MENGAPA FLUIDA DI BAGIAN ATAS AIRFOIL MENGALIR LEBIH CEPAT

Terdapat fenomena menarik ketika kita tinjau lebih jauh tentang ilmu pengetahuan di balik airfoil. Mengapa udara di bagian atas airfoil mengalir lebih cepat daripada udara di bagian bawah? Bagaimana bisa kedua aliran itu tidak pernah bertemu? Jawabannya adalah pressure gradient. Sebelum kita tinjau lebih jauh, kita bahas dulu bagaimana pressure gradient terbentuk.

Kita sudah mempelajari bahwa aliran akan melengkung atau berbelok mengikuti kurvatur permukaan karena adanya Coanda Effect. Kita bisa menjelaskan distribusi tekanan dengan menganut prinsip bahwa tekanan aliran udara yang melengkung (curved flow) adalah lebih tinggi di bagian luar (di bagian conveks).

KURVATUR ALIRAN

PREDIKSI DISTRIBUSI TEKANAN BERDASARKAN KURVATUR ALIRAN

Terdapat 3 kurvatur aliran utama pada aliran fluida di sekitar airfoil. Yang pertama, kurvatur aliran yang terbesar berada di bagian atas airfoil. Jauh dari bagian atas dan bawah airfoil, tekanan udaranya adalah tekanan atmosfer. Jadi, mengacu pada bentuk kurvatur aliran yang tinggi (high curvature flow), maka semakin mendekati airfoil, tekanan udara akan semakin berkurang. Yang kedua, kurvatur aliran yang berada di bagian bawah airfoil di dekat trailing edge (tail). Aliran pada daerah ini juga melengkung ke arah bawah. Pada daerah ini, semakin mendekati airfoil maka tekanan udara akan semakin meningkat. Yang ketiga, kurvatur aliran juga berada di bagian bawah airfoil di dekat leading edge. Kurvatur aliran yang satu ini sangat kecil dan sedikit melengkung ke arah atas. Hal ini berarti bahwa pada daerah ini, semakin mendekati airfoil maka seharusnya tekanan semakin berkurang. Karena kurvatur aliran sangat kecil maka akan terjadi penurunan tekanan yang sangat kecil.

 

Diketahui bahwa jauh dari upstream dan downstream, tekanan udaranya adalah tekanan atmosfer. Pada sekitar leading edge airfoil, terbentuk daerah bertekanan tinggi ketika aliran menabrak leading edge (stagnation point) sehingga kita dapat dengan mudah mengilustrasikan distribusi tekanan itu. Hasil CFD juga menunjukkan hasil yang sama dengan kesimpulan logis kita.

Kembali ke pembahasan awal. Untuk menyederhanakan analisis, kita dapat mengabaikan penurunan tekanan yang sangat kecil ini (very small drop in pressure). Bisa kita lihat bahwa pada bagian atas, tekanan yang berkurang hampir sampai di daerah tengah-tengah airfoil sebelum tekanan itu meningkat lagi. Pada bagian bawah, tekanan tetap bertambah sampai dengan daerah trailing edge. Setelah melewati trailing edge, tekanan mulai menurun lagi.

VARIASI KECEPATAN BERDASARKAN DISTRIBUSI TEKANAN

Kita tinjau 2 partikel fluida mulai bergerak dengan kecepatan yang sama tapi pressure gradient yang berbeda. Partikel di bagian atas dikelilingi oleh kondisi tekanan yang berkurang, sedangkan pertikel di bagian bawah berada pada kondisi tekanan yang meningkat. Untuk partikel di bagian atas, tekanan di sebelah kanannya lebih rendah daripada tekanan di sebelah kirinya. Maka akan muncul net force (resultan gaya) yang searah dengan arah kecepatan sehingga kecepatan partikel meningkat. Namun, terjadi kebalikan fenomena pada partikel di bagian bawah. Di sini net force berlawanan dengan arah kecepatan partikel sehingga partikel akan melambat. Disimpulkan bahwa pada medan tekanan yang semakin berkurang, kecepatan partikel fluida akan meningkat dan pada medan tekanan yang semakin meningkat, kecepatan partikel fluida akan melambat

Fenomena ini juga terjadi pada airfoil. Partikel di bagian bawah akan tetap melambat. Partikel di bagian atas akan bertambah cepat sampai dengan titik tengah. Hal ini berarti kecepatan partikel di bagian atas akan semakin bertambah cepat di setiap titik di setiap waktu dan kedua partikel tidak akan bertemu. Partikel di bagian bawah juga mengalami skenario penurunan tekanan yang terjadi setelah partikel melewati trailing edge dan penurunan ini terjadi secara tiba-tiba. Seperti halnya penurunan tekanan yang tiba-tiba dianggap tidak meningkatkan kecepatan partikel.

Pada kasus ini, distribusi tekanan menyebabkan partikel mengalir dengan kecepatan berbeda, tapi argumen kebalikannya tidak bisa digunakan. Dengan kata lain bahwa perbedaan kecepatan partikel bukanlah penyebab distribusi tekanan. Alasannya adalah karena tidak ada penjelasan logis untuk apa yang telah menyebabkan perbedaan kecepatan. Kedua argumen yang berkebalikan ini bukanlah 2 cara yang berbeda untuk memandang 1 hal yang sama.