1 ANALISIS KARAKTERISTIK AERODINAMIKA SEMI TRAILER TRUCK DENGAN MODIFIKASI VORTEX TRAP MENGGUNAKAN CFD (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS) Arif Munandar 1,Dominicus Danardono 2, Syamsul Hadi 2 1 Pelajar Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret 2 Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Kata Kunci : Vortex Trap, ANSYS Fluent, gaya drag aerodinamika, semi trailer truck Abstract : Aerodynamic characteristics can be controlled by modifying the shape of the vehicle or using aerodynamic parts. A semi-trailer truck models already modified by using vortex trap device to create trapped vortex in the gap. Vortex trap device are mounted on the front of the trailer and simulated by using finite element method. Steady state analysis already done at the speed range from 40 km/h to 120 km/h with an interval of 20 km/h. This numerical analysis is already done by using CFD software, ANSYS Fluent 14.5. The results showed that using 5 panels vortex trap has the lowest drag coefficient at a speed of 80 km/h with a Cd value of 0.723. Overall, 6 vertical panel is the best configuration has a lower drag coefficient in every speed range, while using 7 panels will increase the drag coefficient of the model semi trailer truck. PENDAHULUAN Jumlah kendaraan yang meningkat setiap tahun berbanding lurus dengan konsumsi bahan bakar yang dibutuhkan. Bentuk kendaraan memengaruhi sekitar 3% dari kebutuhan bahan bakar untuk mengatasi gaya aerodinamika pada kondisi jalan kota. Pada kondisi jalan tol, 11% energi dari bahan bakar digunakan untuk mengatasi gaya aerodinamika (Islam dkk, 2010). Perhitungan secara numerik terkait penambahan aerodynamics part untuk menurunkan hambatan aerodinamika dapat dilakukan dengan komputer melalui proses simulasi. Seperti penambahan vortex trap pada Gambar 1 yang menggunakan panel vertikal yang disusun secara horizontal pada gap antara trailer dan tractor head (Chaitanya Chilbule dkk, 2014). skirting, gap filling melalui uji eksperimen pada wind tunnel. Hasil eksperimen yang dilakukan dengan penambahan front fairing dan gap fililing mampu menurunkan koefisien drag hingga 25,5%. Sedangkan jika dilakukan penambahan seluruh modifikasi, koefisien drag menurun hingga 26,1%. (Harun Chowdhury dkk, 2013). Vortex Trap Device Gaya drag secara aerodinamika semi trailer truck dapat dikurangi dengan melakukan modifikasi pada bagian gap. Sebab, aliran udara pada bagian gap akan langsung menabrak bagian depan trailer sehingga tekanan yang dialami oleh bagian depan trailer cukup tinggi. Gambar 2 menunjukkan daerah yang berkontribusi tinggi terhadap gaya drag yang dialami oleh semi trailer truck. Bagian gap memiliki koefisien drag sebesar 0,2 karena terdapat pressure drag yang cukup tinggi pada bagian depan atas trailer dan celah bagian bawah gap. Gambar 1. Model dengan panel vortex trap (Chaitanya Chilbule dkk, 2014). Vortex trap membuat separasi aliran di antara panel yang mengakibatkan tekanan di bagian depan semi trailer truck menjadi lebih rendah dan mengurangi wake yang terjadi. Karakteristik aerodinamika dari model uji dapat diperbaiki pula dengan penambahan modifikasi front fairing, side Gambar 2. Distribusi pressure drag pada semi trailer truck (Wood, 2003) Pressure drag pada bagian gap antara head dan trailer dapat dikurangi dengan menambahkan aerodynamic parts. Modifikasi dilakukan dengan
2 Gambar 5. Dimensi dari domain komputasi (G. Franck, 2009) menambahkan Cross Flow Vortex Trap Device (CVTD) yang berfungsi untuk memperkecil ukuran vortex dari angin samping seperti pada Gambar 3 (Wood, 2003). Panel CVTD dapat mengurangi gaya drag yang dialami oleh semi trailer truck dengan cara menjebak vortex yang terjadi. Kecepatan aliran udara pada vortex yang terjebak akan lebih tinggi daripada kecepatan aliran udara disekitarnya. Hal ini akan membuat tekanan udara yang lebih rendah pada bagian vortex. Sehingga, gaya drag yang dialami oleh permukaan panel CVTD dan permukaan depan trailer menjadi lebih rendah. METODE PENELITIAN Pembuatan Model Gambar 4. Desain dan geometri model truk (Malviya et al. 2009) Pada penelitian yang telah dilakukan, pemodelan semi trailer truck menggunakan Solidworks 2012 dengan panjang 16.280 mm, lebar 2.600 mm dan tinggi 4.760 mm dengan penyederhanaan seperti yang ditunjukkan Gambar 4. Gambar 3. Vortex trap pada gap antara tractor head dan trailer (Wood, 2003) Variasi yang akan dilakukan pada penelitian ini adalah konfigurasi vortex trap dan kecepatan semi trailer truck. Konfigurasi yang akan digunakan yaitu jumlah panel Vertical Vortex Trap (VVT) yang digunakan yaitu dari 1 sampai 7 panel. Variasi kecepatan yang akan digunakan antara kecepatan 40 km/jam sampai dengan kecepatan 120 km/jam dengan interval 20 km/jam. Domain Komputasi Ukuran domain yang digunakan pada penelitian ini memiliki panjang 10L, lebar 2L dan tinggi 1.5L, dengan L adalah panjang keseluruhan truck semi trailer. Dimensi domain komputasi yang digunakan ditunjukkan oleh Gambar 5. Meshing Jenis mesh yang digunakan pada pemodelan ini adalah tetrahedron dengan fitur body influence untuk merapatkan domain pada sekitar model semi trailer truck. Hal ini bertujuan untuk menghemat jumlah cell yang digunakan agar memudahkan perhitungan (iterasi). Daerah di sekitar permukaan domain model semi trailer truck diberikan pengaturan face sizing untuk memperkecil ukuran elemen pada bagian permukaan model dengan element size sebesar 25 cm. Dalam pemodelan semi trailer truck ini,
3 Gambar 6. Model semi trailer truck dan zona boundary dengan ANSYS 14.5 Fluent pembuatan mesh dilakukan secara otomatis oleh ANSYS 14.5. Kondisi Batas Setiap variasi diuji pada rentang kecepatan 40 km/jam hingga 120 km/jam dengan interval 20 km/jam. Rentang kecepatan diaplikasikan pada bagian inlet dengan intensitas turbulensi 0.5% dengan zona boundary seperti pada Gambar 6. Fluida yang digunakan dalam simulasi ini adalah udara yang memiliki sifat fisik densitas 1,225 kg/m 3 dan viskositas 1,7894e-05 kg/m-s. Udara yang mengalir diasumsikan sebagai gas ideal dan incompressible. Perpindahan panas dan gravitasi yang terjadi dapat diabaikan. Kriteria konvergensi dibuat default dari Fluent sebesar 1x10-3. Kondisi batas tersebut diselesaikan dengan solver Fluent pada ANSYS Workbench 14.5. Penelitian ini menggunakan model turbulensi yang telah divalidasi dengan hasil eksperimen dengan menggunakan model turbulensi k-omega standard. Tabel 1 Hasil Simulasi Model Turbulensi Model Turbulensi Cd Error Baseline (eksperimen) 0,900 - k-omega Standard 0,898 0,22% Trans-SST 0,862 4,22% k-omega SST 0,850 5,56% k-epsilon Realizable 0,843 6,33% k-epsilon Standard 0,958 6,44% Hasil dari Tabel 1 memperlihatkan model turbulensi k-omega standard memiliki nilai error yang paling kecil jika dibandingkan dengan model lain. Nilai koefisien drag model referensi sebesar 0,9 dan hasil simulasi menggunakan model turbulensi k- omega standard memiliki nilai koefisien drag sebesar 0,898 dengan error sebesar 0,22%. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Simulasi Validasi Pemodelan Koefisien drag hasil simulasi seluruh model Validasi pemodelan berdasarkan koefisien drag ditunjukkan pada Tabel 2. Model dengan 6 panel hasil eksperimen semi trailer truck yang tidak VVT merupakan model yang paling aerodinamis menggunakan aerodynamic parts maupun fairing dengan koefisien drag yang paling kecil pada 4 tambahan. Geometri semi trailer truck yang akan variasi kecepatan dari 5 variasi yang dilakukan. diuji dapat dilihat pada Gambar 4. Streamline aliran pada panel VVT Nilai dari koefisien drag pada model truk menunjukkan vortex yang terjebak di celah panel referensi adalah 0,9. Validasi pemodelan dilakukan VVT pada Gambar 7. untuk menentukan model turbulensi yang akan Hasil simulasi kontur kecepatan dengan digunakan. Pemilihan model turbulensi berdasarkan ANSYS Fluent ditampilkan pada Gambar 8. Nilai hasil koefisien drag yang mendekati nilai drag koefisien drag baseline lebih tinggi dibandingkan model referensi dengan nilai error yang paling kecil. model 6 panel VVT. Hal ini disebabkan kecepatan Simulasi pemilihan model turbulensi dilakukan pada aliran udara pada bagian depan trailer lebih tinggi kecepatan 19,5 m/s (70,2 km/jam) sesuai dengan untuk model 6 panel VVT seperti pada Gambar 8 kecepatan model referensi. dengan munculnya area berwarna merah yang commit menunjukkan to user area dengan kecepatan antara 149 km/jam hingga 166 km/jam.
Kecepatan tinggi ini akan membuat tekanan menjadi rendah seperti yang terlihat pada Gambar 8 yang memiliki area tekanan berwarna biru lebih luas. Nilai tekanan berwarna biru diantara -477 Pa hingga -818 Pa. Hal ini yang akan membuat model baseline memiliki koefisien drag yang lebih tinggi daripada model dengan 6 panel VVT. Selain itu, 6 panel VVT mampu menurunkan tekanan pada sela-sela panel seperti yang diperlihatkan pada Gambar 8 dengan dua area berwarna kuning pada celah panel dengan tekanan antara 205 Pa hingga 546 Pa. Sedangkan pada model baseline memiliki area tekanan tinggi berwarna merah yang lebih banyak dengan tekanan antara 546 Pa hingga 716 Pa. Tekanan tinggi yang dialami oleh model baseline tanpa panel VVT membuat model tersebut memiliki nilai koefisien drag yang lebih rendah daripada model dengan 6 panel VVT. 4 Gambar 8. Kontur kecepatan baseline dan 6 panel VVT Gambar 7. Streamline kecepatan 6 panel VVT Tabel 2. Koefisien Drag Hasil Simulasi dengan Variasi Kecepatan Kecepatan Jumlah Model Panel VVT 40 km/jam 60 km/jam 80 km/jam 100 km/jam 120 km/jam Baseline 0 0,887 0,883 0,881 0,880 0,879 1 1 0,879 0,876 0,875 0,873 0,872 2 2 0,866 0,863 0,861 0,859 0,858 3 3 0,826 0,822 0,820 0,818 0,817 4 4 0,794 0,789 0,786 0,784 0,783 5 5 0,794 0,787 0,723 0,781 0,780 6 6 0,789 0,785 0,782 0,780 0,743 7 7 0,822 0,818 0,815 0,813 0,812 KESIMPULAN Pada penelitian ini, simulasi CFD dengan DAFTAR PUSTAKA software ANSYS Fluent telah berhasil dilakukan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan Chilbule, C., Upadhyay, A., & Mukkamala, Y. 2014. jumlah panel vertical vortex trap dapat menurunkan Analyzing the profile modification of koefisien drag aerodinamika model uji. truck-trailer to prune the aerodynamics drag and its repercussion on fuel
consumption, Procedia Engineering,97, pp.1208 1219 Chowdhury, H., Moria, H., Ali A., Khan I., Alam, F., & Watkins, S. 2013. A study on aerodynamic drag of a semi-trailer truck, Procedia Engineering,56, pp.201 205 Franck, G., Nigro, N., Storti, M., & D elia. J. 2009. Numerical Simulation of The Flow Around The Ahmed Vehicle Model, Latin American Applied Research,39,pp.295 306 Guilmineau, E. 2008. Computational Study of Flow Around a Simplified Car Body, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,96,pp.1207 1217 Hucho, Wolf-Heinrich. 1987. Aerodynamics of Road Vehicles from Fluid Mechanics to Vehicle Engineering. Butterworth- Heinemann Hwang B. G. 2016. Reduction of drag in heavy vehicles with two different types of Advanced side skirt. Journal of Wind Engineering and Industrial; Aerodynamics,155,pp.36 46 Islam, M. M., & Mamun, M. 2010. Computational Drag Analysis Over A Car Body, Proceeding of MARTEC, University of Engineering and Technology, pp.155 158, Dhaka, Bangladesh. Malviya, V. Mishra, R., & Fieldhouse, J. 2009. CFD Investigation of A Novel Fuel-Saving Device for Articulated Tractor-Trailer Combinations, Enginering Applications of Computational Fluid Mechanic Vol. 3, No. 4, pp.587 607 University of Huddersfield, United Kingdom. Munson, B. 2002. Mekanika Fluida (Harinaldi & Budiarso, Penerjemah). Jakarta: Erlangga. Premoli, A. 2015. Comparison between steady and moving railway vehicles subjected to crosswind by CFD analysis. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,156,pp.29 40 Simanungkalit, Sabar Pangihutan. 2012. Analisa Pengaruh Kontrol Aktif Aliran Terhadap Pengurangan Konsumsi Bahan Bakar Van Model.Universitas Indonesia Wood, Richard M. 2003. Simple and Low-Cost Aerodynamic Drag Reduction Devices for Tractor-Trailer Trucks,International 5