BAB IV HASIL DAN ANALISIS
4.4 Perbaikan Model Mesin USU II
4.4.1 Perbandingan Model
Pada Gambar 4.11 ditunjukkan perbandingan bodi Mesin USU sebelum dan sesudah didesain ulang. Adapun pengaturan dan metode simulasi sama dengan pengaturan simulasi sebelumnya.
(a)
(b)
Gambar 4.11 Bodi mesin USU II: (a) Sebelum dan (b) setelah didesain ulang
59 4.4.2 Perbandingan Analisis Kecepatan
Pada Gambar 4.12 dutunjukkan kontur kecepatan pada lokasi A (Gambar 4.11). Wake yang terjadi pada desain yang baru lebih kecil dari pada model aslinya. . Bagian yang menonjol pada bagian A memicu pemisahan aliran yang lebih cepat sehingga wake yang terjadi lebih besar.
Gambar 4.12 Kontur kecepatan pada kedua model pda plane y=0.9 m
Untuk aliran disekitar lokasi B dan C ditunjukkan pada Gambar 4.13.
Wake pada bagian belakang bodi pada desain yang baru lebih kecil dari desain originalnya. Lokasi B dan C menjadi lokasi terjadinya wake lokal dan pemisahan aliran yang merupakan kerugian aerodinamis yang dikurangi pada desain baru.
Gambar 4.13 Kontur kecepatan pada plane y=0.4m
60 4.4.3 Perbandingan Analisis Tekanan
Desain Mesin USU II yang baru tidak mengalami perubahan pada bidang simetrisnya sehingga distribusi tekanan sama. Pada Gambar 4.14 ditampilkan kontur tekanan menyeluruh dari kedua model. Kontur tekanan pada desain yang baru relatif lebih merata daripada desain original.
(a) Model Original
(b) Model yang telah dimodifikasi Gambar 4.14 Kontur tekanan menyeluruh
4.4.4 Perbandingan Koefisien Drag
Hasil simulasi yang akan ditampilkan sebagai representasi akhir antara desain yang telah dimodifikasi dan original akan dinyatakan dalam koefisien drag (Cd) yang ditampilkan pada Tabel 4.2. Perbandingan koefisien drag (Cd) pada seluruh model uji ditampilkan dalam bentuk grafik pada Gambar 4.15.
61 Dari perbaikan model yang dilakukan, koefisien drag pada Mesin USU II mengalami nilai koefisien drag yang lebih kecil dibanding model Mesin USU II sebelumnya. Setelah model dimodifikasi, frontal area menjadi 0,964641 m2. Untuk kecepatan 15 m/s, gaya drag yang terjadi sebesar 16,07743 N sehingga dengan menggunakan Persamaan 2.8, koefisien drag sebesar 0,241876. Untuk variasi kecepatan, nilai drag ditunjukkan pada Tabel 4.4 di bawah ini.
Tabel 4.4 Koefisien Drag Mesin USU II
v (m/s) FD CD
Gambar 4.15 menunjukkan grafik perbandingan koefisien drag pada model-model yang telah disimulasikan pada penelitian ini. Perbaikan yang dilakukan terhadap desain Mesin USU II memberikan hasil yang baik secara aerodinamika dimanakoefisien drag dapat direduksi sebanyak 0,1163 atau sebesar 32,6 %.
Gambar 4.15 Grafik perbandingan koefisien drag (Cd) pada Seluruh Model
0.34
62 4.5. Validasi
4.5.1. Metode Validasi
Metode validasi biasanya dilakukan dengan analisis dan eksperimental.
Namun dalam penelitian ini, validasi dilakukan dengan melakukan simulasi aliran pada Ahmed Body dengan pengaturan dan teknik meshing yang sama dengan objek penelitian. Kemudian hasilnya dibandingkan dengan hasil simulasi yang dilakukan oleh Gerardo Franck dan Jorge D’Elia dan eksperimental Ahmed Body oleh S.R. Ahmed.
4.5.2. Model Ahmed Body
Model Ahmed body yang digunakan pada simulasi ditampilkan pada gambar dengan φ = 12,5o dengan penyederhanaan tanpa penumpu.
Gambar 4.16 model Ahmed Body untuk validasi[6]
4.5.3. Meshing
Metode meshing yang digunakan dalam simulasi Ahmed body ini sama dengan metode yang digunakan dalam simulasi pada objek penelitian sebelumnya yaitu dengan perintah Inflation Smooth Transition pada ANSYS Workbench 14.0 sehingga kualitas hasil dan galat simulasi yang didapatkan sama.
Bentuk meshing yang dilakukan dalam validasi ini ditampilkan pada Gambar 4.17.Sebagai perbandingan, bentuk meshing yang dilakukan oleh Gerardo Franck dan Jorge D’Elia juga ditampilkan.Meshing tersebut memiliki
63 ukuran yang lebih rapat pada bagian memanjang searah datangnya aliran udara.
Namun pada permukaan, meshing untuk validasi memiliki kualitas yang sama.
(a)
(b)
(a) (b) Gambar 4.17 Bentuk meshing untuk validasi Keterangan:
a. Simulasi yang dilakukan;
b. Simulasi oleh Gerardo Franck dan Jorge D’Elia[6]
4.5.4. Pengaturan Simulasi
Secara umum, pengaturan simulasi yang dilakukan pada Ahmed Body sama dengan pengaturan pada simulasi sebelumnya. Namun kecepatan angin pada validasi ini sebesar 60 m/s sesuai dengan simulasi dan eksperimen yang telah ada pada literatur.
4.5.5. Validasi Terhadap Literatur
4.5.5.1. Perbandingan Terhadap Simulasi
Hasil simulasi yang dilakukan dibandingkan dengan hasil simulasi dari literature pada Gambar 4.18.Pada Gambar 4.18.b ditunjukkan pathline dari
64 simulasi yang dilakukan D’Elia dkk.Sementara S.R Ahmed melakukan eksperimen sehingga tidak menghasilkan pathline untuk dibandingkan.Gambar tersebut menunjukkan adanya persamaan hasil untuk pathline dari kedua simulasi dan hanya terdapat sedikit perbedaan.Penyebab utama perbedaan ini adalah perbedaan persamaan turbulensi yang digunakan. Dalam simulasi ini, persamaan turbulensi yang digunakan adalah . Sedangkan pada literature menggunakan model Large Eddy Simulation (LES).
(a)
(b)
Gambar 4.18 Pathline pada Ahmed Body Keterangan:
a. Simulasi yang dilakukan;
b. Simulasi oleh Gerardo Franck dan Jorge D’Elia[6]
Gambar 4.19 di bawah ini menunjukkan perbandingan kontur tekanan pada bidang simetri (z = 0). Kontur tekanan pada simulasi Ahmed Body yang dilakukan (Gambar 4.19.a) menunjukkan hasil yang sama. Distribusi tekanan pada bagian depan (maksimal),
65 (a)
(b)
Gambar 4.19 Kontur tekanan pada bidang simetri Ahmed Body Keterangan:
a. Simulasi yang dilakukan;
b. Simulasi oleh Gerardo Franck dan Jorge D’Elia[6]
Dari simulasi ini, maka koefisien drag dapat dihitung menggunakan Persamaan 2.6 sbb:
4.5.5.2. Perbandingan Terhadap Eksperimen
Perbandingan hasil simulasi dan eksperimental ditunjukkan pada Tabel 4.5. Simulasi Ahmed Body dengan pengaturan meshing dan simulasi yang dilakukan memiliki galat sebesar 3,93 %. Hasil ini cukup jauh dari 10 % sehingga dapat disimpulkan bahwa metode simulasi tersebut sangat baik dan dapat digunakan untuk menaksirkan besar koefisien drag pada beberapa model objek penelitian pada tulisan ini.
66 Tabel 4.5Perbandingan eksperimental dan simulasi CFD pada Ahmed Body
Koefiesien Drag (Cd): Numerik vs Eksperimental Error (%)
Eksperimental[6] 0.2300 -
Simulasi D’elia[6] 0.2346 2%
Simulasi CFD FLUENT 0.239034 3.93 %
4.6 Pengaruh Koefisien Drag terhadap Penggunaan Bahan Bakar
Konsumsi bahan bakar yang terpakai sebagai akibat adanya gaya tahanan ini dapat dihitung pada pembahasan di bawah ini.
4.6.1. Penggunaan Bahan Bakar akibat Drag Pada Ford Fiesta
Besar gaya drag yang terjadi pada Ford Fiesta ketika melaju dengan kecepatan tetap 15 m/s adalah sbb:
Kerja perlawanan yang dibutuhkan oleh mesin mobil untuk tiap 1000 km dengan menggunakan bahan bakar gasoline 95 (NCV = 42.900 kJ/kg) dapat
Banyak konsumsi bahan bakar (B) sebagai berikut.
Dengan B = banyak bahan bakar (bensin), NCV = nilai kalor bensin, maka:
67 Untuk jumlah volume yang dibutuhkan diberikan dengan persamaan , dimana densitas bensin 0,745 kg/L
Maka konsumsi bahan bakar akibat gaya drad pada kecepatan 15 m/s adalah sebesar untuk setiap 1000 km
4.6.2 Penggunaan Bahan Bakar akibat Drag Pada Mesin USU I
Besar gaya drag yang terjadi pada Mesin USU I ketika melaju dengan kecepatan tetap 15 m/s adalah sbb:
Kerja perlawanan yang dibutuhkan oleh mesin mobil untuk tiap 1000 km dengan menggunakan bahan bakar gasoline 95 (NCV = 42.900 kJ/kg) dapat
Banyak konsumsi bahan bakar sebagai berikut.
Dengan B = banyak bahan bakar (bensin), NCV = nilai kalor bensin, maka:
68 Untuk jumlah volume yang dibutuhkan diberikan dengan persamaan , dimana densitas bensin 0,745 kg/L maka
Maka konsumsi bahan bakar akibat gaya drad pada kecepatan 15 m/s adalah sebesar untuk setiap 1000 km
4.6.3 Penggunaan Bahan Bakar akibat Drag Pada Mesin USU II
Besar gaya drag yang terjadi pada Mesin USU II ketika melaju dengan kecepatan tetap 15 m/s adalah sbb:
Kerja perlawanan yang dibutuhkan oleh mesin mobil untuk tiap 1000 km dengan menggunakan bahan bakar gasoline 95 (NCV = 42.900 kJ/kg) dapat dihitung sbb:
Konsumsi Bahan Bakar pada Ford akibat drag
Pada kecepatan 15 m/s gaya drag yang dialami oleh bodi Ford sebesar
Banyak konsumsi bahan bakar sebagai berikut.
Dengan B = banyak bahan bakar (bensin), NCV = nilai kalor bensin, maka:
69 Untuk jumlah volume yang dibutuhkan diberikan dengan persamaan , dimana densitas bensin 0,745 kg/L maka
Besar gaya drag yang terjadi pada Mesin USU II yang telah dimodifikasi ketika melaju dengan kecepatan tetap 15 m/s adalah sbb:
Kerja perlawanan yang dibutuhkan oleh mesin mobil untuk tiap 1000 km dengan menggunakan bahan bakar gasoline 95 (NCV = 42.900 kJ/kg) dapat
Banyak konsumsi bahan bakar sebagai berikut.
Dengan B = banyak bahan bakar (bensin), NCV = nilai kalor bensin, maka:
70 Untuk jumlah volume yang dibutuhkan diberikan dengan persamaan , dimana densitas bensin 0,745 kg/L maka
Maka konsumsi bahan bakar akibat gaya drad pada kecepatan 15 m/s adalah sebesar untuk setiap 1000 km.
Perhitungan yang sama dilakukan untuk variasi kecepatan pada masing-masing model. Besar gaya drag bekerja pada bodi mobil ditunjukkan dalam grafik V vs FD seperti ditunjukkan pada Gambar 4.20. Grafik ini menunjukkan bahwa gaya drag yang terjadi akan bertumbuh seiring semakin besarnya kecepatan kendaraan. Besar gaya drag yang bekerja pada Mesin USU II lebih kecil dari Mesin USU I dan Ford Fiesta. Hal ini disebabkan oleh pengaruh luas frontal bodi Mesin USU II lebih kecil dari keduanya, meskipun nilai Cd nya lebih besar.
Gambar 4.20 Grafik hubungan kecepatan terhadap gaya drag
Pada kecepatan yang sama gaya drag yang paling kecil terjadi pada bodi Mesin USU II yang telah dimodifikasi. Hal ini dikarenakan oleh nilai koefisien drag yang telah mengalami penurunan.
Gambar 4 menunjukkan grafik konsumsi bahan bakar akibat adanya drag pada masing-masing bodi. Grafik ini menunjukkan bahwa bahan bakar yang dibutuhkan untuk mengimbangi drag semakin besar dengan bertambahnya kecepatan kendaraan sehingga gaya hambatan angin yang diterima juga semakin besar seperti dijelaskan di atas.
150
71 Tabel 4.6 Besar konsumsi bahan bakar oleh gaya drag
V (m/s)
Ford Fiesta Mesin USU I Mesin USU II Mesin USU II Modif FD (N) Vol FD (N) Vol FD (N) Vol FD (N) Vol 1 0.384 0.01161 0.21516 0.0065 0.19922 0.00602 0.14174 0.00429 2 1.53601 0.04644 0.86064 0.02602 0.79687 0.02409 0.56697 0.01714 3 3.45603 0.10448 1.93643 0.05854 1.79296 0.0542 1.27568 0.03857 4 6.14406 0.18574 3.44254 0.10407 3.18748 0.09636 2.26788 0.06856 5 9.60009 0.29023 5.37898 0.16261 4.98044 0.15057 3.54356 0.10713 6 13.8241 0.41793 7.74572 0.23417 7.17183 0.21682 5.10273 0.15426 7 18.8162 0.56884 10.5428 0.31873 9.76166 0.29511 6.94539 0.20997 8 24.5762 0.74298 13.7702 0.41629 12.7499 0.38545 9.07152 0.27425 9 31.1043 0.94033 17.4279 0.52687 16.1366 0.48784 11.4811 0.34709 10 38.4004 1.1609 21.5159 0.65046 19.9218 0.60227 14.1743 0.42851 11 46.4644 1.40469 26.0342 0.78706 24.1053 0.72874 17.1508 0.5185 12 55.2965 1.6717 30.9829 0.93666 28.6873 0.86726 20.4109 0.61705 13 64.8966 1.96193 36.3619 1.09928 33.6678 1.01783 23.9545 0.72418 14 75.2647 2.27537 42.1712 1.2749 39.0466 1.18044 27.7815 0.83988 15 86.4008 2.61203 48.4108 1.46353 44.8239 1.3551 31.8921 0.96415 16 98.3049 2.97191 55.0807 1.66518 50.9997 1.5418 36.2861 1.09699 17 110.977 3.35501 62.181 1.87983 57.5739 1.74055 40.9636 1.23839 18 124.417 3.76133 69.7115 2.10749 64.5465 1.95134 45.9246 1.38837 19 138.625 4.19086 77.6724 2.34816 71.9175 2.17418 51.1691 1.54692 20 153.601 4.64361 86.0636 2.60184 79.687 2.40906 56.697 1.71404
72 Gambar 4.21 Hubungan kecepatan terhadap konsumsi bahan bakar dengan
adanya gaya drag
4.6.5 Reduksi Penggunaan Bahan Bakar
Dengan memodifikasi desain bentuk bodi mesin USU II dalam memperbaiki koefisien drag, penggunaan bahan bakar berhasil direduksisebesar 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 4.22.
Gambar 4.22 Grafik banyaknya bahan bakar yang direduksi terhadap kecepatan
4.5
73
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
1. Koefisien drag (CD) kendaraan hemat Energi “Mesin USU” dapat dihitung dengan menggunakan perangkat lunak CFD ANSYS FLUENT
2. Koefisien drag kendaraan (CD) Mesin USU I dan II lebih besar dari Ford Fiesta (0.2432045) sehingga dapat dikatakan Ford Fiesta lebih aerodinamis daripada Mesin USU I dan II.
3. Koefisien drag kendaraan (CD) hemat energi Mesin USU adalah sebesar 0.295975 pada Mesin USU I dan 0.3265162 pada Mesin USU II sehingga dapat dikatakan Mesin USU I lebih aerodinamis daripada Mesin USU II 4. Untuk mengurangi koefisien drag kendaraan (CD) 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%.
Gambar 5.1 Lokasi yang dimodifikasi pada Mesin USU II
74 5.2 Saran
1. Sebagai lanjutan studi ini perlu dilakukan analisis drag dengan cara eksperimental pada wind tunnel untuk mendapatkan nilai yang lebih akurat 2. Perlu dilakukan modifikasi untuk mendapatkan perbaikan desain
aerodinamika pada Mesin USU I
3. Simulasi dengan variasi model turbulensi yang lain perlu dilakukan untuk membandingkan nilai dan keakuratan simulasi.
4. Untuk mendapatkan desain aerodinamika yang lebih baik pada “Mesin USU III “, Tim Horas dapat menggunakan modifikasi desain pada Mesin USU II dengan memperhatikan aspek yang telah diteliti.
Gambar 5.2 Rekomendasi desain bodi Mesin USU III
DAFTAR PUSTAKA
1. Ambarita, Himsar. 2010. Persamaan Pembentuk Aliran. Teknik Mesin USU 2. Ansys Inc. Ansys Fluent Documentation. Ansys Inc
3. Çengel, Yunus. A. dan Robert H. Turner. 2004. Fundamental of Thermal Fluid Sciences, New York: Mc. Graw Hill
4. Munson, Bruce, Donald Young. 2002. Theodore Okiishi. Fundamentals of Fluid Mechanics, 5th edition. New York: John Wiley&Co.
5. D. Blevins, Robert. 1984. Applied Fluid Dynamics Handbook. New York: Van Nostrand Reinhold Company Inc.
6. Franck, Gerardo dan Jorge D’Elia, CFD Modeling of The Flow Around The Ahmed Vehicle Model, Santa Fe: Centro Internacional de M´etodos Computacionales en Ingenier´ıa (CIMEC)
7. Krishnani, Pramod Nari. 2006. CFD Study Of Drag Reduction Of A Generic Sport Utility Vehicle. Mumbai: Mumbai University
8. Lajos, Tamás. 2002. “ Basics of vehicle aerodynamics”. University of Rome „La Sapienza”)
9. Levin, Johan dan Rikard Rigdal. 2011. Aerodinamic Analyisi of Drag Reduction Devices on The Underbody for SAAB 9-3 Using CFD. Goteborg: Chalmers University of Technology
10. Mcor “Aerodinamic and Fluid Flow Analysis “
(http://www.mcor.co.jp/eng/product/cae.html” (diakses tanggal 20 Februari 2013) 11. M. M. Islam dan M. Mamun. 2010. Computational Drag Analysis Over A Car Body.
Dhaka: Department of Mechanical Engineering, University of Engineering and Technology Bangladesh.
12. NASA, http://www.nasa.gov/topics/nasalife/features/seventh_graders.html (diakses tanggal 28 Februari 2013)
13. Potter, Merle C. dan David C. Wiggert. 2011. Schaum’s Outlines Mekanika Fluida.
Jakarta: Erlangga
14. Rajamani , Gokul Krishnan. 2006. CFD Analysis of Air Flow Interactions in Vehicle Platoons. School of Aerospace, Mechanical and Manufacturing Engineering RMIT University
15. “Secret of flight”(http://secretofflight.wordpress.com)” (diakses pada tanggal 23 Februari 2013)
16. Sofyan, Herminanto. Aspek Perancangan Aerodinamika. Yogyakarta: UNY 17. Threshold Strategy - Halving the Drag Coefficient Seems Possible,
http://www.atzonline.com/cms/images/a01-09-02.jpg) (diakses tanggal 23 Februari 2013)
18. Wikipedia “Drag Coefficient” (http://en.wikipedia.org/wiki/Drag_coefficient) (diakses tanggal 23 Februari 2013)
19. Wikipedia “Viscosity” (http://en.wikipedia.org/wiki/Viscosity) (diakses tanggal 23 Februari 2013)
LAMPIRAN
LAMPIRAN I
Beberapa Grafik Konvergensi pada Simulasi 1. Ford
Keceptan 15 m/s
Keceptan 20 m/s
2. Mesin USU I
Keceptan 10 m/s
Kecepatan 15 m/s
3. Mesin USU II
Kecepatan 10 m/s
Kecepatan 12,5 m/s
Kecepatan 15 m/s
Mesin Kecepatan 20/s
4. USU II Modifikasi
Kecepatan 10 m/s
Kecepatan 15 m/s
LAMPIRAN II
Tabel Nilai Kalor Bahan Bakar