iv
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
v 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.
vi 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)
vii
DESAIN DAN ANALISA AERODINAMIKA BODI MOBIL HEMAT ENERGI SAMUDRA 4.0 UNTUK KOMPETISI SHELL
ECO-MARATHON DENGANMENGGUNAKAN 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 00 hingga 240 dengan interval 40 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 200 dan CD rata-rata tertinggi 0,2273 diperoleh dari sudut hood 40. Sudut hood berpengaruh terhadap karakteristik aerodinamika mobil urban. Sudut hood 200 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.
viii
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 0.25. 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 00 to 240 with 40 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 0.2197 gained from hood angle of 200 and highest average CD 0.2273 gained from hood angle of 40. Hood angle affected to aerodynamic characteristic of urban car. Hood angle of 200 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.
ix
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.
x
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
xi
1.4. Tujuan Penelitian ... 5
1.5. Manfaat Penelitian ... 5
1.6. Sistematika Penulisan ... 6
BAB II LANDASAN TEORI ... 7
2.1. Tinjauan Pustaka... 7
2.2. Dasar Teori ... 11
2.2.1. Streamline ... 11
2.2.2. Medan aliran... 11
2.2.3. Boundary layer ... 12
2.2.4. Reynolds number ... 13
2.2.5. Gaya drag ... 14
2.2.6. Koefisien drag ... 15
2.2.7. Computational fluid dynamics ... 15
2.2.8. Langkah kerja Ansys Fluent... 16
2.2.9. Pengujian aerodinamika menggunkan Ahmed body ... 19
BAB III METODE PENELITIAN... 20
3.1. Alat dan Bahan ... 20
3.2. Diagram Alir Penelitian ... 21
3.3. Perancangan Desain ... 22
xii
3.4.1. Boundary condition ... 24
3.4.2. Meshing ... 24
3.5. Simulasi Aerodinamika Bodi Mobil Urban ... 26
3.5.1. Boundary condition ... 26
3.5.2. Meshing ... 27
3.6. Post Processing ... 29
BAB IV HASIL PENELITIAN ... 30
4.1. Hasil Rancangan Bodi ... 30
4.1.1. Bentuk moncong depan (front end)... 30
4.1.2. Rear side panel ... 31
4.1.3. Underbody rear end upward taper ... 32
4.1.4. Pemanjangan rear end... 33
4.1.5. Atap (roof top) cembung ... 33
4.1.6. Bodi cangkang bawah ... 34
4.2. Hasil Validasi Pemodelan ... 35
4.3. Hasil Simulasi Variasi Sudut Hood dan Kecepatan ... 37
4.3.1. Perbandingan distribusi tekanan dan kecepatan ... 40
4.3.2. Analisa Pola Aliran Udara ... 47
4.3.3. Perbandingan hasil simulasi variasi sudut hood... 52
BAB V PENUTUP ... 53
5.1. Kesimpulan ... 53
5.2. Saran ... 53
DAFTAR PUSTAKA ... 54
xiii 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 ... 22
Tabel 3.2 Dimensi chassis mobil urban Samudra 4.0 ... 23
Tabel 3.3 Rincian mesh tiap model uji ... 29
Tabel 4.1 Perbandingan CD tiap model moncong ... 30
Tabel 4.2 Perbandingan CD tiap variasi panjang taperrear side panel ... 31
Tabel 4.3 Perbandingan perubahan CD terhadap sudut diffuser ... 32
Tabel 4.4 Perbandingan perubahan CD terhadap h/L ... 34
Tabel 4.5 Dimensi mobil urban Samudra 4.0 ... 35
Tabel 4.6 Nilai error beberapa model turbulensi ... 36
Tabel 4.7 Komponen gaya drag ... 37
Tabel 4.8 Gaya drag yang dihasilkan dari semua model uji ... 38
xiv 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 ... 10
Gambar 2.5 Mobil Purechoice dan mofidikasinya Fuel fighter ... 10
Gambar 2.6 Lapisan batas pada suatu pelat datar ... 13
Gambar 2.7 Aliran udara melewati beberapa variasi bentuk ... 14
Gambar 2.8 Area frontal ... 15
Gambar 2.9 Timbulnya wake ... 15
Gambar 2.10 Geometri Ahmed body ... 19
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ... 21
Gambar 3.2 Chassis mobil urban Samudra 4.0 ... 23
Gambar 3.3 Model Ahmed body... 23
Gambar 3.4 Domain simulasi ... 24
Gambar 3.5 Face sizing pada bagian depan Ahmed body ... 25
Gambar 3.6 Geometri body influence ... 25
Gambar 3.7 Pengaruh body influence ... 26
Gambar 3.8 MeshingAhmed body ... 26
Gambar 3.9 Sudut bonnet (hood), (a) Tampak depan, (b) Tampak samping... 27
Gambar 3.10 Face sizing pada bodi mobil urban, (a) Front end (b) Rear end ... 27
Gambar 3.11 Geometri body influence ... 28
Gambar 3.12 Pengaruh body influence ... 28
Gambar 3.13 meshing Samudra 4.0 ... 29
Gambar 4.1 Optimalisasi moncong depan, (a) Bentuk front end ideal, (b) Bentuk moncong Samudra 4.0 ... 30
Gambar 4.2 Pengaruh rear side panel terhadap koefisien drag, (a) Optimalisasi taper pada rear side panel, (b) Taper Samudra 4.0 ... 31
Gambar 4.3 Pengaruh sudut diffuser terhadap perubahan CD ... 32
Gambar 4.4 Optimalisasi diffuser, rear end, dan roof Samudra 4.0 (satuan mm) 33 Gambar 4.5 Optimalisasi atap mobil ... 34
Gambar 4.6 Hasil rancangan bodi Samudra 4.0 ... 35
Gambar 4.7 Grafik rata-rata gaya drag tiap model uji ... 39
Gambar 4.8 Grafik rata-rata koefisien drag tiap model uji ... 40
Gambar 4.9 Distribusi tekanan pada permukaan bodi, (a) Sudut hood 00 (tampak depan), (b) Sudut hood 40 (tampak depan), (c) Sudut hood 00 (tampak atas), (d) Sudut hood 40 (tampak atas) ... 41
xv
(tampak depan), (b) Sudut hood 200 (tampak depan), (c) Sudut hood 40 (tampak atas), (d) Sudut hood 200 (tampak atas) ... 43 Gambar 4.12 Distribusi tekanan fluida di sekitar hood, (a) Sudut hood 40
(tampak samping), (b) Sudut hood 200 (tampak samping) ... 44 Gambar 4.13 Distribusi kecepatan fluida di depan bodi, (a) Sudut hood 40
(tampak samping), (b) Sudut hood 200 (tampak samping) ... 45 Gambar 4.14 Distribusi kecepatan fluida di belakang bodi, (a) Sudut hood 40
(tampak samping), (b) Sudut hood 200 (tampak samping) ... 45 Gambar 4.15 Distribusi tekanan pada permukaan bodi, (a) Sudut hood 200
(tampak depan), (b) Sudut hood 240 (tampak depan), (c) Sudut
hood 200 (tampak atas), (d) Sudut hood 240 (tampak atas) ... 46
Gambar 4.16 Aliran fluida di depan bodi, (a) Sudut hood 40 (tampak samping), (b) Sudut hood 200 (tampak samping) ... 47 Gambar 4.17 Aliran fluida di belakang bodi, (a) Sudut hood 40 (tampak
samping), (b) Sudut hood 200 (tampak samping)... 48 Gambar 4.18 Vektor kecepatan di depan mobil (tampak samping), (a) Sudut
hood 40, (b) Sudut hood 200 ... 48 Gambar 4.19 Vektor kecepatan di belakang mobil (tampak samping), (a) Sudut
hood 40, (b) Sudut hood 200 ... 49 Gambar 4.20 Turbulensi awal di belakang mobil, (a) Sudut hood 40, (b) Sudut
hood 200 ... 50 Gambar 4.21 Aliran turbulen di belakang mobil urban, (a) Sudut hood 40 jarak 0
xvi DAFTAR RUMUS
Rumus 2.1 Tebal lapis batas... 12
Rumus 2.2 Gaya drag ... 14
Rumus 2.3 Koefisien drag ... 15
Rumus 2.4 Hukum kekekalan massa ... 17
Rumus 2.5 Hukum kekekalan momentum arah X ... 17
Rumus 2.6 Hukum kekekalan momentum arah Y ... 17
Rumus 2.7 Hukum kekekalan momentum arah Z ... 17
Rumus 2.8 Deformasi pemanjangan linear ... 18
Rumus 2.9 Deformasi pemanjangan linear volumetric ... 18
Rumus 2.10 Deformasi geser linear arah XY/YX ... 18
Rumus 2.11 Deformasi geser linear arah XZ/ZX ... 18
Rumus 2.12 Deformasi geser linear arah YZ/ZY ... 18
Rumus 2.13 Tegangan viscous deformasi pemanjangan linear ... 18
Rumus 2.14 Tegangan viscous deformasi geser ... 18
Rumus 2.15 Persamaan Navier Stokes arah X ... 19
Rumus 2.16 Persamaan Navier Stokes arah Y ... 19
Rumus 2.17 Persamaan Navier Stokes arah Z ... 19
Rumus 4.1 Energi kinetik turbulensi ... 36
Rumus 4.2 Laju disipasi ... 36
Rumus 4.3 Konstanta C1 ... 36
Rumus 4.4 Faktor efektivitas ... 36
Rumus 4.5 Energi kinetik turbulensi akibat gradien kecepatan rata-rata... 37
Rumus 4.6 Viskositas turbulensi ... 37
xvii DAFTAR NOTASI
𝛿 = Tebal lapisan batas m
L = Panjang karakteristik m
λ = Viskositas kinematik m2/s
𝑉∞ = Kecepatan fluida relatif terhadap objek m/s
Re = Bilangan Reynolds
µt = Viskositas turbulensi kg/ms
σk/σϵ = Bilangan Prandtl turbulensi C1 = Konstanta 1
C2 = Konstanta 2
g = Percepatan gravitasi m/s2
T = Temperatur K
xviii DAFTAR LAMPIRAN
