Gaya tarik aerodinamis adalah “penghalang” utama dalam kecepatan tinggi pesawat terbang, mobil, dan kereta peluru. Hal ini karena desain dengan gaya hambat aerodinamis yang lebih sedikit memungkinkan pesawat bergerak dengan kecepatan lebih tinggi dengan energi yang lebih sedikit.
Ketika badan pesawat atau mobil bergerak dengan kecepatan tinggi, lapisan udara tipis yang disebut “lapisan batas” terbentuk di permukaannya. Lapisan batas ini mempunyai dua keadaan: aliran laminar, dimana udara mengalir secara teratur, dan aliran turbulen, yang melibatkan turbulensi.
Semakin lama udara berada dalam keadaan aliran laminar dengan gesekan rendah, semakin kecil hambatan udaranya, namun seiring dengan meningkatnya kecepatan udara, ia beralih ke aliran turbulen. Kunci untuk mengurangi hambatan aerodinamis adalah bagaimana menunda transisi ke turbulensi.
Selama lebih dari 80 tahun, prinsip “permukaan suatu benda harus mulus” telah menjadi premis dasar teknik penerbangan di seluruh dunia untuk menekan transisi ke turbulensi dan mengurangi hambatan aerodinamis. Premis ini didasarkan pada hasil studi tahun 1940 oleh Ichiro Tani, seorang ahli aerodinamika Jepang yang secara kuantitatif menunjukkan hubungan antara “kekasaran permukaan” (indikator keadaan permukaan mesin) dan transisi turbulen, dengan alasan bahwa kekasaran permukaan, yang tidak dapat dihindari dengan teknologi manufaktur pada saat itu, menghalangi terwujudnya aliran laminar.
Namun, pada tahun 1989 Tani menafsirkan ulang data eksperimen pipa dengan permukaan kasar yang diperoleh oleh insinyur fluida Johann Nikulase pada tahun 1930an, sehingga memberikan perspektif baru bahwa “kekasaran tidak serta merta hanya mendorong transisi turbulen dan meningkatkan resistensi fluida.” Mewarisi gagasan ini, sebuah kelompok penelitian yang dipimpin oleh Yasuaki Kohama dari Universitas Tohoku secara eksperimental menunjukkan pada tahun 1990-an bahwa permukaan kasar berserat, yang memiliki ketidakteraturan berserat halus pada permukaannya, memiliki efek menunda transisi dalam kondisi tertentu.
Tim peneliti Universitas Tohoku yang sama baru-baru ini mengumumkan penemuan yang secara signifikan memajukan tren ini. Aiko Yakino, profesor di Institut Ilmu Fluida Universitas Tohoku, dan kelompok penelitiannya adalah orang pertama di dunia yang mendemonstrasikan bahwa hambatan aerodinamis dapat dikurangi hingga 43,6 persen hanya dengan menerapkan kekasaran mikro terdistribusi (DMR), yaitu kekasaran permukaan yang sangat halus dan tidak beraturan sehingga tidak dapat dibedakan dengan mata telanjang.
Teknologi ini pada dasarnya berbeda dari “proses anak sungai (kulit hiu)”, yang dikenal sebagai teknologi pengurangan hambatan aerodinamis pada umumnya. Proses anak sungai meniru alur memanjang halus pada kulit hiu, dan dengan mengukir alur selebar sekitar 0,1 mm sepanjang arah aliran udara, proses ini menyelaraskan pusaran yang terjadi di dekat permukaan dinding area aliran udara turbulen. DMR, sebaliknya, menunda peralihan dari aliran laminar ke aliran turbulen melalui ketidakteraturan yang acak dan sangat kecil. Zona aliran yang dipengaruhinya dan mekanisme yang digunakannya didasarkan pada konsep yang sangat berbeda.
Pengukuran Tepat di Terowongan Angin Tanpa Batang Penopang
Faktor kunci dalam pencapaian ini adalah penggunaan metode eksperimen terowongan angin yang berbeda dari sebelumnya. Eksperimen terowongan angin konvensional memiliki keterbatasan struktural: batang pendukung dan kabel yang penting untuk menopang model mengganggu aliran udara, sehingga meniadakan perubahan kecil pada hambatan udara yang disebabkan oleh kekasaran skala mikro.
Sistem keseimbangan pendukung magnetik 1 meter (1m-MSBS) terbesar di dunia, yang dimiliki oleh Institut Ilmu Fluida, Universitas Tohoku, telah memecahkan masalah ini secara mendasar. Perangkat ini dapat melayangkan model ramping dengan panjang sekitar 1,07 m di dalam terowongan angin tanpa kontak menggunakan gaya elektromagnetik. Karena tidak menggunakan batang penopang atau cara lain apa pun, ini sepenuhnya menghilangkan gangguan pada aliran udara di sekitar model.
Yakino dan timnya secara tepat mengukur koefisien hambatan total pada permukaan halus dan berlapis DMR pada rentang bilangan Reynolds yang luas (rasio gaya inersia terhadap gaya viskos yang bekerja pada fluida) (Re = 0,35 x 10⁶ hingga 3,6 x 10⁶).
Dua jenis DMR digunakan dalam percobaan ini: Pola cembung yang terbuat dari manik-manik kaca dengan diameter berkisar antara 38 hingga 53 mikrometer (μm) dan pola cekung yang diterapkan dengan sandblasting. Ketinggian lapisan DMR hanya 1 persen dari ketebalan lapisan batas dan tergolong “permukaan halus” dari sudut pandang hidrodinamik.
Hasil eksperimen menunjukkan bahwa bilangan Reynolds kritis di mana transisi turbulen dimulai meningkat dari sekitar 1,9 × 10⁶ menjadi 2,2 × 10⁶ untuk model berlapis DMR, dan hambatan berkurang drastis hingga 43,6 persen di zona transisi. Selain itu, permukaan yang diterapkan DMR secara konsisten menunjukkan koefisien hambatan yang lebih rendah dibandingkan permukaan halus hingga bilangan Reynolds terukur tertinggi (3,6 x 10⁶).
Mekanisme untuk Menekan Gesekan Itu Sendiri
Hambatan udara secara garis besar dapat dibagi menjadi dua jenis: “tahanan terhadap tekanan” dan “tahanan gesekan”. Resistensi tekanan adalah resistensi yang disebabkan oleh “pemisahan”, yaitu aliran udara terpisah dari permukaan di belakang suatu benda. Di sisi lain, hambatan gesekan adalah hambatan yang disebabkan oleh viskositas udara yang mengalir di atas permukaan, dan hambatan tersebut berkurang jika aliran mempertahankan keadaan laminar.
Untuk memperjelas mana di antara keduanya yang bertanggung jawab atas efek DMR, tim peneliti menggunakan “simulasi pusaran arus besar,” sebuah metode komputasi untuk dinamika fluida numerik di mana pusaran turbulen skala besar dihitung secara langsung dan pusaran skala kecil didekati dengan sebuah model. Eksperimen ini menggunakan LES dengan resolusi hingga 45,38 juta sel dinding, dan juga menggunakan cat fluoresen dan bahan lain pada permukaan model untuk melihat bagaimana udara mengalir. Analisis terintegrasi menggabungkan “visualisasi aliran minyak”, di mana permukaan model dicat dengan cat fluoresen untuk memeriksa aliran udara secara visual.
Menurut para peneliti, analisis LES menetapkan batas atas ketahanan tekanan yang konservatif (Cp≈0,00021) yang sesuai dengan nilai teoretis dalam rentang 1 persen dari perhitungan aliran laminar yang tidak secara sengaja menimbulkan gangguan buatan. Namun, jumlah pengurangan hambatan yang diamati dalam penelitian ini (ΔCD≈0,001) kira-kira lima kali lipat dari batas atas.
Sekalipun pemisahan di bagian belakang objek dihilangkan seluruhnya, hanya sekitar 20 persen pengurangan yang teramati dapat dijelaskan. Dengan kata lain, analisis numerik menegaskan bahwa faktor utama dalam pengurangan hambatan aerodinamis oleh DMR bukanlah penekanan delaminasi tetapi pengurangan hambatan gesekan itu sendiri.
Prinsip ini pada dasarnya berbeda dengan efek lesung pipit pada bola golf. Lesung pipit mengurangi hambatan tekanan dengan sengaja membuat aliran udara bergejolak dan menekan pemisahan ke belakang. DMR, sebaliknya, menunda transisi, sehingga menekan bukan hambatan tekanan tetapi gesekan dinding itu sendiri. Mekanismenya berlawanan.
Keunggulan Dibandingkan Pengolahan ‘Kulit Hiu’
Kekuatan pengurangan hambatan aerodinamis DMR terletak pada kepasifannya yang sangat tinggi dan sifat omni-arahnya. Agar proses paku keling efektif, alur harus dipotong secara tepat sepanjang arah aliran udara. Sebaliknya, DMR memiliki keuntungan besar karena kekasaran permukaannya acak dan tidak bergantung pada arah aliran.
Selain itu, karena tidak memerlukan komponen bergerak atau listrik, efek pengurangan hambatan yang tinggi dapat dicapai dengan biaya rendah. Jika DMR diterapkan pada pesawat, diharapkan dapat mengurangi biaya operasional dan emisi karbon dioksida secara signifikan dengan meningkatkan efisiensi bahan bakar.
Tim peneliti berencana untuk lebih mengoptimalkan bentuk dan kepadatan distribusi DMR serta memperluas rentang kecepatan yang berlaku di masa depan.
Cerita ini pertama kali muncul di KABEL Jepang dan telah diterjemahkan dari bahasa Jepang.
