commit to user
ANALISIS KARAKTERISTIK AERODINAMIKA
SEMI
TRAILER TRUCK
DENGAN MODIFIKASI
VORTEX TRAP
MENGGUNAKAN CFD (COMPUTATIONAL FLUID
DYNAMICS)
Arif Munandar1,Dominicus Danardono2, Syamsul Hadi2
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).
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
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 2. Distribusi pressure drag pada semitrailer
truck (Wood, 2003)
Pressure drag pada bagian gap antara head dan
trailer dapat dikurangi dengan menambahkan
commit to user
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.
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
trailertruck. 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.
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.
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
commit to user
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/m3 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.
HASIL DAN PEMBAHASAN Validasi Pemodelan
Validasi pemodelan berdasarkan koefisien drag
hasil eksperimen semi trailer truck yang tidak menggunakan aerodynamic parts maupun fairing
tambahan. Geometri semi trailer truck yang akan diuji dapat dilihat pada Gambar 4.
Nilai dari koefisien drag pada model truk referensi adalah 0,9. Validasi pemodelan dilakukan untuk menentukan model turbulensi yang akan digunakan. Pemilihan model turbulensi berdasarkan hasil koefisien drag yang mendekati nilai drag
model referensi dengan nilai error yang paling kecil. Simulasi pemilihan model turbulensi dilakukan pada kecepatan 19,5 m/s (70,2 km/jam) sesuai dengan kecepatan model referensi.
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 Simulasi
Koefisien drag hasil simulasi seluruh model ditunjukkan pada Tabel 2. Model dengan 6 panel VVT merupakan model yang paling aerodinamis dengan koefisien drag yang paling kecil pada 4 variasi kecepatan dari 5 variasi yang dilakukan.
Streamline aliran pada panel VVT
menunjukkan vortex yang terjebak di celah panel VVT pada Gambar 7.
commit to user
Kecepatan tinggi ini akan membuat tekananmenjadi 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.
Gambar 7. Streamline kecepatan 6 panel VVT
Gambar 8. Kontur kecepatan baseline dan 6 panel VVT
Tabel 2. Koefisien Drag Hasil Simulasi dengan Variasi Kecepatan
Model Jumlah Panel VVT
Kecepatan
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
software ANSYS Fluent telah berhasil dilakukan.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan jumlah panel vertical vortex trap dapat menurunkan koefisien drag aerodinamika model uji.
DAFTAR PUSTAKA
commit to user
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
