TUGAS AKHIR ANALISIS AERODINAMIKA PADA BODI MOBIL ...

TUGAS AKHIR

ANALISIS AERODINAMIKA PADA BODI MOBIL BAYU SURYA

MENGGUNAKAN CFD PADA SOFTWARE ANSYS 15.0

Disusun Sebagai Syarat Untuk Mencapai Gelar Sarjana Teknik

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta

Disusun oleh:

NURUL HUDA

NIM : D200 10 0005

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

Februari 2016

ii

iii

iv

v

vi

MOTTO

“Belajar tanpa berpikir tidak ada gunanya, sedangkan berpikir tanpa

belajar adalah berbahaya”

(Amirul rosyid Al-farizi)

“Seseorang yang optimis akan melihat adanya kesempatan dalam

setiap malapetaka, sedangkan orang pesimis akan melihat malapetaka

dalam setiap kesempatan”

“Kekeyaan tidak dilihat dari melimpahnya harta, tetapi dari perasaan

yang berpuas diri”

(Nabi Muhammad SAW)

“Sesungguhnya Allah mencintai orang – orang yang sabar”

(QS. Ali - Imran : 146)

vii

PERSEMBAHAN

Puji syukur Alhamdulillah, hamba panjatkan atas rahmat, karunia

dan keridhaan Allah SWT yang menggenggam dan memiliki seluruh jiwa

ini. Berkat ilmu yang Ia berikan kepada penulis dan campur tangan-Nyalah

karya sederhana ini dapat terselesaikan dengan baik. Dengan rasa syukur

karya ini penulis persembahkan untuk :

Emak tercinta Parimi serta bapak tercinta Suparlan yang telah

mendidik dan memotivasi dengan penuh kesabaran dan kasih

sayang, Terima kasih atas segala yang telah kalian berikan. Saat

ini hanya beberapa karya serta do’alah yang mampu aku berikan

pada kalian sebagai balasan atas apa yang telah kalian berikan

kepada ku.

Kakaku tersayang Siti Hasanah dan Umar Sahid, keponakan

tersayang alfath dan Latif, Bude Parni serta seluruh keluarga

tersayang terimakasih atas doa dan semangatnya

Sang mentari yang selalu cerewet dipagi hari Peny Ayu Windasari,

terima kasih senyum dan semangatnya

Sahabat dan teman perjuangan Wahyu, Agus, Shodik, Ajik, Virin,

Fery, Chadil dan Yusuf terima kasih atas support dan kerja

samanya selama penelitian.

Teman-teman Teknik Mesin angkatan 2010 yang tidak bisa

disebutkan satu persatu terima kasih atas bantuan dan

dukungannya selama menempuh masa perkuliahan.yang selalu

viii

memberikan pelajaran berharga yang tidak bisa dinilai dengan

materi, sehingga penulis bisa sampai pada titik ini.

Keluarga Mahasiswa Teknik Mesin (KMTM) UMS, dan LAB COM

Teknik Mesin sebagai tempat bagi penulis menimba pengalaman

selama masa perkuliahan.

ix

KATA PENGANTAR

Segala puji syukur ke hadirat Allah SWT atas segala rahmat dan

karunia- Nya yang telah terlimpahkan kepada penulis, sehingga Tugas

Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik.

Adapun Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan

Sidang Sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta.

Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapat

bantuan dari berbagai pihak, pada kesempatan ini, penulis dengan penuh

keikhlasan hati ingin menyampaikan terima kasih kepada :

1. Bapak Dr. H. Sri Sunarjono MT. Ph.D selaku Dekan Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta.

2. Bapak Tri Widodo BR. ST. MSc., Ph.D selaku Ketua Jurusan Teknik

Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.

3. Bapak Nur Aklis , ST., M.Eng selaku Sekretaris Jurusan Teknik Mesin

yang membantu dalam proses-proses administrasi selama masa

perkuliahan, serta selaku Dosen Pembimbing I yang telah

membimbing, mengarahkan, memberi petunjuk dalam penyusunan

Tugas Akhir ini

4. Bapak Ir. Sarjito, MT., Ph.D. selaku Dosen Pembimbing II yang telah

meluangkan waktunya untuk memberikan bimbingan dan arahannya.

5. Bapak Ir. Pramuko Ilmu Purbo, MT. selaku Pembimbing Akademik.

x

6. Jajaran staf dan dosen Teknik Mesin universitas muhammadiyah

Surakarta

Akhir kata, penulis mohon maaf, jika sekiranya terdapat kesalahan

dan kekurangan dalam penulisan Tugas Akhir ini, yang disebabkan

adanya keterbatasan-keterbatasan antara lain waktu, dana, literatur yang

ada, dan pengetahuan yang penulis miliki. Harapan penulis semoga

laporan ini bermanfaat untuk pembaca.

Tugas Akhir ini semoga dapat bermanfaat khususnya bagi penulis

dan pihak lain yang membutuhkan, Amin ya Robbaallamin.

Surakarta, Februari 2016

Penulis

xi

ANALISA AERODINAMIKA PADA BODI MOBIL MENGGUNAKAN CFD (Computional Fluid Dynamic) PADA SOFTWARE ANSYS

15.0

Nurul Huda, Nur Aklis, Sarjito Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta

Jl. A. Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura

Email : [email protected]

ABSTRAKSI

Salah satu acuan pengembangan suatu mobil adalah pada bentuk bodi. Bentuk bodi yang aerodinamis mengurangi tahanan aerodinamika sehingga dapat mengoptimalkan tenaga mesin untuk menjadi gaya dorong traksi kendaraan, hemat bahan bakar serta menjaga stabilitas kendaraan. Penelitian tugas akhir bertujuan untuk mengetahui peran perubahan desain terhadap karateristik pola aliran serta nilai koefisien tahanan aerodinamika pada bodi mobil prototype BAYU SURYA.

Penelitian ini dilakukan dalam dua tahap modifikasi, pertama dengan merubah geometri sudut kap dengan kaca bodi mobil standar dengan sudut 150o menjadi 160o

dan 170o kemudian dengan merubah bentuk leading edge yang pada awalnya datar menjadi cekung dan cembung. Desain pembuatan bodi mobil menggunakan software solidworks 2014. Dan disimulasikan menggunakan CFD pada software Ansys 15.0 dengan boundary grid mesh 90 mm dan body grid mesh 45 mm pada inlet velocity 11,11 m/s dan kondisi domain diasumsikan seperti keadaan nyata.

Dari hasil simulasi CFD didapatkan visualisasi streamline, vector kecepatan, kontur tekanan dan nilai gaya tahanan pada masing-masing desain bodi. Pada modifikasi 1 nilai gaya tahanan berkurang seiring bertambahnya sudut kap dengan kaca 150o, 160o, dan 170o. kemudian pada tahap modifikasi 2 perubahan bentuk leading edge dengan variasi bentuk cembung memiliki gaya tahanan terkecil dibandingkan variasi bentuk datar dan cekung.

Kata kunci : sudut kap dengan kaca, leading edge, pola aliran, bodi mobil

xii

ANALYSIS AERODYNAMIC ON CAR BODY USING CFD (Computional Fluid Dynamic) THE SOFTWARE ANSYS 15.0

Nurul Huda, Nur Aklis, Sarjito

Mechanical Enginering Universitas Muhammadiyah Surakarta A. Yani Street Tromol Pos 1 Pabelan, Kartasura

Email : [email protected]

ABSTRACT

One reference to the development of a car is in the shape of the body. An aerodynamic body shape reduces aerodynamic prisoners so as to optimize the engine power to be thrust traction vehicles, fuel-efficient and maintain vehicle stability. Thesis research aims to determine the role of design changes to the characteristics of the flow patterns and the value of the aerodynamic drag coefficient on the car body prototype BAYU SURYA.

This research was conducted in two stages modifications, first by changing the geometry of the corner of the glass hood with existing car body at an angle of 150o, 160o and 170o become later by changing the shape of the leading edge of the initially flat into concave and convex. Design of car body manufacture using SolidWorks 2014 software and simulated using CFD in ANSYS 15.0 software with the boundary grid mesh 90 mm and 45 mm body grid mesh, the inlet velocity of 11.11 m / s and conditions assumed domain like a real situation.

CFD simulation results obtained from a streamlined visualization, vector velocity, pressure contours and value style of prisoners in each body design. At first modification prisoners style value decreases with increasing angle hood with glass 150o, 160o, and 170o. then the second modification changes the shape of the leading edge has a convex shape variation smaller than that prisoners style variations flat and concave shapes.

Keywords: angle hood with glass, leading edge, the flow pattern, the car body

xiii

DAFTAR ISI

Halaman Judul ....................................................................................................... i

Pernyataan Keaslian Tugas Akhir ........................................................................... ii

Halaman Persetujuan ............................................................................................. iii

Halaman Pengesahan ............................................................................................ iv

Lembar Tugas Akhir ............................................................................................... v

Motto ...................................................................................................................... vi

Halaman Persembahan ......................................................................................... vii

Kata Pengantar ...................................................................................................... ix

Abstraksi ................................................................................................................ xi

Daftar Isi ............................................................................................................... xiii

Daftar Gambar ................................................................................................... xviii

Daftar Tabel ......................................................................................................... xxi

Dafar Grafik ......................................................................................................... xxii

Daftar Diagram ................................................................................................... xxiii

xiv

BAB I. Pendahuluan ............................................................................................. 1

1.1 Latar Belakang ........................................................................................ 1

1.2 Perumusan Masalah ............................................................................... 3

1.3 Batasan Masalah .................................................................................... 3

1.4 Tujuan Penelitian .................................................................................... 4

1.5 Sistematika Penulisan ............................................................................. 4

BAB II. KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI ................................................. 5

2.1 Kajian Pustaka ........................................................................................ 5

2.2 Dasar Teori ............................................................................................. 8

2.2.1 Densitas .......................................................................................... 8

2.2.2 Viskositas ....................................................................................... 8

2.2.3 Aliran Lapisan Batas Laminar dan Turbulen ................................. 13

2.2.4 Pemisahan Aliran ( Separation ) ................................................... 15

2.2.5 Drag Gesekan dan Drag Tekanan ............................................... 16

2.2.6 Lift Coefficient dan Drag Coefficient ............................................. 17

2.2.6.1 Lift Coefficient .................................................................... 17

xv

2.2.6.2 Drag Coefficient ................................................................. 18

2.2.7 Persamaan Atur dan Diskrisasi .................................................... 18

2.3 Acuan Perubahan Desain ...................................................................... 19

2.3.1 Rounding dan Chamfering pada Leading Edge ............................ 19

2.3.2 Geometri Sudut Keiringan Kap dengan Kaca Mobil ..................... 20

BAB III. METODOLOGI PENELITIAN ................................................................. 21

3.1 Diagram Alir Penelitian ........................................................................... 21

3.2 Persiapan Alat ........................................................................................ 23

3.3 Gambar Reserve .................................................................................... 23

3.4 Pembuatan Desain ................................................................................. 24

3.4.1 BAYU SURYA Exsisting ................................................................ 24

3.4.2 BAYU SURYA Modifikasi 1 ............................................................ 24

3.4.3 BAYU SURYA Modifikasi 2 ............................................................ 25

3.5 Verifikasi Software .................................................................................. 26

3.6 Simulasi Ansys 15.0 ............................................................................... 26

3.6.1 Import File ...................................................................................... 27

xvi

3.6.2 Boundary Condition ....................................................................... 28

3.6.3 Proses Meshing ............................................................................. 28

3.6.4 Setup Kondisi Batas pada Boundary ............................................. 31

3.6.5 Proses Solver ................................................................................. 33

3.6.6 Simulasi Hasil Solving .................................................................... 34

BAB IV. DATA DAN HASIL ANALISIS ............................................................... 35

4.1 Validasi Software .................................................................................... 35

4.2 Data Profil Desain mobil Prototype BAYU SURYA ................................ 36

4.3 Hasil Simulasi ......................................................................................... 40

4.3.1 Pola aliran dan koefisien tahanan aerodinamika pada desain

bodi Mobil prototype BAYU SURYA dengan geometry

perubahan sudut antara kap dengan kaca 150o, 160o dan 170o (

modifikasi 1 ) ................................................................................ 41

4.3.1.1 Pola Aliran Pada Bodi Mobil Prototype BAYU SURYA

dengan Perubahan Geometri Sudut Antara Kap dengan

Kaca 150o, 160o dan 170o ................................................... 42

4.3.1.2 Perhitungan Koefisien Drag dan Koefisien Lift .................... 47

xvii

a. Koefisien drag ................................................................. 48

b. Koefien lift ....................................................................... 50

4.3.2 Pola Aliran dan Koefisien Tahanan Aerodinamika pada Desain Bodi

Mobil Prototype BAYU SURYA dengan Perubahan Bentuk Leading

Edge Datar, Cekung dan Cembung .................................................... 53

4.3.2.1 Pola Aliran pada Bodi Mobil Prototype BAYU SURYA

dengan Perubahan Bentuk Leading Edge Datar, Cekung dan

Cembung ................................................................................ 53

4.3.2.2 Perhitungan Koefisien Drag dan Koefisien Lift ......................... 58

a. Koefisien drag ........................................................................ 59

b. Koefien lift .............................................................................. 61

BAB V. PENUTUP ............................................................................................... 63

5.1 Kesimpulan ........................................................................................ 63

5.2 Saran .................................................................................................. 64

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

xviii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Mobil prototype BAYU SURYA .......................................... 2

Gambar 2.1 Posisi profil aliran fluida inviscid ........................................ 9

Gambar 2.2 Aliran sekitar kendaraan .................................................. 10

Gambar 2.3 Titik stagnasi pada mobil ................................................. 12

Gambar 2.4 Aliran laminar .................................................................. 13

Gambar 2.5 Profil batas sepanjang pelat datar tipis ............................ 14

Gambar 2.6 Aliran turbulen ................................................................. 15

Gambar 2.7 Pemisahan aliaran lapisan batas di dinding .................... 16

Gambar 2.8 Profil komponen drag ...................................................... 16

Gambar 2.9 (a) Bentuk tepi Chamfered dan rounded (b) Hubungan

radius Chamfered dan rounded dengan koefisien drag .... 20

Gambar 2.10 Hubungan sudut kap dengan kaca mobil dengan

koefisien drag ................................................................... 21

Gambar 3.1 Diagram alir peelitian ....................................................... 22

xix

Gambar 3.2 Profil mobil prototype BAYU SURYA ............................... 23

Gambar 3.3 Model mobil prototype BAYU SURYA exsisting .............. 24

Gambar 3.4 Perubahan geometri sudut antara kap dengan kaca

pada desain mobil prototype BAYU SURYA .................... 25

Gambar 3.5 Perubahan bentuk leading edge pada desain mobil

prototype BAYU SURYA .................................................. 26

Gambar 3.6 Diagram alir simulasi Ansys 15.0 .................................... 27

Gambar 3.7 Computational domain .................................................... 28

Gambar 3.8 Model meshing setengah bagian pada symmetry plane . 30

Gambar 3.9 Perbedaan panjang tepi .................................................. 31

Gambar 3.10 posisi kondisi batas untuk domain komputasi ............... 32

Gambar 3.11 Hasil proses solver dan Ansys 15.0 CFX-solver ............ 34

Gambar 4.1 Percobaan validasi pada benda sederhana .................... 35

xx

Gambar 4.2 Desain mobil prototype BAYU SURYA exsisting .............. 37

Gambar 4.3 Perubahan geometri sudut antara kap dengan kaca

pada desain mobil prototype BAYU SURYA .................... 38

Gambar 4.4 Perubahan bentuk leading edge pada desain mobil

prototype BAYU SURYA .................................................. 39

Gambar 4.5 Pola aliran di sekitar bodi mobil prototype BAYU SURYA

modifikasi 1 ....................................................................... 42

Gambar 4.6 Vektor kecepatan aliran di sekitar bodi mobil prototype

BAYU SURYA modifikasi 1 .............................................. 44

Gambar 4.7 kontur tekanan di sekitar bodi mobil prototype BAYU

SURYA modifikasi 1 ......................................................... 46

Gambar 4.8 Pola aliran di sekitar bodi mobil prototype BAYU SURYA

modifikasi 2 ....................................................................... 53

Gambar 4.9 Vektor kecepatan di sekitar bodi mobil prototype BAYU

SURYA modifikasi 2 ......................................................... 55

Gambar 4.9 Kontur tekanan di sekitar bodi mobil prototype BAYU

SURYA modifikasi 2 ......................................................... 57

xxi

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Kondisi batas untuk kondisi simulasi steady state ................ 33

Tabel 4.1 Data hasil simulasi dan analitis ........................................... 36

Tabel 4.2 Mesh statistic mobil prototype BAYU SURYA modifikasi 1 . 40

Tabel 4.2 Mesh statistic mobil prototype BAYU SURYA modifikasi 2 . 41

Tabel 4.4 Gaya drag dan gaya lift pada desain mobil prototype BAYU

SURYA dengan perubahan geometri sudut antara kap

dengan kaca 150o, 160o dan 170o ........................................ 47

Tabel 4.5 Gaya drag dan gaya lift pada desain mobil prototype

BAYU SURYA dengan perubahan bentuk leading edge

bentuk datar, cekung dan cembung .................................... 58

xxii

DAFTAR GRAFIK

Grafik 4.1 Hubungan geometri sudut antara kap dengan kaca dengan nilai

koefisien drag pada bodi mobil prototype BAYU SURYA .............. 50

Grafik 4.1 Hubungan geometri sudut antara kap dengan kaca dengan nilai

koefisien lift pada bodi mobil prototype BAYU SURYA .................. 52

xxiii

DAFTAR DIAGRAM

Diagram 4.1 Koefisien drag pada bodi mobil prototype BAYU SURYA

dengan perubahan bentuk leading edge bentuk datar, cekung dan

cembung ........................................................................................ 60

Diagram 4.1 Koefisien lift pada bodi mobil prototype BAYU SURYA dengan

perubahan bentuk leading edge bentuk datar, cekung dan

cembung ........................................................................................ 62