat-Nya yang senantiasa diberikan kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
Skripsi ini merupakan salah satu persyaratan untuk memenuhi syarat guna memperoleh gelar Sarjana Teknik (ST) Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Skripsi ini adalah “Studi Eksperimental Dan Simulasi Turbulensi Pengaruh Variasi Putaran Terhadap Karakteristik Kebisingan Prototipe Propeller Rendah Bising”
Selama penulisan laporan ini penulis banyak mendapat bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis menyampaikan banyak terima kasih kepada :
1. Kedua Orang tua saya, M. Khairi dan Nurjannah, S.sos yang telah memberikan segala sesuatunya dengan penuh ikhlas.
2. Bapak Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku dosen pembimbing yang telah sabar dan banyak memberikan arahan, bimbingan, nasehat, dan pelajaran berharga hingga skripsi ini dapat terselesaikan.
3. Bapak Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Ir. Syahril Gultom, MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
4. Abangda Fadly Ahmad Kurniawan, ST selaku mahasiswa Magister Teknik Mesin serta abangda Amma Mulya mahasiswa Teknik Mesin USU stambuk 2009 yang telah banyak memberi bimbingan dan nasehat.
5. Seluruh Staf Pengajar pada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan pengetahuan kepada penulis hingga akhir studi dan seluruh pegawai administrasi di Departemen Teknik Mesin.
6. Saudara Nazwir Fahmi Damanik, Yogi Aldiansyah, Purwatmo, Irwan Rosyadi, Toto Wibowo, Hutomo Wicaksono, Jeffry Machmuriza, dan
ii teman mahasiswa Teknik Mesin USU khususnya untuk stambuk 2010, yang telah banyak memberikan support dan sharing dalam penyelesaian skripsi ini. 7. My dear Nia Sylviana yang telah setia mendampingi ditengah segala
kekurangan yang ada.
8. Semua orang yang telah menjadi guru dan pengalaman dalam setiap aktifitas sosial yang terjalin.
Seperti kata pepatah “Tiada gading yang tak retak”, penulis menyadari bahwa
skripsi ini belum sempurna, baik dari segi teknik maupun dari segi materi. Oleh sebab itu, demi penyempurnaan skripsi ini kritik dan saran sangat penulis harapkan.
Akhir kata, penulis berharap agar laporan ini bermanfaat bagi pembaca pada umumnya dan penulis sendiri pada khususnya.
Medan, November 2014 Penulis,
Afrizal Nurfi NIM : 100401006
iii
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Pesawat Tanpa Awak UAV ... 5
2.2 Propeller ... 6
2.2.1Sejarah Perkembangan Teori Propeller ... 6
2.2.2Desain Propeller Untuk Mengurangi Kebisingan ... 6
2.2.3Kebisingan Pada Propeller ... 10
2.2.4General Momentum Theory ... 11
iv
2.4.5Noise Contour ... 21
2.4.6Sumber Noise Aerodinamis ... 21
2.4.7Parameter Kebisingan ... 23
2.4.8Tingkat Kebisingan ... 25
2.4.9Prosedur Dasar Mengendalikan Kebisingan ... 26
2.5 Material Paduan Aluminium - Magnesium ... 27
2.6 Spesifikasi Pesawat Tanpa Awak………...28
BAB III METODE PENELITIAN ... 30
3.1 Waktu dan Tempat... 30
3.2 Bahan dan Alat ... 30
3.3.1 Bahan Penelitian ... 30
3.3.2 Alat Penelitian ... 32
3.3 Metode Penelitian ... 34
3.4 Set up peralatan ... 35
3.5 Variabel yang diamati ... 36
3.6 Spesifikasi fluida ... 37
3.7 Pelaksanaan Penelitian ... 37
3.8 Pengujian Turbulensi Propeller ... 39
3.9 Diagram Alir Simulasi ... 42
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 44
4.1 Hasil Pengujian Kebisingan Pada Prototipe Propeller ... 44
4.2 Noise Countour ... 48
4.3 Analisa Kebisingan Prototipe Propeller ... 52
4.4 Analisa Turbulensi Propeller ... 59
4.5 Perbandingan Hasil Kebisingan Eksperimental Dengan Simulasi ... 65
v
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 66
5.1 Kesimpulan ... 66
5.2 Saran ... 66
DAFTAR PUSTAKA ... 67
vi DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 1.1 Propeller pada pesawat tanpa awak ... 2
Gambar 2.1 Pesawat tanpa awak (UAV) milik China ... 5
Gambar 2.2 Gaya dorong dan torsi pada propeller ... 7
Gambar 2.3 Bagian baling – baling pada propeller ... 7
Gambar 2.4 Beban yang terjadi pada propeller ... 8
Gambar 2.5 Jumlah baling – baling pada propeller pesawat tanpa awak ... 10
Gambar 2.6 Aliran udara melalui propeller. ... 11
Gambar 2.7 Aliran udara yang melewati propeller. ... 12
Gambar 2.8 Kecepatan efektif elemen melewati udara ... 13
Gambar 2.9 Gelombang suara pada material ... 15
Gambar 2.10 Grafik sinyal noise ... 20
Gambar 2.11 Noise Contour ... 21
Gambar 2.12 Sumber-sumber noise pada komponen aerodinamis ... 22
Gambar 2.13 Noise generation mechanisme pada propeller. ... 23
Gambar 2.14 Diagram phasa Al – Mg, Temperatur vs Mg ... 28
Gambar 3.1 Detail geometri propeller ... 31
Gambar 3.2 Wind Tunnel yang digunakan pada propeller ... 31
Gambar 3.3 Soud level meter ... 32
Gambar 3.4 Tripod ... 32
Gambar 3.5 Kunci pas ... 33
Gambar 3.6 Kabel USB... 33
Gambar 3.7 Laptop... 33
Gambar 3.8 Meteran... 34
Gambar 3.9 Rangkaian analisa pengukuran data ... 35
Gambar 3.10 Skema pengujian prototipe propeller rendah bising ... 35
Gambar 3.11 Diagram alir proses pelaksanaan ... 37
Gambar 3.12 Koordinat airfoil clarck Y ... 38
Gambar 3.13 Pengisian koordinat airfoil clarck Y ... 39
vii
Gambar 3.14 Input sudut serang ... 39
Gambar 3.15 Pemilihan jenis fluida ... 40
Gambar 3.16 Diagram alir simulasi ... 41
Gambar 4.1 Arah pengukuran ... 42
Gambar 4.2 Grafik kebisingan vs putaran pada jarak 1 meter ... 44
Gambar 4.3 Grafik kebisingan vs putaran pada jarak 3 meter ... 44
Gambar 4.4 Grafik kebisingan vs putaran pada jarak 5 meter ... 45
Gambar 4.5 Noise contour pada propeller (jarak 1 m, 600 rpm) ... 46
Gambar 4.11Aliran kecepatan udara melewati propeller ... 57
Gambar 4.12 Kontur energi turbulensi pada propeller (600 rpm) ... 58
Gambar 4.13Kontur energi turbulensi pada propeller (1200 rpm) ... 59
Gambar 4.14 Kontur energi turbulensi pada propeller (1800 rpm) ... 61
Gambar 4.15 Grafik perbandingan eksperimental dan simulasi... 63
viii DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 SPL berdasarkan sumbernya ... 26
Tabel 3.1 Bahan penelitian ... 30
Tabel 3.2 Spesifikasi fluida udara atmosfir... 36
Tabel 4.1 Data kebisingan prototipe propeller rendah bising ... 43
Tabel 4.2 Kebisingan yang dihasilkan arah Z,Y,X pada jarak 1 m ... 46
Tabel 4.3 Kebisingan yang dihasilkan arah Z,Y,X pada jarak 3 m ... 48
Tabel 4.4 Tekanan pada prototipe propeller rendah bising ... 52
Tabel 4.5 Hasil simulasi propeller clarck-Y (600 rpm) ... 59
Tabel 4.6 Hasil simulasi propeller clarck-Y (1200 rpm) ... 61
Tabel 4.7 Hasil simulasi propeller clarck-Y (1800 rpm) ... 62
Tabel 4.8 Data hasil eksperimental dan simulasi ... 63
ix DAFTAR NOTASI
Simbol Satuan
P Tekanan N/m2
A Luas permukaan m2
Lw Sound power Watt
v Kecepatan m/sec
T Temperatur 0C
ω Kecepatan sudut Rad/sec
r Jari – jari propeller m
m Massa Kg
n Putaran propeller Rad/sec
f Frekuensi Hz
