SIMULASI PERILAKU AERODINAMIKA DALAM KONDISI STEADY DAN UNSTEADY PADA MOBIL MENYERUPAI TOYOTA AVANZA DENGAN CFD

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR SIMULASI PERILAKU AERODINAMIKA DALAM KONDISI STEADY DAN UNSTEADY PADA MOBIL MENYERUPAI TOYOTA AVANZA DENGAN CFD Tugas Akhir ini disusun Untuk Memenuhi Sebagai Persyaratan Memperoleh Derajat Sarjana S1 pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Disusun : Nama : Muhammad Ridwan Nofianto Nim : D JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2014 i

2 ii

3 iii

4 iv

5 v

6 MOTTO Boleh jadi kamu membenci sesuatu, padahal ia amat baik bagimu, dan boleh jadi (pula) kamu menyukai sesuatu, padahal ia amat buruk bagimu, Allah mengetahui, sedang kamu tidak mengetahui (Q.S Al-Baqarah 216) Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan. Maka apabila kamu telah selesai (dari suatu urusan), kerjakanlah dengan sungguhsungguh (urusan) yang lain, dan hanya kepada Tuhanmu-lah hendaknya kamu berharap (Q. S. Insyirah: 6-8) Siapapun yang berhenti belajar adalah kaum tua, tidak perduli terjadi di usia 20 atau 80. Siapapun yang tetap belajar tidak cuma awet muda, tetap bernilai tanpa memperhatikan kapasitas fisiknya (Henry Ford) Orang yang tidak mengerti kebutuhan orang lain, adalah orang bodoh. Dan orang yang tidak mampu memenuhi kebutuhan itu adalah orang egois. (Penulis) vi

7 PERSEMBAHAN Puji syukur Alhamdulillah, hamba panjatkan atas rahmat, karunia dan keridhaan Allah SWT yang menggenggam dan memiliki seluruh jiwa ini. Berkat ilmu yang Ia berikan kepada penulis dan campur tangan-nyalah karya sederhana ini dapat terselesaikan dengan baik. Dengan rasa syukur karya ini penulis persembahkan untuk : Ibunda tercinta Yuliana Sri Ambar Wati serta ayah tercinta Sarjono yang telah membesarkan ku : Terima kasih atas segala yang telah kalian berikan. Saat ini hanya beberapa karya serta do alah yang mampu aku berikan pada kalian sebagai balasan atas apa yang telah kalian berikan kepada ku. Melawati Fatma Sari dan Anna lestari adik tercinta yang selalu menjadi motivasi untuk menyelesaikan penelitian dan penulisan tugas akhir ini. Nofi Febriyanto teman seperjuangan dalam penelitian tugas akhir ini terima kasih atas support dan kerja samanya selama penelitian. Teman-teman Teknik Mesin angkatan 2009, terutama teman-teman dari Kalimantan bang nur, begik, jehan, dan Arianto Sp serta teman-teman lain yang tidak bisa disebut kan satu persatu terima kasih atas bantuan dan dukungannya selama menempuh masa perkuliahan.yang selalu memberikan pelajaran berharga yang tidak bisa dinilai dengan materi, sehingga penulis bisa sampai seperti saat ini. Almamater ( Universitas Muhammadiyah Surakarta ) vii

8 KATA PENGANTAR Assalamu alaikum Wr. Wb. Segala puji syukur ke hadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat,hidayah dan karunia-nya. Sholawat serta salam semoga selalu dilimpahkan kepada Nabi Besar Muhammad SAW, beserta keluarga dan sahabat-sahabatnya. Penulis sangat bersyukur karena dapat menyelesaikan penyusunan skripsi dengan judul Simulasi Perilaku Aerodinamika Dalam Kondisi Steady Dan Unsteady Pada Mobil Menyerupai Toyota Avanza Dengan CFD sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana S1 Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. Penulis dengan segala ketulusan dan keihklasan hati ingin menyampaikan rasa terima kasih dan penghargaan yang sebesarbesarnya kepada : 1. Bapak Ir. Sri Sunarjono, M.T., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. 2. Bapak Tri Widodo Besar R., ST., M.Sc., Ph.D, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. 3. Bapak Ir. Sarjito, M.T., Ph.D. selaku Dosen Pembimbing I yang telah membimbing, mengarahkan, memberi petunjuk dalam penyusunan Tugas Akhir ini. 4. Bapak Nur Aklis, ST., M.Eng. selaku Dosen Pembimbing II yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan bimbingan dan arahannya. 5. Bapak Ir. Tri Tjahjono, M.T. selaku Pembimbing Akademik yang memberi nasehat. 6. Dosen jurusan Teknik Mesin beserta Staf Tata Usaha Fakultas Teknik Dalam penelitian dan penulisan laporan tugas akhir ini penulis menyadari bahwa hasil laporan yang penulis kemukakan masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu kritik dan saran yang bersifat membangun dari viii

9 pembaca akan penulis terima dengan senang hati. Selain itu penulis juga berharap dengan adanya laporan ini bisa membantu memberikan tambahan pengetahuan dan motivasi untuk pembaca pada umumnya dan penulis khususnya guna meningkatkan pengetahuan. Wassalamu alaikum Wr. Wb. Surakarta, April 2014 Penulis ix

10 Simulasi Perilaku Aerodinamika Dalam Kondisi Steady Dan Unsteady Pada Mobil Menyerupai Toyota Avanza Dengan CFD Muhammad Ridwan Nofianto, Sarjito, Nur Aklis Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. Ahmad Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasuro ridwannofianto@yahoo.com ABSTRAKSI Pada penelitian ini menguraikan suatu fenomena kondisi aliran steady dan unsteady disekeliling bodi mobil yang dibuat dan dianalisa secara komputasi dengan menggunakan program software berbasis CFD (Computational Fluid Dynamics). Model mobil Avanza terpilih untuk melakukan penelitian ini, Dua mobil model A dan model B didesain dengan perbedaan bagian depan bodi (front end body) dengan menggunakan software solidworks 2012 kemudian disimulasikan menggunakan software Ansys 14.5-CFX, suatu paket yang menyatu dengan paket CFD. Desain dari kedua model dibandingkan untuk mengetahui perbedaan besarnya koefisien drag (C D ), koefisien lift (C L ), distribusi tekanan, distribusi kecepatan dan perilaku karakter aliran di sekitar belakang mobil pada awal kondisi aliran steady. Model dibuat dalam skala yang sesuai dimaksudkan untuk melihat perilaku aliran baik di depan maupun di belakang mobil dalam rentang waktu yang berbeda-beda pada kondisi unsteady. Dari hasil analisis yang diperoleh dari parameter geometri dengan perbedaan bentuk bagian depan bodi mempunyai peran yang penting di dalam perilaku aerodinamika kendaraan. Dari hasil simulasi yang diperoleh dari paket CFD pada masingmasing mobil model A dan model B didapatkan koefisien drag (C D ) sebesar dan 0.495, itu membuktikan penurunan koefisien drag (C D ) sebesar 6.78%. untuk koefisien lift (C L ) pada masing-masing model sebesar dan , itu membuktikan penurunan koefisien lift (C L ) sebesar 48.99%. pada hasil distribusi tekanan dan kecepatan relative sedikit berpengaruh pada bagian upper dan lower surface. Dengan perubahan geometri membuktikan bahwa mobil model B lebih aerodinamis dibanding model A. Kata Kunci: Mobil Avanza, koefisien Drag, koefisien Lift, distribusi tekanan, distribusi kecepatan, Aerodinamis, CFD. x

11 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI HALAMAN PERSETUJUAN HALAMAN PENGESAHAN LEMBAR SOAL TUGAS AKHIR MOTTO PERSEMBAHAN KATA PENGANTAR ABSTRAKSI DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL DAFTAR SIMBOL i ii iii iv v vi vii viii x xi xiii xv xvi BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan 5 BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI Kajian Pustaka Dasar Teori Pemodelan Turbulensi Pada Shear Stress Transport (SST) Pembuatan Grid (Meshing) Persamaan Yang mengatur CFD Densitas Viskositas Aliran Lapisan Batas Laminar dan Turbulen Pemisahan Aliran (separation) Koefisien Tekanan koefisien lift, dan koefisien drag Tahapan proses CFD 27 xi

12 BAB III METODOLOGI PENELITIAN Diagram Alir Penelitian Langkah-Langkah Simulasi Komputasi CFD Pembuatan Geometry Dan Proses Meshing Pre processor Solver Manager Post processor 44 BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN Verifikasi Software dan Validasi Data Hasil Simulasi Kondisi Steady (Mantap) Hasil Kontur Distribusi Tekanan Hasil Kontur Disribusi Kecepatan Hasil Kontur Turbulence Kinetic Energy Hasil Pola Aliran Vector Hasil Pola Aliran Streamline Perhitungan Drag Coefficient, dan Lift Coefficient Hasil Simulasi Kondisi Unsteady (Tak Mantap) Hasil Kontur Kecepatan Hasil Streamline Kecepatan Hasil Kontur Turbulence Kinetic Energy 73 BAB V PENUTUP Kesimpulan Kontribusi Terhadap Ilmu Pengetahuan Saran 77 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xii

13 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1: Posisi profil aliran fluida inviscid pada boundry layer 16 Gambar 2.2: aliran sekitar kendaraan Gambar 2.3: Aliran laminar Gambar 2.4: Profil lapis batas sepanjang pelat datar tipis Gambar 2.5: Aliran turbulen Gambar 2.6: Pemisahan aliran lapisan batas didinding Gambar 3.1: Desain mobil untuk simulasi Gambar 3.2: Mobil Toyota Avanza S-Type tahun Gambar 3.3: Hasil impor pada producing geometry Gambar 3.4: Computational Domain Gambar 3.5: Contoh model hasil proses meshing Gambar 3.6: model meshing setengah bagian pada symmetry plane.. 36 Gambar 3.7: Perbedaan bentuk tepi grid Gambar 3.8: Letak lapisan batas pada bawah mobil dan ground plane Gambar 3.9: Pengaturan property domain Gambar 3.10: Letak kondisi batas untuk domain komputasi Gambar 3.11: Pengaturan initial condition Gambar 3.12: Kontrol solver pada kondisi steady dan unsteady/transient Gambar 3.13: Contoh gambar visualisasi hasil simulasi dengan ANSYS 14.5 CFX-post Gambar 4.1: Kontur tekanan mobil AVANZA A Gambar 4.2: Kontur tekanan mobil AVANZA B Gambar 4.3: Grafik tekanan mobil Avanza A Gambar 4.4: Grafik tekanan mobil Avanza B Gambar 4.5: kontur kecepatan mobil Avanza A Gambar 4.6: kontur kecepatan mobil Avanza B Gambar 4.7: Grafik kecepatan mobil Avanza A Gambar 4.8: Grafik kecepatan mobil Avanza B Gambar 4.9: Kontur turbulence kinetic energy Gambar 4.10: Vektor kecepatan pada bidang plane X, Y Gambar 4.11: Vektor kecepatan pada bidang plane Z, X Gambar 4.12: Aliran streamlines 2D disekitar mobil AVANZA Gambar 4.13: Aliran streamline 3D di sekitar mobil AVANZA Gambar 4.14: kontur aliran kecepatan kondisi transien pada plane Y,Z dengan timestep 0.1, 0.5, 1, 1.5, 2 detik xiii

14 Gambar 4.15: Struktur streamlines kecepatan pada belakang mobil dibidang X, Z dengan timestep 0.1, 0.5, 1, 1.5, 2 detik 72 Gambar 4.16:Struktur streamline pada belakang mobil dibidang vertical Y,Z dengan timestep 0.1, 0.5, 1, 1.5, 2 detik Gambar 4.17: kontur turbulence kinetic energy kondisi transien pada bidang Y,Z dengan timestep 0.1, 0.5, 1, 1.5, 2 detik xiv

15 DAFTAR TABEL Tabel 3.1: Data geometri pada front end body 33 Tabel 3.2: Pengaturan kondisi batas meshing 37 Tabel 3.3: pengaturan lapisan batas 38 Tabel 3.4: kondisi batas untuk kondisi simulasi steady state 41 Tabel 4.1: Data hasil komputasi CFD 46 Tabel 4.2: Data hasil perbandingan perhitungan komputasi dan analitis 47 Tabel 4.3: Jumlah mesh statictics pada model AVANZA A dan AVANZA B 48 Tabel 4.4: Data waktu variabel simulasi transient/unsteady 69 xv

16 DAFTAR SIMBOL Simbol Satuan ρ = Densitas (kg/m 3 ) m = Massa ( kg ) μ = Viskositas Dinamik (N. s/m 2 ) v = Viskositas kinematik ( m 2 /s ) Re = Reynold number = Tegangan geser v = Kecepatan bebas (m/s) v = Kecepatan lokal (m/s) l = Panjang (m) p = Tekanan (Pa) p t = Tekanan total (Pa) p Cp C L C D = Tekanan statis = Koefisien Tekanan = Coefficient Lift = Coefficient Drag (Pa) L = Gaya Lift (N) D = Gaya Drag (N) A = Frontal Area (m 2 ) g = Grafitasi (m/s 2 ) xvi