Zona-Zona Kecepatan Aliran

Foto : mepolyaplalogia.blogspot.co.id/

Tulisan ini dimuat di link berikut.

http://www.qureta.com/post/zona-zona-kecepatan-aliran 

Era kesuksesan penerbangan berawak dimulai pada 17 Desember 1903 ketika Orville dan Wilbur Wright menerbangkan Flyer I mereka yang bersejarah dan melayang di atas bukit pasir yang berangin di Kill Devil Hills, North Carolina. Era tersebut berlanjut dengan munculnya pesawat subsonik performa tinggi dan pesawat supersonik lalu pesawat hipersonik yang lebih modern.

Pada abad kedua puluh, penerbangan berawak telah menjadi pendorong utama pengembangan dinamika fluida secara umum dan aliran terkompresi secara khusus. Karenanya, meskipun dasar-dasar aliran terkompresi diterapkan di spektrum permasalahan teknik yang luas, penerapan pada aerodinamika dan propulsi yang diarahkan ke bidang penerbangan dan misil sering kali ditemukan.

Kondisi-kondisi terbang pesawat tersebut, sebagaimana penulis sampaikan pada tulisan sebelumnya, mewakili karakteristik kecepatan udara yang berbeda-beda di sekitar pesawat yang pada akhirnya memiliki pengaruh fisik yang berbeda-beda pula pada setiap zona besaran kecepatan tersebut.

Setiap pesawat yang terbang harus mampu menyesuaikan dengan karakteristik fisik tersebut sesuai dengan rentang kecepatan yang menjadi zona si pesawat untuk terbang. Misalkan pesawat penumpang biasa tidak perlu terbang sampai kecepatan supersonik seperti pesawat jet tempur sehingga karakteristik fisik pesawat yang dirancang pun akan berbeda untuk setiap kecepatan tujuan yang berbeda-beda.

Bayangkan aliran udara mengalir melalui sayap pesawat (sebenarnya udara awalnya diam, tapi karena pesawat bergerak maju, udara jadi mengalir dan melewati halangan sayap pesawat, sayap dimodelkan secara 2 dimensi sebagai penampang airfoil seperti gambar). Pada kondisi tersebut, penggambaran zona-zona aliran terkompresi yang berbeda-beda penting untuk dilakukan dengan meninjau suatu badan aerodinamis dari udara yang mengalir seperti digambarkan dalam pada sketsa di bawah.

Aliran yang berada jauh di atas badan bersifat seragam dengan kecepatan aliran bebas V freestreamatau V tak hingga. Suatu garis aliran adalah kurva pada medan aliran yang menyinggung vektor kecepatan lokal V pada setiap titik sepanjang kurva. Gambar-gambar di bawah hanya meggambarkan sebagian kecil dari garis-garis aliran sekitar badan yang jumlahnya tak hingga.

Anggaplah ada sembarang titik pada medan aliran, di mana p, T, rho, dan V adalah tekanan, temperatur, densitas, dan vektor kecepatan lokal pada titik tersebut. Semua kuantitas tersebut adalah properti dari titik itu dan bervariasi dari satu titik ke titik lain sepanjang aliran.

Berdasarkan penyelidikan, akan diperoleh kecepatan suara a merupakan properti termodinamika gas sehingga a selalu bervariasi dari titik satu ke titik lain sepanjang aliran. Kecepatan suara dapat didefinisikan sebagai akar dari perkalian rasio pemanasan spesifik, konstanta gas, dan temperatur absolut.

Jika a freestream adalah kecepatan suara pada aliran bebas yang seragam (aliran sebelum melalui suatu benda atau penghalang di udara seperti airfoil misalnya), maka perbandingan V freestreamdengan a freestream didefinisikan sebagai bilangan Mach aliran bebas M freestream. Dengan cara serupa, bilangan Mach lokal dapat difenisikan sebagai M = V/a yang bervariasi dari satu titik ke titik lain sepanjang medan aliran.

Bilangan Mach tersebutlah yang digunakan untuk membedakan zona-zona aliran fluida, khususnya udara, di sekitar pesawat yang terbang. Pada penerbangan pesawat, semakin besar bilangan Mach, semakin cepat pula pesawat terbang.

Karena itu, pesawat terbang dikelompokkan kecepatan terbangnye ke dalam zona-zona berdasarkan kecepatannya terhadap kecepatan suara sebagaimana diwakili oleh bilangan Mach. Pembagian zona tersebut, sebagaimana dijelaskan berikut.

Aliran Subsonik (Lebih Lambat dari Kecepatan Suara)

Anggaplah ada aliran udara di sekitar potongan airfoil sayap pesawat seperti gambar bagian a. Bilangan Mach lokal dimana pun di sini kurang dari satu. Aliran semacam ini, dengan M kurang dari 1 di setiap titik, memiliki kecepatan yang kurang dari kecepatan suara di semua tempat di dalam aliran, disebut aliran subsonik.

Aliran ini dicirikan dengan garis-garis aliran yang halus dan variasi properti yang terjadi secara kontinu. Garis-garis aliran yang awalnya lurus dan sejajar pada aliran bebas mulai membelok ke bagian atas badan airfoil sayap. Aliran bergeser ke depan karena keberadaan badan airfoil.

Saat aliran mengalir melalui sekitar airfoil, kecepatan dan bilangan Mach lokal pada bagian atas meningkat sampai melebihi angka pada aliran bebasnya. Meskipun aliran mengalami percepatan dan peningkatan bilangan Mach pada bagian atas airfoil, jika bilangan Mach aliran bebas M freestreamcukup kecil di bawah 1, maka bilangan Mach lokal di setiap tempat dalam aliran di sekitar airfoil akan tetap subsonik.

Untuk airfoil yang umum digunakan, nilai bilangan Mach aliran bebas yang terjadi untuk menghasilkan medan aliran subsonik di semua tempat pada aliran biasanya sebesar kurang dari sama dengan 0,8. Karena itu, para ilmuwan mendefinisikan zona penerbangan subsonik sebagai zona penerbangan dengan aliran bebas yang memiliki bilangan Mach kurang dari sama dengan 0,8.

Aliran Supersonik (Lebih Cepat dari Kecepatan Suara)

Aliran dengan bilangan Mach lebih besar dari 1 di semua tempat dalam aliran disebut sebagai aliran supersonik. Pesawat yang mempu terbang pada zona ini umumnya memiliki bentuk airfoil yang runcing seperti bidang miring atau baji.

Gelombang kejut yang miring dan lurus menempel pada hidung baji yang tajam seperti pada gambar. Melalui gelombang kejut ini, arah garis-garis aliran berubah secara tidak kontinu. Di depan gelombang kejut, aliran lurus dan sejajar. Di belakang gelombang kejut, aliran tetap lurus dan sejajar, tapi dengan arah sesuai arah permukaan bidang miring pada baji.

Tidak seperti pada aliran subsonik, aliran bebas seragam supersonik tidak bergeser ke depan dengan keberadaan badan airfoil sampai gelombang kejut terbentuk. Aliran biasanya supersonik pada kedua sisi atas dan bawah sayap, tetapi tidak selalu. Terdapat perbedaan fisik dan matematis yang besar antara aliran subsonik dan supersonik yang akan dibahas kemudian.

Aliran Transonik (Gabungan)

Jika aliran bebas tetap merupakan aliran subsonik (M kurang dari atau sama dengan1), namun cukup besar untuk membuat aliran di suatu area di sekitar airfoil memiliki bilangan Mach lebih dari satu, seperti diilustrasikan gambar b, maka aliran tersebut dinamakan aliran transonik.

Bilangan Mach aliran bebas memang kurang dari 1, tapi cukup besar untuk menghasilkan satu daerah aliran dengan bilangan Mach lebih dari 1 setelahnya (saat melewati penghalang airfoil). Dengan kata lain, dalam penerbangan transonik, terdapat bagian aliran yang bersifat subsonik dan terdapat bagian aliran yang bersifat supersonik.

Pada banyak kasus, pada aliran transonik, alirannya seperti aliran subsonik tapi dengan tambahan adanya gelombang kejut di tengah aliran yang membuatnya tidak mulus lagi, seperti pada gambar di atas, sehingga terdapat perubahan properti sepanjang aliran yang tidak kontinu dan seringkali cukup besar.

Jika bilangan Mach aliran bebas meningkat sampai tipis di atas 1, gelombang kejut muncul di bagian ujung depan airfoil lalu polanya akan bergerak ke ujung belakang airfoil, lalu ketika gelombang kejut pertama pergi, gelombang kejut kedua mencul di bagian ujung depan airfoil. Gelombang kejut kedua ini dinamakan busur kejut karena berbentuk seperti busur panah seperti pada gambar di bawah.

Mengacu tulisan sebelumnya, tipe aliran udara seperti inilah yang terjadi di sekitar sayap pada penerbangan Bell XS-1 pada saat pesawat itu menembus batas kecepatan suara pada bilangan Mach aliran bebas sebesar 1,06.

Di depan busur kejut, garis-garis aliran udara lurus dan sejajar dengan aliran bebas yang seragam dan supersonik. Saat melewati busur kejut, yang mendekati tegak lurus dengan aliran bebas, aliran tersebut menjadi subsonik. Area perluasan supersonik kembali terbentuk ketika aliran tersebut mengalir melewati airfoil lalu terputus kembali oleh gelombang kejut di bagian ujung belakang airfoil.

Kedua pola aliran pada gambar b dan c memperlihatkan gabungan antara aliran subsonik dan supersonik secara lokal pada suatu aliran melewati airfoil. Aliran demikian yang disebut aliran transonik dan memiliki bilangan Mach aliran bebas antar 0,8 sampai 1,2.

Aluran Hipersonik (Jauh di Atas Kecepatan Suara)

Temperatur, tekanan, dan densitas aliran meningkat sangat besar sepanjang gelombang kejut. Jika bilangan Mach aliran bebas meningkat lagi pada zona supersonik yang lebih tinggi, peningkatan besaran-besaran tersebut akan lebih besar lagi. Pada saat yang sama, gelombang kejut miring akan semakin miring dan semakin dekat dengan perkukaan airfoil sayap, seperti gambar di atas.

Untuk besar bilangan Mach kecepatan bebas lebih dari 5, gelombang kejut sangat dekat dengan permukaan dan medan aliran antara gelombang kejut dan badan airfoil (lapisan kejut) menjadi sangat panas, cukup panas untuk memisahkan bahkan mengionisasi molekul udara dan memberikan efek-efek reaksi yang memperumit analisis. Karena itu, zona aliran dengan bilangan Mach lebih dari 5 diberikan label khusus, yaitu aliran hipersonik.

Pilihan nilai 5 untuk batas antara supersonik dengan hipersonik sebenarnya merupakan aturan kesepakatan. Kenyataannya, karakteristik-karakteristik khusus yang diasosiasikan dengan aliran hipersonik muncul secara perlahan sepanjang peningkatan bilangan Mach aliran bebas. Peningkatan sampai tahap hipersonik yang signifikan bervariasi tergantung bentuk dari airfoil sayap yang digunakan pesawat.

Demikianlah zona-zona aliran yang dapat terjadi saat terbang. Setiap tipe pesawat untuk misi yang berbeda-beda tentunya memiliki kecepatan terbang yang berbeda pula sehingga memiliki kecepatan aliran udara dan bilangan Mach masing-masing. Pesawat penumpang komersial tentu tidak perlu terbang sampai kecepatan supersonik, berbeda dengan pesawat jet tempur atau pengebom. Karenanya, zonasi aliran udara merupakan hal yang penting dalam perancangan dan pembuatan pesawat terbang.

Apakah pesawat tersebut dibuat untuk terbang lebih lambat atau lebih cepat dari kecepatan suara? Zonasi tersebut membagi aliran ke dalam 4 jenis, yaitu subsonik, supersonik, transonik, dan hipersonik. Masing-masing memiliki karakteristik fisik yang berbeda pada alirannya yang memberikan efek pada permukaan pesawat yang kontak dengannya.

Tulisan selanjutnya akan mencoba mengelaborasi efek masing-masing tipe aliran berdasarkan karakteristik fisiknya berikut contoh pesawat yang terbang dengan kondisi itu.