Mobilitas manusia yang semakin tinggi membuat sektor transportasi menjadi bagian yang tidak dapat terpisahkan. Sebesar 99% dari semua alat transportasi menggunakan bahan bakar minyak, 88% merupakan transportasi darat. Mobil Listrik EC ITS merupakan solusi dari permasalahan penggunaan bahan bakar fosil. Perlu dilakukan analisa pada bodi mobil untuk mengetahui faktor yang berpengaruh pada konsumsi energi, dalam simulasi ini dilakukan pengamatan mendetail pada pengaruh dari geometri grill mobil. Penelitian dilakukan dengan metode numerik ( CFD) menggunakan software CFD. Pengambilan data dilakukan pada simulasi melewati bodi 2D dan midspan 3D. Model turbulensi k-ε realizable dan skema interpolasi second-order upwind..
Re
L=
2.81 x 106, boundary condition untuk inlet adalah velocity inlet sebesar 11,11 m/s, untuk outlet adalah pressure outlet, bodi mobil adalah wall, dan grill adalah wall pada simulasi tanpa efek grill dan porous jump untuk simulasi dengan efek grill. Nilai CD dan CL pada simulasi 2D tanpa efek grill adalah 0,2793 dan -0,663 sedangkan untuk simulasi 2D dengan efek grill adalah 0,2420 dan -0,591. Nilai CD simulasi 3D dengan efek grill adalah 0,2738 sedangkan simulasi 3D tanpa efek grill memiliki nilai CD 0,3087. Terjadi selisih sebesar 12,75% pada koefisien drag 3D dari mobil. CL pada simulasi 3D tanpa efekgrill lebih kecil, yaitu -0,086 sedangkan pada simulasi tanpa efek grill adalah -0,083.
Kata Kunci: Mobil Listrik EC ITS, Porous Jump, Grill, Simulasi 2D, Simulasi 3D.
I. PENDAHULUAN
Mobilitas manusia semakin meningkat seiring dengan perkembangan zaman, hal ini membuat kebutuhan akan sektor transportasi juga semakin meningkat sektor transportasi di Indonesia adalah pengkonsumsi energi terbanyak kedua pada tahun 2009 , dengan peningkatan rata-rata sebesar 5.8% selama tahun 1999 h ingga 2009. Indonesia merupakan 25 negara yang menghasilkan emisi CO2 hasil dari pembakaran bahan bakar fosil terbesar. Pertumbuhan emisi dari pembakaran bahan bakar fosil adalah 6% per tahun, minyak adalah penyumbang terbesar dari keseluruhan. Untuk mengatasi masalah tersebut diperlukan alternatif alat transportasi yang ramah lingkungan dan efisien. Perusahaan Listrik Negara (PLN) merupakan perusahaan negara yang bertanggung jawab terhadap produksi dan ketersediaan energi listrik di seluruh wilayah Indonesia. Berdasarkan data dari PLN, jumlah pelanggan dan kapasitas terpasang terus meningkat, wilayah yang dijangkau oleh pelayanan PLN juga terus bertambah.
Mobil listrik merupakan solusi dari permasalahan tersebut karena memiliki zero emission dan dapat menggunakan sumber energi terbarukan, perancangan mobil
listrik EC ITS diharapkan dapat menjadi salah satu alternatif. Faktor-faktor yang mempengaruhi konsumsi energi perlu dianalisa untuk memaksimalkan performanya. Aerodinamika merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi konsumsi energinya terhadap gaya drag dan lift, geometri dari mobil listrik EC ITS yang kompleks menyebabkan terjadinya berbagai fenomena aliran. Perlu dilakukan pengamatan pada karakteristik aliran secara 2D dan 3D. Grill yang terletak di bagian depan mobil dan menjorok ke dalam merupakan tempat dari titik stagnasi. Geometri grill memiliki lubang-lubang sehingga udara dapat menembus masuk ke kompatemen mesin.
Beberapa kajian telah dilakukan yang berkonsentrasi pada centreline kendaraan dengan menggunakan analisa aliran 2D. Barnard [6] mendapati bahwa faktor yang sangat mempengaruhi terjadinya gaya angkat pada road vehicle adalah jarak dengan jalan (ground clearance). Berdasarkan teori bahwa bagian bawah kendaraan akan membentuk efek venturi yang menghasilkan daerah bertekanan rendah, sehingga menciptakan gaya angkat negatif (downforce). Fukuda et al [7] telah mengkaji konsep aliran 3D pada aerodinamika automobil dengan menggunakan teknik CFD dan uji eksperimen di terowongan angin. Penelitian ini untuk mengetahui hubungan antara sudut inklinasi ujung belakang (θ) terhadap gaya drag dan lift serta struktur wake ditunjukkan sebagai dasar bentuk ujung belakang kendaraan. Didapatkan bahwa spiral vortex pada sumbu-x bertambah, berkurang atau hilang disebabkan perubahan sudut inklinasi ujung belakang (θ) dan hasilnya menyebabkan perubahan pada CD, CL, terutama CLR.
Gambar 1. Geometri bumper tempat peletakan grill
STUDI NUMERIK PENGARUH EFEK GRILL
TERHADAP KARAKTERISTIK ALIRAN 3 DIMENSI DI SEKITAR
MODEL MOBIL LISTRIK EC ITS DENGAN RASIO GROUND
CLEARANCE TERHADAP PANJANG MODEL (C/L = 0,03)
Andri Kurniawan dan Nur Ikhwan
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
Gambar 2. Geometri dari grill
Gambar 1 adalah gambar lubang peletakan grill pada bumper, terletak pada bagian tengah dari bumper dan menjorok ke dalam. Dari gambar 2 terlihat bahwa geometri dari grill cenderung mendatar, menyerupai trapesium, dan memiliki banyak lubang. Lubang-lubang pada grill berbentuk lingkaran. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui seberapa besar pengaruh dari adanya efek grill pada karakteristik aliran yang ada. Simulasi ini dilakukan dengan dua simulasi, simulasi tanpa efek grill dan simulasi dengan efek grill.
II. METODOLOGIPENELITIAN A. Geometri dari Mobil Listrik EC ITS
Berikut adalah geometri dari mobil listrik EC ITS, pembuatan geometri dilakukan pada software solidwork:
Tabel 1 Dimensi bodi mobil listrik EC ITS
Parameter Dimensi
l 3950 mm
w 1760 mm
h 1110 mm
c 120 mm
Gambar 3. Isometri bodi mobil tampak depan dan belakang Dari gambar 3 terlihat geometri mobil secara utuh, dipandang secara isometri depan. Aliran udara disimulasikan mengarah ke sumbu x positif.
Tabel 2 Dimensi grill
Parameter Dimensi
Panjang bawah 720 mm
Panjang atas 490 mm
Panjang sisi miring 320 mm
Diameter lingkaran 10 mm
Jumlah lubang 280 buah
B. Domain Permodelan
Terdapat dua jenis domain pemodelan, yaitu domain pemodelan 2D dan 3D. Pemodelan domain ini dilakukan dilakukan pada software meshing. Acuan dari domain pemodelan pada penelitian ini adalah penelitian yang dilakukan oleh Damjanovic.
Gambar 4. Domain pemodelan bodi (2D flow)
Gambar 5. Domain pemodelan bodi (3D flow) untuk simulasi dengan efek grill
Domain pemodelan aliran yang melintasi bodi mobil secara 2D digambarkan pada gambar 4. Pada bagian tersebut menyerupai bagian midspan dari simulasi 3D namun dianggap memiliki panjang yang tidak terbatas. Pada gambar 5 terlihat domain pemodelan secara 3 dimensi. Untuk mengurangi beban hardware saat simulasi, maka digunakan symmetry.
C. Meshing
Meshing pada simulasi 2D (gambar 6) dan 3D (gambar 7) dilakukan pada software meshing. Pada pemodelan 2D digunakan bentuk mesh quadrilateral-map, quadrilateral-pave, dan quadrilateral- tri primitive. Sedangkan untuk pemodelan 3D digunakan meshing polyhedral dengan S-function. Berikut adalah konfigurasi meshing yang digunakan:
Gambar 6. Meshing 2D-Flow x y z Inlet Velocity Inlet 2L L 4L Outlet Pressure Outlet Wall Wall Bodi Mobil Wall 2L Grill • Wall •Porous
Gambar 7. Meshing bodi 3D D. Parameter Pemodelan
Model yang digunakan adalah model turbulen k-ε realizable (RKE). Pada pemodelan ini dipilih udara sebagai fluida kerja dengan densitas (ρ) : 1,225 kg/m3 dan viskositas
(μ) : 1,7894 x 10-5 kg/m.s. Boundary condition pada inlet
digunakan velocity inlet dengan kecepatan ke arah sumbu x sebesar 11.11 m/s dan temperatur sebesar 300 K (≈26,85
oC). Solusi pada penelitian ini adalah menggunakan second
order untuk pressure, second order upwind untuk momentum, turbulent kinetic energy dan turbulent dissipation rate. Convergence criterion ditetapkan sebesar 10-5.
III. ANALISADANDISKUSI A. Analisa Aliran 2 Dimensi
Pemodelan 2D dimensi dilakukan untuk mengetahui karakteristik aliran yang melewati bodi mobil pada simulasi tanpa efek grill dan dengan efek grill. Simulasi 2 dimensi dilakukan untuk mengetahui fenomena yang terjadi pada saat tidak ada pengaruh sidebody. Hasil dari simulasi ini dibandingkan dengan hasil dari simulasi 3 di mensi pada midspan.
Gambar 8. Grafik distribusi Cp di upperside bodi tanpa efek grill dan dengan efek grill (2D-Flow)
Pada gambar 8 t erlihat distribusi Cp pada bagian upperside. Bagian leading edge simulasi upperside bodi
tanpa efek grill akan memiliki nilai Cp yang semakin berkurang karena aliran udara free stream dipaksa untuk melewati bodi mobil. Simulasi tanpa efek grill yang menganalogikan grill sebagai wall mengakibatkan udara tidak dapat menembus masuk. Geometri grill yang menjorok ke dalam membuat tekanan stagnasi di bagian atas grill menjadi besar. Tekanan stagnasi yang besar memaksa aliran untuk terdefleksi ke bagian upperside. Stagnasi pada simulasi tanpa efek grill terjadi pada x/l= 0,021976 (x= 0,086615 m) sedangkan untuk simulasi dengan efek grill terjadi pada x/l= 0,016655 (x= 0,065644 m).
Gambar 9. Grafik distribusi Cp di lowerside bodi tanpa efek grill dan dengan efek grill (2D-Flow)
Dari Gambar 9 terlihat bahwa pada simulasi dengan efek grill nilai Cp minimumnya lebih tinggi dari dari simulasi tanpa efek grill. Hal ini disebabkan karena pada simulasi dengan efek grill jumlah aliran yang terdefleksi ke lower side lebih sedikit daripada simulasi tanpa efek grill, sehingga kecepatan aliran pada simulasi dengan efek grill tidak bertambah sebesar simulasi tanpa efek grill. Nilai Cp minimum simulasi tanpa efek grill terjadi pada x/l=0,022 dengan nilai -2,444 sedangkan pada simulasi dengan efek grill nilai Cp minimumnya terjadi pada x/l=0,022 dengan nilai -2,243.
Tabel 3. Informasi posisi medan aliran 2 dimensi untuk simulasi tanpa efek
grill dan dengan efek grill
Parameter Segmen efek grill Tanpa efek grill Dengan Lokasi minimum pressure Upperside x/l= 0,528 x/l= 0,528 Lowerside x/l=0,022 x/l=0,022 Lokasi titik stagnasi Upperside x/l=0,016 x/l=0,021 Lokasi titik separasi Upperside x/l=0,834 x/l=0,834 Lowerside x/l=0,980 x/l=0,978 Lokasi hilangnya backflow Downstream x/l= 1,65 x/l= 1,65 Dari tabel 3 terlihat bahwa lokasi minimum pressure, titik separasi upperside, dan lokasi hilangnya backflow adalah sama, sedangkan untuk lokasi titik separasi pada bagian lowerside berbeda, memiliki selisih yang sangat kecil, yaitu 0,002. Lokasi titik stagnasi antara simulasi tanpa dan dengan efek grill juga memiliki perbedaan.
-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Cp x/l
Upper Tanpa Efek Grill Upper Dengan Efek Grill
-2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Cp x/l
Lower Tanpa Efek Grill Lower Dengan Efek Grill
-1.5 -0.5 0.5
B. Analisa Aliran 3 Dimensi
Analisa 3 dimensi perlu dilakukan untuk mengetahui karakteristik aliran yang terjadi akibat adanya pengaruh sidebody. Analisa ini ditunjang dengan hasil analisa simulasi 2 dimensi.
Gambar 10. Grafik perbandingan tekanan bagian upper aliran 3D tanpa efek grill dan dengan efek grill
Dari gambar 10 menunjukan bahwa pada simulasi dengan efek grill memiliki nilai penurunan nilai Cp yang lebih bertahap. Aliran yang masuk ke grill menyebabkan aliran tidak perlu berdesakan menuru lowerside dari mobil. Namun Cp setelah melalui bagian grill memiliki nilai yang sama, terlihat dari grafik Cp yang berhimpit. Hal ini menunjukkan bahwa penggunaan hanya berpengaruh di bagian depan mobil saja, setelah melewati grill aliran tersebut tidak berpengaruh pada aliran yang melalui mobil. Pada upperside separasi keduanya terjadi pada x/l=0,834 menunjukkan bahwa simulasi dengan efek grill tidak berpengaruh pada aliran upperside.
Gambar 11. Grafik Perbandingan tekanan bagian lower aliran 3D tanpa efek grill dan dengan efek grill
Dari gambar 11 dapat dilihat bahwa simulasi dengan menggunakan grill berpengaruh pada bagian depan dari kendaraan. Hal ini terlihat dari nilai Cp pada simulasi tanpa efek grill memiliki nilai CP yang spaling rendah, yaitu -1,885 sedangkan pada simulasi dengan efek grill memiliki nilai Cp -1,73. Perbedaan ini alibat dari aliran pada simulasi tanpa efek grill yang terdefleksi ke arah lowerside sedangkan pada simulasi dengan efek grill aliran dapat menembus masuk ke grill.
(a)
(b)
Gambar 12. Kontur tekanan bagian depan mobil pada simulasi (a) tanpa efek grill dan (b) simulasi menggunakan efek grill -1 -0.5 0 0.5 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Cp x/l
Upper Tanpa Efek Grill Upper dengan Efek Grill
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Cp x/l
Lower Tanpa Efek Grill Lower dengan Efek Grill
-0.5 0 0.5 1 0 0.05 -2 -1 0 1 0 0.05 0.1 Tekanan (Pa)
(a)
(b)
Gambar 13 Kontur tekanan bagian depan mobil pada simulasi (a) tanpa efek grill dan (b) simulasi menggunakan efek grill
Pada gambar 12 dapat dilihat bahwa kontur tekanan statik pada simulasi tanpa efek grill, bagian bawah dari dari grill memiliki warna jingga sedangkan sedikit ke atas warnanya menjadi merah. Sedangkan pada simulasi dengan efek grill, bagian bawah dari grill memiliki warna jingga sampai ketinggian tertentu berubah menjadi merah. Hal ini menunjukkan bahwa daerah bertekanan tinggi pada gill cenderung berkurang. Bagian leading edge (di atas grill) pada simulasi tanpa efek grill memiliki tekanan tinggi yang lebih terpusat sedangkan pada simulasi tanpa efek grill daerah bertekanan tingginya cenderung tersebar. Pada bagian buritan (gambar 13) terlihat bahwa pada bagian atas dan samping simulasi tanpa efek grill memiliki daerah bertekanan tinggi yang terpusat, ditunjukkan dengan warna coklat. Namun aliran di bagian ini cenderung sama.
C. Gaya Aerodinamika
Gaya drag dan lift yang dialami kendaraan didapat dari software CFD. Gaya drag dan lift merupakan salah satu hasil kuantitatif yang berhubungan dengan hasil kualitatif yang didapat, yaitu karakteristik aliran. Gaya drag dan lift disajikan berupa data kuantitatif Cd dan Cl. Berikut adalah nilai Cd dan Cl pada simulasi 2 dimensi dan 3 dimensi:
Gambar 14. Cd sesuai jenis simulasi
Pada gambar 14 terlihat bahwa Cd bernilai lebih kecil pada simulasi dengan menggunakan efek grill daripada simulasi tanpa menggunakan efek grill. Hal ini disebabkan karena pada simulasi dengan efek grill nilai gaya drag pada bagian grill berkurang hingga hampir setengah dari simulasi tanpa efek grill. Pada simulasi 3D Cd memiliki nilai yang lebih besar daripada2D karena adanya pengaruh sidebody.
Gambar 15. Cl sesuai jenis simulasi
Nilai koefisien lift bernilai negatif berarti terjadi gaya tekan ke bawah (downforce). Semakin besar downforce yang terjadi maka semakin besar traksi yang dihasilkan oleh roda. Pada simulasi dengan efek grill, nilai downforce berkurang, hal ini diakibatkan karena aliran menembus masuk ke dalam grill dan tidak mengalir pada lowerside, sehingga kecepatan alirannya lebih lambat daripada simulasi tanpa efek grill.
IV. KESIMPULANDANSARAN
Dari penelitian ini didapatkan kesimpulan sebagai berikut:
1. Efek sidebody sangat memberikan pengaruh terhadap karakteristik aliran di sekitar midspan. Sebagian aliran yg mengalir ke arah upperside surface memilih ke arah sidebody dari pada ke arah midspan. Fenomena ini menyebabkan terjadinya vortex separasi 3D yang bermula saat aliran di bawah kendaraan mengalir ke sidebody kemudian berinteraksi dengan aliran di sidebody yang memiliki perubahan bentuk kontur yang cukup komplek. 0.2793 0.2420 0.3087 0.2738 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 Jenis Simulasi Cd
Tanpa Efek Grill 2D Dengan Efek Grill 2D Tanpa Efek Grill 3D Dengan Efek Grill 3D
-0.663 -0.591 -0.086 -0.083 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 Cl Jenis Simulasi
Dengan efek grill 2D Tanpa efek grill 2D Tanpa efek grill 3D Dengan efek grill 3D Tekanan
2. Efek grill terlihat pada penurunan nilai Cp (pressure coefficient) yang lebih bertahap, pengurangan nilai Cp tidak setajam pada simulasi tanpa efek grill.
3. Perbedaan nilai coefficient of pressure pada analisa 2D flow dan 3D flow disebabkan adanya efek sidebody sehingga menyebabkan adanya perbedaan posisi kecepatan maksimum dan letak sparasi.
4. Jarak titik separasi yang didapat dari simulasi ini sama pada bagian upperside, yaitu x/l=0,834 dan pada lowerside hampir sama yaitu x/l=0,980 untuk simulasi tanpa efek grill dan x/l=0,978 untuk simulasi dengan menggunakan efek grill .
5. Drag force yang ditimbulkan pada simulasi 3D flow tanpa menggunakan efek grill lebih besar 10,52% lebih besar dibandingkan dengan drag force pada simulasi 2D flow tanpa menggunakan efek grill. Sedangkan pada simulasi 3D flow dengan efek grill lebih besar 13.14% dibandingkan dengan drag force pada simulasi 2D flow dengan efek grill.
6. Simulasi dengan efek grill memiliki hasil yang lebih mendekati kenyataan karena aliran dapat menembus ke bagian mesin. Simulasi 3D flow menggunakan efek grill mereduksi nilai drag sebesar 12,75%.
7. Untuk mendapatkan keakuratan data kuantitatif dan kualitatif dari pemodelan 3D, sangat perlu kerapatan mesh yang sangat berkorelasi terhadap hardware komputer. Sehingga diperlukan komputer berkualitas baik yang dapat mengakomodasi kepentingan penelitian selanjutnya.
UCAPANTERIMAKASIH
Penulis berterimakasih kepada seluruh pihak yang telah membantu dan seluruh staf jurusan Teknik Mesin ITS Surabaya yang telah memberikan banyak pelajaran berharga kepada penulis.
DAFTAR PUSTAKA
[1] ESDM. Indonesia Energy Outlook 2010. 2010. Jakarta, Indonesia.
[2] Sugiyono, Agus. Data Historis Konsumsi Energi dan Proyeksi Permintaan-Penyediaan Energi di Sektor Transportasi. 2013. Jakarta, Indonesia. [3] Haeni, Jeffrey H., Green, Collin, S etianto, Edi.
Indonesia Energy Assessment. 2008. Indonesia. [4] Badan Pusat Statistik. 2013. Pelanggan
Perusahaan Listrik Negara (PLN) 1995-2009, <URL:http://www.bps.go.id/tab_sub/view.php?ka t=2&tabel=1&daftar=1&id_subyek=07¬ab=2>. [5] Badan Pusat Statistik. 2013. Kapasitas Terpasang
(MW) Perusahaan Listrik Negara (PLN) menurut Jenis Pembangkit Listrik 1995-2011, <URL: http://www.bps.go.id/tab_sub/view.php?kat=2&tab el=1&daftar=1&id_subyek=07¬ab=4>.
[6] Barnard, R.H. Road Vehicle Aerodynamic Design: An Introduction. 1996. UK
[7] Fukuda, Hitoshi, Yanagimoto, Kazuo, China, Hiroshi, and Nakagawa, Kunio. Improvement of Vehicle Aerodynamics by Wake Control, JSAE Review 1,p.p. 151-155.1994. Japan.
