- distributed micro-roughness (DMR) bertentangan dengan prinsip lebih dari 80 tahun bahwa permukaan halus mengurangi drag; dengan kekasaran acak mikro, DMR justru menunda transisi ke turbulensi
- Tim peneliti Tohoku University membuktikan bahwa dengan 1m magnetic support balance system, permukaan DMR dapat diukur tanpa gangguan penyangga dan mampu mengurangi drag hingga 43,6%
- DMR eksperimental terdiri dari pola tonjolan dari butiran kaca 38–53 mikrometer dan pola cekungan hasil sandblasting, dengan tinggi hanya 1% dari ketebalan lapisan batas
- Pada model yang menerapkan DMR, angka Reynolds kritis naik dari sekitar 1,9×10⁶ menjadi 2,2×10⁶, dan menunjukkan koefisien drag lebih rendah daripada permukaan halus hingga 3,6×10⁶
- Berbeda dari dimple bola golf atau riblet kulit hiu, DMR mengurangi gesekan dinding alih-alih drag tekanan, serta merupakan teknologi pasif tanpa ketergantungan arah aliran, daya, atau komponen penggerak
Pergeseran prinsip pengurangan hambatan udara
- Pada pesawat, mobil, dan kereta cepat, hambatan udara adalah penghalang utama untuk mencapai kecepatan lebih tinggi dan konsumsi energi lebih rendah
- Ketika suatu benda bergerak dengan kecepatan tinggi, terbentuk lapisan udara tipis di permukaan yang disebut lapisan batas; lapisan ini bisa berada dalam keadaan laminar yang teratur atau turbulen yang kacau
- Semakin lama aliran laminar dengan gesekan rendah dapat dipertahankan, semakin kecil hambatan udara, tetapi pada kecepatan tinggi aliran akan bertransisi menjadi turbulen
Prinsip permukaan halus yang bertahan lebih dari 80 tahun
- Dalam teknik aeronautika, selama lebih dari 80 tahun diterima prinsip bahwa untuk mengurangi hambatan udara, permukaan harus halus
- Asumsi ini didasarkan pada penelitian ilmuwan Jepang Ichiro Tani pada tahun 1940
- Tani membahas hubungan antara kekasaran permukaan dan transisi turbulensi
- Ia memandang kekasaran permukaan yang sulit dihindari dengan teknologi manufaktur saat itu sebagai penghalang untuk mewujudkan aliran laminar
- Pada 1989, Tani menafsirkan ulang data eksperimen dari ahli teknik fluida era 1930-an Johann Nikulase pada pipa berpermukaan kasar
- Muncul kemungkinan bahwa kekasaran tidak selalu mempercepat transisi ke turbulensi dan meningkatkan hambatan fluida
- Tim Yasuaki Kohama di Tohoku University pada 1990-an menunjukkan bahwa permukaan tonjolan mikro berbentuk serat dapat menunda transisi dalam kondisi tertentu
Pembuktian eksperimental distributed micro-roughness (DMR)
- Tim Associate Professor Aiko Yakino dari Institute of Fluid Science, Tohoku University, membuktikan bahwa hanya dengan distributed micro-roughness (DMR) — kekasaran permukaan yang sangat kecil dan tidak beraturan hingga sulit dibedakan dengan mata telanjang — hambatan udara dapat dikurangi hingga 43,6%
- DMR bekerja dengan cara berbeda dari teknologi pengurangan hambatan udara yang sudah ada, yaitu riblet atau perlakuan “kulit hiu”
- Riblet meniru alur vertikal mikro pada kulit hiu
- Dengan membuat alur selebar sekitar 0,1 mm searah aliran udara, riblet menyelaraskan pusaran dekat dinding pada area turbulen
- DMR menunda transisi dari aliran laminar ke turbulen melalui tonjolan mikro yang acak dan sangat kecil
- Kedua pendekatan ini berbeda baik dalam wilayah aliran yang dipengaruhi maupun mekanisme kerjanya
Pengukuran terowongan angin tanpa penyangga
- Eksperimen terowongan angin konvensional memiliki keterbatasan karena batang dan kawat penyangga model mengganggu aliran udara
- Perubahan drag yang sangat kecil akibat kekasaran permukaan skala mikro dapat tertutupi oleh struktur penyangga
- 1m magnetic support balance system (1m-MSBS) milik Institute of Fluid Science, Tohoku University, mengurangi masalah ini
- Sistem ini melayang-kan model streamline sepanjang sekitar 1,07 m di dalam terowongan angin secara non-kontak menggunakan gaya elektromagnetik
- Gangguan aliran udara di sekitar model dihilangkan tanpa batang penyangga atau sarana penyangga lain
- Tim peneliti mengukur koefisien drag total antara permukaan halus dan permukaan berlapis DMR dalam rentang angka Reynolds 0,35×10⁶ hingga 3,6×10⁶
- Angka Reynolds adalah rasio antara gaya inersia dan gaya viskos dalam fluida
- Ini digunakan sebagai indikator kunci untuk memprediksi apakah aliran bersifat laminar atau turbulen
Struktur DMR dan hasil pengukuran
- Dua jenis DMR digunakan dalam eksperimen
- Pola tonjolan yang dibuat dari butiran kaca berdiameter 38–53 mikrometer
- Pola cekungan yang dibuat dengan sandblasting
- Tinggi lapisan DMR hanya 1% dari ketebalan lapisan batas, sehingga dari sudut pandang dinamika fluida tetap diklasifikasikan sebagai “permukaan halus”
- Pada model berlapis DMR, angka Reynolds kritis saat transisi turbulen mulai terjadi meningkat dari sekitar 1,9×10⁶ menjadi 2,2×10⁶
- Di wilayah transisi, drag berkurang hingga 43,6%
- Permukaan dengan DMR menunjukkan koefisien drag yang konsisten lebih rendah daripada permukaan halus hingga angka Reynolds tertinggi yang diukur, yaitu 3,6×10⁶
Mekanisme yang mengurangi gesekan dinding, bukan drag tekanan
- Hambatan udara secara umum dibagi menjadi drag tekanan dan drag gesekan
- Drag tekanan terjadi akibat separasi aliran dari permukaan di belakang benda
- Drag gesekan timbul dari viskositas udara yang mengalir di atas permukaan, dan berkurang bila aliran tetap dalam keadaan laminar
- Untuk membedakan penyebab efek DMR, tim peneliti menggunakan large eddy simulation (LES)
- LES adalah teknik komputasi dinamika fluida yang menghitung langsung pusaran turbulen skala besar dan mendekati pusaran skala kecil dengan model
- LES dalam eksperimen ini menggunakan resolusi hingga 45,38 juta wall cell
- Untuk memeriksa aliran permukaan, analisis oil flow visualization yang memanfaatkan cat fluoresen dan sejenisnya juga digunakan
- Dalam analisis LES, batas atas konservatif drag tekanan dari perhitungan laminar tanpa gangguan buatan ditetapkan pada Cp≈0.00021
- Nilai ini sesuai dengan nilai teoretis dalam selisih 1%
- Jumlah pengurangan drag yang diamati dalam penelitian ini, ΔCD≈0.001, sekitar 5 kali batas atas tersebut
- Bahkan jika separasi di belakang benda dihilangkan sepenuhnya, hanya sekitar 20% dari besarnya pengurangan yang teramati yang dapat dijelaskan
- Dengan demikian, faktor utama pengurangan drag oleh DMR secara kuantitatif dipastikan bukan penekanan separasi, melainkan penurunan gesekan dinding itu sendiri
Perbedaan dari dimple bola golf dan perlakuan kulit hiu
- Prinsip DMR berbeda dari efek dimple pada bola golf
- Dimple sengaja membuat aliran udara menjadi turbulen untuk menekan separasi di belakang dan mengurangi drag tekanan
- DMR menunda transisi ke turbulensi sehingga mengurangi gesekan dinding, bukan drag tekanan
- DMR juga memiliki keunggulan yang berbeda dari perlakuan riblet
- Agar efektif, riblet harus diproses presisi dengan arah alur yang disesuaikan dengan arah aliran udara
- DMR memiliki kekasaran permukaan yang acak dan tidak bergantung pada arah aliran
- Ini adalah teknologi pasif yang tidak memerlukan komponen bergerak maupun listrik
Potensi penerapan dan tugas berikutnya
- Jika diterapkan pada pesawat, DMR diharapkan dapat meningkatkan efisiensi bahan bakar sehingga menurunkan biaya operasional dan emisi karbon dioksida
- Tim peneliti berencana untuk lebih mengoptimalkan bentuk dan kepadatan distribusi DMR serta memperluas rentang kecepatan yang dapat diterapkan
1 komentar
Komentar Hacker News
Siapa pun yang pernah berlayar yacht kompetitif atau balap foil tahu bahwa permukaan bawah air punya gesekan paling rendah dan aliran laminar terbaik saat diamplas halus dengan amplas grit 1000~1500
Di udara ternyata tidak begitu, dan saya selalu merasa aneh karena sayap pesawat katanya paling bagus kalau dipoles mengilap; sekarang tampaknya aerofoil juga mendapat manfaat dari kekasaran mikro untuk gesekan minimum
Mengejutkan bahwa fakta sesederhana ini bisa tidak diketahui di bidang yang penelitiannya begitu banyak dan dananya begitu besar; mungkin yang tidak tahu hanya para peneliti yang menulis makalah
Daerah ini berada di antara aliran laminar dan turbulen; aliran laminar biasanya memiliki drag 5 kali lebih rendah daripada turbulen dan muncul pada bilangan Reynolds sekitar 500 ribu~1 juta
Surfboard berada di bilangan Reynolds 10^7 sehingga sepenuhnya turbulen, sedangkan pesawat Cessna sekitar 1~5x10^6
Meski begitu, proses dan implementasi spesifiknya bisa jadi memang lebih baru atau sedikit berbeda dari sebelumnya
Kita hidup di masyarakat sensasionalis yang menggambarkan perbaikan berulang, atau kadang malah penyalinan, sebagai revolusi
Kalau diminta menunjukkan 737 yang memakai 40% lebih sedikit bahan bakar, itu tidak akan terjadi, tetapi proses pembuatan kulit pesawat mungkin bisa sedikit membaik
Kita juga tidak bisa mengamplas ulang badan pesawat setiap minggu, jadi penting bahwa ini harus bekerja stabil tanpa perawatan
Berdasarkan masa ketika saya mempelajari aerodinamika glider RC, udara memiliki rentang “viskositas” yang lebih luas, diekspresikan sebagai bilangan Reynolds sesuai ukuran dan kecepatan pesawat
Bola golf, pesawat RC, jet komersial, dan jet tempur bisa memiliki aerodinamika ideal atau teknik berguna yang cukup berbeda (winglet, dimples)
Menarik juga bahwa efisiensi winglet sudah lama diketahui, tetapi baru relatif belakangan diterapkan ke hampir semua pesawat penumpang
Itu adalah upaya meniru kekasaran mikro pada kulit hiu
Makalah aslinya ada di sini: https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mec...
Selama ini diterima bahwa “semakin halus permukaan, semakin rendah drag aerodinamis”, jadi cukup mengejutkan bahwa itu tidak selalu benar
Saya selalu mendengar bahwa dimple bola golf mengurangi drag
Dimple sengaja membuat aliran udara menjadi turbulen dan menahan separasi di bagian belakang untuk mengurangi hambatan tekanan, sedangkan DMR menunda transisi sehingga yang ditekan bukan hambatan tekanan melainkan gesekan dinding itu sendiri
Keduanya adalah mekanisme yang berlawanan
Hanya saja saya penasaran seberapa besar bedanya secara proporsional
Ada perbaikan yang memang layak diupayakan, tetapi kalau lebih dari 20% saya bisa menerimanya; dan kalau semua orang memakai bola golf berdimple, itu hanya eksperimen pikiran
Kalau begitu, kenapa bola pingpong tidak punya dimple?
Vortex mengurangi drag dengan memecah kantong udara besar
Permukaan bulat seperti bola mendapat manfaat dari dimple, tetapi permukaan yang lebih lurus seperti panah mungkin tidak
Saya tidak tahu persis, tetapi rasanya kecepatan juga akan berpengaruh
Mungkin ad blocker saya bentrok dengan fitur “berlangganan untuk membaca”, tetapi cara gagalnya lucu
Saat membuka halaman, yang muncul adalah gambar utama dan judul, lalu di bawahnya hanya ada kalimat seperti “Subscribe to listen [9 minutes]” dan “Aerodynamic drag is a major barrier for high-speed aircraft, cars, and high-speed trains...”
Setelah itu hanya ada komentar dan tautan ke artikel lain, tanpa tanda sama sekali bahwa ada isi artikel lebih lanjut selain rekaman audio
Mungkin ini bisa menjelaskan sebagian komentar yang “belum membaca artikelnya”. Walau tentu saja hal seperti itu memang selalu terjadi
Akan lebih baik kalau ada semacam tautan arsip
Beberapa situs sekarang memang agak agresif
Bagian ini terasa seperti kesalahan, atau cerita panjang tersendiri
Disebutkan bahwa pada 1940 ilmuwan Jepang Ichiro Tani menunjukkan hubungan antara kekasaran permukaan dan transisi turbulen, lalu berargumen bahwa kekasaran permukaan yang tak terhindarkan dengan teknologi manufaktur saat itu menghambat tercapainya aliran laminar
Namun jika pada 1989 Tani menafsirkan ulang data eksperimen pipa permukaan kasar oleh ahli teknik fluida era 1930-an Johann Nikulase dan mengusulkan bahwa “kekasaran tidak selalu hanya mempercepat transisi turbulen dan meningkatkan hambatan fluida”, berarti ia membahas masalah yang sama selama 49 tahun
Memang mungkin saja, karena ia meninggal pada 1990
Jika cara penerapannya sesederhana sandblasting, tampaknya modifikasi pada pesawat yang sudah ada pun akan cukup mudah
Jika benar bekerja seperti yang dijelaskan, ini pada dasarnya mendekati peningkatan efisiensi bahan bakar gratis yang bisa diterapkan pada hari yang sama
Namun saya belum melihat angka peningkatan bersih yang sebenarnya
Persentase yang disebut artikel terbatas pada “wilayah transisi”, dan meskipun koefisiennya disebut membaik secara keseluruhan, secara teori jika peningkatan pada seluruh airfoil mendekati 0 maka ini bisa nyaris tidak berarti
Dalam lingkungan nyata, permukaan seperti ini tampaknya lebih mudah tersumbat atau lebih cepat aus, jadi akan sangat sulit juga mempertahankan degradasi presisi pada tingkat seperti ini untuk jangka waktu tertentu
Untuk memodifikasi pesawat tertentu, kemungkinan ada banyak hambatan regulasi sebelum pengujian atau sertifikasi
Ini terutama berlaku untuk pesawat bersertifikasi, dan bahkan di dunia pesawat eksperimental pun mungkin ada penolakan terhadap melakukan sandblasting pada sayap milik seseorang
Kalau teknik ini belum pernah dicoba, saya rasa kemungkinan besar akan diuji lebih dulu di tempat seperti Formula 1
Satu perusahaan mengklaim penghematan bahan bakar hingga 4%: https://mako.aero/insights/delta-partners-with-mako-to-test-...
Satu lapisan itu saja bisa menentukan apakah ia mampu bertahan terhadap fluktuasi suhu harian selama 10.000 penerbangan atau hanya 1.000 penerbangan, jadi harus dirancang sejak awal
Sayap pesawat mengalami erosi karena kecepatan tinggi dan partikel di udara, yaitu debu, es, abu vulkanik, serta hujan/air
Erosi ini sudah merupakan masalah yang memerlukan mitigasi besar, jadi sengaja membuat permukaannya kasar bisa menimbulkan hasil tak terduga atau malah menjadi masalah yang lebih besar
Meski begitu, saya rasa teknik ini tetap layak diuji
Penemuan yang menarik, tetapi bukan berarti membalik prinsip dasarnya
Dalam kuliah dinamika fluida, saya belajar bahwa ada form drag, yang dalam istilah artikel disebut pressure drag, dan juga skin-friction drag
Keduanya saling berlawanan tergantung pada bilangan Reynolds
Jika aliran dipertahankan laminar, skin-friction drag berkurang sehingga permukaan halus terlihat lebih menguntungkan, tetapi jika aliran dijaga tetap menempel lebih lama maka form drag dapat dikurangi lewat cara seperti induksi turbulensi atau injeksi udara, dengan konsekuensi skin friction meningkat karena turbulensi
Penelitian ini terbaca seperti menemukan cara yang cukup bagus untuk mempertahankan aliran laminar sambil menunda flow separation, tetapi prinsip dasarnya tidak berubah
“Kalau halus maka drag rendah” tidak pernah menjadi aturan umum, itu hanya benar pada skala tertentu
https://archive.ph/DbcqV
https://archive.is/20260524231039/https://www.wired.com/stor...
Cukup keren bahwa self-supporting balance system dapat membuat model streamline melayang tanpa kontak di dalam terowongan angin dengan gaya elektromagnetik
Kemungkinan perubahan intensitas medan magnet yang dibutuhkan untuk menahan benda uji tetap melayang juga merupakan indikator perubahan gaya yang bekerja pada badan pesawat