APLIKASI MEKANIKA FLUIDA DALAM INDUSTRI Mekanika Fluida Pada Pesawat Terbang Pesawat terbang sangat membantu kita dalam kehidupan saat ini. Jaman dahulu kala orang susah bertemu satu sama lain di Negara atau jarak yang jauh. Pesawat membuat hubungan antar Negara semakin baik. Sejak pertama dibuat, sudah banyak perkembangan model pesawat terbang sampai saat ini. Perkembangan itu dibuat mengikuti perkembangan kebutuhan jamannya. Pada perkembangan pesawat terbang, selalu dibuat solusi untuk pengurangan gaya tahan (drag) yang ditandai dengan pengurangan koefisien gaya tahan, adalah cara yang paling efisien untuk meningkatkan efisiensi bahan bakar. Kebutuhan untuk mengetahui koefisien itu sangat penting pada kehidupan sekarang ini. Untuk mempercepat rekayasa industry untuk kehidupan yang lebih efektif dan efisien. Dalam mencari koefisien ini, dapat digunakan pemodelan pada terowongan. Namun solusi itu akan memakan banyak biaya, maka dibuatlah sebuah program, yaitu CFD, yaitu program yang memanfaatkan komputasi dan simulasi numeric untuk mendapatkan koefisien dengan nilai yang dapat dipertanggungjawabkan dan menghemat biaya. Objective 1. Dimensional Analysis Analisa Dimensional yang lumrah dipakai adalah pemodelan dalam skala kecil untuk mendapatkan datan yang diperlukan untuk mendapatkan koefisien untuk meningkatkan mutu dan efisiensi dari misalnya bahan bakar pesawat yang terpengaruh oleh drag dari pesawat. Analisa dimensional juga diperlukan untuk mencari bilangan reynold dan bilangan lainnya yang tidak memiliki dimensi.
2. External Viscous Flow Gaya luar yang bekerja umumnya adalah gaya Lift dan Drag. 1
Gaya luar yang terdapat pada pesawat ada berbagai macam, misalnya drag dan lift (gaya angkat). Pesawat terbang dirancang sedemikian rupa sehingga hambatan udaranya sekecil mungkin. Pesawat pada saat terbang akan menghadapi beberapa hambatan, diantaranya hambatan udara, hambatan karena berat badan pesawat itu sendiri, dan hambatan pada saat menabrak awan. Setelah dilakukan perhitungan dan rancangan yang akurat dan teliti, langkah selanjutnya adalah pemilihan mesin penggerak pesawat yang mampu mengangkat dan mendorong badan pesawat. Suatu benda yang terbenam dalam fluida yang bergerak, atau sebaliknya benda tersebut bergerak terhadap fluida yang diam, mengalami suatu gaya. Gaya-gaya yang bekerja pada benda tersebut seringkali disebut sebagai gaya-gaya terodinamika. Dalam semua kasus termodinamika, gayagaya terodinamika yang bekerja pada benda berasal hanya dari dua sumber dasar ialah distribusi tekanan dan tegangan geser pada permukaan benda.
2
Berikut ini hal-hal yang mendefinisikan gaya-gaya tersebut dalam sebuah penerbangan yang lurus dan datar, tidak berakselerasi (stright and level, unaccelerated): a. Thrust adalah gaya dorong, yang dihasilkan oleh mesin (powerplant)/balingbaling. Gaya ini kebalikan dari gaya tahan (drag). b. Drag adalah gaya ke belakang, menarik mundur, dan disebabkan oleh gangg uan aliran udara oleh sayap, fuselage, dan objek-objek lain. Drag kebalikan dari thrust, dan beraksi kebelakang paralel dengan arah angin relatif (relative wind). c. Weight (gaya berat) adalah kombinasi berat dari muatanpesawat itu sendiri, awak pesawat, bahan bakar, dan kargo atau bagasi. Weight menarik pesawat ke bawah karena gaya gravitasi. Weight melawan lift (gaya angkat) dan beraksi secara vertikal ke bawah melalui center of gravity dari pesawat. d. Lift (gaya angkat) melawan gaya dari weight, dan dihasilkan oleh efek dinamis dari udara yang beraksi di sayap, dan beraksi tegak lurus pada arah penerbangan melalui center of lift dari sayap.
Udara akan mengalir melewati bagian atas sayap dan bagian bawah sayap. Sebenarnya bukan udara yang mengalir melewati sayap pesawat, tapi sayap pesawatlah yang maju “menembus” udara. Tapi kita akan mengasumsikan aliran ini dengan gambar sayap yang diam. Dengan bentuk yang melengkung di atas, maka aliran udara di atas sayap membutuhkan jaraky ang lebih panjang dan membuatnya “mengalir” lebih cepat dibandingkan dengan aliran udara di bawah sayap pesawat.
3
Karena kecepatan udara yang lebih cepat di atas sayap, maka tekanannya akan lebih rendah dibandingkan dengan tekanan udara yang “mengalir” di bawah sayap. Tekanan di bawah sayap yang lebih besar akan “mengangkat” sayap pesawat dan disebut gaya angkat/lift.
Gambar Penampang Sayap 2 Jika kecepatannya turun maka liftnya akan berkurang dan pesawat akan jatuh, dalam ilmu penerbangan disebut stall. Kecepatan minimum ini disebut Stall Speed. Jika kecepatan pesawat melebihi rancangannya maka juga akan terjadi stall yang dinamakan high speed stall. Terbang straight dan level (lurus dan datar) dapat dipertahankan mulai dari terbang dengan kecepatan rendah sampai dengan kecepatan tinggi. Penerbang harus mengatur angle of attack dan thrust dalam semua jangkauan kecepatan (speed regim) jika pesawat harus ditahan di ketinggian tertentu (level flight). Lift dan drag yang tersedia pada bermacam-macam kecepatan pada saat pesawat terbang datar dan tidak berakselerasi, proporsi CL (Coefficient of Lift) dan CD (Coefficient of Drag) dapat dihitung pada setiap angle of attack tertentu. Hasil plotting untuk rasio lift/drag (L/D) pada angle of attack tertentu menunjukkan bahwa L/D bertambah ke maksimum kemudian berkurang pada koefisien lift dan angle of attack yang lebih besar seperti terlihat pada gambar. Perhatikan bahwa maksimum rasio lift/drag (L/D max) terjadi pada angle of attack dan koefisien yang tertentu. Jika pesawat beroperasi pada penerbangan yang stabil pada L/D max, maka total drag adalah minimum. Angle of attack apapun yang lebih kecil atau lebih besar dari yang
4
ada di L/D max akan mengurangi rasio lift/drag dan konsekwensinya menambah total drag dari gaya angkat yang diberikan pada pesawat.
Gambar Angle of Attack, Degrees Gaya angkat pada suatu permukaan sayap akan terjadi jika terdapat perbedaan tekanan antara permukaan atas dan bawah. Perbedaan ini akan terjadi sepanjang span, kecuali pada ujung sayap. Pada ujung sayap ini akan terjadi proses ekualisasi tekanan sehingga aliran udara mengalami rotasi di sekitar ujung sayap. Dengan demikian secara efektif, aliran di sekitar sayap adalah aliran 3D. Rotasi pada ujung sayap ini disebut wing tip vortex, yang seiring dengan gerak maju pesawat, wing tip vortex akan bergerak ke belakang sayap sekaligus ke bawah. Vortex ini akan mempengaruhi sayap dalam artian mengimbas ke bawah komponen kecepatan aliran di sekitar sayap tersebut. Kecepatan imbas ke bawah ini disebut downwash.
5
Gambar Ilustrasi downwash Dengan adanya downwash dan V∞, maka akan ada sudut serang lokal yang lebih rendah daripada sudut serang geometrik.
Gambar Akibat Downwash Karakteristik yang makin membedakan airfoil dengan sayap adalah sudut serang efektif yang bergantung pada distribusi downwash sepanjang span. Sementara itu, downwash itu sendiri bergantung pada distribusi lift sepanjang span. Besarnya lift per unit span sendiri bervariasi sebagai fungsi dari jarak pada sayap, karena: a. Panjang chord yang bervariasi sepanjang span sayap. b. Sayap bisa saja dipuntir untuk mendapatkan sudut serang yang berbeda pada tiap airfoilnya. c. Bentuk airfoil yang bisa saja berbeda sepanjang span.
6
Gelombang Kejut (Shock Wave ) 1. Pengertian Gelombang Kejut Gelombang kejut adalah gelombang dari sebuah aliran yang sangat cepat dikarenakan kenaikan tekanan, temperature, dan densitas secara mendadak pada waktu bersamaan. Seperti gelombang pada umumnya shock wave juga membawa energi dan dapat menyebar melalui medium padat, cair ataupun gas. Gelombang kejut terjadi diakibatkan karena kecepatan sumber bunyi lebih cepat dari pada kecepatan bunyi itu sendiri. Suatu benda, misal pesawat terbang menembus udara dengan kecepatan beberapa ratus km/jam. Kecepatan cukup rendah ini memungkinkan molekul-molekul udara tetap stabil ketika harus menyibak memberi jalan pesawat terbang. Namun, ketika kecepatan pesawat menjadi sebanding dengan kecepatan molekul-molekul, molekul-molekul
tersebut
tidak
sempat menghindar dan bertumpuk di tepi-tepi depan pesawat dan terdorong bersamanya.
Gambar gelombang subsonik (a) sumber bunyi diam (b) sumber bunyi bergerak; (c) g elombang kejut dengan kecepatan supersonik Penumpukan udara bertekanan secara cepat ini menghasilkan “kejutan udara” atau gelombang kejut, yang berwujud dentuman keras. Gelombang bunyi tersebut memancar ke segala arah dan dapat terdengar sebagai sebuah ledakan oleh orangorang dibawah sana. Dentuman keras tersebut disebut dengan istilah ”Sonic Boom“. 7
Sonic Boom ini memiliki energi yang cukup besar yang mampu memecahkan gelas kaca dan jendela. 2. Kecepatan Suara Seperti yang kita tahu bahwa kecepatan suara tergantung dari renggangan dan kepadatan materinya. Secara garis besar, dalam suatu medium (bukan hanya udara) kecepatan suara ditentukan dengan persamaan : c = E/r Dimana: c = kecepatan suara dalam suatu medium (m/s) E = Modulus Young (modulus elastisitas) (N/m2) r = massa jenis medium ( kg/m3) Persamaan (1) tersebut menunjukkan semakin tinggi kepadatan udara, maka semakin kecil kecepatan suaranya. Suara akan merambat lebih cepat di udara hangat bila dibandingkan dengan udara dingin, karena semakin tinggi tekanan, semakin tinggi pula kepadatan udara, dan hal ini biasanya terjadi pada tempat yang bersuhu rendah atau tempat tinggi. Karena itu dibutuhkan waktu yang lebih lama untuk gelombang suara untuk mencapai suatu titik tertentu. Itu sebabnya pesawat supersonik beroperasi paling baik di ketinggian sangat tinggi yang dingin, karena mereka tidak perlu melaju terlalu kencang untuk melampaui kecepatan bunyi. Pada ketinggian 9 km di atas permukaan laut, udara cukup dingin dan tipis sehingga kecepatan bunyi hanya 1100 km/jam. 3. Bilangan Mach Perbandingan antara kecepatan sumber bunyi dengan kecepatan suara didefinisi kan sebagai bilangan Mach (M) yang ditujukan untuk memberikan parameter kecepat an suatu benda terhadap kecepatan suara yang dilaluinya, dan dirumuskan sebagai ber ikut: M = v/c
Dimana:
8
M = bilangan Mach v = kecepatan benda ( m/s) c = kecepatan suara dalam medium tertentu (m/s) Bila kita mengambil contoh dari penjelasan di atas, maka bila diasumsikan kecepatan pesawat tetap dan kecepatan suara semakin kecil, maka bilangan Mach akan semakin besar sehingga memungkinkan pesawat tersebut melaju dengan kecepatan supersonik lebih cepat daripada bila bergerak pada ketinggian 2 km dengan kecepatan suara sebesar 1211 km.
Gambar cara menentukan bilangan Mach dengan metode Mach Angel
REFERENSI 9
http://tendylesmana1993.blogspot.com/2013/05/mekanika-fluida-pada-pesawatterbang.html
10
