Simulasi Performa Propeller Drone Menggunakan Ansys FLUENT
Penulis: Riqy Rizqyandra – CAE Engineer PT Optimaxx Prima Teknik (2024)
PENDAHULUAN
Propeller adalah sebuah alat atau perangkat yang digunakan untuk menggerakkan kapal, pesawat terbang, atau kendaraan lain dengan memanfaatkan prinsip dinamika fluida. Propeller biasanya terdiri dari beberapa bilah yang dipasang pada sebuah poros atau hub, dan ketika diputar, bilah-bilah tersebut menciptakan gaya dorong yang mendorong kendaraan maju. Prinsip kerja propeller adalah dengan mempercepat aliran fluida di sekitarnya, menciptakan perbedaan tekanan yang menyebabkan dorongan maju. Propeller sering digunakan dalam transportasi laut dan udara untuk menghasilkan daya dorong yang diperlukan untuk menggerakkan kendaraan tersebut.
Pada tulisan kali ini penulis akan mensimulasikan perfomansi dari propeller drone. Tujuan dari simulasi ini adalah untuk mengetahui performance curve torsi atau thrust yang dihasilkan propeller terhadap RPM propeller. Dengan mengetahui performance curve tersebut kita bisa menentukan berapa daya (seberapa besar kapasitas baterai) yang dibutuhkan drone tersebut untuk terbang dan berapa maksimal beban yang dapat dibawah oleh drone tersebut.
PRE-PROCESSING
Geometri propeller yang digunakan berdasarkan referensi [1] dan bisa diunduh secara bebas. Propeller ini memiliki diameter sebesar 11 inch.
Karena metode simulasi yang digunakan adalah Moving Reference Frame (MRF) maka fluid domain yang digunakan ada dua yaitu fluid domain stationary dan rotary. Pada daerah disekitar propeller digunakan Body of Influence (BOI) agar cell disekitar propeller lebih kecil sehingga dapat menghasilkan distribusi kecepatan dan aliran lebih detail di sekitar propeller.
SETUP
Pada simulasi propeller ini yang perlu disiapkan oleh user adalah berapa RPM dari propeller yang ingin disimulasikan. Pada tulisan kali ini penulis akan mensimulasikan propeller mulai dari 2000 RPM, 4000 RPM, dan 6000 RPM. Boundary condition yang digunakan merupakan velocity inlet dan pressure outlet. Karena simulasi propeller ini menirukan propeller saat take-off (asumsi tidak ada angin), maka pada velocity inlet diberikan nilai velocity yang kecil (misal senilai 0.001 m/s). Tujuan memberikan velocity ini agar tidak terjadi instabilitas numerik pada perhitungan.
POST-PROCESSING
Gambar di atas menunjukan hasil simulasi berupa grafik thrust Vs RPM propeller. Dari grafik tersebut hubungan antara RPM dengan thrust adalah jika RPM ditingkatkan dua kali lipat maka thrust yang tercipta menjadi sekitar dua kali lipat. Hal ini bisa dilihat pada 4000 RPM thrust yang didapat sekitar 0.2 kg, pada 6000 RPM thrust yang didapat 0.5 kg. Quadcopter memiliki 4 propeller, jika satu propeller dapat menghasilkan thrust 0.5 kg pada 6000 RPM, maka berat maksimum yang dapat diangkat satu quadcopter sebesar 2 kg.
Gambar di atas menunjukan hasil simulasi berupa grafik power yang dihasilkan propeller Vs RPM propeller. Dari grafik tersebut bisa didapatkan informasi berapa laju energi yang diperlukan untuk mensupply propeller. Laju energi maksimum yang dibutuhkan sekitar 60 Watt pada 6000 RPM, jika ada 4 propeller maka perlu 240 Watt. Dari informasi tersebut kita mencari berapa kapasitas baterai yang dibutuhkan. Misal baterai yang dipilih sebesar 5 Ah dengan tegangan 12 Volt. Maka kapasitas energi baterai sebesar 36 Wh. Secara teori propeller tersebut masih bisa operasi dengan waktu sekitar 36 Wh/240 Watt = 0.25 hour (15 menit). Dari kapasitas baterai bisa ketauan berapa bobot baterai. Dari bobot baterai bisa dicocokan dari thrust yang dihasilkan propeller apakah dapat memenuhi atau tidak. Agar quadcopter bisa terbang, thrust yang dihasilkan harus lebih dari bobot total quadcopter.
Biasanya dalam menilai suatu performa dari propeller digunakan bilangan tak berdimensi seperti thrust coefficient (
dan power coefficient 
. Untuk mencari dua bilangan tak berdimensi tersebut dapat dilihat pada persamaan di atas.
Gambar di atas menunjukan grafik 
dan Vs RPM. Secara definisi thrust coefficient merupakan rasio antara thrust yang dihasilkan oleh propeller dengan tekanan dinamis dari angin. Semakin tinggi nilai maka semakin efisien propeller merupakan tekanan dari angin menjadi gaya dorong (thrust).
Power coefficient merupakan rasio antara power yang dihasilkan oleh propeller dengan energi kinetic dari angin. Semakin tinggi nilai maka semakin efisien perubahan energi kinetic angin menjadi energi rotasi propeller.
Dalam proses mendesain propeller kita bisa membandingkan nilai dan dari desain propeller satu dengan yang lainnya. Desainer tinggal memilih diantara desain propeller siapa yang memiliki nilai dan yang lebih besar.
Sebagai perbandingan, penulis telah melakukan validasi yaitu membandingkan hasil simulasi penulis dengan hasil eksperimen dan hasil simulasi yang telah dilakukan oleh SimScale. Didapatkan hasil simulasi yang penulis lakukan sudah mendekati dengan hasil eksperimen. Hasil dari eksperimen dan hasil simulasi SimScale bisa dilihat pada gambar di bawah.
Referensi
[1] Geometri bisa diambil dari website SimScale : https://www.simscale.com/workbench/?pid=9049222955883435110&mi=spec%3A9508e9db-14b4-48dd-8885-1881cca0c21b%2Cservice%3ASIMULATION%2Cstrategy%3A7
[2] UIUC Department of Aerospace Engineering, ‘Propeller Database – Vol 1’, Version 3, 02-Mar-2015
[3] Brandt, J. B., “Small-Scale Propeller Performance at Low Speeds,” M.S. Thesis, Department of Aerospace Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign, Illinois, 2005.
0 comments