ANALISIS KOEFISIEN DRAG PADA MOBIL HEMAT ENERGI "MESIN USU" DENGAN MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CFD

Transkripsi

1 ANALISIS KOEFISIEN DRAG PADA MOBIL HEMAT ENERGI "MESIN USU" DENGAN MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CFD Munawir Rosyadi Siregar 1, Himsar Ambarita 2 1 Departemen Teknik Mesin USU munawirrasyid@yahoo.com 2 Staf Pengajar Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU Jln.Almamater Kampus USU Padang Bulan Medan ABSTRAK Konsep aerodinamika pada kendaraan menjadi sangat penting dalam usaha mendapatkan kendaraan yang hemat bahan bakar dan ramah lingkungan. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan koefisien drag (Cd) pada kendaraan hemat energi karya Tim Horas Universitas Sumatera Utara, Mesin USU, yang diperlombakan dalam beberapa event nasional maupun internasional; membandingkannya dengan kendaraan konvensional jenis citycar dan memberikan perbaikan pada desain bentuk bodi untuk pengembangan berikutnya. Metode analisis aerodinamika yang digunakan adalah metode numerik dengan menggunakan perangkat lunak Computational Fluid Dynamics (CFD) Ansys Fluent. Analisis dilakukan pada aliran tiga dimensi (3D), steady, turbulen, isothermal dan incompressible. Kecepatan udara divariasikan dari 10 hingga 20 m/s. Koefisien drag pada Mesin USU I dan Mesin USU II, masing-masing dan Nilai ini cukup besar dibandingkan dengan nilai koefisien drag pada citycar Ford Fiesta ( ). Dengan perbaikan yang dilakukan pada model Mesin USU II, koefisien drag dapat dikurangi sebesar 32,6% dan mengurangi penggunaan bahan bakar sebesar 28,8%. Kata kunci: Koefisien Drag, CFD, Ansys Fluent, Mesin USU, konsumsi bahan bakar 1. Pendahuluan Salah satu upaya yang dilakukan untuk menekan pemborosan energy dan pelepasan gas CO2 ke udara pada suatu kendaraan adalah dengan mendesain bentuk kendaraan yang aerodinamis. Hal ini berkaitan dengan semakin berkurangnya energy fosil sedangkan konsumsi semakin tinggi. Pemanasan global (global warming) juga merupakan suatu isu dunia yang dipicu oleh kerusakan lapisan ozon oleh gas buang. Gambar 1 menunjukkan deskripsi penggunaan energi dari bahan bakar pada suatu kendaraan. Faktor bentuk kendaraan menggunakan 3% energi hasil pembakaran bahan bakar pada pengoperasian perkotaan. Namun, pengaruhnya akan meningkat hingga 11% pada pengoperasian pada jalan tol. Konsumsi bahan bakar yang sangat banyak ini menarik para engineer untuk mendesain kendaraan dengan bentuk yang aerodinamis dan meminimalkan tahanan udara (drag). Gaya hambatan (drag) merupakan interpretasi dari besar hambatan udara yang diterima oleh suatu benda saat bergerak melalui udara. Oleh karena itu, tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui besar koefisien hambatan udara (Cd) pada kendaraan karya Tim Horas USU yang diperlombakan pada Shell Eco-marathon Asia 2012 dan Indonesia Energy Marathon Chalenge 2012, membandingkan terhadap kendaraan konvensional citycar dan memberikan perbaikan desain untuk pengembangan ke depannya. 152

2 Gambar 1 Penggunaan energi dari bahan bakar pada suatu kendaraan[1] 2. Tinjauan Pustaka Gaya drag tekanan atau sering disebut drag tekanan adalah bagian dari drag yang langsung disebabkan oleh tekanan, P, pada sebuah benda. Drag ini sering disebut sebagai drag bentuk karena ketergantungan yang sangat kuat pada bentuk benda. Drag tekanan adalah fungsi dari besarnya tekanan dan orientasi arahelemen permukaan dimana gaya tekanan tersebut bekerja. Sebagai contoh, gaya tekanan pada kedua sisi plat datar sejajar aliran mungkin saja sangat besar tetapi gaya tersebut tidak berkontribusi pada drag karena gaya tersebut bekerja pada arah tegak lurus terhadap arah kecepatan aliran. Sebaliknya, gaya tekanan pada pelat datar yang tegak lurus terhadap aliran menyebabkan keseluruhan drag. Sebagian besar informasi yang tersedia mengenai drag pada sebuah benda adalah hasil dari eksperimen yang banyak sekali dilakukan dengan terowongan angin, terowongan air, tangki towing dan peralatan-peralatan lainnya untuk mengukur drag model-model yang diskalakan. Data-data ini dapat dinyatakan dalam bentuk tak berdimensi dan hasilnya dapat dibandingkan dengan tepat untuk perhitungan prototype. Biasanya hasil untuk benda berbentuk tertentu adalah sebuah konstanta drag, C D yang diformulasikan di bawah ini [2]. (1) Daya yang dibutuhkan untuk menggerakkan mobil sepanjang jalan juga digunakan untuk mengatasi hambatan gelinding dan drag aerodinamik. Drag aerodinamik memberikan kontribusi yang sangat penting terhadap gaya propulsive netto yang dibutuhkan. Drag dapat dikontribusi oleh berbagai bagian dari mobil (bagian depan, kaca depan, atap, bagian belakang, dll) yang telah ditentukan dengan berbagai model dengan pengujian ukuran penuh dan juga perhitungan numerik. Saat ini, drag aerodinamik pada mobil telah dapat ditentukan dengan mudah[3]. Batas tidak akan muncul pada bilangan Reynold yang lebih kecil dari Bilangan Reynold bergantung pada karakteristik panjang kendaraan, viskositas kinematik dan kecepatan udara relative terhadap kendaraan. Terdapat phenomena lain yang mempengaruhi aliran fluida pada dan performansi kendaraan. Penomena ini sering disebut sebagai wake. Ketika fluida bergerak dan terpisah di bagian ujung belakang kendaraan ini akan menghasilkan suatu bagian dari tekanan turbulensi rendah dibagian belakang kendaraan yang disebut denga wake. Wake ini juga berkontribusi dalam menentukan drag tekanan yang akhirnya mempengaruhi performa kendaraan tersebut. [4]. 3. Metode Penelitian 3.1 Pembuatan Model Langkah pertama dalam CFD adalah membangun model. Model dibangun menggunakan perangkat lunak Solidworks Premium 2010 dengan merujuk pada model kendaraan yang sesungguhnya. Namun, model ini mengalami penyederhanaan untuk mempermudah simulasi. Penyederhanaan ini menyangkut pembuangan roda, aksesoris dan permukaan yang halus. Model yang telah siap kemudian diimpor ke Ansys Workbench 14.0 Modeler. 3.2 Computational Domain Daerah komputasi (computational domain) analisis CFD aerodinamika pada penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 3 di bawah ini. Dimensi computational domain dinyatakan dalam L, dimana L adalah panjang dari kendaraan yang akan disimulasikan. 153

3 Gambar 2; Model CAD Mesin USU II untuk simulasi tekanan yang sama dengan tekanan atmosfer. Fluida yang digunakan pada tugas ini adalah udara dengan sifat fisik sebagai berikut: density 1,225 kg/m 3, viskositas. Udara yang mengalir pada mobil adalah diasumsikan sebagai gas ideal dan incompressible. Asumsi-asumsi lain yang digunakan adalah aliran turbulent, steadi, tiga dimensi. Sedangkan efek difusivitas, temperature dan gravitasi diabaikan. Dengan mengunakan asumsi ini, maka persamaan pembentuk aliran (governing equations) yang akan dianalisis ditunjukkan pada Persamaan (2) dan (3). Gambar 3; Computational Domain Gambar 4; Meshing pada Mesin USU II 3.3 Meshing Model kemudian dimesh pada mesh builder. Meshing disini menggunakan dua metode. Pertama, mesh otomatis dengan bentuk tri element dengan elemen paling kecil 1 mm dan rasio pertumbuhan 1.2. Kedua, meshing menggukan fitur inflation untuk membentuk lapisan batas pada permukaan bodi dan didapatkan bentuk mesh yang terbaik dan memudahkan perhitungan (iterasi). a. Persamaan kontinuitas.. (2) b. Persamaan Momentum 3.3 Kondisi Batas (Boundary Conditions) Kondisi batas yang digunakan pada daerah perhitungan dibagi atas atas, bawah, samping, simetri, depan dan belakang. Pada batas depan dimasukkan kecepatan seragam dengan besar yang divariasikan untuk setiap simulasi yaitu 10; 12,5; 15; 17,5; dan 20 m/s. Pada bagian atas, belakang dan samping merupakan kondisi batas tekanan keluar dengan (3) Persamaan tersebut diselesaikan menggunakan solver FLUENT pada Ansys Workbench Untuk akurasi perhitungan, penelitian ini menggunakan model turbulen dengan jenis yang merupakan model turbulen yang paling 154

4 sering digunakan dalam analisis aerodinamika. Persamaan pembentuk aliran (governing equations) akan didiskritisasi dengan menggunakan teknik volume atur (disebut grid). Pada proses diskritisasi persamaan momentum digunakan orde kedua upwind scheme. Untuk mengkopling medan kecepatan dan medan tekanan digunakan algoritma SIMPLE. Perhitungan (iterasi) akan dihentikan jika kriteria konvergen telah dipenuhi. Perhitungan disebut konvergen jika residu persamaan kontinuitas 10-6, residu momentum Hasil dan Diskusi 4.1 Koefisien Drag Koefisien drag paling besar adalah pada Mesin USU II dengan nilai Sedangkan untuk model Ford dan Mesin USU I masing-masing dan Untuk mendapatkan nilai koefisien drag pada Mesin USU II dilakukan beberapa modifikasi terhadap bentuk bodi seperti mengurangi bagian-bagian yang menjorok dan menutup bagian roda belakang. Model modifikasi tersebut ditunjukkan pada Gambar 5 di bawah ini. Gambar 6; Kontur kecepatan pada kedua model pda plane y=0.9 m dan y=0.4 m Perbandingan akhir untuk seluruh model ditunjukkan pada grafik dibawah ini. Model Ford Fiesta merupakan model yang paling aerodinamis dengan nilai koefisien drag yang paling kecil. Gambar 5 Model Mesin USU II dimodifikasi Kontur kecepatan untuk membadingkan sebelum dan sesudah perbaikan ditunjukkan pada Gambar 6 dimana pengurangan bentuk yang menjorok menghasilkan wake yang lebih kecil dan menunda pemisahan aliran. Pada bagian sisi bodi, efek penutupan roda terlihat sangat berhasil menunda pemisahan aliran dan meniadakan wake local. Koefisien Drag (Cd) Kecepatan (m/s) Gambar 7; Perbandingan Koefisien Drag pada Seluruh Model FORD Mesin USU II Mesin USU II Modif Mesin USU I Untuk memvalidasi hasil yang dihasilkan dari simulasi ini, dilakukan simulasi dengan metode yang sama dengan objek penelitian yang dibahas di atas terhadap Ahmed Body dengan slant angle 12.5 o dan panjang 176 mm. Model Ahmed Body seperti ini juga

5 R eduksi Bahan B akar (L /1000km ) telah disimulasikan oleh Gerardo Franck dan Jorge D Elia [6] dengan metode Large Eddy simulations (LES). Seperti ditunjukkan pada Tabel 1, metode yang digunakan dalam simulasi ini dapat digunakan sebagai metode penaksiran besar koefisien drag dengan galat sebesar 3,93%. Tabel 1 Perbandingan eksperimental dan simulasi CFD pada Ahmed Body Koefiesien Drag (Cd): Numerik vs Eksperimental Error (%) Eksperimental[6] Simulasi D elia[6] % Simulasi CFD yang dilakukan % 4.2 Penggunaan Bahan Bakar Dengan memodifikasi desain bentuk bodi mesin USU II seperti ditunjukkan pada Gambar, penggunaan bahan bakar berhasil direduksi sebesar 28,8% pada setiap kecepatan yang sama. Jumlah reduksi bahan bakar tersebut dapat dinyatakan dalam suatu hubungan terhadap kecepatan dimana persamaan tersebut ditampilkan dalam bentuk grafik pada Gambar Kecepatan (m/s) 12 Vol, reduksi = v 2 Gambar 8; Grafik banyaknya bahan bakar yang direduksi terhadap kecepatan Koefisien drag kendaraan (C D ) Mesin USU I dan II lebih besar dari Ford Fiesta ( ) sehingga dapat dikatakan Ford Fiesta lebih aerodinamis daripada Mesin USU I dan II. 3. Koefisien drag kendaraan (C D ) hemat energi Mesin USU adalah sebesar pada Mesin USU I dan pada Mesin USU II sehingga dapat dikatakan Mesin USU I lebih aerodinamis daripada Mesin USU II 4. Untuk mengurangi koefisien drag kendaraan (C D ) pada kendaraan Mesin USU II dapat dilakukan dengan meratakan permukaan bodi dan menutup roda belakang. 5. Dengan melakukan modifikasi pada Mesin USU II koefisien drag mengalami penurunan menjadi 0,239899, dan penggunaan bahan bakar dapat direduksi hingga 28,8 Daftar Pustaka [1] M. M. Islam dan M. Mamun Computational Drag Analysis Over A Car Body. Dhaka: Department of Mechanical Engineering, University of Engineering and Technology Bangladesh. [2] Munson, Bruce, dkk Fundamentals of Fluid Mechanics, 5th edition. New York: John Wiley&Co. [3] Rajamani, Gokul Krishnan CFD Analysis of Air Flow Interactions in Vehicle Platoons. School of Aerospace, Mechanical and Manufacturing Engineering RMIT University. [4] Krishnani, Pramod Nari CFD Study Of Drag Reduction Of A Generic Sport Utility Vehicle. Mumbai: Mumbai University. 5. Kesimpulan 1. Koefisien drag (C D ) kendaraan hemat Energi Mesin USU dapat dihitung dengan menggunakan perangkat lunak CFD ANSYS FLUENT 156