i
TUGAS AKHIR
SIMULASI PERILAKU AERODINAMIKA DALAM
KONDISI
STEADY
DAN
UNSTEADY
PADA MOBIL
MENYERUPAI TOYOTA AVANZA DENGAN CFD
Tugas Akhir ini disusun Untuk Memenuhi Sebagai Persyaratan Memperoleh Derajat Sarjana S1 pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Disusun :
Nama
: Muhammad Ridwan Nofianto
Nim
: D 200 090 102
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
vi MOTTO
“Boleh jadi kamu membenci sesuatu, padahal ia amat baik bagimu, dan boleh jadi (pula) kamu menyukai sesuatu, padahal ia amat buruk bagimu,
Allah mengetahui, sedang kamu tidak mengetahui” (Q.S Al-Baqarah 216)
”Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan. Maka apabila
kamu telah selesai (dari suatu urusan), kerjakanlah dengan sungguh-sungguh (urusan) yang lain, dan hanya kepada Tuhanmu-lah hendaknya
kamu berharap”
(Q. S. Insyirah: 6-8)
“Siapapun yang berhenti belajar adalah kaum tua, tidak perduli terjadi di usia 20 atau 80. Siapapun yang tetap belajar tidak cuma awet muda, tetap
bernilai tanpa memperhatikan kapasitas fisiknya”
(Henry Ford)
“Orang yang tidak mengerti kebutuhan orang lain, adalah orang bodoh.
Dan orang yang tidak mampu memenuhi kebutuhan itu adalah orang
egois.”
vii
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 :
Ibunda tercinta Yuliana Sri Ambar Wati serta ayah tercinta Sarjono yang telah membesarkan ku : 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.
Melawati Fatma Sari dan Anna lestari adik tercinta yang selalu menjadi motivasi untuk menyelesaikan penelitian dan penulisan tugas akhir ini.
Nofi Febriyanto teman seperjuangan dalam penelitian tugas akhir ini terima kasih atas support dan kerja samanya selama penelitian.
Teman-teman Teknik Mesin angkatan 2009, terutama teman-teman dari Kalimantan bang nur, begik, jehan, dan Arianto Sp serta teman-teman lain yang tidak bisa disebut kan satu persatu terima kasih atas bantuan dan dukungannya selama menempuh masa perkuliahan.yang selalu memberikan pelajaran berharga yang tidak bisa dinilai dengan materi, sehingga penulis bisa sampai seperti saat ini.
viii
KATA PENGANTAR
Assalamu’alaikum Wr. Wb.
Segala puji syukur ke hadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat,hidayah dan karunia-Nya. Sholawat serta salam semoga selalu dilimpahkan kepada Nabi Besar Muhammad SAW, beserta keluarga dan sahabat-sahabatnya. Penulis sangat bersyukur karena dapat menyelesaikan penyusunan skripsi dengan judul “Simulasi Perilaku Aerodinamika Dalam Kondisi Steady Dan Unsteady Pada Mobil
Menyerupai Toyota Avanza Dengan CFD” sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana S1 Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Penulis dengan segala ketulusan dan keihklasan hati ingin menyampaikan rasa terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Ir. Sri Sunarjono, M.T., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
2. Bapak Tri Widodo Besar R., ST., M.Sc., Ph.D, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. 3. Bapak Ir. Sarjito, M.T., Ph.D. selaku Dosen Pembimbing I yang telah
membimbing, mengarahkan, memberi petunjuk dalam penyusunan Tugas Akhir ini.
4. Bapak Nur Aklis, ST., M.Eng. selaku Dosen Pembimbing II yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan bimbingan dan arahannya. 5. Bapak Ir. Tri Tjahjono, M.T. selaku Pembimbing Akademik yang
memberi nasehat.
ix
pembaca akan penulis terima dengan senang hati. Selain itu penulis juga berharap dengan adanya laporan ini bisa membantu memberikan tambahan pengetahuan dan motivasi untuk pembaca pada umumnya dan penulis khususnya guna meningkatkan pengetahuan.
Wassalamu’alaikum Wr. Wb.
Surakarta, April 2014
x
Simulasi Perilaku Aerodinamika Dalam Kondisi Steady Dan
Unsteady Pada Mobil Menyerupai Toyota Avanza Dengan CFD
Muhammad Ridwan Nofianto, Sarjito, Nur Aklis
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. Ahmad Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasuro
e-mail: ridwannofianto@yahoo.com
ABSTRAKSI
Pada penelitian ini menguraikan suatu fenomena kondisi aliran steady dan unsteady disekeliling bodi mobil yang dibuat dan dianalisa secara komputasi dengan menggunakan program software berbasis CFD (Computational Fluid Dynamics). Model mobil Avanza terpilih untuk melakukan penelitian ini, Dua mobil model A dan model B didesain dengan perbedaan bagian depan bodi (front end body) dengan menggunakan software solidworks 2012 kemudian disimulasikan menggunakan software Ansys 14.5-CFX, suatu paket yang menyatu dengan paket CFD.
Desain dari kedua model dibandingkan untuk mengetahui perbedaan besarnya koefisien drag (CD), koefisien lift (CL), distribusi
tekanan, distribusi kecepatan dan perilaku karakter aliran di sekitar belakang mobil pada awal kondisi aliran steady. Model dibuat dalam skala yang sesuai dimaksudkan untuk melihat perilaku aliran baik di depan maupun di belakang mobil dalam rentang waktu yang berbeda-beda pada kondisi unsteady. Dari hasil analisis yang diperoleh dari parameter geometri dengan perbedaan bentuk bagian depan bodi mempunyai peran yang penting di dalam perilaku aerodinamika kendaraan.
Dari hasil simulasi yang diperoleh dari paket CFD pada masing-masing mobil model A dan model B didapatkan koefisien drag (CD)
sebesar 0.531 dan 0.495, itu membuktikan penurunan koefisien drag (CD)
sebesar 6.78%. untuk koefisien lift (CL) pada masing-masing model
sebesar 0.0396 dan 0.0202, itu membuktikan penurunan koefisien lift (CL)
sebesar 48.99%. pada hasil distribusi tekanan dan kecepatan relative sedikit berpengaruh pada bagian upper dan lower surface. Dengan perubahan geometri membuktikan bahwa mobil model B lebih aerodinamis dibanding model A.
xi
2.2.1. Pemodelan Turbulensi Pada Shear Stress
Transport (SST) 9
2.2.2. Pembuatan Grid (Meshing) 11
2.2.3. Persamaan Yang mengatur CFD 12
2.2.4. Densitas 14
2.2.5. Viskositas 14
2.2.6. Aliran Lapisan Batas Laminar dan Turbulen 19 2.2.7. Pemisahan Aliran (separation) 24
2.2.8. Koefisien Tekanan 25
2.2.9. koefisien lift, dan koefisien drag 26
xii
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 29
3.1. Diagram Alir Penelitian 29
3.2. Langkah-Langkah Simulasi Komputasi CFD 30 3.2.1 Pembuatan Geometry Dan Proses Meshing 31
3.2.2 Pre processor 38
3.2.3 Solver Manager 42
3.2.4 Post processor 44
BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN 45
4.1. Verifikasi Software dan Validasi Data 45 4.2. Hasil Simulasi Kondisi Steady (Mantap) 48 4.2.1 Hasil Kontur Distribusi Tekanan 49 4.2.2 Hasil Kontur Disribusi Kecepatan 54 4.2.3 Hasil Kontur Turbulence Kinetic Energy 57
4.2.4 Hasil Pola Aliran Vector 59
4.2.5 Hasil Pola Aliran Streamline 61
4.2.6 Perhitungan Drag Coefficient, dan Lift Coefficient 64 4.3. Hasil Simulasi Kondisi Unsteady (Tak Mantap) 67
5.2. Kontribusi Terhadap Ilmu Pengetahuan 77
5.3. Saran 77
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1: Posisi profil aliran fluida inviscid pada boundry layer …… 16
Gambar 2.2: aliran sekitar kendaraan ...………… 17
Gambar 2.3: Aliran laminar ...………… 20
Gambar 2.4: Profil lapis batas sepanjang pelat datar tipis ...………… 21
Gambar 2.5: Aliran turbulen ...………… 22
Gambar 2.6: Pemisahan aliran lapisan batas didinding ...………… 24
Gambar 3.1: Desain mobil untuk simulasi ...………… 32
Gambar 3.2: Mobil Toyota Avanza S-Type tahun 2009...………… 32
Gambar 3.3: Hasil impor pada producing geometry ...………… 33
Gambar 3.4: Computational Domain ... ………… 34
Gambar 3.5: Contoh model hasil proses meshing ...…… 35
Gambar 3.6: model meshing setengah bagian pada symmetry plane..…36
Gambar 3.7: Perbedaan bentuk tepi grid ...………… 37
Gambar 3.8: Letak lapisan batas pada bawah mobil dan ground plane ...………… 38
Gambar 3.9: Pengaturan property domain ...…………39
Gambar 3.10: Letak kondisi batas untuk domain komputasi...……40
Gambar 3.11: Pengaturan initial condition ...…… 42
Gambar 3.12: Kontrol solver pada kondisi steady dan unsteady/transient ...…… 43
Gambar 3.13: Contoh gambar visualisasi hasil simulasi dengan ANSYS 14.5 CFX-post ...…… 44
Gambar 4.1: Kontur tekanan mobil AVANZA A...…… 51
Gambar 4.2: Kontur tekanan mobil AVANZA B...…… 52
Gambar 4.3: Grafik tekanan mobil Avanza A ...…… 53
Gambar 4.4: Grafik tekanan mobil Avanza B...…… 53
Gambar 4.5: kontur kecepatan mobil Avanza A...…… 55
Gambar 4.6: kontur kecepatan mobil Avanza B...…… 55
Gambar 4.7: Grafik kecepatan mobil Avanza A...…… 56
Gambar 4.8: Grafik kecepatan mobil Avanza B...…… 57
Gambar 4.9: Kontur turbulence kinetic energy...…… 58
Gambar 4.10: Vektor kecepatan pada bidang plane X, Y...…… 59
Gambar 4.11: Vektor kecepatan pada bidang plane Z, X ...…… 60
Gambar 4.12: Aliran streamlines 2D disekitar mobil AVANZA...…… 62
Gambar 4.13: Aliran streamline 3D di sekitar mobil AVANZA....……63
xiv
Gambar 4.15: Struktur streamlines kecepatan pada belakang mobil
dibidang X, Z dengan timestep 0.1, 0.5, 1, 1.5, 2 detik … 72
Gambar 4.16:Struktur streamline pada belakang mobil dibidang vertical Y,Z dengan timestep 0.1, 0.5, 1, 1.5, 2
detik...…………...73 Gambar 4.17: kontur turbulence kinetic energy kondisi transien pada
bidang Y,Z dengan timestep 0.1, 0.5, 1, 1.5, 2
xv
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1: Data geometri pada front end body ………… 33 Tabel 3.2: Pengaturan kondisi batas meshing ………… 37
Tabel 3.3: pengaturan lapisan batas ………… 38
Tabel 3.4: kondisi batas untuk kondisi simulasi steady state ………… 41 Tabel 4.1: Data hasil komputasi CFD ………… 46 Tabel 4.2: Data hasil perbandingan perhitungan komputasi
dan analitis ………… 47 Tabel 4.3: Jumlah mesh statictics pada model
