Simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD) Airfoil

Dunia dirgantara sangat identik dengan standar desain yang tinggi, dalam kasus ini kita akan membahas desain airfoil sebuah pesawat terbang. Untuk menghasilkan gaya angkat sayap pesawat terbang, kita dapat dengan mudah membuat desain papan yang dimiringkan dan mendapatkan gaya angkat yang cukup tinggi, namun, kita harus ingat bahwa papan tersebut akan menghasilkan gaya hambat yang tinggi juga (atau dikenal dengan induced drag).

Oleh karena itu, diperlukan metode yang memungkinkan menghasilkan gaya angkat tanpa menambah gaya hambat yang besar, salah satunya adalah dengan menerapkan prinsip bernoulli yang pada intinya menjelaskan bahwa semakin tinggi kecepatan, maka tekanan semakin rendah. Hal ini dapat kita aplikasikan untuk menghasilkan gaya angkat, yaitu menghasilkan tekanan yang rendah pada bagian atas sayap dan tekanan yang tinggi pada bagian bawah sayap.

Berdasarkan prinsip bernoulli di atas, kita harus membuat kecepatan di atas sayap menjadi lebih tinggi. Hal ini dapat dibuat dengan cara membuat lintasan bagian atas sayap lebih jauh, dengan membuatnya melengkung. Bentuk unik potongan melintang sayap ini dikenal juga dengan istilah airfoil.

Tentu saja kita dapat menghitung besarnya tekanan jika diketahui kecepatan pada sekitar airfoil atau sebaliknya untuk menghitung gayanya, namun yang menjadi masalah adalah kita tidak dapat menghitung kecepatan dan tekanan secara bersamaan dengan geometri airfoil yang membuat pola aliran menjadi kompleks, mengingat persamaan dasar fluida (Navier-Stokes) tidak dapat diselesaikan pada sembarang geometri secara analitis. Hal ini dapat kita selesaikan dengan metode numerik yang dikalkulasi menggunakan komputer, atau kita kenal juga dengan Computational Fluid Dynamics (CFD).

Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD), kita dapat dengan mudah merubah-rubah bentuk airfoil, misal merubah ukuran kelengkungan, jari-jari ujungnya, ketebalanya dan lain-lain sehingga diperoleh gaya angkat yang sebesar-besarnya dan gaya hambat yang sekecil-kecilnya. Percobaan dengan wind tunnel bisa saja dilakukan, namun akan makan cukup banyak biaya dan waktu untuk pembuatan model nya.

Plot distribusi kecepatan pada sekitar airfoil (Simulasi CFD)

Kembali lagi pada masalah penambahan gaya angkat dengan menambahkan sudut antara sayap dengan udara, atau kita kenal juga dengan istilah angle of attack. Dengan menambahkan angle of attack, gaya angkat sayap akan semakin tinggi, namun pada suatu kondisi tertentu, udara yang tadinya dapat mengikuti kontur airfoil dengan baik dan menghasilkan kecepatan tinggi dan tekanan rendah, akan terlepas dan tidak bisa mengikuti kontur airfoil karena jalan yang terlalu “curam” akibat sudut yang terlalu tinggi, sehingga aliran menjadi kehilanan energinya di sekitar airfoil dan hal ini akan berdampak pada menurunya gaya angkat secara signifikan. Hal ini disebut juga dengan fenomena stall.

Plot distribusi kecepatan pada sudut serang tinggi (simulasi CFD)

Di sini, CFD juga sangat berperan dalam memprediksi fenomena stall tersebut, hal yang tidak mungkin dilakukan secara analitis (saat ini) karena kondisi stall yang sangatlah turbulen dan random. Pada akhirnya kita akan mendapatkan grafik hubungan gaya angkat, gaya hambat, atau mungkin gaya angkat dibagi dengan gaya hambat (L/D) untuk mengetahui performa dari airfoil atau sayap tersebut.

ilustrasi grafik L/D terhadap sudut serang pesawat hasil CFD dibandingkan dengan uji wind tunnel

Grafik di atas sangatlah krusial untuk mengoptimalkan pemilihan airfoil yang kita gunakan, baik untuk menentukan kondisi sudut serang sayap pesawat, kapan pesawat akan stall, ketebalan sayap dan lain sebagainya.

Untuk topik-topik terkait CFD lainya, anda dapat klik di sini

By Caesar Wiratama

aeroengineering services merupakan jasa layanan dibawah CV. Markom dengan berbagai jenis solusi, mulai dari drafting CAD, pembuatan animasi, simulasi aliran dengan CFD dan simulasi struktur dengan FEA.

Author: admin

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *