Flow Similarity

Flow similarity adalah keserupaan dinamik antara dua aliran berbeda. Hal ini terkait dengan pengujian dalam terowongan angin. Aliran yang kita gunakan di terowongan angin umumnya tidak bisa sama dengan aliran pada kondisi nyata di udara saat terbang bebas. Namun, dengan model aliran yang dapat kita buat di terowongan angin kita menginginkan hasil pengujian yang benar-benar menggambarkan fenomena riil yang terjadi saat terbang bebas. Disinilah flow similarity diperlukan.

Bandingkan dua medan aliran yang berbeda disekitar dua benda yang berbeda pula. Secara definisi, dua aliran yang berbeda akan sama secara dinamik jika:
1. Pola garis arus (streamline) nya sama secara geometri.
2. Distribusi dari V/V∞, p/p∞, T/T∞ dll., diseluruh medan aliran adalah sama jika di plot pada koordinat tak berdimensi.
3. Koefisien-koefisien gaya sama.

Poin 3 sebenarnya adalah konsekuensi logis dari poin 2. Jika antara dua benda berbeda memiliki distribusi tekanan dan tegangan geser tak berdimensi diseleluruh sama, maka koefisien-koefisien gayanya juga sama.

Subscript ∞ (baca: freestream) menandakan suatu properti pada aliran bebas jauh dari benda. Setiap properti kita bagi dengan properti freestreamnya untuk melakukan analisis nondimensional.

Pertanyaannya : apa saja yang harus dipenuhi agar dua aliran sama secara dinamik? Dua buah aliran akan sama secara dinamik jika dua benda dalam aliran memiliki bentuk geometri yang sama dan parameter keserupaan (similarity parameter) sama. Beberapa parameter yang dominan digunakan adalah bilangan Reynolds, Re, dan bilangan Mach, M∞. Bilangan Reynolds adalah ukuran perbandingan gaya inersia benda terhadap gaya viskositanya. Sedangkan bilangan Mach adalah ukuran kecepatan aliran jika dibandingkan dengan kecepatan suara.

Pada beberapa analisis aerodinamik sederhana, namum aplikatif untuk banyak kasus, kita dapat katakan bahwa aliran disekitar dua benda berbeda, dengan geometri skalatis yang sama, adalah sama jika Re dan M nya sama. Oleh karena itu, kemudian akan didapat koefisien lift, drag, dan momen yang serupa pula. Inilah sebenarnya poin kunci dari uji terowongan angin. Jika model sub-skala diuji di terowongan angin, koefisien lift, drag, dan momen yang terukur akan sama dengan keadaan nyata, sepanjang Re dan M dari aliran di seksi uji terowongan angin sama dengan aliran nyata pada kasus terbang bebas. Namun, pernyataan ini tidak sepenuhnya tepat karena masih ada parameter-parameter keserupaan lain yang mempengaruhi aliran. Selain itu, perbedaan freestream turbulance antara terowongan angin dengan keadaan nyata (free flight) akan memberi efek berarti pada CD dan nilai maksimum dari CL. Bagaimanapun juga, pensimulasian aliran semirip mungkin dengan keadaan nyata adalah tujuan utama dari pengujian terowongan angin.

Sound Barrier : Hanya Mitos!

Semasa perang, seorang insinyur kebangsaan Inggris, Frank Whittle menemukan mesin jet, dan deHaviland membangun model tipe produksinya. DeHaviland kemudian membangun sebuah pesawat jet yang diberi nama Vampire, pesawat pertama yang mampu terbang dengan kecepatan 500 mph. Kemudian ia membangun pesawat eksperimental DH 108, yang direalese untuk putranya, Geoffrey muda, untuk diuji coba. Pada ujicoba awal, pesawat ini dapat terbang dengan baik, hingga kemudian Geoffrey tanpa curiga meningkatkan kecepatannya hingga mendekati ‘dinding tak nampak’ diudara yang tak diketahui siapapun, yang dapat menghancurkan pesawat yang tidak didesain untuk melewatinya. Dinding ini kemudian dikenal dengan nama sound barrier. Suatu sore dia tembus kecepatan suara dan seketika pesawatnya hancur di udara. Tubuh Geoffrey muda tidak ditemukan hingga 10 hari.

Disarikan dari Royal Air Force Flying
Review, 1959

Cerita diatas adalah kutipan mengenai kecelakaan yang terjadi 27 September 1946. Saat itu Geoffrey deHaviland, anak laki-laki dari seorang perancang pesawat terkenal dari Inggris Sir Geoffrey deHaviland, dengan pesawat D.H. 108 Swallow mencoba memecahkan rekor dunia kecepatan terbang. Pada waktu itu belum ada pesawat yang mampu terbang melampaui kecepatan suara. Swallow adalah pesawat eksperimental bermesin propeller jet dengan swept wing dan tanpa ekor. Saat awal memasuki kecepatan tinggi, Swallow mengalami masalah kompresibelitas dan kemudian hancur di udara. deHaviland tewas seketika.

Kecelakaan ini menguatkan opini bahwa Mach 1 ( kecepatan terbang sama dengan kecepatan suara) adalah dinding penghalang bagi penerbangan berawak dan tak satupun pesawat yang akan mampu terbang melampaui kecepatan suara. Mitos ’sound barrier’ ini sebenarnya telah ada sejak tahun 1930-an, dimana saat itu sound barrier menjadi topik utama dalam Konferensi Volta tahun 1935.

Kutipan diatas menunjukkan bahwa ide dari ’sound barrier’ masih menjadi bahan diskusi populer hingga tahun 1959, 12 tahun setelah keberhasilan penerbangan supersonik pertama oleh Kapten Charles Yeager pada 14 Oktober 1947.

Tentu saja, saat ini kita telah mengetahui bahwa ’sound barrier’ hanyalah sebuah mitos. Pesawat transpot supersonik Concorde terbang dengan Mach 2 (dua kali kecepatan suara) dan beberapa pesawat terbang militer memiliki kemampuan untuk terbang hingga Mach 3. Pesawat udara riset hipersonik X-15 telah mampu terbang pada Mach 7, dan kapsul pengembalian Apollo lunar berhasil re-entry ke atmosfer bumi pada Mach 36. Penerbangan supersonik kini telah terjadi setiap hari.

Dikutip dan diterjemahkan dengan adaptasi seperlunya dari Introduction Chapter 11, Fundamental of Aerodynamics, John D. Anderson.