analisis aerodinamika pada mobil sedan dengan variasi sudut

ANALISIS AERODINAMIKA PADA MOBIL SEDAN
DENGAN VARIASI SUDUT DIFFUSER DAN SUDUT BOAT TAIL
MENGGUNAKAN CFD (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS)
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat
untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh:
DANANG BUDI PRASETYO
NIM. I0411012
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2017
KATA PENGANTAR
Dengan menyebut nama Allah Yang Maha Pengasih lagi Maha Pemurah.
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah Yang Maha Besar, karena
berkat limpahan rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyusun dan
menyelesaikan laporan Skripsi ini dengan baik.
Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Dalam penyelesaian Skripsi ini tidak mungkin dapat terselesaikan tanpa
bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung maupun tidak langsung. Oleh
karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih yang
sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan
Skripsi ini, terutama kepada:
1. Allah SWT yang telah memberikan kuasa, rahmat, berkah, dan hidayah-Nya.
2. Ayah dan ibu penulis yang selalu mencurahkan segala doa, daya dan
kemampuannya untuk penulis sehingga penulis mampu menjadi seperti
sekarang ini.
3. Bapak D. Danardono S.T., M.T., PhD. selaku Dosen Pembimbing I yang selalu
memberikan dukungan yang begitu banyak dan memberikan solusi ketika
penulis mendapatkan kesulitan.
4. Bapak Dr.Techn. Syamsul Hadi S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing II yang
telah memberikan saran, solusi, dan bersedia membantu tata tulis dalam
penyusunan laporan ini. Terima kasih telah membimbing penulis selama ini.
5. Bapak Purwadi Joko W. S.T., M. KOM., Bapak R. Lulus Lambang S.T., M.T.,
dan Bapak Eko Prasetyo B. S.T., M.T. selaku dewan penguji yang telah
memberikan saran dan kritik yang membangun. Terima kasih banyak atas
segala masukan, kritik, dan saran yang telah diberikan kepada penulis.
6. Semua keluarga di Prambanan yang telah memberikan doa dan dorongan
semangat baik moril maupun materil kepada penulis selama pengerjaan skripsi
ini.
7. Seluruh rekan Teknik Mesin khususnya angkatan 2011 yang telah membantu
dalam penyusunan laporan skripsi ini.
iv
8. Seluruh pihak yang secara langsung maupun tidak langsung yang telah
memberikan bantuan dan dukungannya dalam pembuatan laporan ini yang tidak
bisa penulis sebutkan satu persatu.
Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan laporan ini masih jauh dari
kata sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan saran serta kritik yang dapat
membangun laporan ini agar menjadi lebih baik.
Akhir kata semoga laporan ini dapat memberikan manfaat dan berguna bagi
kita semua. Amin.
Surakarta, Januari 2017
Penulis
v
ANALISIS AERODINAMIKA PADA MOBIL SEDAN
DENGAN VARIASI SUDUT DIFFUSER DAN SUDUT BOAT TAIL
MENGGUNAKAN CFD (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS)
Danang Budi Prasetyo
I0411012
Mahasiswa Program Sarjana Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret
Surakarta Indonesia
[email protected]
+6281369182495
Abstrak
Perbaikan sifat aerodinamika pada kendaraan dapat dilakukan dengan menambah
atau mengurangi bagian dari kendaraan tersebut. Pada model sedan tiga dimensi
dengan penambahan diffuser dan boat tail pada bagian rear end menambah ruang
gerak udara di sekitar kendaraan. Analisis model mobil dilakukan pada kecepatan
100 km/jam (untuk mendapatkan nilai koefisien drag). Analisis model mobil sedan
dilakukan dengan menggunakan software ANSYS Fluent. Hasil penelitian
menunjukan bahwa penambahan diffuser pada mobil sedan dihasilkan model
terbaik pada sudut 6° dengan penurunan koefisien drag mencapai 9,5%.
Penambahan boat tail pada model dengan sudut diffuser 6° dihasilkan model
terbaik pada sudut boat tail 5° dengan penurunan koefisien drag mencapai 4%.
Penurunan total koefisien drag dari model terbaik mencapai 13,21% dibandingkan
dengan model baseline. Pada pengujian model terbaik pada rentang kecepatan 25
km/jam-125 km/jam didapatkan bahwa kecepatan yang semakin bertambah maka
nilai koefisien drag mengalami kenaikkan sampai kecepatan 100 km/jam,
kemudian terjadi sedikit penurunan pada kecepatan 125 km/jam.
Kata kunci : ANSYS Fluent, Boat tail, Diffuser, koefisien drag, Mobil sedan.
vi
AEROYNAMICS ANALYSIS ON THE SEDAN CAR
WITH VARIATIONS OF DIFFUSER ANGLE AND BOAT TAIL ANGLE
BY USING CFD (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS)
Danang Budi Prasetyo
I0411012
Student of Undergraduate Program of Mechanical Engineering
Faculty Of Engineering Sebelas Maret University
Surakarta Indonesia
[email protected]
+6281369182495
Abstract
Aerodynamics properties improvements in vehicle can be done by adding or
reducing a part of the vehicle. At the tree dimensional sedan model with the
additional of diffuser and boat tail at the rear end increase the air space around
the vehicle. Sedan car model analysis performed at speed 100 km/h (to get the value
of drag coefficient). Analysis has been carried out by using ANSYS Fluent software.
The result showed that the addition of diffuser at the sedan model was produced the
best model at an angle of 6° with the reduction of drag coefficient reached 9,5%.
The additional boat tail at the model with an angle diffuser of 6° was produced the
best model at the boat tail angle of 5° with the reduction of drag coefficient was
4%. The drag coefficient total reduction of the best models reached 13,21% if it
was compared with the baseline model. In testing the best models in the speed range
of 25 km/h-125 km/h was found that the increase of speed then the value of the drag
coefficient improved and reached the speed of 100km/h, then there was a little
reduction at speed of 125 km/h.
Keywords : ANSYS Fluent, Boat tail, Diffuser, drag coeffisien, Sedan car.
vii
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ....................................................................................... iv
ABSTRAK .......................................................................................................... vi
ABSTRACT ........................................................................................................ vii
DAFTAR ISI ...................................................................................................... viii
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... x
DAFTAR TABEL ............................................................................................... xii
DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................................ xiii
DAFTAR NOTASI .............................................................................................. xvi
BAB I PENDAHULUAN ................................................................................... 1
1.1.Latar Belakang Masalah ...................................................................... 1
1.2.Rumusan Masalah ................................................................................ 3
1.3.Batasan Masalah .................................................................................. 3
1.4.Tujuan Penelitian .................................................................................. 3
1.5.Manfaat Penelitian ................................................................................ 3
1.6.Sistematika Penulisan .......................................................................... 4
BAB II LANDASAN TEORI ............................................................................. 5
2.1.Tinjauan Pustaka .................................................................................. 5
2.2.Dasar Teori............................................................................................ 8
2.2.1. Gaya Hambat (Drag Force)...................................................... 9
2.2.2. Diffuser dan Boat tail ............................................................... 9
2.2.3. Lapis Batas ....................................................................................... 12
2.2.4. Separasi Aliran..........................................................................13
2.2.5. Pemodelan Dengan Solidwork .................................................14
2.2.6. Computational Fluid Dynamic (CFD) .....................................14
2.2.7. Simulasi dengan Fluent ............................................................15
BAB III METODE PENELITIAN
3.1.Alat daan Bahan ........................................................................................... 20
3.2.Diagram Alir Perancangan ................................................................... 20
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................ 23
4.1 Validasi Pemodelan.............................................................................. 23
viii
4.2 Simulasi Mobil Sedan .......................................................................... 26
4.2.1 Simulasi dengan Variasi Sudut Diffuser .................................... 26
4.2.2 Hasil Simulasi dengan Variasi Sudut Diffuser........................... 27
4.2.3 Simulasi dengan Variasi Sudut Boat tail ................................... 31
4.2.4 Hasil Simulasi dengan Variasi Sudut Boat tail .......................... 32
4.2.5 Hasil Simulasi Pada Variasi Kecepatan ..................................... 36
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ......................................................... 41
5.1 Kesimpulan .......................................................................................... 41
5.2. Saran.................................................................................................... 41
DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................... 42
LAMPIRAN ................................................................................................... 44
ix
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Model mobil sedan (Hu, 2011) ..................................................................... 6
Gambar 2.2 Hasil simulasi (Hu, 2011).............................................................................. 6
Gambar 2.3 (a) Hasil pengujian eksperimen dan CFD (Lai, 2011) (b) Hasil pengujian
dengan CFD (Marklund, 2013)..................................................................... 7
Gambar 2.4 (a) dengan boat tail (b) tanpa boat tail (Wong, 1982). ................................ 8
Gambar 2.5 Pengaruh perubahan bentuk boat tail) .................................................... 8
Gambar 2.6 Persentase Cd pada mobil penumpang (Bouferrouk, 2014) .............. 10
Gambar 2.7 Diffuser pada mobil formula 1 (Peddie dan Gonzalez, 2009) ........... 11
Gambar 2.8 Boat tail (Wong, 1983) ...................................................................... 12
Gambar 2.9 Lapis batas pada pelat tipis (Hucho, 1998)........................................ 12
Gambar 2.10 Separasi pada aliran lapis batas (Hucho, 1998) ............................... 13
Gambar 3. Diagram alir penelitian ........................................................................ 20
Gambar 4.1 Ahmed Bodi (Meile, 2011) ................................................................ 23
Gambar 4.2 Body of influence ............................................................................... 24
Gambar 4.3 Hasil meshing ahmed bodi dengan Ansys ......................................... 24
Gambar 4.4 Boundary condition ........................................................................... 25
Gambar 4.5 Dimensi mobil sedan ......................................................................... 26
Gambar 4.6 Domain pada mobil ........................................................................... 26
Gambar 4.7 Hasil meshing pada mobil sedan ....................................................... 27
Gambar 4.8 Grafik Cd terhadap sudut diffuser. .................................................... 28
Gambar 4.9 Kontur tekanan pada bagian belakang mobil (a) Tampak belakang (b)
Tampak bawah .................................................................................... 29
Gambar 4.10 Tampilan Streamline kecepatan pada simetri. ................................. 30
Gambar 4.11 Dimensi mobil dengan variasi boat tail........................................... 31
Gambar 4.12 Grafik Cd terhadap variasi Boat tail ................................................ 32
Gambar 4.13 Kontur tekanan pada bagian belakang mobil (a) Tampak belakang (b)
Tampak samping ................................................................................ 33
Gambar 4.14 Tampilan Streamline kecepatan pada simetri. ................................. 34
Gambar 4.15 Kontur kecepatan pada bagian belakang mobil tampak atas. .......... 35
Gambar 4.16 Grafik Cd terhadap variasi kecepatan .............................................. 36
Gambar 4.17 Kontur tekanan pada variasi kecepatan. .......................................... 37
x
Gambar 4.18 Kontur kecepatan pada variasi kecepatan. ....................................... 38
Gambar 4.19 Vektor kecepatan pada variasi kecepatan. ....................................... 39
Gambar 4.20 Streamline pada variasi kecepatan. .................................................. 40
xi
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Kualitas skewness.................................................................................. 15
Tabel 4.1 Tabel properties material ...................................................................... 25
Tabel 4.2 Koefisien drag hasil Simulasi ............................................................... 28
Tabel 4.3 Hasil simulasi variasi boat tail .............................................................. 32
Tabel 4.4 Hasil simulasi dari variasi kecepatan .................................................... 36
xii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Data koefisien drag hasil uji ................................................................. 44
Lampiran 2. Model sedan ......................................................................................... 45
Lampiran 3. Kontur hasil simulasi diffuser ............................................................... 46
Lampiran 4. Kontur hasil simulasi boat tail.............................................................. 49
Lampiran 5. Kontur hasil simulasi variasi kecepatan ............................................. 53
xiii
DAFTAR NOTASI
𝐷
= Gaya hambat
N
𝐶D = Koefisien drag
𝜌
= densitas fluida
Kg⁄m3
A
= luasan
m2
V
= Kecepatan
m⁄s
δ
= tebal lapis batas
m
L
= panjang karakteristik
m
v
= viskositas kinematik
Kg/ms
xiv