Kooshartoyo, dkk./ ROTASI, Vol. 26  No. 2  (April  2023) Hal. 73-78

## Analisis Visualisasi Aliran Pengujian Model Airfoil Menggunakan Fluida Vape dengan Geometri Smoke Line yang berbeda
Meddy Kooshartoyo 1,2 *, EflitaYohana 1 , Muchammad 1 , Ivranza Zuhdi Pane 2
1 Departemen Teknik Mesin, Universitas Diponegoro Jl. Prof. Soedarto, SH, Semarang, 50275, Indonesia
2 Laboratorium Aerodinamika, Aeroelastika dan Aeroakustika, Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN) Kawasan Puspiptek Gedung 240, Tangerang Selatan, 15346, Indonesia * Email : meddykooshartoyo@student.undip.ac.id

## Abstract
This research aims to analyze the flow visualization of the design of 2 types of smoke rake with vape fluid. The test model used was a three-dimensional NACA 4412 airfoil profile made from 10 mm thick flexyglass structural material, skin wrapped in epoxy resin  with dimensions with chord length (C) = 151.52 mm, span width (S) = 300 mm, maximum thickness (t) = 19.18 mm made on a laboratory scale for wind tunnel testing purposes. Aerodynamic flow research was carried out at angles of attack (α) 5 o , 10 0 , 15 0 and 20 0 at wind speeds of 5 m/s, 10 m/s, and 15 m/s and 20 m/s. Several important parameters such as lift coefficient (CL), drag coefficient (CD), lift-drag ratio (L/D), in this study visually analyze the flow using the smoke method so that changes can be seen as the angle of attack (α) increases. The research results show that the drag coefficient (CD) and lift coefficient (CL) obtained using a numerical approach and testing in a wind tunnel from previous research data with this flow visualization research, changes in the angle of attack (α) have an effect on the leading edge area on the surface of the airfoil body, which in turn affects the overall aerodynamic characteristics. From the photo results, it can be seen that the difference in flow using the SR1 and SR2 smoke rake is greater.
Keywords: Flow visualization, Smoke line, Vape fluid, Wind tunnel

## Abstrak
Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis visualisasi aliran dari desain 2 macam smoke rake dengan fluida vape. Model uji yang digunakan profil airfoil NACA 4412 tiga dimensi dari bahan  struktur dari flexyglass tebal 10 mm, skin dibalut resin epoxy berdimensi dengan panjang chord (C) = 151,52 mm, lebar span (S) = 300 mm, ketebalan maksimum (t) = 19,18 mm dibuat dalam skala laboratorium untuk keperluan pengujian pada terowongan angin. Penelitian aliran aerodinamika dilakukan pada sudut serang ( 𝛼) 5 o , 10 o , 15 o dan 20 o pada kecepatan angin 5 m/s, 10 m/s, dan 15 m/s dan 20 m/s. Beberapa parameter penting  seperti  koefisien  lift  (CL),  koefisien  drag  (CD),  rasio  lift-drag  (L/D),  pada  penelitian  ini menganalisis  secara  visualisai  aliran  dengan  metode  smoke  sehingga  kelihatan  perubahannya  seiring peningkatan sudut serang (α). Hasil penelitian menunjukkan bahwa koefisien hambat (CD) dan koefisien angkat (CL) yang diperoleh dengan pendekatan numerik maupun pengujian dalam wind tunnel dari data peneliti  terdahulu  dengan  penelitian  visualisasi  aliran  ini  perubahan  sudut  serang  (α)  berpengaruh  di daerah  leading  edge  pada  permukaan  bodi  airfoil,  yang  selanjutnya  mempengaruhi  karakteristik aerodinamika  secara  keseluruhan.  Dari  hasil  photo  dapat  dilihat  semakin  besar  perbedaan  aliran menggunakan smoke rake SR1 dan SR2.
Kata kunci: Fluida vape, Smoke line, Terowongan angin, Visualisasi aliran .

## 1. Pendahuluan
Fasilitas dan peralatan yang digunakan dalam pengujian adalah Terowongan Angin Terbuka, kamera/video serta model  Uji.  Pengujian  visualisasi  aliran  dipermukaan  model  uji  dapat  menggunakan  wool  tuft,  mini  tuft  dll.  Untuk melengkapi pengujian visualisasi aliran diterowongan angin, maka penelitian dengan smoke bertujuan untuk lebih mudah melihat bentuk aliran di permukaan dan area sekitar model uji.
Untuk penelitian ini menggunakan model airfoil NACA 4412 dari National Advisory Committee for Aeronautics (NACA).  Geometri  airfoil umumnya  telah  memiliki  standar  pengkodean yang  langsung memberikan  informasi  utama mengenai geometri airfoil [1] Berkaitan dengan bentuk airfoil NACA 4412, beberapa penelitian pernah dilakukan untuk mengetahui karakteristik aerodinamika pada geometri sayap pesawat [1][2][3], hidrofoil [4], turbin gas [5], maupun sudu
turbin angin [6][7]. Menurut Haque dkk [8], karakteristik dinamis bentuk airfoil memainkan peranan yang sangat penting bagi parameter kinerja seperti koefisien angkat (CL), koefisien drag (CD), dan rasio lift-drag (L/D).
Beberapa  riset  tentang  karakteristik  aerodinamika  NACA  4412  di  antaranya  eksperimen  Ahmed  dkk  [9]  yang meneliti efek ground pada airfoil, serta dua simulasi numerik airfoil yang mempertimbangkan efek dynamic ground oleh Qu dkk [10] dan sebelumnya bentuk airfoil dengan flap pada efek extreme ground [11]. Hasil penelitian menunjukkan pentingnya aspek “ground effect” yang mempengaruhi karakteristik aerodinamika airfoil.
Sebuah simulasi numerik airfoil NACA 4412 dengan berbagai variasi “suction pressure” antara 65-80 kPa pada angka Mach 0,6 menunjukkan bahwa airfoil dengan suction pressure lebih efektif untuk mereduksi drag pada sudut serang yang rendah. Pada sudut serang yang tinggi, pemisahan turbulensi di daerah trailing edge akan tertunda dengan adanya suction sehingga bisa lebih efektif[15].

## 2. Metode Penelitian
Cara yang dilakukan dalam mengevaluasi karakteristik aerodinamika airfoil NACA 4412 pada penelitian ini, yaitu visualisasi aliran dengan smoke menggunakan fluida vape, untuk eksperimen mempergunakan geometri model uji 3D. Sebagai acuan dalam pembuatan model uji, Gambar 1 merupakan bagian-bagian dari airfoil NACA 4412 .
Gambar 1. Model uji

## 2.1 Cara Eksperimen
Spesimen uji NACA 4412 dibuat struktur dari flexyglass tebal 10 mm, skin dibalut resin epoxy  dengan mengacu pada dimensi geometri desain Gambar 2, dengan panjang chord ( C ) = 151,52 mm, lebar span ( S ) = 300 mm, ketebalan maksimum ( t ) = 19,18 mm. Proses finishing hanya dikerjakan dengan mempergunakan amplas halus untuk mencapai tingkat kekasaran pada dinding airfoil. Pada bagian samping dari chord diberi dudukan penyangga dengan jeruji untuk keperluan eksperimen dalam terowongan angin.
Gambar 2. Geometri model uji
Percobaan  dilakukan  dalam  terowongan  angin  (subsonic  wind  tunnel)  di  laboratorium  Aerodinamika Aeroelastika Aeroakustika (LA3) BRIN Gambar 3 a). Terowongan angin memiliki square test section 300 mm x 300 mm dan kecepatan maksimal 25 m/s. Pada proses pengambilan gambar (photo), kecepatan dalam terowongan angin 5 m/s, 10 m/s, 15 m/s dan 20 m/s, sementara sudut serang (α) diatur antara 5 o , 10 o , 15 o dan 20 o , cairan yang digunakan vape (liquid Freebase).  Percobaan  diulang  untuk  beberapa  variasi  tersebut  dengan  mempertahankan  pada  tekanan  dan  temperatur ruang yang sama, yaitu P=1 atm dan T=27 o C.
(a)Terowongan angin dengan smoke generator

## (b) Penempatan model uji
Gambar 3. Subsonic wind tunnel

## 2.2 Pengambialan Gambar
Pada  penelitian  ini  menggunakan  model  uji  Airfoil  NACA  4412  3D  dipasang  di  bagian  uji  Gambar  3  b)  untuk eksperimen visualisasi aliran. Gambar percobaan diambil dengan  kamera CANON M-10 dengan aperture F8-1.8 dan menggunakan kecepatan rana 1/30 s, ISO 100. Kamera ditempatkan berlawanan dengan bagian uji, pengamatan garis asap yang jelas.  Selain itu, lampu LED strip ditempatkan di dalam bagian uji ke dinding samping untuk memberikan penerangan pada garis asap.
Garis asap yang dibentuk diberikan pada Gambar 4. setelah diamati bahwa SR-2 dapat menghasilkan garis asap yang lebih padat dan lebih tipis dari SR-1 seperti yang diharapkan. Gambar-gambar tersebut mengandung bagian-bagian yang tidak jelas saat eksperimen dilakukan oleh SR-1. Lubang injeksi 3 mm menghasilkan jalur asap yang lebih terganggu diikuti oleh difusi ke aliran masuk. Namun demikian, masalah ini telah diatasi dengan meningkatkan kepadatan dan mengurangi  ketebalan  garis  asap  dengan  menggunakan  SR-2.  SR-2  dapat  membentuk  garis  asap  yang  lebih  padat daripada SR-1, oleh karena itu telah diamati bahwa SR-2 adalah sistem yang paling ideal untuk menyuntikkan asap ke bagian uji.

## Tabel 1.0. Geometri Smoke rake
Smoke Rake Smoke Line Thickness Number of Smoke Lines Distance Between Smoke Lines SR1 5.0 mm 9 32 mm SR2 3.0 mm 28 9 mm
(a) Desain smoke rake                                     (b)   Smoke rake SR1 dan SR2 yang terpasang Gambar 4 . Smoke rake
2.3  Perbandingan dengan Penelitian Sebelumnya
Perolehan hasil simulasi visualisasi aliran harus dibuktikan kebenarannya melalui validasi dengan data eksperimen pada kondisi yang sama. Hasil simulasi pada penelitian ini dibandingkan dengan hasil eksperimen yang dilakukan oleh Gokcen Jurnal dkk. [14].
Validasi dilakukan dengan membandingkan sudut serang yang sama dan kecepatan angin (Vo) pada keceatan 10 m/s dan eksperimen dilakukan pada kecepatan 5 m/s, 10 m/s, 15 m/s dan 20 m/s. Gambar 5 menunjukkan perbandingan hasil simulasi dengan hasil eksperimen yang menggunakan smoke rake SR1 dan SR 2.
SR1 SR2
Eksperimen Gokcen J,dkk
Hasil Penelitian pada kecepatan 5 m/s, 10 m/s, 15 m/s , 20 m/s, sudut serang 10 o
(SR 1)
Vo = 5 m/s                                              Vo= 10 m/s
Vo = 15 m/s                                            Vo = 20 m/s
Hasil Penelitian pada kecepatan 5 m/s, 10 m/s, 15 m/s , 20 m/s, sudut serang 10 o
(SR 2)
Vo = 5 m/s                                       Vo= 10 m/s
Vo = 15 m/s                                      Vo = 20 m/s
Gambar 5. Perbandingan hasil eksperimen Gokcen Jurnal dkk dengan hasil Penelitian SR1 dan SR2

## 3. Hasil dan Pembahasan
Bentuk aliran dari hasil eksperimen visualisasi aliran pada NACA 4412 bila dibandingkan dengan eksperimen dan simulasi secara numerik[15] seperti pada Gambar 6,berikut ini:
Gambar 6 . Ekperimen numerik dan visualisasi Aliran
Hasil penelitian sebagai berikut:
1. Hasil analisis desain smoke rake.
Desain smoke rake SR1 menghasilkan asap yang tebal dan waktu yang lama sedangkan SR2 yang menghasilkan asap lebih rapat dan membentuk perubahan aliran  yang lebih kelihatan.
2.          Hasil analisis aliran aerodinamik dari photo smoke lines (aliran laminar atau turbulen) pada kecepatan angin 5 m/s, 10 m/s, dan 15 m/s dan 20 m/s.
Hasil eksperimen menunjukkan karakteristik aerodinamis airfoil NACA 4412 pada berbagai sudut serang (α) telah berhasil dilakukan pada pengujian dengan kecepatan aliran udara 5 m/s, 10 m/s, 15 m/s, dan 20 m/s. Data yang dihasilkan dengan metode smoke mempunyai trend yang sesuai dibandingkan penelitian lain dengan airfoil yang  sama.  Perubahan  sudut  serang  airfoil  memegang  peranan  yang  sangat  penting  terhadap  karakteristik aerodinamis aliran, seperti koefisien angkat (CL) dan profil aliran. Di area tepi depan permukaan badan airfoil, pergeseran sudut serang berdampak pada titik stagnasi dan ekspansi. Ketika sudut serang meningkat, perbedaan tekanan antara sisi atas dan bawah airfoil meningkat. Ketika sudut serang berputar ke positif, bagian atas area hidung airfoil mengalami percepatan lebih besar sedangkan bagian bawah mengalami perlambatan.
3.        Hasil analisis pengaruh kecepatan angin terhadap volume dan ketebalan aliran asap.disekitar model airfoil, variasi glyserin 75% dan vape 25% yang menghasilkan asap lebih tebal dari variasi glyserin dan vape pada kecepatan 5 m/s, 10 m/s, 15 m/s, 20m/s.

## Daftar Pustaka
[1] R.  Azim,  M.  M.  Hasan,  and  M.  Ali,  “Numerical  Investigation  on  the  Delay  of  Boundary  Layer  Separation by Suction for NACA 4412,” Procedia Eng. , vol. 105, no. Icte 2014, pp. 329–334, 2015.
[2] W. Zhang, W. Cheng, W. Gao, A. Qamar, and R. Samtaney, “Geometrical Effects on the Airfoil Flow Separation and Transition,” Comput. Fluids , vol. 116, pp. 60–73, 2015.
[3] D. Coles and  A. J. Wadcock, “Flying-Hot-Wire Study of Flow Past an NACA 4412 Airfoil at Maximum Lift,” AIAA , vol. 5, no. 4, pp. 321 – 329, 1979.
[4] I. Uddin and M. Karim, “Application of Volume of Fluid (VOF) Method for Prediction of Wave Generated by Flow around Cambered Hydrofoil,” Procedia Eng. , vol. 194, pp. 82–89, 2017.
[5] K. Koca, M. S. Genç, H. H. Açıkel, M. Çagdas, and T. M. Bodur, “Identification of Flow Phenomena over NACA 4412  Wind  Turbine  Airfoil  at  Low  Reynolds  Numbers  and  Role  of  Laminar  Separation  Bubble  on  Flow Evolution,” Energy , vol. 144, pp. 750–764, 2018.
[6] A. Vardar and I. Alibas, “Research on Wind Turbine Rotor Models Using NACA Profiles,” Renew. Energy , vol. 33, pp. 1721–1732, 2008.
[7] S. Beyhaghi and R. S. Amano, “A Parametric Study on Leading-edge Slots Used on Wind Turbine Airfoils at
Kooshartoyo, dkk./ ROTASI, Vol. 26  No. 2  (April  2023) Hal. 73-78
Various Angles of Attack,” J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. , vol. 175, no. February, pp. 43–52, 2018.
[8] M. N. Haque, M. Ali, and I. Ara, “Experimental Investigation on the Performance of NACA 4412 Aerofoil with Curved Leading Edge Planform,” Procedia Eng. , vol. 105, no. Icte 2014, pp. 232–240, 2015.
[9] M. R. Ahmed, “Aerodynamics of a NACA4412 Airfoil in Ground Effect,” AIAA , vol. 45, no. 1, 2007.
[10] Q.  Qu,  X.  Jia,  W.  Wang,  P.  Liu,  and  R.  K.  Agarwal,  “Numerical  Study  of  the  Aerodynamics  of  a  NACA 4412 Airfoil in Dynamic Ground Effect,” Aerosp. Sci. Technol. , vol. 38, pp. 56–63, 2014.
[11] A.  E.  Ockfen  and  K.  I.  Matveev,  “Aerodynamic  Characteristics  of  NACA  4412  Airfoil  Section  with  Flap in Extreme Ground Effect,” Inter J Nav Arch. Oc Engng , pp. 1–12, 2009.
[12] I.  H.  Abbott  and  A.  E.  V  Doenhoff, Theory  of  Wing  Sections  Including  a  Summary  of  Airfoil  Data .  Dover Publications, Inc., 1959.
[13] M.  Effendy,  Y.  F.  Yao,  J.  Yao,  and  D.  R.  Marchant,  “DES  Study  of  Blade  Trailing–edge  Cutback  Cooling Performance with Various Lip Thicknesses,” Appl. Therm. Eng. , vol. 99, pp. 434–445, 2016.
[14] Gokcen Jurnal1 , Cihad Kose2 , Cem Kolbakir3 and Ahmet Selim Durna4 University of Samsun Samsun, Turkey, Burak Karadag5 Surrey Space Centre, University of Surrey Guildford, United Kingdom University of Samsun, Samsun, Turkey,” MPROVEMENT OF SMOKE RAKES AND THE IMAGE PROCESSING FOR THE FLOW VISUALIZATION  EXPERIMENTS”,  11th  ANKARA  INTERNATIONAL  AEROSPACE  CONFERENCE AIAC-2021-151 8-10 September 2021 - METU, Ankara TURKEY.
[15] Marwan Effendya, * dan Muchlisinb, **Studi Eksperimental dan Simulasi Numerik Karakteristik Aerodinamika Airfoil NACA 4412