Analisis koefisien drag pada kendaraan hemat energy prototype menggunakan Ansys
Analysis of drag coefficient in energy-efficient vehicle prototype using Ansys
ABSTRACT
This study aims to determine the coefficient of drag on the vehicle body (Coefficient of Drag) and find out the parts of the body that have more pressure levels. Furthermore, a CFD approach simulation was carried out using Ansys 2023 R2 - flow fluent simulation software with a comparison of drag coefficients and avg pressure and wind speed, which is 30 km / h. The simulation results obtained that the average drag coefficient value in the prototype design was 0.194. Through this simulation, avg was obtained. The highest pressure is found on the front body of the vehicle, where the part has a max pressure of 101374 Pa. While the highest avg velocity is found in the airflow above the prototype body of about 10 m / s.
1. PENDAHULUAN
Seiring berjalannya waktu jumlah kendaraan semakin meningkat sehingga mempengaruhi penggunaan bahan bakar.
Tentu saja dengan peningkatan tersebut mengakibatkan semakin menipisnya persediaan bahan bakar. Selain itu bahan bakar ini merupakan bahan bakar yang tidak dapat diperbaharui sehingga suatu saat nanti akan habis. Dampak lain dari peningkatan jumlah kerndaraan ini adalah bertambahnya emisi gas buang yang berdampak buruk bagi lingkungan(Wibowo et al., 2022). Oleh karena itu berbagai usaha dilakukan untuk mengurangi konsumsi bahan bakar. Salah satunya adalah dengan merancang kendaraan hemat energy.
Penghematan konsumsi energi kendaraan bisa dilakukan dengan melakukan modifikasi penggerak, memilih bahan/material perancangan kendaraan yang ringan ataupun menentukan faktor aerodinamis kendaaraan.
Aerodinamika berasal dari dua suku kata yaitu aero dan dinamika. Aero memiliki arti sebagai udara dan dinamika sebagai pergerakan, jadi aerodinamika bisa di artikan sebagai pergerakan aliran udara yang memberi pengaruh atau menyebabkan gerak kepada benda saat bergerak dengan kecepatan tertentu(Prastyo et al., 2020). Aerodinamika merupakan salah satu ilmu yang memiliki dampak besar pada rekayasa otomotif modern. Aerodinamika sangat erat kaitannya dengan faktor eksternal yang mempengaruhi bodi mobil serta bentuk bodi mobil dengan tujuan tercapainya kinerja yang diinginkan. Beberapa parameter dalam aerodinamika seperti kekuatan dan koefisien sangat mempengaruhi karakter sebuah kendaraan saat dikendarai(Ananda et al., 2021). Faktor aerodinamis yang tepat tidak hanya bisa mempercepat kendaraan tapi juga bisa menghemat bahan bakar karena aerodinamis mempengaruhi gaya hambatan (drag) kendaraan. Pada salah satu kompetisi mobil hemat energi, perencanaan desain body kendaraan yang baik menjadi salah strategi untuk memperkecil drag mobil ketika melaju(Hendaryati et al., 2020).
Secara umum gaya yang terjadi saat mobil berjalan antara lain gaya hambat (drag force), gaya angkat (lift force), gaya samping (side force). Pada mobil, bagian yang pengaruhnya sangat besar terhadap gaya hambat adalah bagian depan serta bagian atap mobil. Karena pada bagian tersebut merupakan bagian yang mengalirkan udara dari depan sampai ke belakang. Diperkirakan aerodinamika pada mobil yang lebih efektif sekitar 3-4% untuk menghemat bahan bakar serta 10% untuk mengurangi drag (Alfian, 2022). Drag force merupakan gaya yang mempunyai sifat penghambat arah laju kendaraan sedangkan Lift merupakan gaya yang memiliki sifat pengangkat kendaraan. Gaya tersebut dipengaruhi oleh bentuk body, dimensi dan kecepatan suatu kendaraan(Hakim et al., 2019).
Body Aerodinamis pada sebuah kendaraan dapat mempengaruhi efisiensi bahan bakar dan memeinimalkan suatu gaya yang terjadi pada saat kendaraan sejang melaju. Berbagai cara agar dapat merancang body aerodinamis suatu kendaraan salah satunya yang dapat dilakukan adalah dengan menggunakan metode CFD. Metode CFD sangat direkomendasikan dikarenakan hasil akurat dan hemat biaya karena menggunakan bantuan software.(Nurcahyo &
Pada penelitian kali ini software yang digunakan adalah Ansys 2023 R2. Ansys merupakan program pemberi solusi numerik (Finite Element Method) berdasarkan simulasi visualnya. Pembagian elemen (diskrit) merupakan tahapan pembagian struktur menjadi bagian-bagian kecil. Dalam perangkat lunak ANSYS, kita dapat mengimpor file .iges langsung ke meja kerja tanpa penyesuaian desain lebih lanjut(Mamungkas et al., 2020). Sebagai pembanding digunakan hasil analisis mobil prototype hemat energy Jayabaya 1.0 dengan nilai koefisien drag sebesar 0.142 pada kecepatan 30 km/h(Ananda et al., 2021).
2. METODE PENELITIAN
Teknik penelitian yang digunakan peneliti merupakan teknik deskriptif. Dimana peneliti mencoba memodifikasi ujung depan bodi kendaraan awal yang berbentuk bulat menjadi berbentuk pipih melintang dengan harapan dapat mengurangi koefisien drag dan koefisien lift yang tercipta akibat aliran fluida di sekitar bodi mobil. Sehingga tingkat ke-aerodinamis-an dapat tergambarkan.
Desain penelitian menurut Mc Millan dalam [5] adalah rencana dan struktur penyelidikan yang digunakan untuk memperoleh bukti-bukti empiris dalam menjawab pertanyaan penelitian. Dikarenakan hasil outcome dari penelitian ini belum jelas, peneliti menyimpulkan bahwa standar desain penelitian ini merupakan desain penelitian studi kasus.
Studi kasus adalah memahami suatu kasus, orang-orang tertentu atau situasi secara mendalam.
Metode penelitian kualitatif dengan pendekatan studi kasus adalah sebagai prosedur penelitian yang menghasilkan data deskriptif berupa angka-angka tertulis yang dapat diamati sebagai mana adanya. Peneliti memilih teknik dan metode ini dengan alasan akan mendapatkan angka koefisien drag sehingga dapat di interpretasikan sebagai tingkat ke-aerodinamis-an.
Data pada penelitian ini merupakan data kualitatif, karena berbentuk angka-angka. Data bersumber dari hasil observasi laporan KMHE Jayabaya tahun 2020 Universitas Nusantara PGRI Kediri. Metode pengumpulan data dilakukan dengan software SolidWorks 2014. Mulai dari pembuatan bodi hingga simulasi aerodinamis semua dilakukan di software SolidWorks 2014.
a. Variabel Penelitian
Variabel merupakan objek dari sebuah penelitian, bisa dikatakan bahwa variabel merupakan sesuatu yang menjadi titik perhatian dalam suatu penelitian.
Tabel 1. Identifikasi Variabel
No Jenis Variabel Keterangan
1 Bebas Bentuk bodi kendaraan
2 Kontrol Parameter lingkungan pada
proses simulasi aliran
3 Terikat Kecepatan udara
A. Variabel Bebas
Pada penelitian ini, yang menjadi variabel bebas adalah variasi bentuk area depan.
B. Variabel Kontrol
Variabel kontrol pada penelitian ini adalah parameter lingkungan pada proses simulasi aliran yakni : a. Temperature jalan raya =27 ֯C
b. Tekanan statis =101325 Pa c. Massa jenis udara =1.225 kg/m3
C. Variabel Terikat
Variabel terikat untuk penelitian ini adalah kecepatan udara yang akan digunakan untuk mencari koefisien drag.
2.2 Desain
Desain geometri bodi Prototype dibuat menggunakan software Fusion 360. Setelah desain dibuat, maka tahapan selanjutnya adalah melakukan simulasi dengan metode CFD (computational fluid dynamics) pada software Ansys 2023 R2. Fitur flow simulation pada software Ansys 2023 R2 merupakan hal yang sangat membantu para pakar dan teknisi dalam membangun atau merancang sebuah objek secara umum dan pada khususnya di penelitian ini. Dengan banyaknya paramater dan batasan-batasan yang ada, membuat fitur yang tersemat pada Ansys 2023 R2 ini menjadi software yang dapat diandalkan.
2.3 Langkah Simulasi
Untuk langkah simulasi dan analisis data dapat dilihat pada tahapan berikut.
1. Pembuatan Boundary Layer dan meshing
Gambar 1
Parameter yang digunakan antara lain : a. Element size = 778 mm b. Max size = 1000 mm c. Nodes = 166072 d. Elemets = 924644
2. Memasukan Parameter Kondisi Batas dan Fluida a) Temperature = 27 ֯C
b) Tekanan statis = 101325 Pa
d) Massa jenis udara = 1.225 kg/m3
3. Memasukkan arah aliran untuk mendapatkan koefisien gesek
4. RUN calculation
Run kalkulasi dengan 1000 kali iterasi.
Proses RUN akan berjalan beberapa waktu tergantung jumlah iterasi.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Desain bodi prototype
Pada desain body prototype ini telah disesuaikan dengan pengaturan dan paduan dari kompetisi Shell Eco Marathon dengan dimensi sebagai berikut :
- Panjang = 3277.277 mm - Lebar = 1075 mm - Tinggi = 625.516 mm
3.2 Hasil simulasi dan pembahasan
Setelah proses kalkulasi selesai maka didapatkan hasil keluaran berupa koefisien drag dengan nilai Cd= 0.194 pada kecepatan 30 km/h.
Pada gambar di atas dapat dilihat hasil koefisien drag pada kendaraan prototype hemat energy yang disimulasikan.
Nilai tersebut terggolong lumayan tinggi untuk sebuah kendaraan dengan tipe prototype dimana kendaraan prototype merupakan kendaraan yang memiliki model desain yang berfokus pada aerodinamis. Nilai koefisien drag pada kendaraan prototype ini memiliki nilai yang lebih besar jika dibandingkan dengan koefisien kendaraan prototyoe Jayabaya 1.0 yang memiliki nilai koefisien drag Cd=0.142 pada kecepatan yang sama. Nilai Cd kendaraan prototype Jayabaya 1.0 ini 26.8% lebih kecil dibandingkan dengan nilai Cd kendaraan prototype hasil simulasi.
Pada gambar di atas dapat kita ketahui tekanan pada bagian depan bodi kendaraan. Pada area depan berwarna orange tersebut merupakan area dengan tekanan tertinggi pada kecepatan 30 km/h. Warna orange tersebut memiliki tekanan maksimal pada bodi kendaraan sebesar 101374 pa.
Gambar di atas merupakan kontur dari kecepatan udara yang dimana kecepatan udara tertinggi terdapat pada bagian atas kendaraan prototype dengan kontur berwarna kuning. Nilai kecepatan pada kontur berwarna kuning tersebut adalah sekitar 10 m/s pada skala.
Dari hasil analisis yang telah dilakukan diperoleh hasil koefisien drag Cd=0.194. nilai ini lebih besar dari nilai kefisien drag pada kendaraan prototype Jayabaya 1.0 dengan koefisien drag Cd=0.142 pada kecepatan udara yang sama yaitu 30 km/h. tekanan hambatan tertinggi sebesar 101372 pa pada bagian depan bodi kendaraan prototype.
Selain itu pada skala kontur kecepatan diperoleh kecepatan tertinggi sekitar 10 m/s . UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis pada kesempatan ini mengucapkan terimakasih kepada semua pihak yang telah membantu baik berupa materi maupun pikiran sehingga penelitian dan paper ini dapat terselesaikan. Yang kedua penulis mengucapkan terimakasih kepada Universitas Mataram khususnya Fakultas Teknik atas bantuan dana penelitian melalui program MBKM MSIB yang dilaksanakan di bengkel Workshop mobil listrik Fakultas Teknik.
DAFTAR PUSTAKA
Alfian, S. (2022). CFD ANALYSIS TO IMPROVEMENT THE USE OF WIND DIRECTORS ON BOX TRUCK FOR DRAG REDUCTION. 9041.
Ananda, R. P., Pramesti, Y. S., & Akbar, A. (2021). Analisis Aerodinamika Bodi Kendaraan KMHE Jayabaya Prototype 2.0. Seminar Nasional Inovasi Teknologi, 218–223.
Hakim, R., Nugroho, C. B., & Ruzianto. (2019). Desain Dan Analisa Aerodimanika Dengan Menggunakan Pendekatan CFD Desain Dan Analisa Aerodimanika Dengan menggunakan Pendekatan CFD Pada Model 3D Untuk Mobil Prototype “ Engku Putri .” Jurnal Integrasi, 8(1), 6–11.
https://www.researchgate.net/publication/328899414_Desain_dan_Analisa_Aerodimanika_Dengan_mengguna kan_Pendekatan_CFD_Pada_Model_3D_Untuk_Mobil_Prototype_Engku_Putri
Hendaryati, H., Jufri, M., Mokhtar, A., Saifullah, A., & Sudarman. (2020). Analisis Koefisien Aerodinamis Pada Mobil Hemat Energi Srikandi Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Malang. Jurnal SENTRA, 81.
Mamungkas, M. I., Saifullah, A., Hendaryati, H., & Suprianto, H. (2020). ANALISIS KEKUATAN LANDASAN PADA ALAT. 101–108.
Nurcahyo, Y. E., & Wahyudi, P. L. (2021). Rancang Bangun Body Fibercarbon dan Simulasi Aerodinamis dengan Ansys untuk Mobil Hemat Energi Kategori Prototype. Jurnal Engine: Energi, Manufaktur, Dan Material, 5(2), 90. https://doi.org/10.30588/jeemm.v5i2.883
Prastyo, B. W., Syafa’at, I., & Dzulfikar, M. (2020). ANALISIS AERODINAMIKA PADA BODI MOBIL HEMAT ENERGI LINTANG SAMUDRA MENGGUNAKAN METODE COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS.
Wibowo, B. S., Harefa, J. S., & Abdi, M. Z. (2022). Analisis Aerodinamika Kendaraan Tipe Prototype Tim Riset Hemat Energi Teknik Mesin UBB. 01(5), 880–885.
