i
Analisis Penggunaan Spoiler (Rear Wing) Satu Tingkat dan Dua Tingkat Dalam Kondisi Steady Terhadap Koefisien Drag dan Lift
Pada Mobil Tipe Sedan dengan Menggunakan CFD (Computational Fluid Dynamic )
Skripsi
Oleh:
FAJAR FRIHDIANTO K2514030
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN TEKNIK MESIN FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA
Juni 2018
iii
Analisis Penggunaan Spoiler (Rear Wing) Satu Tingkat dan Dua Tingkat Dalam Kondisi Steady Terhadap Koefisien Drag dan Lift
Pada Mobil Tipe Sedan dengan Menggunakan CFD (Computational Fluid Dynamic )
Oleh:
FAJAR FRIHDIANTO K2514030
Skripsi
Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Pendidikan pada Program Studi Pendidikan Teknik Mesin
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN TEKNIK MESIN FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA
Juni 2018
v
MOTTO
“Barangsiapa yang menempuh suatu perjalanan dalam rangka untuk menuntut ilmu maka Allah akan memudahkan baginya jalan ke surga”
“Sesungguhnya Allah tidak akan mengubah keadaan suatu kaum sehingga mereka mengubah keadaan yang ada pada diri mereka sendiri”
(QS. Ar-Ra’d : 11)
“Aku memang berjalan pelan tapi aku tak pernah berjalan mundur”
(Abraham Lincoln)
“Menjadi orang biasa itu mudah, menjadi orang yang luar biasa itu butuh perjuangan dan perjuangan”
“Sukses berjalan dari satu kegagalan ke kegagalan yang lain, tanpa kita kehilangan semangat”
(Abraham Lincoln)
vii
PERSEMBAHAN Skripsi ini saya persembahkan untuk:
Keluarga tercinta
“Tiada kata-kata yang bisa menyamai walau hanya untuk menuliskan terima kasih. Terima kasih atas doa yang tiada henti, dukungan dan motivasi, nasihat- nasihat yang baik. Semuanya membuat saya menjadi lebih semangat untuk menjadi yang terbaik dari yang terbaik. Terima kasih atas semuanya. Tak akan ku bisa sampai ke titik ini tanpa kalian”.
Dosen PTM
“Terimakasih atas bimbingan Bapak/Ibu Dosen yang telah mengajarkan kami banyak ilmu dan pengalaman. Apa yang telah Bapak/Ibu Dosen ajarkan akan menjadi bekal bagi kami untuk melanjutkan perjuangan kami menuju masa depan.”
Teman-teman PTM 2014
“Teman seperjuangan selama 4 tahun yang telah mengukirkan cerita baru dalam hidup untuk dikisahkan kelak pada anak cucu. Terima kasih atas cerita suka duka, dukungan, kerjasama, nasihat-nasihat dan semuanya. Kuharap tetap bisa kerjasama walaupun sudah lulus nantinya. Jangan lelah untuk menebar benih kebaikan dan mengukir karya-karya baru.
ABSTRAK
Penelitian ini adalah simulasi yang menguraikan suatu kondisi aliran steady disekeliling bodi mobil yang dibuat dan dianalissis secara komputasi menggunakan program software berbasis CFD (Computational Fluid Dynamics).
Model yang digunakan adalah mobil sedan yang didesain dengan perbedaan bagian belakang bodi (rear end body) dengan penambahan spoiler. Analisis dalam penelitian ini dilakukan dengan menggunakan software Ansys 18.2–CFD Student Version. Desain dari ketiga 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 kondisi aliran steady. Model dibuat dalam skala yang sesuai dengan model mobil sedan Honda City 2008. Pengamatan dilakukan untuk melihat perilaku aliran fluida baik di depan maupun di belakang mobil dalam rentang kecepatan fluida yang berbeda- beda pada kondisi steady.
Dari hasil simulasi yang diperoleh dari paket CFD pada masing-masing kondisi: model tanpa spoiler, model dengan spoiler 1 tingkat dan model dengan spoiler 2 tingkat. Dimana simulasi ini menunjukan bahwa CD dan CL turun.
Salah satu contoh yaitu pada kecepatan 40 km/jam didapatkan koefisien drag (CD) sebesar 0,31061, 0,28603 dan 0,20544, itu membuktikan bahwa spoiler 1 tingkat dapat mengurangi nilai koefisien drag sekitar 7,9135% dari mobil sedan tanpa spoiler, sedangkan mobil dengan spoiler 2 tingkat dapat mengurangi nilai koefisien drag sebesar 33,8592% dari mobil tanpa spoile. Untuk koefisien lift (CL) pada masing-masing model sebesar -0,38487, -0,54624 dan -0,62097, itu membuktikan bahwa spoiler 1 tingkat dapat mengurangi nilai koefisien lift sekitar 41,92845% dari mobil sedan tanpa spoiler, sedangkan mobil dengan spoiler 2 tingkat dapat mengurangi nilai koefisien lift sebesar 61,35984% dari mobil tanpa spoiler. Pada hasil distribusi tekanan dan kecepatan relative sedikit berpengaruh pada bagian upper dan lower surface dimana hal ini ditunjukan dengan hampir tidak ada perbedaan warna konturnya. Kemudian jika dilihat dari streamline serta pola pembentukan vortex, terjadi perbedaan yang signifikan sehingga sangat berpengaruh pada besarnya CD dan CL yang terjadi. Dengan perubahan geometri membuktikan bahwa mobil model dengan spoiler 1 tingkat dan 2 tingkat lebih aerodinamis dibanding model tanpa spoiler.
Kata Kunci: Koefisien Drag, Koefisien Lift, Distribusi Tekanan, Distribusi Kecepatan, Aerodinamis, CFD, Mobil Sedan
ix ABSTRACT
This research was simulation analyzing the condition of steady flow in around of body car made and analized computly using CFD program (Computational Fluid Dynamic). The model used was Sedan car designed with different rear end body by adding spoiler. Analyzing in this research was done by using Software 18.2–CFD student Version. Design of the three models were compared to find out the difference in magnitude of Coefficient of Drag, Coefficient of Lift, pressure distribution, velocity distribution, and behavioral character of flow around the rear end of car in the condition of steady flow.
Model was made in appropriate scale with model of Honda city 2008 sedan car.
Observation was made to look at the behavior of fluida flows both in front and back the car in different fluid speed ranges in steady condition.
The simulation results obtained from packet CFD on each condition were;
model without spoiler, model with 1 level spoiler, and model with 2 level spoiler.
Where this simulation showed that CD and CL were decrease. One of the example was at speed 40km/hour obtained the coefficient of drag (CD) of 0,31061, 0,28603, and 0,2054, it proved that 1 level spoiler could reduce the value of drag coefficient about 7.9135% of the sedan car without spoiler, while the car with 2 level spoiler could reduce the value of drag coefficient about 33,8592% without spoiler. For the coefficient of lift (CL) on each model was -0,38487, -0,54624, and -0,62097 proved that spoiler 1 level could reduce the value of lift coeffient about 41,92845% of the sedan car without spoiler, while the car with 2 level spoiler could reduce the value of lift coefficient about 61,35984% without spoiler. On the result of pressure distrubution and relative velocity give little affect to the upper and lower surface where this was indicated by almost no color difference contours. Then, if it was indicated from streamline and the formation of vortex, there was a significant difference so that it was very influential on the size of CD and CL occoured. By changing geometric proved that the spoiler car 1 and 2 level were more aerodynamic than the car without spoiler.
Keywords: Drag Coefficient, Lift Coefficient, Pressure Distribution, Speed Distribution, Aerodynamic, CFD, Sedan Car.
KATA PENGANTAR
Puji syukur peneliti panjatkan ke hadirat Allah SWT karena telah memberikan rahmat dan karunia-Nya berupa ilmu, inspirasi, kesehatan dan keselamatan. Atas kehendak-Nya peneliti dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “Analisis Penggunaan Spoiler (Rear Wing) Satu Tingkat dan Dua Tingkat Dalam Kondisi Steady Terhadap Koefisien Drag dan Lift Pada Mobil Tipe Sedan Dengan Menggunakan CFD (Computational Fluid Dynamic)”.
Skripsi ini disusun untuk memenuhi sebagian persyaratan untuk mendapatkan gelar sarjana pada Program Studi Pendidikan Teknik Mesin, Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan, Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Peneliti menyadari bahwa terselesaikannya skripsi ini tidak terlepas dari bantuan, bimbingan dan pengarahan dari berbagai pihak. Untuk itu, peneliti menyampaikan terima kasih kepada:
1. Prof. Dr. Joko Nurkamto, M.Pd., Dekan Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan, Universitas Sebelas Maret Surakarta.
2. Dr. Suharno, S.T.,M.T., Kepala Program Studi Pendidikan Teknik Mesin, Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan, Universitas Sebelas Maret Surakarta.
3. Dr. Eng. Nyenyep Sriwardani, M.T., selaku pembimbing I yang selalu memberikan motivasi dan bimbingan dalam menyusun skripsi ini.
4. Dr. Indah Widiastuti, S.T., M.T., selaku pembimbing II yang selalu memberikan pengarahan dan bimbingan dalam menyusun skripsi ini.
5. Dr. Eng. Nugroho Agung P, M.Eng, selaku penguji yang telah memberikan saran, pengarahan dan bimbingan dalam ujian skripsi.
6. Teman-teman mahasiswa PTM FKIP UNS angkatan 2014 yang selalu saling menguatkan dan saling mendukung untuk terus semangat dalam mengerjakan dan menyelesaikan skripsi ini.
xi
Peneliti menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna dan hal ini antara lain karena keterbatasan peneliti. Meskipun demikian, peneliti berharap semoga skripsi ini bermanfaat bagi pembaca dan pengembangan ilmu.
Surakarta, Mei 2018
Peneliti
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL ... i
HALAMAN PERNYATAAN ... ii
HALAMAN PENGAJUAN ... iii
HALAMAN PERSETUJUAN ... iv
HALAMAN PENGESAHAN ... v
HALAMAN MOTTO ... vi
HALAMAN PERSEMBAHAN... vii
HALAMAN ABSTRAK ... viii
HALAMAN ABSTRACT ... ix
KATA PENGANTAR ... x
DAFTAR ISI ... xii
DAFTAR TABEL ... xiv
DAFTAR GAMBAR ... xv
DAFTAR LAMPIRAN ... xix
BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah ... 1
B. Identifikasi Masalah ... 5
C. Pembatasan Masalah ... 6
D. Rumusan Masalah ... 6
E. Tujuan Penelitian ... 7
F. Manfaat Penelitian ... 7
BAB II KAJIAN PUSTAKA, KERANGKA BERFIKIR, dan HIPOTESIS A. Kajian Pustaka ... 8
B. Kerangka Berfikir... 32
C. Hipotesis ... 33
BAB III METODE PENELITIAN A. Tempat dan Waktu Penelitian ... 34
xiii
B. Alat dan Bahan ... 34
C. Teknik Pengumpulan Data ... 35
D. Teknik Analisis Data ... 58
BAB IV HASIL dan PEMBAHASAN A. Deskripsi Data ... 59
B. Kondisi Simulasi ... 59
C. Hasil Simulasi Kondisi Aerodinamika pada Model Steady .. 63
1. Hasil Kontur Distribusi Tekanan ... 63
2. Hasil Kontur Distribusi Kecepatan ... 66
3. Hasil Pola Aliran Vector ... 68
4. Hasil Pola Aliran Streamline ... 70
D. Hasil Analisis Numerik pada Simulasi Model Steady ... 73
1. Data Hasil Simulasi Gaya drag, gaya lift, koefisien drag dan koefisien lift ... 74
2. Analisis Perhitungan Drag Coefficient dan Lift Coefficient... 80
E. Pembahasan Hasil Simulasi ... 85
BAB V SIMPULAN, IMPLIKASI dan SARAN A. Simpulan ... 97
B. Implikasi ... 99
C. Saran ... 99
DAFTAR PUSTAKA ... 101
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 Nilai koefisien tahanan beberapa jenis mobil ... 24
Tabel 3.1 Dimensi Mobil ... 37
Tabel 3.2 Kondisi Batas ... 37
Tabel 3.3 Kualitas Skewness Meshing ... 44
Tabel 3.4 Properties Material ... 56
Table 3.5 Metode yang Digunakan pada Validasi dan Penelitian... 57
Tabel 4.1. Setting Kondisi Simulasi ... 62
Tabel 4.2. Hasil Gaya Drag Dan Lift Mobil Tanpa Spoiler ... 75
Tabel 4.3. Hasil Koefisien Drag dan Lift Mobil Tanpa Spoiler ... 76
Tabel 4.4. Hasil Gaya Drag Dan Lift Mobil Dengan Spoiler 1 Tingkat ... 77
Tabel 4.5. Hasil Koefisien Drag dan Lift Mobil dengan Spoiler 1 Tingkat .. 78
Tabel 4.6. Hasil Gaya Drag dan Lift Mobil dengan Spoiler 2 Tingkat ... 79
Tabel 4.7. Hasil Koefisien Drag dan Lift Mobil dengan Spoiler 2 Tingkat .. 80
Tabel 4.8. Hasil Keseluruhan Perhitungan Koefisien Drag dan Lift... 84
Tabel 4.9. Hasil Keseluruhan Hasil Simulasi ... 86
Tabel 4.10. Tabel Perbandingan Gaya Drag dari Ketiga Model Simulasi ... 87
Tabel 4.11. Tabel Perbandingan Gaya Lift dari Ketiga Model Simulasi ... 89 Tabel 4.12. Tabel Perbandingan Koefisien Drag dari Ketiga Model Simulasi 91 Tabel 4.13. Tabel Perbandingan Koefisien Drag dari Ketiga Model Simulasi 94
xv
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 1.1 Pengaruh koeffisien drag pada konsumsi bahan bakar ... 3
Gambar 2.1 Pengaruh kecepatan terhadap total drag ... 10
Gambar 2.2 Frontal area ... 12
Gambar 2.3 Lapis batas pada pelat datar ... 13
Gambar 2.4 Bentuk bodi terhadap nilai gaya hambat ... 14
Gambar 2.5 Perkembangan bentuk bodi kendaraan dari tahun ke tahun dan pengaruhnya terhadap nilai gaya hambat ... 15
Gambar 2.6 Pengaruh bentuk bodi depan dan belakang terhadap nilai koefisien hambat ... 15
Gambar 2.7 Grafik pengaruh koefisien drag terhadap power dan kecepatan kendaraan ... 16
Gambar 2.8 Ilustrasi Gaya Drag Yang Bekerja Pada Suatu Kendaraan ... 17
Gambar 2.9 Rear end, (a) Squareback, (b) Fastback, (c) hatchback ... 18
Gambar 2.10 Pengaruh kemiringan bagian belakang terhadap koefisien drag... 19
Gambar 2.11 Variasi daya beban jalan terhadap komponen kecepatan ... 20
Gambar 2.12 Pola garis arus (streamline) pada model mobil Artega GT .... 21
Gambar 2.13 Pola garis arus (streamline) pada mobil jenis sports car Porsche ... 22
Gambar 2.14 Pola garis arus (streamline) pada model truk trailer ... 22
Gambar 2.15 Pola garis arus (streamline) pada model mobil sedan ... 23
Gambar 2.16 Pola garis arus (streamline) pada model mobil balap formula 1 ... 24
Gambar 2.17 Distribusi tekanan pada bidang simetri dari sebuah sedan ... 26
Gambar 2.18 18 Pola-pola garis arus (streamline) untuk mobil (a) sedan dan (b) fastback ... 26
Gambar 2.19 Spoiler ... 27
Gambar 3.1 Mobil sedan yang digunakan adalah mobil dengan bentuk
menyerupai Honda City ... 35
Gambar 3.2 Spoiler tingkat satu ... 36
Gambar 3.3 Spoiler tingkat dua ... 36
Gambar 3.4 Alur Penelitian sederhana ... 38
Gambar 3.5 Buku dan Jurnal yang digunakan Literature Dasar ... 39
Gambar 3.6 Desain sederhana bodi mobil sedan yang menyerupai Honda City ... 42
Gambar 3.7 Dimensi dari Domain Komputasi ... 42
Gambar 3.8 Proses Meshing ... 43
Gambar 3.9 Kualitas Mesh pada Objek Penelitian ... 43
Gambar 3.10 Kondisi batas yang di setting pada boundry condition ... 45
Gambar 3.11 Pemilihan metode Fluent pada ANSYS 18.2 ... 45
Gambar 3.12 Setting Geometry pada ANSYS Fluent ... 46
Gambar 3.13 Proses Meshing Pada Objek Penelitian ... 47
Gambar 3.14 Hasil Meshing Dan Hasil Skewness Ratio Pada Objek Yang Disimulasi ... 47
Gambar 3.15 Proses Pada General Setting Pada Proses Set Up ... 49
Gambar 3.16 Set Up Untuk Density Udara Yang Akan Mengalir Pada Objek Simulasi ... 49
Gambar 3.17 Setting Pada Metode Aliran Yang Digunakan Dalam Simulasi 49 Gambar 3.18 Setting Boundry Condition Inlet dan Outlet ... 50
Gambar 3.19 Setting Pada Reference Value ... 50
Gambar 3.20 Proses Setting Akhir Pada Simulasi ANSYS Fluent ... 51
Gambar 3.21 Proses Calculation Pada ANSYS ... 52
Gambar 3.22 Objek bodi mobil tanpa spoiler ... 53
Gambar 3.23 Mobil sedan dengan tambahan spoiler dua tingkat ... 53
Gambar 3.24 Mobil dengan penambahan spoiler satu tingkat ... 54
Gambar 3.25 Ahmed Body. (Meile, 2011) ... 54
Gambar 3.26 Body of influence ... 55
Gambar 3.27 Hasil meshing Ahmed Body dengan ANSYS ... 55
xvii
Gambar 3.28 Boundary Condition ... 56
Gambar 4. Domain Simulasi Mobil Sedan ... 60
Gambar 4.1 Objek Body Mobil Tanpa Spoiler ... 60
Gambar 4.2. Mobil Sedan dengan Tambahan Spoiler Satu Tingkat ... 61
Gambar 4.3. Mobil dengan Penambahan Spoiler Dua Tingkat ... 61
Gambar 4.4. Menunjukan Aliran Fluida Pada Simulasi Steady ... 62
Gambar 4.5. Kontur Distribusi Tekanan Pada Body Mobil Tanpa Spoiler .. 64
Gambar 4.6. Kontur Distribusi Tekanan Pada Body Mobil dengan Spoiler 1 Tingkat ... 64
Gambar 4.7. Kontur Distribusi Tekanan Pada Body Mobil dengan Spoiler 2 Tingkat ... 65
Gambar 4.8. Kontur Distribusi Kecepatan Pada Body Mobil Tanpa Spoiler 67 Gambar 4.9. Kontur Distribusi Kecepatan Pada Body Mobil dengan Spoiler 1 Tingkat ... 67
Gambar 4.10. Kontur Distribusi Kecepatan Pada Body Mobil dengan Spoiler 2 Tingkat ... 68
Gambar 4.11. Gambar Pola Aliran Vortex pada Bagian Belakang Mobil Tanpa Spoiler ... 69
Gambar 4.12. Gambar Pola Aliran Vortex pada Bagian Belakang Mobil dengan Spoiler 1 Tingkat ... 69
Gambar 4.13. Gambar Pola Aliran Vortex pada Bagian Belakang Mobil dengan Spoiler 2 Tingkat ... 70
Gambar 4.14. Gambar Pola Aliran Streamline Mobil Tanpa Spoiler ... 71
Gambar 4.15. Gambar Pola Aliran Streamline Mobil dengan Spoiler 1 Tingkat ... 72
Gambar 4.16. Gambar Pola Aliran Streamline Mobil dengan Spoiler 2 Tingkat ... 72
Gambar 4.17. Hasil Gaya Drag dan Lift ... 73
Gambar 4.18. Nilai CD dan CL Yang Ada Pada Print Of Console Simulasi .. 74
Gambar 4.19. Hasil Gaya Drag dan Lift Pada Mobil Tanpa Spoiler ... 74
Gambar 4.20. Hasil Koefisien Drag Dan Lift Mobil Tanpa Spoiler Yang Ada Pada Print of Console ... 75 Gambar 4.21. Hasil Gaya Drag dan Lift Pada Mobil dengan Spoiler 1
Tingkat ... 76 Gambar 4.22. Hasil Koefisien Drag dan Lift Mobil dengan Spoiler 1
Tingkat Yang Ada Pada Print of Console ... 77 Gambar 4.23. Hasil Gaya Drag dan Lift Pada Mobil dengan Spoiler 2
Tingkat ... 78 Gambar 4.24. Hasil Koefisien Drag dan Lift Mobil dengan Spoiler 2
Tingkat Yang Ada Pada Print of Console ... 79 Gambar 4.25. Grafik Perbandingan Gaya Drag dari Ketiga Model Simulasi . 88 Gambar 4.26. Grafik Perbandingan Gaya Lift dari Ketiga Model Simulasi .... 90 Gambar 4.27. Grafik Perbandingan Koefisien Drag dari Ketiga Model
Simulasi ... 92 Gambar 4.28. Grafik Perbandingan Koefisien Lift dari Ketiga Model
Simulasi ... 95
xix
DAFTAR LAMPIRAN
A. Waktu Penelitian ... 103
B. Gambar Distribusi Tekanan ... 103
C. Gambar Hasil Distribusi Kecepatan ... 106
D. Gambar Aliran Fluida di Sekeliling Mobil ... 109
E. Gambar Streamline Tampak Samping ... 110
F. Gambar Hasil Simulasi pembentukan Vortex ... 111
G. Tabel hasil Simulasi Ansys 18.2 Student ... 112
H. Perhitungan Koefisien drag dan lift ... 113
I. Tabel hasil Perhiutungan Koefisien drag dan Lift ... 116
J. Perhitungan dan Tabel Persentase Pengurangan Koefisien Drag ... 116
K. Perhitungan dan Tabel Persentase Pengurangan Koefisien Lift... 117
L. Surat Izin Menyusun Skripsi ... 118
M. Surat Permohonan Penelitian ... 119
N. Daftar Hadir Peserta Seminar Proposal Skripsi ... 121
