si
Analisis koefisien drag pada kendaraan hemat energy prototype menggunakan Ansys
Analysis of drag coefficient in energy-efficient vehicle prototype using Ansys
Muhammad Agus Muliawan
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Manasaja, Jl. Majapahit no. 62, Mataram, NTB, 83125, Indonesia. HP. 082111738971
*E-mail: agushmuliawan @gmail.com
ARTICLE INFO ABSTRACT
Article History:
Received Accepted Available online
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.
Keywords:
Coefficient drag CFD
Ansys
Dinamika Teknik Mesin, , p. ISSN: 2088-088X, e. ISSN: 2502-1729
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. Untuk mendukung terciptanya kendaraan hemat energy ini maka berbagai kompetisi kendaraan hemat energy diadakan.
Salah satunya adalah kompetesi kendaraan hemat energy berskala internasional yaitu Shell-Eco Marathon.
Kompetisi ini bertujuan agar semua participants dari berbagai negara menuangkan pengetahuan dan kreatifitasnya dalam membangun dan merancang kendaraan hemat energy. Pada kompetisi tersebut beberapa kampus di Indonesia juga ikut berpartisipasi salah satunya adalah Universitas Mataram. Pada kompetisi tersebut Universitas Mataram berhasil lolos sampai race dengan mengirim kendaraan hemat energy dengan kategori prototype yang telah dirancang dan modifikasi.
Penghematan konsumsi energi kendaraan bisa dilakukan dengan melakukan modifikasi penggerak, memilih bahan/material perancangan kendaraan yang ringan ataupun menentukan faktor aerodinamis kendaaraan. Aerodinamika sangat erat kaitannya dengan faktor eksternal yang mempengaruhi bodi mobil serta
Dinamika Teknik Mesin 11(1) (2021) 1-8
bentuk bodi mobil dengan tujuan kendaraan tersebut bergerak dengan hambatan seminim mungkin (Ananda et al., 2021). Faktor aerodinamis yang tepat tidak hanya bisa mempercepat kendaraan tapi juga bisa menghemat bahan bakar karena dengan hambatan yang minim maka kendaraan dapat melaju dengan daya yang lebih rendah.
Jika penggunaan daya semakin rendah ketika kendaraan melaju maka tentu saja konsumsi bahan bakar juga akan semakin rendah.
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 sehingga gaya tersebut sangat dipengaruhi oleh bentuk body, dimensi dan kecepatan suatu kendaraan (Hakim et al., 2019). Oleh karena itu, perencanaan desain body kendaraan yang baik menjadi salah strategi untuk memperkecil drag mobil ketika melaju (Hendaryati et al., 2020).
Kendaraan hemat energy prototype yang dikirim Universitas Mataram untuk mengikuti kompetisi sedemikian rupa dengan bentuk dan dimensi bodi sesuai dengan regulasi yang diizinkan dalam kompetisi tersebut. Tentu saja kendaraan tersebut didesain dengan mempertimbangkan hambatan yang dapat terjadi pada kendaraan tersebut ketika melaju. Selain itu pemilihan material dan ketebalan bodi juga menjadi pertimbangan untuk mendapatkan bodi yang ringan dan kaku (rigid). Untuk mengetahui hambatan yang terjadi pada kendaraan yang telah dirancang maka dapat dilakukan dengan berbagai cara salah satunya adalah dengan menggunakan metode CFD. Metode CFD sangat direkomendasikan dikarenakan hasil akurat dan hemat biaya karena menggunakan bantuan software (Nurcahyo & Wahyudi, 2021). Beberapa artikel yang ditemukan menggunakan cara yang sama untuk mengetahui nilai hambatan kendaraan hemat energy yang telah mereka rancang. Oleh karena itu, tujuan penelitian ini sama yaitu untuk mengetahui nilai hambatan pada kendaraan hemat energy prototype. Kendaraan prototype yang dimiliki tentu saja memiliki geometry dan bentuk yang berbeda sehingga dengan penelitian ini dapat menghasilkan nilai hambatan yang akan menjadi referensi untuk mendapatkan nilai hambatan yang lebih kecil pada perancangan dan pembuatan berikutnya.
2. METODE PENELITIAN
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mendapatakan nilai hamabatan dari kendaraan hemat energy prototype dengan bentuk bagian depan yang meruncing dengan harapan udara dapat dengan mudah melewatinya sehingga nilai koefisien drag-nya kecil.
Metode penelitian yang digunakan adalah metode penelitian kualitatif dengan pendekatan studi kasus.
Metode penelitian kualitatif dengan pendekatan studi kasus adalah sebuah 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 diinterpretasikan sebagai tingkat ke-aerodinamis-an kendaraan hemat energy prototype.
2.1 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.
Pada desain body prototype ini telah disesuaikan dengan pengaturan dan paduan dari kompetisi Shell- Eco Marathon dengan dimensi sebagai berikut :
Tabel 1. Dimensi kendaraan prototype Keterangan Dimensi (mm)
Panjang 3277.277
Lebar 994.912
Tinggi 625.516
Gambar 1. Desain dan dimensi kendaraan
2.2 Langkah Simulasi
Untuk langkah simulasi dan analisis data dapat dilihat pada tahapan berikut.
1. Pembuatan boundary dan meshing
Pada proses pembuatan boundary jarak antara batas ke bodi mobil disesuaikan tidak terlalu jauh maupun tidak terlalu dekat dengan asumsi boundary ini adalah sebuah tunnel (terowongan).
Ukuran dari boundary tersebut ditunjukkan pada tabel berikut.
Tabel 2. Dimensi boundary
Keterangan Jarak bodi ke boundary (mm)
Atas 1000
Bawah 1
Samping kiri 1000
Samping kanan 1000
Depan 1000
Belakang 1000
Kemudian akan dilakukan meshing pada bodi prototype yang telah diberikan boundary tersebut dengan parameter sebagi berikut.
Tabel 3. Data meshing
Keterangan Data
Element size 778 mm
Max size 1000 mm
Jumlah nodes 166072
Jumlah elements 924644
Skewness quality 0,23771
Orthogonal quality 0,76102
2. Memasukan Parameter Kondisi Batas dan Fluida
Selanjutnya memasukkan parameter kondisi batas atau kondisi lingkungan sekitar pada boundary dan kecepatan aliran angin dengan parameter sebagi berikut.
Tabel 4. Parameter lingkungan sekitar
Keterangan Data
Temperature udara 27 ֯C
Tekanan udara 101325 Pa
Kecepatan udara 30 km/h
Density udara 1.225 kg/m3
3. Memasukkan arah aliran untuk mendapatkan koefisien gesek
Untuk mendapatkan hasil yang sesuai dengan diinginkan maka harus ditentukan arah datangnya aliran udara serta menetukan variabel yang akan dicari. Arah udara pada simulasi ini adalah dari sisi bagian depan kendaraan karena kendaraan diasumsikan bergerak maju ke depan. Untuk variabel yang akan dicari adalah nilai koefisien drag dari kendaraan prototype.
4. RUN calculation
Run caculation dilakukan dengan kalkulasi sebanyak 1000 kali iterasi untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat. Namun semakin banyak iterasi maka semakin lama proses kalkulasi akan berjalan.
Hal ini akan berdampak pada computer yang digunakan untuk simulasi. Setiap computer memiliki spesifikasi yang berbeda-beda, semakin tinggi spesifikasinya maka semakin banyak iterasi yang bisa dijalankan.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Koefisien Drag
Setelah proses kalkulasi selesai maka didapatkan hasil keluaran berupa koefisien drag dengan nilai Cd=
0.194 pada kecepatan 30 km/h.
0 200 400 600 800 1000 1200
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Coeffisien Drag
Iteration
Coeffisien Drag (Cd)
Gambar 2. Grafik hasil kalkulasi dan nilai koefisien drag
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 (Ananda et al., 2021). Nilai Cd kendaraan prototype Jayabaya 1.0 ini 26.8% lebih kecil dibandingkan dengan nilai Cd kendaraan prototype hasil simulasi.
3.2 Tekanan Hambatan Pada Body Kendaraan
Berdasarkan hasil simulasi dapat dietahui bahwa titik tekanan tertinggi terdapat pada ujung depan kendaraan dengan nilai tekanan sebesar 101374 Pa pada kecepata udara 30 km/h. Tekanan ini meningkat 49 Pa dari tekanan udara normal yaitu sebesar 101325 Pa. Pada gambar 3 dapat dilihat area depan adalah area dengan tekanan yang lebih tinggi. Berdasarkan luas areanya, area hambatan pada bagian depan masih terlalu lebar sehingga perlu dilakukan perubahan untuk mengurangi area hambatanya.
Gambar 3. Contour pressure pada surface
Gambar 4. Contour pressure pada boundary
Pada gambar di atas dapat kita ketahui tekanan pada area sekitar kendaraan. Pada area depan berwarna orange tersebut merupakan area dengan tekanan tertinggi pada kecepatan 30 km/h. Warna kuning pada bagian depan dan bagian belakang kendaraan lebih gelap. Sedangkan bagian atas kendaraan warna kuningnya lebih cerah. Artinya tekanan udara pada bagian depan dan belakang kendaraan lebih besar dibandingkan dengan udara pada bagian atas kendaraan.
3.3 Contour Velocity pada Boundary
Berdasarkan gambar hasil simulasi kontur kecepatan aliran udara dibawah dapat diketahui bahwa pada area tekanan yang lebih tinggi, kecepatan aliran udaranya semakin rendah. Semakin tinggi tekanan pada titik tersebut maka kecepatan aliran udaranya juga semakin rendah begitu juga sebaliknya. Berdasarkan gambar tersebut kecepatan udara tertinggi terdapat pada area di atas bodi kendaraan dengan nilai sekitar 11.73 m/s dan kecepatan udara terendah terdapat pada area belakang kendaraan prototype dengan nilai sekitar 2.347 m/s.
Gambar 5. Contour velocity pada boundary
4. KESIMPULAN
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 101374 Pa pada bagian depan bodi kendaraan prototype. Tekanan tersebut meningkat sebesar 49 Pa dari tekanan atmosfer/tekanan udara sekitar.
Selain itu pada skala kontur kecepatan diperoleh kecepatan tertinggi sekitar 11.73 m/s pada udara di area atas bodi kendaraan prototype dan kecepatan terendah pada sekitar area belakang dengan kecepatan sekitar 2.347 m/s. Berdasarkan hasil simulasi tersebut kendaran prototype ini perlu dimodifikasi bentuknya sehingga mengurangi area hambatan dan meningkatkan ke-aerodinamis-annya.
UCAPAN TERIMAKASIH
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 improvevement the use of wind directorson 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_meng gunakan_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.
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
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.
