HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN

Transkripsi

1 ii

2 iii

3 HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN Dengan ini saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa dalam skripsi ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang sepengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka. Jika terdapat hal-hal yang tidak sesuai dengan ini, maka saya bersedia derajat kesarjanaan saya dicabut. Surakarta, 19 April 2017 Muhammad Andy Anzi iv

4 PERSEMBAHAN Dengan segala kerendahan hati seraya mengucapkan syukur kehadirat Allah SWT, kupersembahkan tulisan ini kepada: 1. Allah Subhanahu wa ta ala, tuhan semesta alam yang selalu memberikan nikmat, rahmat, dan hidayah-nya. 2. Baginda Nabi besar Muhammad SAW, suri tauladan yang baik. Sholawat serta salam semoga selalu tercurahkan kepada beliau yang kita nanti-nantikan syafaatnya di yaumil akhir kelak. 3. Bapak, Ibu, dan Adik serta keluarga besar tercinta yang telah memberikan kasih sayang, cinta, dan doa yang tak pernah putus. Kasih sayang kalian takkan pernah terlupakan sepanjang hidupku. 4. Bapak Dominicus Danardono dan Bapak Sukmaji, selaku dosen pembimbing tugas akhir yang tak pernah lelah untuk membimbing tugas akhir saya. 5. Rekan-rekan di Bengawan Team Shell eco-marathon dan Bengawan Team Formula Student AE Japan yang telah memberikan pelajaran berupa arti kerja keras, perjuangan, dan mimpi. Mereka adalah tim terbaik yang pernah saya miliki. Terima kasih untuk segalanya. 6. Rekan-rekan mahasiswa teknik mesin yang memberikan saya pelajaran berupa arti sebuah solidaritas. v

5 HALAMAN MOTTO Tatkala waktuku habis tanpa karya dan pengetahuan, lantas apa makna umurku ini (KH. Hasyim Asy ari) Jika para pemuda sudah tumbuh akan kecintaannya kepada bangsa dan negara, maka bangsa ini tidak akan mudah dipecah belah (Maulana Al-Habib Muhammad Luthfi bin Yahya) Al-muhafadhotu alalqadimishshalih wal akhdzu bil jadidil Ashlah (Nahdlatul Ulama) Maybe our top speeds are limited, but our hopes are unlimited (Bengawan Team FSAE UNS) Dzikir, Fikir, Amal sholeh (Pergerakan Mahasiswa Islam Indonesia) vi

6 DESAIN DAN ANALISA AERODINAMIKA BODI MOBIL HEMAT ENERGI SAMUDRA 4.0 UNTUK KOMPETISI SHELL ECO- MARATHON DENGAN MENGGUNAKAN PEMODELAN CFD (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS) 3 DIMENSI Muhammad Andy Anzi Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret, Surakarta, Indonesia andyanzi22@gmail.com ABSTRAK Penelitian ini bertujuan untuk menghasilkan desain bodi mobil urban yang memiliki karakteristik aerodinamika yang baik dengan CD kurang dari 0,25. Bodi mobil urban akan digunakan untuk mengikuti kompetisi mobil hemat energi Shell eco-marathon. Sudut hood dimodifikasi dari 0 0 hingga 24 0 dengan interval 4 0 pada variasi kecepatan 20 km/jam, 40 km/jam, dan 60 km/jam. Desain diuji dengan menggunakan pemodelan 3D. Hasil simulasi menunjukkan CD rata-rata terendah 0,2197 diperoleh dari sudut hood 20 0 dan CD rata-rata tertinggi 0,2273 diperoleh dari sudut hood 4 0. Sudut hood berpengaruh terhadap karakteristik aerodinamika mobil urban. Sudut hood 20 0 mampu mengurangi tekanan di bagian depan mobil lebih baik dari yang lain, sehingga akan mengurangi titik stagnasi di bagian depan dan tekanan di bagian belakang akan meningkat. Semakin kecil perbedaan tekanan pada bagian depan dan belakang mobil, maka semakin baik aerodinamikanya. Kata kunci :aerodinamika, sudut hood, ANSYS Fluent, CD, mobil urban, Shell eco-marathon vii

7 DESIGN AND AERODYNAMIC ANALYSIS OF ENERGY SAVING CAR BODY SAMUDRA 4.0 FOR SHELL ECO-MARATHON COMPETITION USING 3 DIMENSION CFD (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS) MODELING Muhammad Andy Anzi Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Sebelas Maret University, Surakarta, Indonesia andyanzi22@gmail.com ABSTRACT The main objective of this research was to design an urban concept car body that has good characteristic of aerodynamic with CD less than The urban concept car body will be used to participate to energy saving car competition, Shell eco-marathon. In this research, hood angle modified from 0 0 to 24 0 with 4 0 of interval at various velocity of 20 km/h, 40 km/h, and 60 km/h. The design purpose were tested by using 3D computational fluid dynamics model. The result of simulation showed that the lowest average CD gained from hood angle of 20 0 and highest average CD gained from hood angle of 4 0. Hood angle affected to aerodynamic characteristic of urban car. Hood angle of 20 0 could decrease the pressure in front side of car better than others, so it could reduce stagnation point in the front side, hence pressure in rear side would be increased. Lower pressure gradient between front and rear side would generate better it aerodynamic. Key words :aerodynamic, hood angle, ANSYS Fluent, CD, urban concept car, Shell eco-marathon viii

8 KATA PENGANTAR Dengan menyebut nama Allah yang maha pengasih lagi maha penyayang. Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah Subhanahu wa ta ala, karena berkat limpahan rahmat, berkah, dan hidayah-nya penulis dapat menyusun dan menyelesaikan laporan skripsi ini dengan baik. Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dalam penyelesaian skripsi ini tidak mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung maupun tidak langsung. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan skripsi ini, terutama kepada: 1. Allah Subhanahu wa ta ala, tuhan semesta alam yang selalu memberikan nikmat, rahmat, dan hidayah-nya. 2. Nabi Muhammad SAW yang telah membawa umat manusia dari zaman jahiliyyah ke zaman yang terang benderang. 3. Ayah dan ibu penulis yang selalu mencurahkan segala doa, daya dan kemampuannya untuk penulis sehingga penulis mampu menjadi seperti sekarang ini. 4. Bapak Dominicus Danardono selaku dosen pembimbing I yang selalu memberikan dukungan yang begitu banyak dan memberikan solusi ketika penulis mendapatkan kesulitan. 5. Bapak Sukmaji Indro Cahyono selaku dosen pembimbing II yang telah memberikan saran, solusi, dan bersedia membantu tata tulis dalam penyusunan laporan ini. 6. Bapak Budi Kristiawan, Bapak Agung Tri Jayanta, dan Bapak Budi Santoso selaku dewan penguji yang telah memberikan saran dan kritik yang membangun. Terimakasih banyak atas segala masukan, kritik, dan saran yang telah diberikan kepada penulis. ix

9 7. Seluruh civitas akademika Universitas Sebelas Maret yang telah memberikan pelayanan dengan baik selama masa perkuliahan khususnya dosen-dosen jurusan teknik mesin yang memberikan ilmu-ilmu yang sangat bermanfaat. 8. Semua keluarga di Pekalongan yang telah memberikan doa dan dorongan semangat baik moril maupun materil kepada penulis selama pengerjaan skripsi. 9. Rekan-rekan di Bengawan Team Shell eco-marathon dan Bengawan Team Formula Student AE Japan yang telah memberikan pelajaran berupa arti kerja keras, perjuangan, dan mimpi. Mereka adalah tim terbaik yang pernah saya miliki. Terima kasih untuk segalanya. 10. Sahabat-sahabati Pergerakan Mahasiswa Islam Indonesia (PMII) Komisariat Kentingan Surakarta, tempat saya memulai berlatih berorganisasi. 11. Rekan-rekan mahasiswa teknik mesin UNS yang memberikan saya pelajaran berupa arti sebuah solidaritas. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan laporan ini masih jauh dari kata sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang dapat membangun laporan ini agar menjadi lebih baik. Akhir kata semoga laporan ini dapat memberikan manfaat dan berguna bagi kita semua. Amin. Surakarta, 19 April 2017 Penulis x

10 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL SURAT PENUGASAN HALAMAN PENGESAHAN HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN PERSEMBAHAN HALAMAN MOTTO ABSTRAK... vii ABSTRACT... viii KATA PENGANTAR... ix DAFTAR ISI... xi DAFTAR TABEL... xiii DAFTAR GAMBAR... xiv DAFTAR RUMUS... xvi DAFTAR NOTASI... xvii DAFTAR LAMPIRAN... xviii BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Rumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan... 6 BAB II LANDASAN TEORI Tinjauan Pustaka Dasar Teori Streamline Medan aliran Boundary layer Reynolds number Gaya drag Koefisien drag Computational fluid dynamics Langkah kerja Ansys Fluent Pengujian aerodinamika menggunkan Ahmed body BAB III METODE PENELITIAN Alat dan Bahan Diagram Alir Penelitian Perancangan Desain Validasi Penelitian xi

11 Boundary condition Meshing Simulasi Aerodinamika Bodi Mobil Urban Boundary condition Meshing Post Processing BAB IV HASIL PENELITIAN Hasil Rancangan Bodi Bentuk moncong depan (front end) Rear side panel Underbody rear end upward taper Pemanjangan rear end Atap (roof top) cembung Bodi cangkang bawah Hasil Validasi Pemodelan Hasil Simulasi Variasi Sudut Hood dan Kecepatan Perbandingan distribusi tekanan dan kecepatan Analisa Pola Aliran Udara Perbandingan hasil simulasi variasi sudut hood BAB V PENUTUP Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xii

12 DAFTAR TABEL Tabel 1.1 Konsumsi Energi berbagai Sektor (dalam %)... 1 Tabel 2.1 Modifikasi rear under body pada kecepatan 50 m/s... 8 Tabel 3.1 Regulasi dimensi bodi mobil urban Tabel 3.2 Dimensi chassis mobil urban Samudra Tabel 3.3 Rincian mesh tiap model uji Tabel 4.1 Perbandingan CD tiap model moncong Tabel 4.2 Perbandingan CD tiap variasi panjang taper rear side panel Tabel 4.3 Perbandingan perubahan CD terhadap sudut diffuser Tabel 4.4 Perbandingan perubahan CD terhadap h/l Tabel 4.5 Dimensi mobil urban Samudra Tabel 4.6 Nilai error beberapa model turbulensi Tabel 4.7 Komponen gaya drag Tabel 4.8 Gaya drag yang dihasilkan dari semua model uji Tabel 4.9 Koefisien drag tiap model uji xiii

13 DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Penggunaan bahan bakar urban driving dan highway driving... 2 Gambar 2.1 Modifikasi rear under body... 8 Gambar 2.2 Vortex generator di atap mobil... 9 Gambar 2.3 Modifikasi Mataram proto... 9 Gambar 2.4 Modifikasi mobil urban ITS Gambar 2.5 Mobil Purechoice dan mofidikasinya Fuel fighter Gambar 2.6 Lapisan batas pada suatu pelat datar Gambar 2.7 Aliran udara melewati beberapa variasi bentuk Gambar 2.8 Area frontal Gambar 2.9 Timbulnya wake Gambar 2.10 Geometri Ahmed body Gambar 3.1 Diagram alir penelitian Gambar 3.2 Chassis mobil urban Samudra Gambar 3.3 Model Ahmed body Gambar 3.4 Domain simulasi Gambar 3.5 Face sizing pada bagian depan Ahmed body Gambar 3.6 Geometri body influence Gambar 3.7 Pengaruh body influence Gambar 3.8 Meshing Ahmed body Gambar 3.9 Sudut bonnet (hood), (a) Tampak depan, (b) Tampak samping Gambar 3.10 Face sizing pada bodi mobil urban, (a) Front end (b) Rear end Gambar 3.11 Geometri body influence Gambar 3.12 Pengaruh body influence Gambar 3.13 meshing Samudra Gambar 4.1 Optimalisasi moncong depan, (a) Bentuk front end ideal, (b) Bentuk moncong Samudra Gambar 4.2 Pengaruh rear side panel terhadap koefisien drag, (a) Optimalisasi taper pada rear side panel, (b) Taper Samudra Gambar 4.3 Pengaruh sudut diffuser terhadap perubahan CD Gambar 4.4 Optimalisasi diffuser, rear end, dan roof Samudra 4.0 (satuan mm) 33 Gambar 4.5 Optimalisasi atap mobil Gambar 4.6 Hasil rancangan bodi Samudra Gambar 4.7 Grafik rata-rata gaya drag tiap model uji Gambar 4.8 Grafik rata-rata koefisien drag tiap model uji Gambar 4.9 Distribusi tekanan pada permukaan bodi, (a) Sudut hood 0 0 (tampak depan), (b) Sudut hood 4 0 (tampak depan), (c) Sudut hood 0 0 (tampak atas), (d) Sudut hood 4 0 (tampak atas) Gambar 4.10 Distribusi tekanan bodi dan kecepatan fluida, (a) Sudut hood 4 0 (tampak atas), (b) Sudut hood 20 0 (tampak atas) Gambar 4.11 Distribusi tekanan pada permukaan bodi, (a) Sudut hood 4 0 xiv

14 (tampak depan), (b) Sudut hood 20 0 (tampak depan), (c) Sudut hood 4 0 (tampak atas), (d) Sudut hood 20 0 (tampak atas) Gambar 4.12 Distribusi tekanan fluida di sekitar hood, (a) Sudut hood 4 0 (tampak samping), (b) Sudut hood 20 0 (tampak samping) Gambar 4.13 Distribusi kecepatan fluida di depan bodi, (a) Sudut hood 4 0 (tampak samping), (b) Sudut hood 20 0 (tampak samping) Gambar 4.14 Distribusi kecepatan fluida di belakang bodi, (a) Sudut hood 4 0 (tampak samping), (b) Sudut hood 20 0 (tampak samping) Gambar 4.15 Distribusi tekanan pada permukaan bodi, (a) Sudut hood 20 0 (tampak depan), (b) Sudut hood 24 0 (tampak depan), (c) Sudut hood 20 0 (tampak atas), (d) Sudut hood 24 0 (tampak atas) Gambar 4.16 Aliran fluida di depan bodi, (a) Sudut hood 4 0 (tampak samping), (b) Sudut hood 20 0 (tampak samping) Gambar 4.17 Aliran fluida di belakang bodi, (a) Sudut hood 4 0 (tampak samping), (b) Sudut hood 20 0 (tampak samping) Gambar 4.18 Vektor kecepatan di depan mobil (tampak samping), (a) Sudut hood 4 0, (b) Sudut hood Gambar 4.19 Vektor kecepatan di belakang mobil (tampak samping), (a) Sudut hood 4 0, (b) Sudut hood Gambar 4.20 Turbulensi awal di belakang mobil, (a) Sudut hood 4 0, (b) Sudut hood Gambar 4.21 Aliran turbulen di belakang mobil urban, (a) Sudut hood 4 0 jarak 0 meter, (b) Sudut hood 20 0 jarak 0 meter, (c) Sudut hood 4 0 jarak 2 meter, (d) Sudut hood 20 0 jarak 2 meter, (e) Sudut hood 4 0 jarak 4 meter, (f) Sudut hood 20 0 jarak 4 meter, (g) Sudut hood 4 0 jarak 6 meter, (h) Sudut hood 20 0 jarak 6 meter, (i) Sudut hood 4 0 jarak 8 meter, (j) Sudut hood 20 0 jarak 8 meter xv

15 DAFTAR RUMUS Rumus 2.1 Tebal lapis batas Rumus 2.2 Gaya drag Rumus 2.3 Koefisien drag Rumus 2.4 Hukum kekekalan massa Rumus 2.5 Hukum kekekalan momentum arah X Rumus 2.6 Hukum kekekalan momentum arah Y Rumus 2.7 Hukum kekekalan momentum arah Z Rumus 2.8 Deformasi pemanjangan linear Rumus 2.9 Deformasi pemanjangan linear volumetric Rumus 2.10 Deformasi geser linear arah XY/YX Rumus 2.11 Deformasi geser linear arah XZ/ZX Rumus 2.12 Deformasi geser linear arah YZ/ZY Rumus 2.13 Tegangan viscous deformasi pemanjangan linear Rumus 2.14 Tegangan viscous deformasi geser Rumus 2.15 Persamaan Navier Stokes arah X Rumus 2.16 Persamaan Navier Stokes arah Y Rumus 2.17 Persamaan Navier Stokes arah Z Rumus 4.1 Energi kinetik turbulensi Rumus 4.2 Laju disipasi Rumus 4.3 Konstanta C Rumus 4.4 Faktor efektivitas Rumus 4.5 Energi kinetik turbulensi akibat gradien kecepatan rata-rata Rumus 4.6 Viskositas turbulensi Rumus 4.7 Konstanta viskositas turbulensi xvi

16 DAFTAR NOTASI δ = Tebal lapisan batas m L = Panjang karakteristik m λ = Viskositas kinematik m 2 /s V = Kecepatan fluida relatif terhadap objek m/s Re = Bilangan Reynolds FD = Gaya drag N CD = Koefisien drag A = Luas area frontal m 2 ρ = Massa jenis fluida kg/m 3 u = Kecepatan fluida arah X m/s v = Kecepatan fluida arah Y m/s w = Kecepatan fluida arah Z m/s p = Tekanan Pa τ = Tegangan Pa e = Deformasi m/s m µ = Viskositas dinamik kg/ms k = Energi kinetik turbulensi J ϵ = Laju disipasi energy J/s µt = Viskositas turbulensi kg/ms σk/σϵ = Bilangan Prandtl turbulensi C1 = Konstanta 1 C2 = Konstanta 2 g = Percepatan gravitasi m/s 2 T = Temperatur K a = Kecepatan suara m/s xvii

17 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Data Hasil Mesh Model Uji Lampiran 2. Data Hasil Simulasi Model Uji Lampiran 3. Gambar Teknik Mobil Samudra xviii