Assalamualaikum Wr. Wb.
Selamat malam DAI dan teman-teman semua.

Pada kesempatan kali ini saya ingin mempresentasikan hasil projek tugas besar yang telah saya kerjakan mengenai analisis dan optimasi performa aerodinamika airfoil menggunakan metode Computational Fluid Dynamics (CFD). Projek ini berfokus pada pengaruh variasi angle of attack terhadap rasio lift-to-drag sebagai parameter utama efisiensi aerodinamika.

Dalam pengerjaan projek ini, saya menggunakan OpenFOAM melalui VISUALFOAM untuk melakukan simulasi aliran fluida serta ParaView untuk proses visualisasi hasil simulasi. Selain bertujuan memahami fenomena mekanika fluida secara lebih mendalam, projek ini juga menjadi sarana pembelajaran dalam mengaplikasikan metode numerik dan simulasi komputasi terhadap permasalahan rekayasa nyata di bidang teknik mesin dan aerodinamika.

Saya menyadari bahwa projek ini masih memiliki banyak kekurangan, baik dari sisi pemodelan maupun analisis. Oleh karena itu, saya sangat terbuka terhadap kritik dan saran yang membangun demi pengembangan pemahaman saya ke depannya.

Terima kasih, dan selamat membaca.

OPTIMASI ANGLE OF ATTACK TERHADAP RASIO LIFT-TO-DRAG AIRFOIL MENGGUNAKAN SIMULASI CFD DAN ANALISIS NUMERIK

A. Project Title

OPTIMASI ANGLE OF ATTACK TERHADAP RASIO LIFT-TO-DRAG AIRFOIL MENGGUNAKAN SIMULASI CFD DAN ANALISIS NUMERIK

---

B. Author

Kezia Aletha

---

C. Affiliation

Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

---

D. Abstract

Performa aerodinamika suatu airfoil sangat dipengaruhi oleh variasi sudut serang (angle of attack/AoA) yang menentukan besar gaya angkat (lift) dan gaya hambat (drag). Pada kondisi tertentu, peningkatan angle of attack dapat meningkatkan lift secara signifikan, namun di sisi lain juga meningkatkan drag dan berpotensi menyebabkan stall akibat separasi aliran fluida. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis hubungan antara angle of attack terhadap rasio lift-to-drag (L/D ratio) menggunakan simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD) berbasis OpenFOAM melalui antarmuka VISUALFOAM.

Simulasi dilakukan pada model airfoil tiga dimensi dengan variasi sudut serang pada kondisi aliran inkompresibel turbulen menggunakan model turbulensi k-ω SST. Boundary condition berupa kecepatan inlet sebesar 20 m/s dengan arah aliran yang disesuaikan terhadap sudut serang. Proses simulasi meliputi tahapan meshing, penentuan boundary condition, iterasi solver, serta visualisasi streamline menggunakan ParaView.

Hasil simulasi menunjukkan bahwa peningkatan angle of attack menyebabkan distribusi tekanan pada permukaan atas airfoil semakin rendah sehingga menghasilkan lift yang lebih besar. Namun, pada sudut serang tinggi mulai muncul fenomena separasi aliran yang meningkatkan drag secara signifikan. Berdasarkan analisis numerik terhadap tren aerodinamika, diperoleh bahwa terdapat titik optimum angle of attack yang menghasilkan rasio lift-to-drag maksimum sebelum terjadi penurunan efisiensi akibat stall.

---

E. Author Declaration

1. Deep Awareness (of) I

Sebagai seorang mahasiswa teknik, saya menyadari bahwa kemampuan dalam memahami fenomena aerodinamika dan mengimplementasikan simulasi CFD merupakan bentuk pemanfaatan ilmu pengetahuan yang harus digunakan secara bertanggung jawab. Projek ini menjadi sarana pembelajaran untuk memahami bagaimana prinsip mekanika fluida dapat diterapkan dalam penyelesaian permasalahan rekayasa nyata, khususnya pada optimasi performa aerodinamika.

2. Intention of the Project Activity

Pelaksanaan projek ini dilakukan dengan tujuan pengembangan kapasitas akademik dan praktikal di bidang simulasi numerik dan aerodinamika, meliputi:

• Penguasaan Computational Fluid Dynamics (CFD):
  Mengembangkan kemampuan penggunaan solver OpenFOAM dan VISUALFOAM mulai dari tahap geometri, meshing, boundary condition, hingga post-processing.
• Aplikasi Mekanika Fluida:
  Menghubungkan konsep teoritis seperti lift, drag, boundary layer, dan turbulence dengan hasil simulasi numerik.
• Analisis Numerik dan Visualisasi Data:
  Melatih kemampuan interpretasi data simulasi CFD menggunakan visualisasi streamline, distribusi kecepatan, serta analisis performa aerodinamika.

---

F. Introduction

Aerodinamika merupakan cabang ilmu mekanika fluida yang mempelajari interaksi antara aliran udara dengan benda padat. Salah satu parameter paling penting dalam analisis aerodinamika adalah angle of attack (AoA), yaitu sudut antara arah aliran udara terhadap chord line airfoil. Variasi sudut serang sangat menentukan karakteristik gaya angkat dan gaya hambat yang bekerja pada suatu profil sayap.

Dalam dunia rekayasa modern, optimasi angle of attack memiliki peranan penting pada desain pesawat terbang, kendaraan balap, turbin angin, hingga drone. Sudut serang yang terlalu kecil menghasilkan lift rendah sehingga efisiensi aerodinamik tidak optimal. Sebaliknya, sudut serang yang terlalu besar memicu separasi aliran dan stall yang menyebabkan drag meningkat tajam serta lift menurun drastis.

Initial Thinking (about the Problem):

Secara fisika, ketika angle of attack meningkat, tekanan pada permukaan atas airfoil akan semakin rendah akibat percepatan aliran fluida. Perbedaan tekanan antara sisi atas dan bawah inilah yang menghasilkan gaya angkat (lift). Namun peningkatan sudut serang juga memperbesar gangguan aliran dan mempertebal boundary layer sehingga drag ikut meningkat.

Pada titik tertentu, aliran udara tidak lagi mampu mengikuti kontur permukaan airfoil sehingga terjadi flow separation. Fenomena ini menyebabkan turbulensi besar di belakang airfoil yang menurunkan efisiensi aerodinamis secara drastis. Oleh karena itu, diperlukan analisis numerik untuk menentukan angle of attack optimum yang memberikan rasio lift-to-drag terbesar.

---

G. Methods & Procedures

Idealization

Untuk menyederhanakan proses simulasi, digunakan beberapa asumsi idealisasi sebagai berikut:

---

• Fluida diasumsikan berupa udara inkompresibel dengan densitas: $$\rho = 1.225 \text{ kg/m}^3$$ρ=1.225 kg/m3
• Viskositas dinamik udara: $μ=1.81×10−5 Pa/s$
• Aliran diasumsikan steady-state turbulent flow.
• Model turbulensi yang digunakan adalah:
  k-ω SST turbulence model
• Kecepatan inlet ditetapkan konstan: $$U = 20 \text{ m/s}$$
• Geometri airfoil dibuat dalam domain fluida tiga dimensi menggunakan mesh refinement di sekitar permukaan airfoil untuk meningkatkan akurasi boundary layer.

Instruction (Set)

Langkah-langkah simulasi CFD dilakukan sebagai berikut:

1. Pembuatan Geometri dan Mesh

Model airfoil dibuat menggunakan domain fluida berbentuk balok tiga dimensi dengan refinements di sekitar airfoil menggunakan metode SnappyHexMesh pada VISUALFOAM.

2. Penentuan Boundary Condition

Boundary condition yang digunakan meliputi:

• Velocity inlet sebesar 20 m/s
• Pressure outlet dengan zeroGradient
• Dinding airfoil menggunakan kondisi no-slip wall

3. Solver CFD

Simulasi dijalankan menggunakan solver incompressible turbulent flow OpenFOAM dengan iterasi hingga residual mencapai konvergensi stabil.

4. Post-Processing

Hasil simulasi divisualisasikan menggunakan ParaView untuk mengamati:

• Distribusi kecepatan
• Streamline aliran
• Indikasi flow separation
• Perubahan pola turbulensi

5. Analisis Numerik

Data hasil simulasi dianalisis secara numerik untuk mengidentifikasi hubungan antara angle of attack dengan rasio lift-to-drag (L/D ratio).

---

H. Results & Discussion

Hasil Simulasi CFD

Berdasarkan hasil simulasi menggunakan VISUALFOAM dan OpenFOAM, diperoleh visualisasi streamline yang menunjukkan perubahan pola aliran udara di sekitar airfoil seiring peningkatan sudut serang.

Pada sudut serang rendah, aliran udara masih mengikuti kontur airfoil secara stabil sehingga drag relatif kecil. Distribusi tekanan menghasilkan gaya angkat yang meningkat secara signifikan tanpa turbulensi besar di bagian wake.

Namun, ketika angle of attack semakin besar, mulai terlihat gangguan aliran dan separasi fluida di bagian trailing edge. Hal ini menyebabkan terbentuknya daerah turbulensi yang meningkatkan drag serta mengurangi efisiensi aerodinamik.

Analisis Aerodinamika

Secara teoritis, lift dan drag dirumuskan sebagai:$$L = \frac{1}{2}\rho V^2 S C_L$$L=21​ρV2SCL​ $$D = \frac{1}{2}\rho V^2 S C_D$$D=21​ρV2SCD​

Sedangkan rasio efisiensi aerodinamik:$$\frac{L}{D} = \frac{C_L}{C_D}$$DL​=CD​CL​​

Peningkatan angle of attack menyebabkan koefisien lift $C_L$CL​ meningkat pada tahap awal. Namun setelah melewati sudut tertentu, koefisien drag $C_D$CD​ meningkat lebih cepat akibat separasi aliran sehingga rasio $L/D$L/D mulai menurun.

Fenomena ini menunjukkan adanya titik optimum aerodinamik sebelum kondisi stall terjadi.

Analisis Visualisasi Streamline

Visualisasi streamline dari ParaView menunjukkan bahwa:

• Aliran udara pada sisi atas airfoil mengalami percepatan signifikan.
• Wake region di belakang airfoil semakin besar pada angle of attack tinggi.
• Daerah turbulensi meningkat pada trailing edge akibat adverse pressure gradient.

Hasil ini konsisten dengan teori boundary layer dan fenomena stall pada airfoil.

---

I. Conclusion, Closing Remarks, Recommendations

Conclusion

• Simulasi CFD berhasil menunjukkan pengaruh angle of attack terhadap karakteristik aerodinamika airfoil.
• Peningkatan sudut serang meningkatkan gaya angkat hingga titik optimum tertentu.
• Pada angle of attack tinggi terjadi flow separation yang menyebabkan drag meningkat drastis.
• Rasio lift-to-drag maksimum diperoleh sebelum fenomena stall mulai muncul.

Closing Remarks & Recommendations

Optimasi angle of attack sangat penting dalam perancangan sistem aerodinamika karena berkaitan langsung dengan efisiensi energi dan performa sistem. Penggunaan CFD memungkinkan analisis fenomena fluida yang sulit diamati secara eksperimen langsung.

Untuk pengembangan penelitian selanjutnya, simulasi dapat diperluas dengan:

• variasi Reynolds Number,
• perbandingan beberapa jenis airfoil,
• analisis transient flow,
• serta validasi eksperimental menggunakan wind tunnel.

---

J. Acknowledgments

Saya mengucapkan terima kasih kepada Prof. DAI atas bimbingan akademis selama proses pembelajaran metode numerik dan CFD. Terima kasih juga kepada rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin FTUI atas diskusi dan masukan selama pengerjaan projek ini.

---

K. Literature Cited

1. Anderson, J. D. Fundamentals of Aerodynamics. McGraw-Hill Education.
2. White, F. M. Fluid Mechanics. McGraw-Hill.
3. Versteeg, H. K., & Malalasekera, W. An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method. Pearson Education.
4. OpenFOAM Foundation. OpenFOAM User Guide.
5. VISUALFOAM Documentation.

Sekian paparan laporan saya, Terimakasih, Assalamualaikum Wr. Wb.