Analisis Energi Kipas Aksial untuk Menghasilkan Kecepatan Angin 50 m/s pada Low Speed Wind Tunnel
Mega Esti Suci Sayekti 1 , Alief Avicenna Luthfie 1
1 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mercu Buana Jakarta
E-mail: megaesti27@gmail.com
Abstrak-- Terowongan  angin  (wind  tunnel)  adalah  peralatan  yang  digunakan  untuk  melakukan pengujian aerodinamika terhadap sebuah model, seperti pesawat atau mobil. Pada perancangan wind tunnel ini menggunakan tipe open-circuit low speed wind tunnel yang memiliki kelemahan yaitu aliran udara  pada  test  section  yang  dapat  berubah  dari  laminar  ke  turbulen.  Pada  perancangan  ini diperlukan  analisis  kipas  hisap  agar  didapatkan  daya  motor  yang  efisien  pada  test  section  yang berdimensi 0,42m x 0,42m x 0,84m dengan kecepatan aliran udara maksimal sebesar 50 m/s. Analisis ini  bertujuan  untuk  mendapatkan  daya  minimal  motor  untuk  menggerakan  kipas  aksial,  kapasitas udara (CHM) di test section, dan mendapatkan nilai koefisien loss yang diperlukan untuk perhitungan daya  motor.  Perhitungan  tersebut  diperoleh  dari  desain  wind  tunnel  yang  sudah  ada.  Pada  analisis energi yang dilakukan pada desain wind tunnel Universitas Mercu Buana didapatkan CHM pada test section  sebesar  31752  m 3 /s.  Pada  setiap  bagian  wind  tunnel  terjadi  kerugian  energi  yaitu  koefisien loss pada test section =0,0306; contraction cone
=0,0157; diffuser =0,0533; settling chamber =0,0109; honeycomb =0,154 sehingga didapatkan =  0,2645; dan total  pressure loss = 100,78  Pa.  Dari  total  koefisien  loss  di  wind  tunnel  didapatkan  daya  motor  minimal  untuk menggerakkan kipas aksial adalah 16233 watt atau setara dengan 22 HP.
Kata kunci: Wind tunnel, daya motor, kipas aksial, kerugian energi
Abstract-- A  wind  tunnel  is  equipment  used  to  perform  aerodynamic  testing  of  a  model,  such  as  an aircraft or a car. In this wind tunnel design, it  uses an open-circuit low speed  wind tunnel type which has the disadvantage of air flow in the test section which can change from laminar to turbulent. In this design,  a  suction  fan  analysis  is  needed  to  obtain  efficient  motor  power  in  the  test  section  with dimensions of 0.42m x 0.42m x 0.84m with a maximum airflow speed of 50 m/s. This analysis aims to obtain  the  minimum  power  of  the  motor  to  drive  the  axial  fan,  the  air  capacity  (CHM)  in  the  test section,  and  obtain  the  value  of  the  loss  coefficient  required  for  the  calculation  of  motor  power.  The calculation is obtained from the existing wind tunnel design. In the energy analysis carried out on the wind tunnel design of Mercu Buana University, CHM was obtained in the test section of 31752 m 3 /s. In the  wind  tunnel  section,  there  is  energy  losses,  that  is  the  loss  coefficient  in  the  test  section =0,0306; contraction  cone
=0,0157; diffuser
=0,0533; settling  chamber =0,0109; honeycomb =0,154 ; so obtained , = 0,2645 ; and total pressure loss
= 100,78 Pa. From the total loss coefficient in the wind tunnel, the minimum motor power to drive the axial fan is 16233 watts or equivalent to 22 HP.
Keywords: Wind tunnel, power, axial fan, energy losses

## 1. PENDAHULUAN
Aerodinamika adalah bagian dari ilmu dinamika  fluida  yang  mempelajari  tentang gaya-gaya  yang  bekerja  kepada  suatu  benda yang berada kepada suatu benda yang berada di  dalam  suatu  aliran  fluida.  Salah  satu  cara untuk  mengetahui  aliran  maupun  gaya  pada aerodinamika dapat dilakukan secara eksperimen menggunakan wind tunnel . Terowongan  angin  ( wind  tunnel )  adalah peralatan  yang  digunakan  untuk  melakukan pengujian  aerodinamika  terhadap  sebuah
model,  seperti  pesawat  atau  mobil.  Hasil pengujian  model  pada  terowongan  angin sangat  dipengaruhi  oleh  kualitas  aliran  yang dihasilkan.  Kualitas  aliran  pada  terowongan angin  ditunjukkan  oleh  keseragaman  aliran dan intensitas turbulensi [1]. Kendala pengujian  pada wind  tunnel jenis open  circuit adalah  jenis  aliran  pada test  section yang laminar dan bisa juga turbulen serta kecepatan angin yang tidak sesuai/seragam menyebabkan  masalah  saat  melakukan  uji coba  pada  benda  uji  karena  pengaruh  bentuk dan  pengaruh  gaya-gaya/hambatan  yang
dihasilkan  oleh  angin  disekitar  bentuk  badan dari benda uji bergerak [2][3].
Untuk  mendapatkan  aliran  yang  laminar dan kecepatan angin  yang sesuai, maka perlu dilakukan perhitungan analisis
energi didapatkan dari pertimbangan konsumsi energi seperti besar CMH,
daya motor, tekanan/ pressure ,  dan  kerugian/ losses ,  dari berbagai  elemen  wind  tunnel.  Dari  penelitian sebelumnya jet power dari sebuah wind tunnel dengan  luas test  section 100  ft²  yang menghasilkan  kecepatan  200  mph  adalah 5456  hp  [4].  Pada  penelitian  berikutnya perhitungan  daya  yang  dihasilkan  untuk  test section  0,2  x  0,2  m  untuk  alat  peraga mekanika  fluida  skala  laboratorium  adalah 233,51  W  atau  0,5  HP  dimana  pada  bagian test  section  air  volume  sebesar  2880,14  CMH dan  kerugian  energi  total  0,20014656  [5]. Berdasarkan  penelitian  tersebut  didapatkan jumlah daya yang diperlukan untuk menggerakkan  fan  pada  wind  tunnel  yang menghasilkan  kecepatan  angin  yang  sesuai dengan perancangan agar mendapatkan motor yang efisien. Namun demikian, pada
perancangan low  speed  wind  tunnel Teknik
Mesin Universitas Mercu Buana belum dilakukan  analisis  daya  motor  efisien  yang dibutuhkan  dengan  desain  bilangan  Reynold 1.500.000, ukuran test section 0,42 m x 0,42 m x  0,84  m,  serta  kecepatan  maksimal  di test section 50 m/s.
Dengan demikian penelitian ini difokuskan untuk  mendapatkan  daya  motor  yang  efisien yaitu  dengan  menghitung  CMH  pada test section  low  speed  wind  tunnel dan  analisis total  kerugian  energi  pada  setiap  bagian  pada low  speed  wind  tunnel .  Dari  analisis  tersebut akan  didapatkan  daya  motor  yang  dibutuhkan untuk  menggerakan  kipas  aksial  sehingga mendapatkan  kecepatan  maksimal  50  m/s pada test section .
Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk mendapatkan  daya  motor  minimal  yang  di butuhkan kipas aksial, mendapatkan nilai CMH ( cubic  meter  hour ),  dan  kerugian  energi  pada setiap bagian wind tunnel . Wind  Tunnel memiliki  bagian  seperti ditunjukkan pada gambar 1:
Gambar 1. Gambar desain wind tunnel

## HONEYCOMBS
Honeycomb digunakan  untuk  menyeragamkan aliran  dan  mereduksi  turbulensi  arah  lateral, tetapi  juga  menyebabkan  terjadinya  turbulensi dalam  arah  aksial  dengan  ukuran  sama dengan  diameter Honeycomb .  Dalam  desain Honeycomb , parameter yang digunakan panjang  terhadap diameter  cell  Honeycomb , dan  rasio  yang  disarankan  berkisar   dalam range 6-8.[6]

## SETTLING CHAMBER
Settling Chamber merupakan tempat masuknya  aliran  pertama  kali  dalam open circuit wind tunnel type suction (hisap). Bagian ini  merupakan  ruang   penyesuaian  aliran  agar aliran udara di test section diperoleh keseragaman  aliran  dan  juga  level  turbulensi yang  rendah  yang  rendah,  baik  dalam  arah axial maupun  dalam  arah  dalam  arah.  Di dalam settling  chamber terdapat screen dan juga honeycombs untuk  menstabilkan  aliran angin.[6]

## CONTRACTION CONE
Contraction atau disebut juga “ nozzle ”   mengakselarasi  aliran  dari settling chamber menuju test  section ,  juga  mereduksi ketidak  seragaman  aliran  di test  section . Parameter  akselerasi  dan  ketidakseragaman aliran sangat bergantung  pada rasio kontraksi, yakni  rasio  luas  penampang  pada  saat  masuk dan keluar contraction .[4]

## TEST SECTION
Test  section adalah  bagian  di  mana  model yang  akan  diuji  diletakkan,  dapat  terbuka  atau tertutup.  Oleh  karenanya  kecepatan  yang diinginkan  dan  kualitas  aliran  pada test section harus  menjadi  perhatian  utama  ketika mendesain sebuah wind tunnel .[7]

## DIFFUSER
Diffuser merupakan  bagian  terowongan  angin yang terletak antara test section dan fan/blower.  Penggunaan diffuser bertujuan untuk mengurangi
kecepatan dengan kehilangan energi sekecil mungkin.[8]

## 2.  METODOLOGI
Penelitian  ini  berfokus  pada  perhitungan  daya motor  minimum  untuk  menggerakkan  kipas aksial wind tunnel agar mendapatkan kecepatan  angin  50  m/s  pada test  section . Metode  yang  digunakan  pada  penelitian  ini adalah  literatur  yaitu  penulis  melakukan
analisis perhitungan numerical dengan menggunakan  rumus-rumus  dari  buku  dan jurnal penelitian terdahulu Daya motor diperoleh melalui tahapan perhitungan di bawah ini :
a.  Menetapkan  ukuran wind  tunnel :  ukuran wind  tunnel  sudah  ditetap  berdasarkan perhitungan yang dilakukan pada
penelitian  yang  dilakukan  salah  satu mahasiswa  Universitas  Mercu  Buana. Ukuran  perancangan  wind  tunnel  ini  bisa dilihat pada tabel di bawah ini :
Tabel 1. Ukuran desain wind tunnel Bagian Ukuran (m) Test Section (l x t x p) 0,42 x 0,42 x 0,84 Diameter hidraulik 0,48 Contraction cone Inlet (l x t) 1,1 x 1,1 Outlet (l x t) 0,42 x 0,42 Panjang (L) 1,2 Diffuser Inlet (l x t) 0,42 x 0,42 Outlet (diameter) 0,67 Panjang (L) 1,6 Settling Chamber (l x t x p) 1,1 x 1,1 x 0,6 Honeycombs Diameter (D H ) 0,0113 Panjang (L H ) 0,079
Setelah  diketahui  ukuran  dari  wind  tunnel kemudian
dilakukan perhitungan sebagai berikut: b.  Kecepatan pada setiap wind tunnel Kecepatan wind  tunnel dihitung  dengan menggunakan persamaan kontinuitas. [9]

## (1)
c.  Kapasitas udara / CMH
Kapasitas udara pada test section dihitung dengan persamaan:
(2)
d.  Perhitungan Koefisien Loss (K)
 Koefisien Loss pada test section [4]
( ) (3)
Dimana  kerugian  gesek  dapat  dicari dengan menggunakan rumus:
√ [ ] (4)
(5)
 Koefisien Loss pada contraction  cone [4]
(6)
adalah  koefisien  friksi  rata-rata  di inlet dan outlet contraction cone.
 Koefisien Loss pada diffuser [4]
(7)

## Dimana koefisien friksi
( ) (8)
dan koefisien ekspansi
( ) (9) Faktor pada penelitian ini adalah desain yang berbentuk lingkaran maka didapatkan (10)
 Koefisien Loss pada settling  chamber [6]
(11)
 Koefisien Loss pada honeycombs [4]
( ) ( ) ( ) (12)
e.  Perhitungan Pressure Loss [10]
(13)
f. Perhitungan Daya Wind Tunnel [5]
Setelah  diketahui  total  koefisien loss pada wind  tunnel  maka  dapat  dihitung  daya
yang  dibutuhkan  kipas  aksial  dengan menggunakan rumus di bawah ini :
(14)

## 3.  HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1  Kecepatan pada Bagian Wind Tunnel
Kecepatan  pada wind  tunnel dihitung  dengan menggunakan persamaan (1).
Sehingga  didapatkan  kecepatan  di  setiap bagian wind tunnel sebagai berikut:
Tabel 2. Luas dan kecepatan pada wind tunnel
Bagian Wind tunnel Luas Area/A (m 2 ) Kecepatan/V (m/s) Test section 0,1764 50 Inlet Contraction cone 1,21 7,29 Outlet contraction cone 0,1764 50 Inlet Settling Chamber 1,21 7,29 Inlet Settling Chamber 1,21 7,29 Outlet Settling Chamber 1,21 7,29 Inlet Diffuser 0,1764 50 Outlet Diffuser 0,3526 25
Dari  analisis  perhitungan  yang  sudah dilakukan  diketahui  bahwa  kecepatan  aliran yang terjadi di dalam setiap bagian wind tunnel berbeda  seperti  pada  tabel  (2)  hal  ini  sesuai dengan  persamaan  kontinuitas  yaitu  fluida yang  masuk  ke  dalam  penampang,  akan keluar  di  ujung  penampang  lain  yang  memiliki luas  berbeda  akan  berbeda  kecepatan  tetapi memiliki debit yang sama.

## 3.2  Kapasitas udara
Perhitungan kapasitas udara pada test section dilakukan  untuk  mengetahui  CMH  pada test section yang  berukuran  0,42mx0,42mx0,84m. Hasil perhitungan CMH menggunakan persamaan (2) adalah sebagai berikut:
3.3  Kerugian energi pada wind tunnel
Perhitungan  koefisien loss setiap  bagian wind tunnel bertujuan  untuk  menentukan    berapa besar  daya  motor  untuk  menggerakkan  kipas agar  menghasilkan  fluida  /  udara  yang berkecepatan maksimal 50 m/s di test section . Koefisien  loss  total  berpengaruh  pada  daya minimum  motor,  semakin  besar  koefisien loss maka  semakin  besar  daya  yang  harus digunakan pada kipas aksial.
Pada  setiap  bagian  wind  tunnel  akan terjadi  kerugian  energi  disebabkan  adanya transformasi  energi  dari  mekanik  ke  panas yang  menaikkan  suhu  pada  aliran  gas  yang bersentuhan dengan material solid. Perhitungan  dilakukan  pada  setiap  bagian wind  tunnel  berdasarkan  rumus  pada  sub bagian  (2),  maka  didapatkan  hasil  koefisien loss energi pada penelitan ini sebagai berikut:
Tabel 3. Koefisien Loss pada wind tunnel
Bagian Wind tunnel Koefisien Loss / K Test section 0,0306 Contraction cone 0,0157 Settling Chamber 0,0109 Diffuser 0,0533 Honeycombs 0,154 Total 0,2645
Pada  hasil  Tabel  (3)  terjadi  perbedaan hasil  dikarenakan  perbedaan  ukuran  pada setiap  bagiannya.  Dari  perhitungan  di  atas dilihat  nilai  yang  paling  kecil  adalah  pada settling  chamber hal  ini  di  sebabkan  ukuran settling  chamber terpendek  dari  bagian  yang lain,  sedangkan  pada  bagian honeycomb koefisien  loss  terbesar  dikarenakan  pada honeycomb aliran  dipaksa  untuk  melaju  ke arah  yang  sama.  Hasil  dari  koefisien loss ini kemudian digunakan untuk menghitung pressure loss .

## 3.4 Pressure loss wind tunnel
Pressure  loss diperoleh  berdasarkan  koefisien loss  dan  kecepatan  pada  setiap  bagian  wind tunnel.  Menggunakan  persamaan  (13)  maka didapatkan pressure loss pada penelitian pada berikut:
Tabel 4. Pressure loss pada wind tunnel
Bagian Wind tunnel Pressure loss / (Pa) Test section 44,54 Contraction cone 7,5 Settling Chamber 0,34
Bagian Wind tunnel Pressure loss / (Pa) Diffuser 43,64 Honeycombs 4,76 Total 100,78
Pada  tabel  (4)  di  atas  total pressure  loss 100,78  Pa,  hasil  ini  dijadikan  acuan    minimal tekanan  yang  harus  dihasilkan  oleh  kipas aksial  untuk  mengkompensasi pressure  loss sebesar  100,78  Pa.  Untuk  mencapai  tekanan tersebut kipas aksial harus menaikkan kecepatan/rpm dan menaikkan daya motor.
3.5  Daya wind tunnel Daya motor
dapat
dihitung dengan mempertimbangkan  total  koefisien loss pada tabel  (3).  Hal  ini  disebabkan  karena  ada kerugian  yang  harus  diganti  agar  dapat menghasilkan  aliran  udara  dengan  kecepatan maksimal 50 m/s pada test section .
( )
Dari  hasil  perhitungan  daya  tersebut, maka  rekomendasi  motor  minimal  yang digunakan pada wind tunnel ini adalah sebagai berikut:
Tabel 5. Spesifikasi motor untuk wind tunnel Keterangan Spesifikasi Jenis motor Motor Induksi/AC Daya Motor 22 HP Kecepatan putaran 1500 RPM Voltase 380V Frekuensi 50 Hz Phase 3P Pole 4

## 4. KESIMPULAN

## 4.1  Kesimpulan
Kesimpulan untuk penelitian ini adalah:
a.  Pada  perancangan  desain wind  tunnel didapatkan  daya  motor  minimal  yang diperlukan  kipas  aksial  agar  menghasilkan aliran  dengan  kecepatan  maksimal  50  m/s pada test  section adalah  sebesar  16233
watt atau 22 HP. b.  Pada  desain low  speed  wind  tunnel Universitas  Mercu  Buana  dengan  ukuran test  section 0,42  x  0,42  x  0,84  m  dengan kecepatan  maksimal  50  m/s  memerlukan kapasitas  udara  (CMH)  sebanyak    31.752 m³/h.
c.  Pada  analisis  energi  yang  dilakukan  pada desain wind  tunnel tersebut  didapatkan koefisien loss pada
test section =0,0306; contraction  cone =0,0157; diffuser =0,0533; settling chamber =0,0109; honeycomb =0,154 sehingga  didapatkan =  0,2645;  energi ratio =3,78;  dan  total pressure  loss
= 100,78 Pa.

## 4.2  Saran
Saran  untuk  penelitian  berikutnya  agar  dapat dikembangkan:
d.  Dilakukan  pengujian  dan  analisis  desain menggunakan aplikasi CFD.
e.  Power  plant  dan  desain  kipas  aksial  dapat dikembangkan  pada  penelitian  selanjutnya dengan  mempertimbangkan  data  dari wind tunnel yang sudah diperoleh.
f.  Dilakukan  kontruksi  wind  tunnel  dan dilakukan  uji  coba  kecepetan  pada  setiap titik  di  wind  tunnel  sehingga  didapatkan perbandingan  antara perhitungan dan aktual.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terima kasih ditujukan kepada Muhamad  Fitri,  Ph.D  selaku  Kepala  Program Studi  Teknik Mesin  Universitas  Mercu  Buana,
Alief  Avicenna  Luthfie,  S.T,  M.Eng  selaku Dosen  Pembimbing  Tugas  Akhir,  Orangtua dan keluarga yang selalu memberikan doa dan dukungan, serta teman-teman yang memberikan  masukan  dan  dukungan  dalam penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] S.  U.  Handayani,  “Pengembangan  dan analisa  keseragaman  aliran  terowongan angin tipe terbuka sebagai sarana pengujian  aerodinamika,” Semin.  Nas. Politek.  Negeri  Semarang,  PNES  II ,  pp.
309 –314, 2014.
[2] A.  A.  Riyadi,  “Pembuatan  dan  Pengujian Terowongan  Angin  Kecepatan  Rendah Tipe  Terb uka,”  Universitas  Lampung, 2010.
[3]  S.  Mauro,  S.  Brusca,  R.  Lanzafame,  F.
Famoso,  A.  Galvagno,  and  M.  Messina, “Small-scale  open-circuit  wind  tunnel:
Design
criteria, construction and calibration,” Int.  J.  Appl.  Eng.  Res. ,  vol. 12, no. 23, pp. 13649 –13662, 2017.
[4]  W.  H.  Rae  and  A.  Pope, Wind  Tunnels ,
vol. 7, no.
8. 1954.
doi: 10.1063/1.3061735.
[5] A.  Tri,  “Analisis  Dan  Perhitungan  Pada Daya  Motor  Untuk  Terowongan  Angin (Wind  Tunnel)  Tipe  Subsonic  Dengan
Test  Section  0,2  X  0,2  M  Untuk  Alat Peraga Mekanika Fluida Skala LabolatoriumNo Title,” Mechonversio
Mech. Eng. J. , vol. 2, no. 2, p. 25, 2019.
[6]  K. P. N. Hegade, R. Natalia, B. Wehba, A. Mittal,  R.  B.  Bhat,  and  M.  Packirisamy, “Design and study  of mini wind tunnel for microsystems  fluid  interaction  under  low Reynolds  number  flows,” SN  Appl.  Sci. , vol.  2,  no.  5,  2020,  doi:  10.1007/s42452- 020-2602-x.
[7] D.  C.  Gonsalves,  A.  G.  D’Souza,  G.  M. Vas,  K.  Madhyastha,  R.  Moodakare,  and A. G. D’Souza, “Design and analysis of an open  circuit  subsonic  wind  tunnel,” AIP Conf.  Proc. ,  vol.  2080,  no.  March,  2019, doi: 10.1063/1.5092923.
[8]  M.  Singh,  N.  Singh,  and  S.  K.  Yadav, “Review  of  design  and  construction  of  an open circuit low speed wind tunnel,” Glob. J.  Res.  Eng. ,  vol.  13,  no.  5,  pp.  1 –22, 2013.
[9]  R. M. Olso and S. J. Wright, Dasar-Dasar Mekanika  Fluida  Teknik .  Jakarta:  PT.
Gramedia Pustaka Utama, 1993.
[10]  D.  Ngene et  al. , CONCEPTUAL  DESIGN OF  A  LOW  SPEED  WIND  TUNNEL . 2016.