TUGAS AKHIR ANALISIS AERODINAMIKA PADA BODI MOBIL BAYU SURYA MENGGUNAKAN CFD PADA SOFTWARE ANSYS 15.0 Disusun Sebagai Syarat Untuk Mencapai Gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Disusun oleh: NURUL HUDA NIM : D200 10 0005 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA Februari 2016
ii
iii
iv
v
MOTTO Belajar tanpa berpikir tidak ada gunanya, sedangkan berpikir tanpa belajar adalah berbahaya (Amirul rosyid Al-farizi) Seseorang yang optimis akan melihat adanya kesempatan dalam setiap malapetaka, sedangkan orang pesimis akan melihat malapetaka dalam setiap kesempatan Kekeyaan tidak dilihat dari melimpahnya harta, tetapi dari perasaan yang berpuas diri (Nabi Muhammad SAW) Sesungguhnya Allah mencintai orang orang yang sabar (QS. Ali - Imran : 146) vi
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 : Emak tercinta Parimi serta bapak tercinta Suparlan yang telah mendidik dan memotivasi dengan penuh kesabaran dan kasih sayang, 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. Kakaku tersayang Siti Hasanah dan Umar Sahid, keponakan tersayang alfath dan Latif, Bude Parni serta seluruh keluarga tersayang terimakasih atas doa dan semangatnya Sang mentari yang selalu cerewet dipagi hari Peny Ayu Windasari, terima kasih senyum dan semangatnya Sahabat dan teman perjuangan Wahyu, Agus, Shodik, Ajik, Virin, Fery, Chadil dan Yusuf terima kasih atas support dan kerja samanya selama penelitian. Teman-teman Teknik Mesin angkatan 2010 yang tidak bisa disebutkan satu persatu terima kasih atas bantuan dan dukungannya selama menempuh masa perkuliahan.yang selalu vii
memberikan pelajaran berharga yang tidak bisa dinilai dengan materi, sehingga penulis bisa sampai pada titik ini. Keluarga Mahasiswa Teknik Mesin (KMTM) UMS, dan LAB COM Teknik Mesin sebagai tempat bagi penulis menimba pengalaman selama masa perkuliahan. viii
KATA PENGANTAR Segala puji syukur ke hadirat Allah SWT atas segala rahmat dan karunia- Nya yang telah terlimpahkan kepada penulis, sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. Adapun Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan Sidang Sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak, pada kesempatan ini, penulis dengan penuh keikhlasan hati ingin menyampaikan terima kasih kepada : 1. Bapak Dr. H. Sri Sunarjono MT. Ph.D selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. 2. Bapak Tri Widodo BR. ST. MSc., Ph.D selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. 3. Bapak Nur Aklis, ST., M.Eng selaku Sekretaris Jurusan Teknik Mesin yang membantu dalam proses-proses administrasi selama masa perkuliahan, serta selaku Dosen Pembimbing I yang telah membimbing, mengarahkan, memberi petunjuk dalam penyusunan Tugas Akhir ini 4. Bapak Ir. Sarjito, MT., Ph.D. selaku Dosen Pembimbing II yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan bimbingan dan arahannya. 5. Bapak Ir. Pramuko Ilmu Purbo, MT. selaku Pembimbing Akademik. ix
6. Jajaran staf dan dosen Teknik Mesin universitas muhammadiyah Surakarta Akhir kata, penulis mohon maaf, jika sekiranya terdapat kesalahan dan kekurangan dalam penulisan Tugas Akhir ini, yang disebabkan adanya keterbatasan-keterbatasan antara lain waktu, dana, literatur yang ada, dan pengetahuan yang penulis miliki. Harapan penulis semoga laporan ini bermanfaat untuk pembaca. Tugas Akhir ini semoga dapat bermanfaat khususnya bagi penulis dan pihak lain yang membutuhkan, Amin ya Robbaallamin. Surakarta, Februari 2016 Penulis x
ANALISA AERODINAMIKA PADA BODI MOBIL MENGGUNAKAN CFD (Computional Fluid Dynamic) PADA SOFTWARE ANSYS 15.0 Nurul Huda, Nur Aklis, Sarjito Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura Email : hudanurul750@gmail.com ABSTRAKSI Salah satu acuan pengembangan suatu mobil adalah pada bentuk bodi. Bentuk bodi yang aerodinamis mengurangi tahanan aerodinamika sehingga dapat mengoptimalkan tenaga mesin untuk menjadi gaya dorong traksi kendaraan, hemat bahan bakar serta menjaga stabilitas kendaraan. Penelitian tugas akhir bertujuan untuk mengetahui peran perubahan desain terhadap karateristik pola aliran serta nilai koefisien tahanan aerodinamika pada bodi mobil prototype BAYU SURYA. Penelitian ini dilakukan dalam dua tahap modifikasi, pertama dengan merubah geometri sudut kap dengan kaca bodi mobil standar dengan sudut 150 o menjadi 160 o dan 170 o kemudian dengan merubah bentuk leading edge yang pada awalnya datar menjadi cekung dan cembung. Desain pembuatan bodi mobil menggunakan software solidworks 2014. Dan disimulasikan menggunakan CFD pada software Ansys 15.0 dengan boundary grid mesh 90 mm dan body grid mesh 45 mm pada inlet velocity 11,11 m/s dan kondisi domain diasumsikan seperti keadaan nyata. Dari hasil simulasi CFD didapatkan visualisasi streamline, vector kecepatan, kontur tekanan dan nilai gaya tahanan pada masing-masing desain bodi. Pada modifikasi 1 nilai gaya tahanan berkurang seiring bertambahnya sudut kap dengan kaca 150 o, 160 o, dan 170 o. kemudian pada tahap modifikasi 2 perubahan bentuk leading edge dengan variasi bentuk cembung memiliki gaya tahanan terkecil dibandingkan variasi bentuk datar dan cekung. Kata kunci : sudut kap dengan kaca, leading edge, pola aliran, bodi mobil xi
ANALYSIS AERODYNAMIC ON CAR BODY USING CFD (Computional Fluid Dynamic) THE SOFTWARE ANSYS 15.0 Nurul Huda, Nur Aklis, Sarjito Mechanical Enginering Universitas Muhammadiyah Surakarta A. Yani Street Tromol Pos 1 Pabelan, Kartasura Email : hudanurul750@gmail.com ABSTRACT One reference to the development of a car is in the shape of the body. An aerodynamic body shape reduces aerodynamic prisoners so as to optimize the engine power to be thrust traction vehicles, fuel-efficient and maintain vehicle stability. Thesis research aims to determine the role of design changes to the characteristics of the flow patterns and the value of the aerodynamic drag coefficient on the car body prototype BAYU SURYA. This research was conducted in two stages modifications, first by changing the geometry of the corner of the glass hood with existing car body at an angle of 150 o, 160 o and 170 o become later by changing the shape of the leading edge of the initially flat into concave and convex. Design of car body manufacture using SolidWorks 2014 software and simulated using CFD in ANSYS 15.0 software with the boundary grid mesh 90 mm and 45 mm body grid mesh, the inlet velocity of 11.11 m / s and conditions assumed domain like a real situation. CFD simulation results obtained from a streamlined visualization, vector velocity, pressure contours and value style of prisoners in each body design. At first modification prisoners style value decreases with increasing angle hood with glass 150 o, 160 o, and 170 o. then the second modification changes the shape of the leading edge has a convex shape variation smaller than that prisoners style variations flat and concave shapes. Keywords: angle hood with glass, leading edge, the flow pattern, the car body xii
DAFTAR ISI Halaman Judul... i Pernyataan Keaslian Tugas Akhir... ii Halaman Persetujuan... iii Halaman Pengesahan... iv Lembar Tugas Akhir... v Motto... vi Halaman Persembahan... vii Kata Pengantar... ix Abstraksi... xi Daftar Isi... xiii Daftar Gambar... xviii Daftar Tabel... xxi Dafar Grafik... xxii Daftar Diagram... xxiii xiii
BAB I. Pendahuluan... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Perumusan Masalah... 3 1.3 Batasan Masalah... 3 1.4 Tujuan Penelitian... 4 1.5 Sistematika Penulisan... 4 BAB II. KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI... 5 2.1 Kajian Pustaka... 5 2.2 Dasar Teori... 8 2.2.1 Densitas... 8 2.2.2 Viskositas... 8 2.2.3 Aliran Lapisan Batas Laminar dan Turbulen... 13 2.2.4 Pemisahan Aliran ( Separation )... 15 2.2.5 Drag Gesekan dan Drag Tekanan... 16 2.2.6 Lift Coefficient dan Drag Coefficient... 17 2.2.6.1 Lift Coefficient... 17 xiv
2.2.6.2 Drag Coefficient... 18 2.2.7 Persamaan Atur dan Diskrisasi... 18 2.3 Acuan Perubahan Desain... 19 2.3.1 Rounding dan Chamfering pada Leading Edge... 19 2.3.2 Geometri Sudut Keiringan Kap dengan Kaca Mobil... 20 BAB III. METODOLOGI PENELITIAN... 21 3.1 Diagram Alir Penelitian... 21 3.2 Persiapan Alat... 23 3.3 Gambar Reserve... 23 3.4 Pembuatan Desain... 24 3.4.1 BAYU SURYA Exsisting... 24 3.4.2 BAYU SURYA Modifikasi 1... 24 3.4.3 BAYU SURYA Modifikasi 2... 25 3.5 Verifikasi Software... 26 3.6 Simulasi Ansys 15.0... 26 3.6.1 Import File... 27 xv
3.6.2 Boundary Condition... 28 3.6.3 Proses Meshing... 28 3.6.4 Setup Kondisi Batas pada Boundary... 31 3.6.5 Proses Solver... 33 3.6.6 Simulasi Hasil Solving... 34 BAB IV. DATA DAN HASIL ANALISIS... 35 4.1 Validasi Software... 35 4.2 Data Profil Desain mobil Prototype BAYU SURYA... 36 4.3 Hasil Simulasi... 40 4.3.1 Pola aliran dan koefisien tahanan aerodinamika pada desain bodi Mobil prototype BAYU SURYA dengan geometry perubahan sudut antara kap dengan kaca 150 o, 160 o dan 170 o ( modifikasi 1 )... 41 4.3.1.1 Pola Aliran Pada Bodi Mobil Prototype BAYU SURYA dengan Perubahan Geometri Sudut Antara Kap dengan Kaca 150 o, 160 o dan 170 o... 42 4.3.1.2 Perhitungan Koefisien Drag dan Koefisien Lift... 47 xvi
a. Koefisien drag... 48 b. Koefien lift... 50 4.3.2 Pola Aliran dan Koefisien Tahanan Aerodinamika pada Desain Bodi Mobil Prototype BAYU SURYA dengan Perubahan Bentuk Leading Edge Datar, Cekung dan Cembung... 53 4.3.2.1 Pola Aliran pada Bodi Mobil Prototype BAYU SURYA dengan Perubahan Bentuk Leading Edge Datar, Cekung dan Cembung... 53 4.3.2.2 Perhitungan Koefisien Drag dan Koefisien Lift... 58 a. Koefisien drag... 59 b. Koefien lift... 61 BAB V. PENUTUP... 63 5.1 Kesimpulan... 63 5.2 Saran... 64 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xvii
DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Mobil prototype BAYU SURYA... 2 Gambar 2.1 Posisi profil aliran fluida inviscid... 9 Gambar 2.2 Aliran sekitar kendaraan... 10 Gambar 2.3 Titik stagnasi pada mobil... 12 Gambar 2.4 Aliran laminar... 13 Gambar 2.5 Profil batas sepanjang pelat datar tipis... 14 Gambar 2.6 Aliran turbulen... 15 Gambar 2.7 Pemisahan aliaran lapisan batas di dinding... 16 Gambar 2.8 Profil komponen drag... 16 Gambar 2.9 (a) Bentuk tepi Chamfered dan rounded (b) Hubungan radius Chamfered dan rounded dengan koefisien drag... 20 Gambar 2.10 Hubungan sudut kap dengan kaca mobil dengan koefisien drag... 21 Gambar 3.1 Diagram alir peelitian... 22 xviii
Gambar 3.2 Profil mobil prototype BAYU SURYA... 23 Gambar 3.3 Model mobil prototype BAYU SURYA exsisting... 24 Gambar 3.4 Perubahan geometri sudut antara kap dengan kaca pada desain mobil prototype BAYU SURYA... 25 Gambar 3.5 Perubahan bentuk leading edge pada desain mobil prototype BAYU SURYA... 26 Gambar 3.6 Diagram alir simulasi Ansys 15.0... 27 Gambar 3.7 Computational domain... 28 Gambar 3.8 Model meshing setengah bagian pada symmetry plane. 30 Gambar 3.9 Perbedaan panjang tepi... 31 Gambar 3.10 posisi kondisi batas untuk domain komputasi... 32 Gambar 3.11 Hasil proses solver dan Ansys 15.0 CFX-solver... 34 Gambar 4.1 Percobaan validasi pada benda sederhana... 35 xix
Gambar 4.2 Desain mobil prototype BAYU SURYA exsisting... 37 Gambar 4.3 Perubahan geometri sudut antara kap dengan kaca pada desain mobil prototype BAYU SURYA... 38 Gambar 4.4 Perubahan bentuk leading edge pada desain mobil prototype BAYU SURYA... 39 Gambar 4.5 Pola aliran di sekitar bodi mobil prototype BAYU SURYA modifikasi 1... 42 Gambar 4.6 Vektor kecepatan aliran di sekitar bodi mobil prototype BAYU SURYA modifikasi 1... 44 Gambar 4.7 kontur tekanan di sekitar bodi mobil prototype BAYU SURYA modifikasi 1... 46 Gambar 4.8 Pola aliran di sekitar bodi mobil prototype BAYU SURYA modifikasi 2... 53 Gambar 4.9 Vektor kecepatan di sekitar bodi mobil prototype BAYU SURYA modifikasi 2... 55 Gambar 4.9 Kontur tekanan di sekitar bodi mobil prototype BAYU SURYA modifikasi 2... 57 xx
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Kondisi batas untuk kondisi simulasi steady state... 33 Tabel 4.1 Data hasil simulasi dan analitis... 36 Tabel 4.2 Mesh statistic mobil prototype BAYU SURYA modifikasi 1. 40 Tabel 4.2 Mesh statistic mobil prototype BAYU SURYA modifikasi 2. 41 Tabel 4.4 Gaya drag dan gaya lift pada desain mobil prototype BAYU SURYA dengan perubahan geometri sudut antara kap dengan kaca 150 o, 160 o dan 170 o... 47 Tabel 4.5 Gaya drag dan gaya lift pada desain mobil prototype BAYU SURYA dengan perubahan bentuk leading edge bentuk datar, cekung dan cembung... 58 xxi
DAFTAR GRAFIK Grafik 4.1 Hubungan geometri sudut antara kap dengan kaca dengan nilai koefisien drag pada bodi mobil prototype BAYU SURYA... 50 Grafik 4.1 Hubungan geometri sudut antara kap dengan kaca dengan nilai koefisien lift pada bodi mobil prototype BAYU SURYA... 52 xxii
DAFTAR DIAGRAM Diagram 4.1 Koefisien drag pada bodi mobil prototype BAYU SURYA dengan perubahan bentuk leading edge bentuk datar, cekung dan cembung... 60 Diagram 4.1 Koefisien lift pada bodi mobil prototype BAYU SURYA dengan perubahan bentuk leading edge bentuk datar, cekung dan cembung... 62 xxiii