KAJIAN PERBANDINGAN KARAKTERISTIK TURBULENSI DAN PULSASI ANTARA PROPELER CLARK-Y UNTUK PESAWAT TANPA AWAK DAN PROPELER PABRIKAN MELALUI ANALISA KOMPUTASI DINAMIKA FLUIDA
Andi Yongko 1 , Ikhwansyah Isranuri 2 , M. Sabri 3 , Syahrul Abda 4 , Marragi M. 5 , Tugiman 6 1,2,3,4,5,6 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara Jalan Almamater, Kampus USU Medan 20155 Indonesia E-mail: a_yongko@rocketmail.com

## ABSTRAK
Propeler  merupakan  salah  satu  komponen  penting  pada  pesawat  yang  berfungsi  menghasilkan  gaya dorong  yang  disebut Thrust .  Namun  dalam  prakteknya,  selain  memberikan  gaya  dorong,  propeler turut berperan dalam menimbulkan kebisingan ketika sedang berputar.Oleh sebab itu, tugas akhir ini memiliki  tantangan  untuk  mencari  propeler  yang  memiliki  tingkat  kebisingan  yang  rendah  namun memiliki  unjuk  kerja  yang  tinggi  melalui  software  analisa  CFD  (Komputasi  Dinamika  Fluida) Solidworks . Tugas akhir ini akan membandingkan tingkat turbulensi dan pulsasi antara propeler yang dibentuk dari airfoil CLARK  – Y yang akan digunakan untuk pesawat tanpa awak, dengan propeler pabrikan.  Propeler  CLARK-Y  yang  memiliki  diameter  0,46  m  dengan  Sound  Power  Level  yang dihasilkan  sebesar  71,4  dB  dan  Sound  Pressure  Level  sebesar  43,5  dB  (jarak  ukur  10  m).  Propeler APC dengan diameter 0,38 m menghasilkan Sound Power Level 67,99 dB dan Sound Pressure Level 40,1 dB (jarak ukur 10 m) dan propeler Master Airscrew dengan diameter 0,2 m, menghasilkan Sound Power  Level  sebesar  60,38  dB  dan  Sound  Pressure  Level  sebesar  32,5  dB  (jarak  ukur  10  m). Sedangkan nilai Thrust yang dihasilkan berbanding terbalik dengan CLARK-Y adalah 89,5 N, APC adalah 54,7 N dan Master Airscrew adalah 14,8 N setelah mencapai kecepatan 10 m/s.
Keyword: Desain, Propeler, CLARK-Y, Kebisingan, Thrust

## 1. PENDAHULUAN
Propeler menjadi bagian penyumbang kebisingan terbesar dibandingkan bagian pesawat yang lain.  Kebisingan  ini  disebabkan  oleh  adanya  turbulensi  dan  pulsasi  yang  terjadi  akibat  adanya kecepatan  udara  yang  bergerak  melewati  propeler.Perkembangan  teknologi  telah  memungkinkan penganalisaan  propeler  yang  jauh  lebih  mudah,  cepat  dan  hemat  biaya  melalui  simulasi  CFD (Computational Fluid Dynamics).
Penelitian  terdahulu  yang  dilakukan    oleh  saudara  Armansyah  [1]  adalah  menganalisa kebisingan dengan perbandingan airfoil dan sudut serang propeler untuk mencapai nilai yang paling efisien.
Melalui  alasan  tersebut,  maka  penulis  tertarik  untuk  melanjutkan  penganalisaan  tingkat kebisingan melalui CFD akibat dua jenis faktor yang berpengaruh, yaitu turbulensi dan pulsasi, pada sebuah  propeler  pesawat  tanpa  awak  (UAV)  dengan  propeller  pabrikan    yang  sama  –  sama menggunakan petrol engine .

## 2. LANDASAN TEORI

## 2.1 Sistem Propulsi
Sistem  propulsi  merupakan  sistem  penggerak  dimana  untuk  pesawat  sistem  ini  memberikan gaya  dorongan  sehingga  pesawat  dapat  bergerak  maju  ke  depan.  Semua  jenis  sistem  propulsi didasarkan  pada  hukum  ketiga  Newton  yang  berbunyi  seperti  berikut:  “Untuk  setiap  aksi,  terdapat reaksi berlawanan yang sesuai” [2].

## 2.2 Pengertian Propeller
Propeller merupakan sekelompok sayap berputar yang dibentuk bengkok, yang ditujukan agar menciptakan  arah  dari  resultan  gaya  angkat  yang  menuju  ke  depan.  Propeller  berfungsi  untuk mengubah gaya rotasi dari mesin menjadi gaya propulsif sebagai gaya dorong (Thrust) untuk pesawat [2].

## 2.3 Bagian – Bagian Propeler
Gambar 2.1 berikut ini akan memberikan detail bagian – bagian dari geometri propeller secara umum.
Gambar 2.1 Bagian – Bagian Propeler [1]
Berikut adalah bagian – bagian yang terdapat pada sebuah propeler:
1. Leading Edge (Bagian depan)
Merupakan bagian depan sebuah airfoil yang berfungsi untuk memotong udara. Ketika udara terbelah, maka aliran udara akan melewati permukaan yang melengkung (cambered face) dan bagian bawah yang rata (flat face).
2. Tip Merupakan bagian terluar propeller dari Hub.
3. Root Adalah bagian dari baling yang terdekat dengan hub.
4. Hub
Merupakan pusat propeller sebagai bagian dimana baling – baling melekat.

## 2.4 Dasar Elemen Propeller
Elemen – elemen  penting pada sebuah propeller seperti Vo, n, d, β, w, dan L akan disajikan pada gambar 2.2 berikut ini .
Gambar 2.2 Elemen Pada Baling – Baling Propeller [2]
Elemen n merupakan  revolusi  propeller  per  satuan  detik.  Elemen d adalah  diameter  pada stasiun airfoil. Sudut β merupakan sudut blade di stasiun airfoil. Elemen w adalah kecepatan induksi ( induced  velocity).  V R merupakan  kecepatan  resultan  udara  tanpa  kecepatan  induksi  dan  V Re adalah kecepatan resultan efektif udara yang termasuk kecepatan induksi.

## 2.5 Teori Momentum Sederhana
Sebuah  metode  sederhana  untuk  menghitung  propeller  yang  sedang  beroperasi  bergantung terhadap energi momentum dan kinetik dari sistem. Propeller diasumsikan terdiri dari sejumlah besar baling – baling (blade), sehingga terbentuk plat penggerak (actuator disk) dengan thrust terdistribusi secara merata di sekitar plat seperti yang terlihat pada gambar 2.3 berikut ini [3].
Gambar 2.3 Aliran Plat Penggerak (Actuator Disk Flow) menjadi p o [3]

## 2.6 Gaya Yang Terjadi Pada Propeler
Pada  umumnya  terdapat  tiga  jenis  gaya  yang  terjadi  pada  saat  sebuah  propeler  beroperasi. Berikut adalah gaya – gaya tersebut:
1. Thrust
2. Gaya Sentrifugal (Centrifugal Force)
3. Gaya Torsi atau Twist
Gambar 2.9 Tegangan Pada Propeler [3]
2.7 Sumber Noise Aerodinamis
Sumber  noise  secara  umum  dikenal  dengan  istilah  sebagai Noise  Generation  Mechanism , adalah  mekanisme  sumber  kebisingan  yang  disebabkan  oleh  adanya  operasi  atau  kegiatan  serta peralatan yang menimbulkan kebisingan.
Secara umum, Noise Generation Mechanism terbagi menjadi tiga jenis yaitu:
• Turbulensi  :  Disebabkan  oleh  pergerakan  aliran  udara  yang  acak  karena  melewati  perubahan bentuk suatu daerah
• Pulsasi  :  Merupakan  tekanan  bidang  yang  disebabkan  adanya  perubahan  kecepatan  yang signifikan  sehingga  mengakibatkan  perubahan  tekanan  yang  drastis,  pada  umumnya  disebut sebagai pressure field
• Shock : Disebabkan adanya benturan secara cepat oleh aliran udara

## 2.8 Tingkat Kebisingan
Untuk mempermudah penentuan nilai kebisingan, maka ada metode yang digunakan dengan menggunakan skala level atau tingkat kebisingan suara dalam satuan desibel (db) yang dibagi menjadi dua kategori yakni sound pressure level dan sound power level .
a. Sound Power level
Sound power level dapat di definisikan dalam persamaan
L w = 10 log 10 𝑊 𝑊 𝑟𝑒𝑓 (db)...............(1) (2.12)
Dimana W    = Sound Power W reff = sound power referensi dengan standar 10 -12 wattt

## b. Sound Pressure Level (SPL)
Sound  power  level  untuk  setiap  oktav  band  dapat  di  estimasikan  dengan  mengikuti  korelasi Graham.
L w =  L w (B) + 10 log 10 [ 𝑄 𝑄 0 ] + 20 log 10 [ 𝑃 𝑃 0 ] + B T ........................................(2) (2.13) Dimana
L w (B) = basic sound level Q = laju aliran volumetric Q 0 = laju aliran volumetric referensi = 0,47195 dm 3 /s P = tekanan melalui Propeler P 0 = tekanan referensi = 248,8 Pa B T = Blade tone komponen Untuk menghitung level tekanan suara tersebut dapat di peroleh dari persamaan [3]
Lp = Lw + (DI – 20 log 10 ( r ) + 10log 10 ( 𝜀 - mr ) – 10log 10 ( 4𝜋.(𝑃 𝑟𝑒𝑓 2 ) 𝜻.𝑊 𝑟𝑒𝑓 ) ...............(3) (2.15)
Dimana
• DI  = directivity index (untuk permukaan datar = 3)
• r = jarak penentuan tingkat tekanan suara
• m= 2 𝝍 dimana 𝝍 = koefisien energi attenuation
• 𝜻 = Karakteristik impedansi

## 2.9 Computational Fluid Dynamics (CFD)
Dinamika  fluida  komputasi,  biasanya  disingkat  sebagai  CFD  (Computational  Fluid Dynamics),  adalah  cabang  dari  mekanika  fluida  yang  menggunakan  metode  numerik  dan  algoritma untuk memecahkan dan menganalisis masalah yang melibatkan dari aliran fluida tersebut.

## 3 METODOLOGI

## 3.1 Peralatan Yang Digunakan
Jenis peralatan yang dibutuhkan untuk analisis CFD propeller UAV ini adalah sebuah laptop dengan spesifikasi sebagai berikut :
Processor : Intel Core i5 RAM
: 2 GB CPU : 2,4 GHz System : Windows 7 32 – bit VGA : ATI Mobility Radeon Software : Solidworks Design and Flow simulation

## 3.2 Spesifikasi Data
Berikut  ini  merupakan  spesifikasi  data  propeler  yang  akan  dianalisa  seperti  yang  disajikan pada tabel 3.1
Tabel 3.1. Spesifikasi data No Spesifikasi Karakteristik
1 Structure Aluminium Magnesium
2 Tipe CLARK Y 3 Kecepatan Ujung Blade 204 m/s 4 Ketinggian maksimum 7.000 kaki (2133 m) 5 Mesin DLE – 30 / 30 cc / 8500 RPM 6 Diameter sapuan 460 mm (18”) 7 Material Aluminium 2024 – 0 8 Number of blade 2 9 Chord 30 mm 10 Ukuran Propeler 18 x 10 (Diameter 18 inch dan Pitch 10 inch)

## 3.3 Spesifikasi Fluida
Fluida yang menjadi medium penganalisaan propeler dapat dilihat pada tabel 3.2 berikut ini.
Tabel 3.2. Spesifikasi Fluida No Spesifikasi 1 2 Jenis Fluida Temperatur udara atmosfir 293,2 K 3 4 Tekanan Kelembapan 101,3 kPa 70% 5 6 Viskositas bilangan Prandtl 18,21 x10-6 Pa-s 0,717 7 8 specific heat ratio Massa jenis 1,400 1.225 kg/m3
[5]
3.4 Spesifikasi Jenis Propeler Pabrikan
1. Propeler APC Memiliki spesifikasi berupa : Diameter =380 mm
Chord =  30 mm Material = Fiber Glass Angle of Attack = 9,5 0 [6]
2. Propeler Master Airscrew Memiliki spesifikasi berupa :
Diameter = 200 mm Chord =  15 mm Material = Nylon 101 Angle of Attack = 7 0 [6]

## 3.5 Spesifikasi Mesin Gasoline
Adapun dalam analisa propeler ini, tenaga input diperoleh dari mesin gasoline bertipe DLE – 30. Berikut adalah spesifikasi data yang dimiliki mesin ini:
- 3,7 hp / 30 CC
- 8500 rpm
- Idle @ 1600 rpm [7]
3.6 Tahap Pengujian Propeler
1. Input koordinat Airfoil Clark Y
2. Penginputan sudut serang airfoil
3. Pemodelan propeler
4. Pembentukan daerah putaran ( Rotating Region )
5. Penentuan jenis aliran fluida
6. Penginputan Parameter Kecepatan Aliran
7. Pembentukan Daerah Perhitungan (Computational Domain)
8. Pelaksanaan Simulasi

## 4.  HASIL DAN PEMBAHASAN

## 4.1 Verifikasi Teoritis
Pada pengujian teoritis ini, akan dilakukan perhitungan terhadap kecepatan putar maksimum yang terjadi pada ujung propeler, dengan menggunakan rumus berikut.
𝑉 𝑟 ( 𝑓𝑡 𝑠 ⁄ ) = 𝑁 (𝑟𝑝𝑚) 𝑥 𝐷(𝑖𝑛) 𝑥 3,14
(12 𝑥 60)
Diketahui :
- N = 8500 rpm
- D Clark-Y = 0,46 m ~18,11 in
- D APC = 0,38 m ~ 14,96 in
- D Clark-Y = 0,20 m ~ 8,66 in
Tabel 4.1 Perbandingan Hasil Teoritis Dan Hasil Simulasi PROPELER Hasil Perhitungan Hasil Simulasi Ralat (%) CLARK-Y 204,62 m/s 202,7 m/s  0,938 APC 169,03 m/s 166,2 m/s 1,67 Master Airscrew 88,96 m/s 87,55 m/s 1,58
Dari  tabel  4.1  di  atas  dapat  dilihat  bahwa  antara  hasil  perhitungan  dan  hasil  simulasi  tidak berbeda jauh dengan persen ralat di bawah 2%. Oleh karena hasil yang diperoleh tidak jauh berbeda, maka penelitian simulasi dapat dinyatakan benar dan dapat dilanjutkan.

## 4.2 Propeler CLARK-Y
Analisa  propeler  CLARK-Y  ini  akan  menampilkan  beberapa  hasil  simulasi  yaitu  kontur kecepatan, kontur tekanan, kontur turbulensi dan data  – data simulasi lainnya seperti yang terlampir pada gambar 4.1 dan 4.2 berikut ini.
Gambar 4.1 Kontur Kecepatan Udara Propeler CLARK –Y
Kecepatan maksimum yang terjadi setelah udara melewati propeler adalah 21,3071 m / s yaitu pada koordinat x = 0.26 m dan y = -0.132 m.

## Gambar 4.2 Kontur Energi Turbulensi Propeler CLARK-Y
Turbulensi  terjadi  pada  daerah  yang  berjarak  0,3  m  dari  propeler  dengan  karakteristik  yang terbelah dan mencapai nilai maksimum sekitar 12 J/kg pada jarak x = 1,1 m dan y = 0,088 m.
Turbulensi  pada  CLARK-Y  menghasilkan  intensitas  sekitar  0,4  W  hingga  0,53  W  pada daerah  pertengahan  dan  pada  titik  turbulensi  maksimum  juga  menghasilkan  intensitas  maksimum yaitu 2,77 W.

## 4.3 Propeler APC
Gambar 4.3 berikut ini adalah hasil aliran kecepatan udara yang melewati propeler APC.
Gambar 4.3 Kontur Kecepatan Aliran Udara Propeler APC
Kecepatan udara pada saat akan meninggalkan  pusat propeler sangatlah rendah yaitu sekitar 2,9 m / s .Kemudian  terjadi  peningkatan  kecepatan  di  daerah  0,3m  dari  propeler  menjadi  15 m / s . Kecepatan udara mengalami penurunan dan mengekor menjadi sekitar 10 m / s .

## Gambar 4.4 Kontur Energi Turbulensi Propeler APC
Pada gambar 4.4 dapat dilihat bahwa daerah yang berlokasi pada titik x = 1,8 m dan y = 0,04 m, terjadi energi turbulensi maksimum yaitu sekitar 1,63 J/kg dengan intensitas 0,514 W.

## 4.4 Propeler Master Airscrew
Gambar 4.5 berikut ini adalah hasil dari analisa kecepatan yang dilakukan pada propeler Master Airscrew
Gambar 4.5 Kontur Kecepatan Udara Propeler Master Airscrew
Kecepatan  udara  yang  dihasilkan  setelah  melalui  propeler  adalah  sebesar  16  m/s  hingga  17 m/s. Namun kecepatan udara ini cenderung tidak bertahan lama dan turun menjadi 10 m/s pada jarak 0.2 m dari propeler dan berangsur – angsur menghilang.
Gambar 4.6 Kontur Energi Turbulensi Propeler Master Airscrew
Pada gambar 4.6 di atas, intensitas tertinggi pada propeler ini terdapat pada daerah 0,1 m dari propeler yaitu sebesar 0,5 W.

## 4.5 Analisa Gaya Dorong Propeler (Thrust)
Ketiga  jenis  propeler  ini  akan  dihitung  berdasarkan  gaya  dorong  (Thrust)  yang  dapat dihasilkan sebagai perbandingan unjuk kerja yang diperoleh tiap – tiap propeler.
Gambar 4.7 berikut adalah grafik dari nilai thrust untuk ketiga jenis propeler ini.
Gambar 4.7 Grafik Nilai Thrust Propeler
Dari gambar 4.7 di atas dapat dilihat bahwa propeler memiliki unjuk kerja yang paling tinggi dimana pada kecepatan 40 m/s nilai thrust yang diperoleh propeler CLARK-Y adalah 179,5 N. Untuk propeler APC adalah 137 N dan yang paling rendah adalah Master Airscrew dengan nilai 38,9 N. Dari sisi  segi  unjuk  kerja,  maka  disimpulkan  bahwa  propeler  CLARK-Y  memiliki  kemampuan  thrust tertinggi.

## 4.6 Analisa Kebisingan Pada Propeler
Perhitungan nilai tingkat daya suara ini  dilakukan berdasarkan persamaan
L w =  L w (B) + 10 log 10 [ 𝑄 𝑄 𝑟𝑒𝑓 ] + 20 log 10 [ 𝑃 𝑃 0 ] + B T
Dimana      Q = V x A
Tabel 4.2 Sound Power Level Hasil Pengujian
0 100 200 300 0 2 4 6 8 10121416182022242628303234363840 Thrust vs Velocity CLARK Y APC Master Airscrew
Jenis Propeler Sound Power Level (dB) CLARK-Y 71,4 APC 67,99 Master Airscrew 60,38
Tabel  4.2  di  atas  merupakan  hasil  sound  power  yang  diperoleh  untuk  ketiga  jenis  propeler. Sementara nilai tingkat tekanan suara propeler CLARK-Y yang diukur pada jarak r = 10 m  dengan DI = 3 dapat dihitung berdasarkan persamaan
Lp = Lw + (DI – 20 log 10 ( r ) + 10log 10 ( 𝜀 - mr ) – 10log 10 ( 4𝜋.(𝑃 𝑟𝑒𝑓 2 ) 𝜁 𝑥 𝑊 𝑟𝑒𝑓 )
Dari keseluruhan data hasil analisa yang di tampilkan dalam bentuk tabulasi, masing masing dibandingkan pada tampilan gambar 4.8 berikut ini.
Gambar 4.8 Grafik Hasil Perbandingan SPL Antar Propeler

## 5.  KESIMPULAN DAN SARAN

## 5.1 Kesimpulan
1. Dari  ketiga  kandidat  propeler  yang  diuji,  propeler  yang  memiliki  tingkat  kebisingan  terendah adalah  propeler  Master  Airscrew.  Namun  untuk  nilai Thrust tertinggi  didapat  pada  propeler CLARK  –  Y  dan  tetap memenuhi kualifikasi  dengan kebisingan  di bawah  70  dB  sebagai  batas kewajaran kebisingan.
2. Hasil berupa kecepatan yang ditambah dari kecepatan 0 m/s pada daerah keluaran sebagai berikut ini:
a. Untuk propeler CLARK-Y diperoleh v = 21,3 m/s
b. Untuk propeler APC diperoleh v = 19,8 m/s.
c. Untuk propeler Master Airscrew diperoleh v = 17,2 m/s.
3. Disimpulkan  bahwa  ukuran  panjang  propeler berpengaruh  terhadap  tingkat  tekanan  suara  yang diukur pada jarak 10 m.
a. Untuk propeler CLARK-Y yang memiliki diameter 460 mm menghasilkan tingkat tekanan suara sebesar 43,5 dB
b. Sedangkan  untuk  propeler  APC  yang  memiliki  diameter  380  mm menghasilkan  tingkat tekanan suara sebesar 40,1 dB
c. Dan untuk propeler Master Airscrew yang memiliki diameter 220 mm menghasilkan tingkat tekanan suara sebesar 32,5 dB
5.2 Saran
1. Untuk penelitian selanjutnya, sebaiknya dilakukan dengan memperluas input putaran yang akan diuji.
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Grafik Perbandingan SPL CLARK-Y APC Master Airscrew
2. Perbandingan  ( compare )  terhadap  propeler pabrikan  lainnya  dapat  menjadi  diperluas  untuk mencari karakteristik propeler yang lebih rendah bising.
3. Penelitian  terhadap  desain  propeler rendah  bising  ini  diharapkan  dapat  menjadi  acuan  dalam penelitian penelitian sehubungan dengan konsep low noise design selanjutnya.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Hutapea, Paido H., 2007, Studi Intensitas Kebisingan Pesawat, Jakarta : Erlangga
[2] Shevell,  Richard  S.,  1983, Fundamental  of  Flight, United  States  of  America  :  Prentice  Hall, Inc
[3] Kroes,  Michael  J.,  1994, Aircraft  Powerplants,  Seventh  Edition, Singapore  :  McGraw-Hill Book Co.
[4] Graham,  J.B.,  1991, C.M.  Handbook  of  acoustical  measurements  and  noise  control , Chapter 41 , United States of America : McGraw-Hill Book Co.
[5] Huang, Paul X., 2012, Gas Pulsations : A Shock Tube Mechanism , USA : Purdue University
[6] Lin, Cheah A., 2011, Aerodynamics of an Unmanned Aerial Vehicle, Singapore : John Wiley and Sons, Inc.
[7] Bies, D.A. and Hansen, C.H., 1996, Engineering Noise Control: Theory and Practice, London : E&FN Spon