DRAG AND LIFT Lecturer: Yosua Heru Irawan Department of Mechanical Engineering Sekolah Tinggi Teknologi Nasional

Wake pesawat Boeing 767 yang melewati bagian atas awan cumulus memperlihatkan dengan jelas terjadinya counter- rotating trailing vortice. 2

Objectives • Memahami berbagai fenomena yang terkait dengan external flow seperti drag, friction & pressure drag, drag reduction, dan lift. Menghitung drag force yang berkaitan dengan berbagai bentuk geometry Memahami pengaruh pemisahan aliran pada drag coeficient (aliran pada cylinder dan bola) Memahami prinsip dasar ailran pada airfoil, dan menghitung drag & lift force yang terjadi pada airfoil. • • •

11–1 INTRODUCTION Aliran fluida yang melewati benda solid sering kita temukan pada berbagai peristiwa, seperti : Drag force yang terjadi pada mobil, tiang listrik, pohon, dan pipa bawah air Lift yang dihasilkan sayap pesawat Pergerakan cell darah merah oleh aliran darah Pembentukan liquid droplet oleh spray equipment Getaran dan noise yang dihasilakan oleh benda yang bergerak melewati fluida Pembangkitan daya pada turbin angin • • Fluida yang bergerak melewati benda diam (angin yang berhembus disekitar gedung bertingkat), dan benda bergerak yang melewati fluida yang diam (mobil yang bergerak) dapat dikategorikan sebagai flow over bodies or external flow.

Beberapa contoh aliran external / flow over body pada kehidupan sehari-hari.

6

Lebih mudah untuk memaksa streamline body dari pada blunt body untuk bergerak melalui fluida.

Sebuah benda akan mengalami • Sebuah benda akan mengalami hambatan ketika bergerak melalui fluida, 11–2 DRAG AND LIFT khusus nya liquid (cairan) Drag: Gaya dari fluida bergerak yang diberikan pada benda pada arah alirannya. Drag force dapat diukur secara langsung dengan cara meletakan benda pada sebuah pegas kemudian mengukur perpindahan pegas pada arah aliran. Drag biasanya adalah efek yang tidak di • • • inginkan, seperti gesekan, dan yang kita lakukan adalah berusaha untuk menguranginya. Tapi pada beberapa kasus, drag menjadi menguntungkan, dan kita berusaha untuk memaksimalkannya (cth : automobile brake) Angin kencang merobohkan pepohonan, tiang listrik, dan bahkan orang-orang akibat gaya drag.

Lift: Komponen pressure dan wall shear force arah normal pada aliran mengakibatkan benda bergerak pada arah normal juga, dan pejumlahan dari 2 gaya tersebut dinamakan lift. Fluid force juga dapat menghasilkan moment dan mengakibatkan benda berputar Rolling moment: The moment about the flow direction. Yawing moment: The moment about the lift direction. Pitching moment: The moment about the side force direction.

Sayap pesawat dibentuk dan diposisikan untuk menghasilkan lift selama terbang sambil menjaga drag pada posisi minimum. Tekanan diatas dan dibawah tekanan atmosphere ditandai dengan tanda (+) dan (-) Drag force yang terjadi pada plat datar (pararel dengan aliran) hanya tergantung pada wall shear Drag force yang terjadi pada plat datar (arah normal pada aliran) hanya tergantung pada pressure.

Bilangan tersebut adalah drag coefficient CD, dan lift coefficient CL. Drag & lift force tergantung pada density fluida, kecepatan upstream, dan ukuran/bentuk & orientasi dari sebuah benda. Pada eksperimen atau pemecahan kasus lebih mudah dan efisien bekerja dengan bilangan non-dimensi yang merepresentasikan karakteristik drag & lift sebuah benda. Bilangan tersebut adalah drag coefficient CD, dan lift coefficient CL. A frontal area dynamic pressure Saat benda jatuh, benda mencapai terminal velocity (kecepatan maximum benda jatuh) ketika drag force sama dengan berat benda dikurangi bouyant force. Perhitungan lift & drag pada benda yang tipis, seperti airfoil, A adalah planform area, (area yang dilihat dari atas benda) 13

Contoh 11.1 Mengukur koefisien drag sebuah mobil Diketahui sebuah mobil dengan front area 22,26 ft2 di uji pada sebuah wind tunnel dengan kecepatan aliran 60 mi/h (1 atm & 70oF). Gaya yang terjadi pada mobil (searah aliran) adalah 68 lbf. Tentukan koefisien drag dari mobil tersebut. Solusi : drag force yang terjadi pada mobil sudah diketahui, sehingga koefisien drag pada percobaan ini dapat dihitung Asumsi : aliran steady dan incompresρible, cross section wind tunnel cukup besar untuk melakukan percobaan external flow pada mobil, mobil diam dan udara dihembuskan dengan kecepatan mobil ( 60 mi/h) Properties : density udara pada 1 atm dan 70oF adalah ρ = 0,07489 lbm/ft3

11–3 FRICTION AND PRESSURE DRAG • Drag force merupakan total gaya yang diberikan fluida pada benda (arah gaya searah aliran), drag force merupakan akibat dari adanya wall shear dan pressure force. Komponen drag yang berhubungan dengan wall shear stress disebut skin friction drag (or just friction drag), dan komponen drag yang berhubungan dengan pressure disebut pressure drag. • • Untuk aliran di atas permukaan plat datar, koefisien drag sama dengan koefisien friction drag nya. Friction drag sangat dipengaruhi oleh viskositas, semakin besar viskositas maka friction drag juga semakin besar •

Koefisien drag CD terendah untuk Drag menjadi sama dengan friction drag pada plat datar yang pararel dengan aliran. Drag menjadi sepenuhnya pressure drag pada plat datar dengan arah normal terhadap aliran. ● ● Drag mempunyai komponen preesure & friction drag pada cylinder dengan arah normal terhadap aliran. Koefisien drag CD terendah untuk pararel flat plate, CD tertinggi untuk vertical plat plate ● ● 16

Reducing Drag by Streamlining Streamlining dapat mengurangi pressure drag dengan cara memperlambat pemisahan aliran yang mengakibatkan perbedaan tekanan diantara bagian depan dan belakang benda. Streamlining meningkatkan friction drag karena akibat streamlining surface area juga meningkat The variation of friction, pressure, and total drag coefficients streamlined of a strut with thickness-to-chord length ratio for Re = 4×104.

Koefisien drag turun secara drastis saat elips menjadi lebih tipis. Streamlining mempunyai keuntungan tambahan yaitu mengurani getaran dan noise Streamlining diaplikasikan hanya pada benda yang bergerak dengan kecepatan tinggi atau benda diam yang beriteraksi dengan fluida kecepatan tinggi Perubahan koefisien drag dari eliptical cylinder yang panjang dengan aspek ratio tertentu.

Flow Separation Flow separation: pada kecepatan yang cukup tinggi, aliran fluida terpisah dengan sendirinya dari permukaan benda. Lokasi pemisahan aliran tergantung dari beberapa faktor seperti bilangan reynold, kekasaran permukaan, dan fluktuasi aliran. Sangat sulit diprediksi secara tepat dimana terjadinya pemisahan aliran Flow separation over a backward- facing step along a wall. Flow separation in a waterfall.

• Separated region: saat fluida terpisah dari benda, maka akan terbentuk separated region antara benda dan aliran fluida. Daerah ini merupakan daerah tekanan rendah dibelakang benda dimana terjadi pusaran dan backflow Semakin besar separated region maka semakin besar pressure drag Wake: daerah aliran yang ada di belakang benda, dimana terjadi efek penurunan kecepatan karena benda. Viskositas dan putaran merupakan hal yang paling berpengaruh pada boundary layer, seperated region dan wake • • • • Pemisahan aliran dan wake yang terjadi pada aliran disekitar bola tennis.

Sudut serang yang besar (biasanya lebih besar dari 15o) mengakibatkan aliran terpisah secara penuh dari permukaan atas airfoil dan menurunkan lift secara drastis (menyebabkan stall pada airfoil) 21

LATIHAN 1 Sebuah eksperimen dilakukan untuk mengetahui koefisien drag dari sebuah mobil dengan cara menguji mobil pada wind tunnel. Diketahui kondisi udaranya adalah 1 atm dan 25o C dan kecepatannya 90 km/h. Tinggi dan lebar mobil adalah 1,25 m dan 1,65 m. hasil pengukuran menunjukan gaya horizontal yang terjadi pada mobil adalah 220 N. hitunglah koefisien drag dari mobil tersebut.

LATIHAN 2 Resultan dari pressure dan wall shear force yang terjadi pada sebuah benda adalah 580 N (orientasi benda 35 derajat terhadap arah aliran). Hitunglah drag dan lift force yang terjadi pada benda tersebut. ● Jawab : drag dan lift force dapat dihitung dari resultan gaya denga cara menguraikan resultan gaya pada arah aliran dan arah normal terhadap aliran. ● ● ●