ccitonline.com

Ditulis oleh Jievan Abdullah Chered | NPM 2306247225 | Teknik Mesin, Universitas Indonesia

بِسْمِ اللَّهِ الرَّحْمٰنِ الرَّحِيْمِ

Pengantar Islami & Motivasi
“Dan katakanlah: ‘Bekerjalah kamu, maka Allah dan Rasul-Nya serta orang-orang mukmin akan melihat pekerjaanmu…’” (QS. At‑Taubah [9]: 105). Maka dari itu, dengan niat untuk berilmu dan memberi manfaat, makalah ini dibangun sebagai kontribusi studi ilmu dan teknik penerbangan.

Deep Awareness of I (Kesadaran Diri dan Konteks)
Sebagai mahasiswa teknik mesin yang bercita‑cita mendalami teknologi aerodinamika dan pertahanan, saya menyadari pentingnya kemampuan analisis numerik modern untuk meningkatkan performa sistem penerbangan. Aliran fluida pada komponen jet pada kecepatan transonik (Mach 1) sangat kompleks: terdapat gelombang kejut, separasi aliran udara, dan vortex yang memengaruhi gaya hambat udara dan kestabilan terbang. Dalam konteks tersebut, tangki bahan bakar eksternal—meskipun sederhana bentuknya—memiliki dampak besar terhadap efisiensi bahan bakar, performa manuver, dan keselamatan penerbangan.

Poin kesadaran utama:

1. Aliran Mach 1 berada di wilayah transonik-supersonik, di mana fenomena aliran bisa sangat tidak linear.
2. Desain komponen eksternal (fairing, sirip) memiliki konsekuensi langsung terhadap gaya aerodinamis dan performa global pesawat.
3. Simulasi CFD, bila dijalankan secara benar, mampu menggantikan sebagian besar eksperimen fisik dengan lebih cepat dan lebih terukur.

Intention (Niat dan Tujuan)
Berdasarkan kesadaran tersebut, makalah ini bertujuan untuk:

1. Menganalisis secara kuantitatif dan kualitatif distribusi kecepatan dan tekanan di sekitar tangki eksternal jet tempur pada Mach 1.
2. Memahami fenomena aliran kunci seperti zona stagnasi, shock wave, separasi, dan vortex.
3. Menghitung gaya drag total serta memproyeksikan dampaknya terhadap performa pesawat.
4. Merancang rekomendasi desain berbasis analisis simulasi untuk meningkatkan efisiensi aerodinamis.
5. Meningkatkan kompetensi pekerja teknik dalam metode berpikir DAI5: dari kesadaran, niat, pemodelan, eksekusi, hingga penerapan.

Initial Thinking (Pemikiran Awal)

Dengan asumsi awal dan pertanyaan riset bahwa tangka berbentuk ogive-cylinder, dengan panjang 4,6 meter, diameter 50 cm, serta permukaan memiliki fairing halus dan sirip belakang sederhana.
Pertanyaan:

1. Bagaimana pola aliran udara di sekitar fairing atas dan belakang tangki pada kecepatan Mach 1?
2. Seberapa besar tekanan statis dan dinamis yang muncul pada permukaan?
3. Seberapa besar gaya hambatan yang terjadi, dan pada bagian mana yang paling menyumbang?
4. Jika bentuk tangki dioptimalkan (e.g., menyerupai tetesan air), seberapa persen reduksi hambatan yang bisa dicapai?

Dari pertanyaan ini, dibuat model simulasi, pengukuran gaya hambat udara, dan eksplorasi desain alternatif.

Idealization (Pembentukan Model Ideal)

1. Geometri
   a. Tangki: shaft-based, ogive-cylinder dengan ukuran 4,6 m x 50 cm
   b. Fairing atas: halus, radius transisi 0.1 m.
   c. Sirip belakang: planar trapezoidal; bagian belakang dipotong lancip untuk mencegah form drag berlebih.
2. Domain Simulasi
   Domain aliran: panjang ~12.5 m (5× panjang tangki), tinggi/lebar 5 m, simetri setengah.
3. Boundary conditions:
   a. Inlet: Mach 1 (343 m/s), pressure 101 325 Pa, T 288 K.
   b. Outlet: pressure outlet 101 325 Pa.
   c. Wall tangki dan domain: no-slip, adiabatic wall.
   d. Simetri: bidang tengah.
4. Mesh
   a. Type: polyhedral + prism layer 10 lapis, y+ ≈ 30–50.
   b. Jumlah sel: ~3 juta.
   c. Refinement area: 0.5 m di sekitar tangki, terutama fairing ujung dan belakang.
   d. Skema diskritisasi: second-order upwind.
5. Model Fisika
   a. Flow: compressible, steady-state.
   b. Turbulence: k‑ε standard.
   c. Solver: coupled pressure–velocity.
6. Validasi Awal
   a. Lakukan grid independence test dengan mesh 1.5M, 3M, dan 4.5M sel.
   b. Tentukan mesh terbaik saat perubahan gaya drag < 1%.

Instruction Set (Langkah Kerja dan Eksekusi)

1. Preparasi
   a. Geometri dibangun berdasarkan referensi CAD.
   b. Geometry clean-up dan surface repair untuk menghindari kesalahan mesh.
2. Mesh Generation
   a. Domain dan boundary di-setup.
   b. Prism layer di permukaan tangki untuk menangkap boundary layer.
   c. Refinement wake di belakang tangki untuk capture vortex.
3. Setup Solver
   a. Physics: gas ideal dengan compressibility.
   b. Turbulence: k‑ε Standard.
   c. Initialization: inlet flow field.
   d. Convergence: residu < 1e‑4 dan monitoring drag force residual (< 1% fluktuasi).
4. Running Simulasi dan Monitoring
5. Simulasi steady-state; track drag, Cp, Cl, moment.
6. Setelah konvergen, lakukan post-processing.

Hasil & Pembahasan Mendalam

1. Kontur Kecepatan & Streamlines
   a. Zona stagnasi di depan tangki (warna biru gelap).
   b. Akselerasi fluida hingga v ≈ 403 m/s di sisi tangki (Mach ~1.17).
   c. Vortex kuat di wake belakang dengan streamlines terdistorsi.
   d. Sub-zona compressible: shock wave di ujung fairing depan.
2. Analisis:
   Akibat geometri uzur tipis, aliran subsonik terhadap supersonik merespons dengan Mach shock. Vortex memperluas wake dan meningkatkan drag.

1. Kontur Tekanan Permukaan
   a. Tekanan stagnasi ≈ +41,800 Pa (relative).
   b. Tekanan permukaan pada sisi belakang mencapai -59,000 Pa.
   c. Gradien tekanan besar mewarnai form drag dominan.
   d. Cp distribusi tidak simetris longitudinal—mengindikasikan pitching moment.
2. Analisis:
   Pressure recovery buruk akibat wake dalam. Back-suction sangat dominan dan meningkatkan gesekan udara.
3. Perhitungan Drag & Koefisien
   a. Area frontal (A) = 0.196 m²
   b. Drag coefficient (Cd) ≈ 0.7 (estimasi dari distribusi tekanan dan gaya drag numerik).
   c. Gaya drag:

2. Interpretasi: gaya ini setara dengan beban ~1 ton, sehingga mempengaruhi bahan bakar dan performa mesin pesawat secara nyata.
3. Analisis Stabilitas & Moment
   a. Dari distribusi tekanan tidak simetris, diperoleh pitching moment ≈ 2–3 kN·m (dikalkulasi terhadap CG tangki).
   b. Dampak: momen pitching ini bisa menimbulkan trimming instability dan perlu kompensasi oleh sistem kendali penerbangan.
4. Analisis Sensitivitas Geometri
   a. Dilakukan studi singkat dengan geometri alternatif:

Kesimpulan: redesign tail menjadi tear-drop mampu menurunkan drag signifikan.

Diskusi Lanjut

1. Model Turbulence dan Transiens
   a. Simulasi steady-state k‑ε memberi prediksi awal.
   b. Untuk akurasi pusaran dan wake transien, sebaiknya gunakan URANS, DES, atau LES.
   c. Studi transient diharapkan mengungkap osilasi tekanan wake dan fluktuasi gaya
2. Efek Interaksi dengan Pesawat
   a. Simulasi ini model isolated tank; dalam kondisi nyata tangki digantung pada sayap/badan utama.
   b. Interaksi aerodinamika antar permukaan harus dipelajari via model integrated.
3. Validasi Eksperimental
   a. Idealnya, hasil CFD divalidasi lewat uji terowongan angin Mach 1.
   b. Ukur gaya drag dan tekanan permukaan pada mock-up proporsional skala 1:4.
4. Material & Heating Effects
   a. Pada Mach 1, pemanasan karena gesekan (ram rise) menyebabkan suhu permukaan meningkat ~10–20 K.
   b. Berpengaruh terhadap gas freestream, densitas, dan distribusi tekanan—perlu dimasukkan dalam model lanjut.

Rekomendasi & Implementasi
Untuk meningkatkan kualitas desain dan efisiensi:

1. Geometri ekor: menggunakan tear‑drop atau ogive smooth fins untuk mengurangi wake.
2. Fairing guide: menambahkan fairing onboard untuk mengarahkan aliran wake.
3. Micro-stabilizer: sirip kecil untuk kontrol wake dan pitching moment.
4. Material ringan & heat-resistant: CFRP dengan finishing low-friction untuk mengurangi gesekan permukaan.
5. Simulasi transien: URANS / DES + thermal coupling untuk capture full-mode aliran dan heating.
6. Validation & field test: prototipe skala; uji terowongan angin; data telemetry menerbangkan jet prototipe.

Kesimpulan

1. Tangki eksternal signifikan mempengaruhi aerodynamics di Mach 1.
2. Simulasi menunjukkan tekanan stagnasi di depan dan suction di wake belakang yang menyumbang drag besar (~10 kN).
3. Reduksi drag 25–35 % dimungkinkan lewat redesign tail-fairing.
4. Stabilitas pitch terpengaruh tekanan asimetris.
5. Simulasi steady hanya awal: butuh lanjutan transien, thermal, dan interaksi dengan pesawat.

Daftar Pustaka

1. Anderson, J.D. (2001). Fundamentals of Aerodynamics, 4th ed. McGraw-Hill.
2. Versteeg, H.K., Malalasekera, W. (2007). An Introduction to Computational Fluid Dynamics. Pearson.
3. Siemens PLM Software (2023). Simcenter STAR-CCM+ User Guide.
4. Munson, B.R., Young, D.F., Okiishi, T.H. (2010). Fundamentals of Fluid Mechanics, 6th ed.
5. Wilcox, D.C. (1998). Turbulence Modeling for CFD. DCW Industries.
6. Pope, S.B. (2000). Turbulent Flows. Cambridge University Press.