Analisis Aerodinamis pada Permukaan Urban Concept Car SEM UI: “Kalabiya” dengan CFD

Disusun oleh: Muhammad ‘Abdullah Hamidi

Mechanical Engineering Dept., University of Indonesia

Bismillaahirrahmaanirrahiim

ABSTRAK

Untuk menghemat energi dan untuk melindungi lingkungan global, pengurangan konsumsi bahan bakar merupakan perhatian utama dari produsen mobil modern. Pengurangan gaya hambat mobil sangat penting untuk mengurangi konsumsi bahan bakar. Merancang sebuah kendaraan dengan resistensi Drag yang minimum memberikan keuntungan ekonomis dan kinerja. Penurunan resistensi untuk meneruskan gerak memungkinkan kecepatan yang lebih tinggi untuk output daya yang sama, atau output daya yang lebih rendah untuk kecepatan yang sama. Bentuk body mobil merupakan faktor penting untuk pengurangan drag. Untuk merancang suatu bentuk yang efisien dari mobil yang akan menawarkan resistansi rendah untuk gerakan ke depan, kebutuhan yang paling penting fungsional saat ini adalah konsumsi bahan bakar rendah.

Tujuan utama dibalik makalah ini adalah untuk menghitung koefisien Drag, gaya drag dan momen pada kendaraan dengan menggunakan perangkat lunak (software) CFD (komputasi dinamika fluida), CFDSOF.

I. PENDAHULUAN

Latar Belakang

Kalabiya merupakan salah satu kendaraan yang dikompetisikan dalam Shell Eco Marathon 2011 oleh Tim Universitas Indonesia. Pada ajang SEM(Shell Eco Marathon) 2011 terdapat 2 kategori tipe yaitu kategori prototipe dan urban concept. Untuk kategori Prototipe, mereka bisa memasukkan prototipe-prototipe futuristik – kendaraan-kendaraan aerodinamis yang berfokus pada penghematan bahan bakar melalui elemen-elemen rancangan yang inovatif, seperti pengurangan tarikan. Untuk kategori Urban Concept, tim-tim memasukkan rancangan kendaraan-kendaraan hemat bahan bakar yang lebih “membumi”. Agar dapat membuat mobil yang bisa irit bahan bakar maka tergantung juga dari faktor bodi mobilnya apakah aerodimais atau tidak. Maka dari sini kita akan menganalisa aerodinamika dari mobil SEM yang akan digunakan. Dilihat dari sisi aerodinamikanya kita akan menganalisa mobil SEM tersebut dari gaya-gaya pada permukaannya yaitu gaya angkat(Lift) dan gaya seret (Drag).

Kalabiya diikutkan pada kompetisi untuk tipe kendaraan Urban Concept. Body Kalabiya dirancang sedemikian rupa sehingga diharapkan mampu mendukung peforma dari mobil tersebut. Tentunya untuk mengetahui bisa tidaknya body tersebut mendukung performa mobil perlu dilakukan analisa aerodinamika yang mendalam sehingga diketahui betul aliran fluida yang mengalir di sekelilingnya.

Analisa aliran luar pada body mobil Kalabiya ini merupakan suatu bagian dari pembelajaran berupa sebuah Tugas Besar pada mata kuliah Mekanika Fluida untuk mahasiswa semester 4. Diharapkan dengan adanya Tugas ini dapat menjadi pembelajaran bagi mahasiswa tentang analisa aliran luar dari suatu benda dan dapat mengaplikasikannya secara langsung di kehidupan sehari-hari dan perkuliahan ke depannya.

Rumusan Masalah

1. Bagaimanakah analisa aliran fluida pada kalabiya?

2. Berapakah nilai Cd (Drag Coefficient) dari Kalabiya?

3. Apakah desain Kalabiya sudah memenuhi untuk menjadi mobil hemat bahan bakar?

Tujuan

Tujuan dari makalah ini ialah untuk mengetahui drag force pada rancangan mobil urban Tim SEM UI yaitu Kalabiya. makalah ini juga diajukan sebagai Tugas Besar pada mata Kuliah Mekanika Fluida 2011 pada program Studi Teknik Mesin, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia.

Manfaat

Manfaat yang ingin dicapai adalah dari makalah ini ialah analisis dari drag forcce yang kemudian mengoptimumkan desain dari Kalabiya untuk mengurangi gaya gesekan pada permukaannya sehingga menjadi lebih efisien.

Metode Penelitian

Metode penelitian dalam menyusun makalah ialah dengan mencari referensi di textbook ataupun internet. Untuk membuat grid dari Kalabiya digunakan Geomesh. Untuk analisis dragforce menggunakan software CFD, yaitu CFDSOF.


II. LANDASAN TEORI

Aerodinamika adalah aliran udara yang bergerak di sekitar suatu benda. Benda apapun yang bergerak menerpa udara menimbulkan gaya aerodinamis. Aerodinamika bekerja pada mobil yang sedang melaju karena adanya aliran udara yang mengalir di sekitar mobil.
Aerodinamika adalah aplikasi umum dari CFD. CFD memungkinkan aerodinamika dari kendaraan, pesawat, bangunan, struktur, sayap dan rotor untuk dihitung dengan tingkat akurasi yang sangat tinggi. Gaya-gaya yang ada pada sistem, seperti tingkat aliran massa, penurunan tekanan, dan kekuatan dinamis fluida seperti lift, drag dan momen pitching, dapat dengan mudah dihitung dengan CFD. Data ini dapat digunakan langsung untuk keperluan desain dari sebuah produk, khususnya mobil.

Ketika sebuah permukaan melewati fluida, timbul sebuah interaksi antara permukaan tersebut dengan fluida; yang dapat dideskripsikan dalam bentuk gaya antara fluida dengan permukaan. Gaya ini dapat didefinisikan sebagai tekanan, tekanan/gaya geser di dinding,, sebagai akibat dari efek viskositas dan tekanan/gaya nornal sebagai akibat dari tekanan, p. Baik maupun p bervariasi besar dan arahnya di sepanjang permukaan. Gaya resultan yang searah dengan arah kelajuan fluida dinamakan drag, sedangkan gara resultan yang normal/tegak lurus dengan arah kecepatan fluida dinamakan lift. Koefisien lift dan koefisien drag adalah bentuk tak berdimensi dari lift dan drag. Berikut ialah konsep awal dari persamaan dalam menentukan drag force (gaya hambat) pada suatu benda;





Dalam mempertimbangkan aliran eksternal Fluida real, potensial flow dan teori lapisan batas memungkinkan untuk memperlakukan atas masalah aliran eksternal yang terdiri luas dari dua aliran yang berbeda, yang langsung berbatasan dengan permukaan benda, dimana viskositas dominan dan gaya gesek diperhitungkan. dan bahwa di luar lapisan batas, dimana viskositas diabaikan, namun kecepatan dan tekanan yang dipengaruhi oleh adanya fisik dari benda yang bersama-sama dengan lapisan batas terkait. Selain itu, ada titik stagnasi di bagian depan benda dan ada daerah aliran di belakang benda (dikenal sebagai wake). Aliran ditunjukkan pada Gambar 1.


Gambar 1: Aliran yang melewati benda terendam

Wake dimulai dari titik ‘S’ di mana terjadi pemisahan lapisan batas. Pemisahan terjadi karena gradien tekanan negatif, yang dikombinasikan dengan gaya viskositas di permukaan yang menghasilkan pembalikan aliran, sehingga menyebabkan aliran untuk memisahkan diri dari permukaan. Hal yang sama terjadi di bagian belakang body karena disana terjadi diskontinuitas fisik dari permukaan body yang solid. Aliran dalam ‘wake’ menjadi sangat turbulen dan terdiri dari pusaran fluida dalam skala yang sangat banyak. Terjadi disipasi tingkat tinggi di sana yang menyebabkan tekanan di Wake berkurang. Sebuah situasi dibuat dimana tekanan yang bekerja pada benda (tekanan stagnasi) adalah lebih dari yang bertindak di bagian belakang body sehingga gaya resultan yang bekerja pada body dalam arah gerakan fluida yang relatif. Gaya yang bekerja pada benda karena perbedaan tekanan ini disebut tekanan drag (Drag Force).

Coeffisien of drag (Cd) adalah koefisien hambatan aerodinamik yang dipengaruhi oleh faktor bentuk dan kehalusan permukaan kendaraan. Cd dari sebuah mobil dapat dianggap sebagai beban aero terhadap gerakan maju. Semakin besar nilai cd maka semakin besar pula hambatan aerodinamiknya. Bentuk bodi kendaraan yang mempunyai nilai cd yang kecil dikatakan sebagai bentuk aerodinamis dimana bentuknya adalah stream line yang mengikuti arah aliran udara yang melewati permukaan bodinya. Besarnya nilai cd dapat ditentukan dari percobaan terhadap model kendaraan didalam suatu alat pengujian wind tunnel (terowongan angin). Berikut persamaan untuk menentukan besar Cd.


III. PEMBAHASAN

Dalam menganalisis aerodinamika dari kendaraan, faktor yg utama ialah body dari mobil tsb. Yang menjadi metode analisa dari body mobil ialah metode external flows. artinya, aliran di luar permukaan benda tsb lah yang dianalisis. Dalam referensi disebutkan bahwa bilangan Reynolds pada aliran fluida yang mengalir pada kendaraan sebesar 10^6. Semakin besar nilai bilangan Re maka efek inersianya akan semakin besar dan afek viskositasnya akan semakin kecil. Untuk Re=10^6 maka cukup inersianya sajalah yang diperhitungkan.

Jenis aerodinamis yang digunakan ialah subsonic, yaitu semua kecepatan aliran fluida kurang dari kecepatan suara. Kelas subsonic mencakup hampir semua masalah aerodinamika internal, serta aerodinamik eksternal untuk pesawat dan mobil. Dalam memecahkan masalah subsonik, yang menjadi pokok ialah efek kompresibilitas. Kompresibilitas(mampu-mampat) adalah deskripsi dari perubahan densitas dalam dalam suatu aliran fluida.Kompresibilitas adalah deskripsi dari jumlah perubahan densitas dalam masalah. Ketika efek kompresibilitas pada solusi kecil, kita bisa memilih untuk menganggap kerapatan/densitas yang konstan. Kemudian bila kerapatan dalam sebuah aliran dapat bervariasi, masalah ini disebut masalah kompresif. Dalam udara, efek kompresibilitas dapat diabaikan bila bilangan Mach dalam aliran tidak melebihi 0.3. Di atas 0.3, masalah harus diselesaikan dengan menggunakan aerodinamis kompresif.


Gambar 1. tampak atas dari Kalabiya


Gambar 3. Gambar 3D dari Kalabiya

Untuk menganalisis Drag Force dari Kalabiya, saya akan menggunakan langkah-langkah berikut:

  1. Pemodelan geometris dalam 2D dengan menggambarnya dalam software GEOMESH sehingga terbentuk grid permukaan dari Kalabiya Keterangan: amat sulit untuk membuat grid mobil dalam bentuk 3D dengan Geomesh. Untuk itu hanya digunakan 2D saja.
  2. Grid dari mobil yang dibuat di Geomesh digunakan dalam CFDSOF untuk menggambar grid mobil dan kemudian menganalisa mobil untuk mengetahui CD dengan memberikan kondisi batas Tekanan yaitu, kecepatan, Kepadatan udara dan suhu Atmosfer.
  3. Menghitung Coefisien of Drag dengan menggunakan nilai yang diperoleh dari analisis.


Gambar grid/mesh permukaan kalabiya dengan Geomesh

Dengan memberikan Kondisi Fisikal fluida;

Densitas: 1,165 kg/m3 dan Viskositas Dinamik: 1.86 x10-5 kg/ms Pada Suhu udara 30oC dan kecepatan X 10 m/s (35 km/jam).

Diperoleh hasil dalam software CFDSOF sebagai berikut;


Dalam simulasi CFD pada CFDSOF dapat kita lihat bahwa Totalk tekanan yang terukur oleh alat ukur ialah Pmax= 3.41 Pa Pmin= -358.1 Pa

Sehingga Total Tekanannya ialah (+101325 Pa);

Pmax: 101328.41 Pa

Pmin: 100966.9 Pa


Dari simulasi CFDSOF di atas kita dapatkan data sebagai berikut;

Vmax=22.83 m/s Vmin=0 m/s.

Perhitungan Koefisien Drag


Dari persamaan di atas, Drag force dapat kita peroleh dari penjumlahan antara perbedaan Tekanan pada permukaan benda dan perbedaan Tegangan geser pada permukaan benda. Pada kasus ini, tegangan geser kita abaikan karena nilainya tidak dapat dicari dengan perhitungan(karena bentuk geometri dari permukaan yang amat kompleks), nilai Tegangan geser dapat diperoleh dengan software, namun fitur ini tidak tersedia di CFDSOF. Sehingga Drag force hanya dipengaruhi ∆P dari permukaan benda yang dialiri fluida. Diperoleh:

    Df = ∆P = Pmax-Pmin = 361.51 Pa

Kemudian kita cari nilai Cd dengan persamaan


Karena grid permukaan yang saya analisa pada Kalabiya ialah 2Dimensi, maka Cd yang diperoleh ialah Cd lenght.

Df= 361.51 N, density= 1.165 kg/m3, Umax= 22.83 m/s, l= 2.5m

Diperoleh;

Cd= 0.476

Hasil Cd ini sudah baik, yang berarti deasin body dari kalabiya sudah cukup aerodinamis.Bila kita bandingkan dengan Cd dari mobil-mobil modern dengan Cd antara 0.25-0.6. Misalnya saja untuk BMW 3 Series yang memiliki Cd 0.27[1].

Hasil ini memang kurang akurat karena diabaikannya tegangan geser pada permukaan mobil dan juga masih menggunakan analisa 2 Dimensi.


IV. PENUTUP

Kesimpulan

  1. Kalabiya merupakan mobil yang cukup aerodinamis dengan Cd 0,47. Keaerodinamisan body Kalabiya berpengaruh pada berkurangnya kerja mesin sehingga konsumsi bahan bakar dapat diminimalisasi.
  2. Dengan memperbaiki design body mobil, maka pemakaian bahan bakar dapat dihemat, sehingga mobil menjadi lebih irit dan lebih efisien, dan handling dari mobil tersebut dapat dibuat menjadi lebih baik.
  3. Body mobil SEM pada gambar tersebut memiliki tingkat aerodinamitas yang tinggi, yang artinya ketika mobil tersebut dijalankan, gaya gesekan yang disebabkan/diakibatkan oleh udara tidak akan terlalu besar.

V. Daftar Pustaka

http://en.wikipedia.org/wiki/Drag_coefficient. Diakses pada 31 Mei 2011 pukul 22.00
http://en.wikipedia.org/wiki/Automobile_drag_coefficient. Diakses pada 31 Mei 2011 pukul 21.00

Munson, Bruce R, Donald F. Young, Fundamentals of Fluid Mechanics 4th ed, USA

Munson, Bruce R. , Donald F. Young. 2004. Fundamentals of Fluid Mechanics 4th ed Vol. 1. Amesh, IOWA, USA : John Willey & Sons,Inc.

Munson, Bruce R. , Donald F. Young. 2006. Fundamentals of Fluid Mechanics 4th ed Vol. 2. Amesh, IOWA, USA : John Willey & Sons,Inc.


Lampiran

Keterangan

Symbols

Description

CD

Co-efficient of Drag

DF

Drag Force (N)

A

Projected frontal area of the vehicle (mm2)

ρ

Density of air (Kg/m3)

V

Speed of the vehicle relative to the air (m/s)

Pmax

Maximum pressure on the shape of car (Pa)

Pmin

Minimum pressure on the shape of car (Pa)

∆P

Change in Pressure (Pa)

CFD

Computational Fluid Dynamics

[1]http://www.bmw.com/com/en/newvehicles/3series/sedan/2008/allfacts/engine/technical_data.html


NB: Analisis di atas masih NGACO! ngitung Cd bukan begitu caranya. Nilai Cd diperoleh dari rumusdan nilai D(drag force) diperoleh dari simulasi.

About Mahdiy

Seorang penuntut ilmu kecil-kecilan.. ^^

Posted on Desember 26, 2011, in CFD and tagged , , . Bookmark the permalink. 7 Komentar.

  1. mantabs..slam kenal…sukses selalu

  2. syarat bodi mobil aerodinamis berapa M..?

    • berapa apanya nih? klo berapa maksimum nilai drag koefnya, ane ga tau. kayanya ga ada standar bakunya.. ga ngambil matkul tek.aerodinamik soalnya..

  3. mas ada yg lebih komplit ngak tentang analisa aerodinamis urban?

  1. Ping-balik: cfdsof : software cfd online | cfdsof.com

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: