4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Aerodinamika Kendaraan

Aerodinamika berasal dari Yunani dimana aero diartikan sebagai udara dan

dinamika diartikan sebagai kekuatan atau tenaga. Jadi aerodinamika bisa juga

diartikan sebagai ilmu pengetahuan untuk mengetahui akibat-akibat yang

ditimbulkan oleh udara atau gas-gas lain yang bergerak. Pada intinya aerodinamika

bertujuan untuk memecah kecepatan atau hambatan udara pada kecepatan tinggi.

Hambatan udara yang bekerja pada suatu kendaraan (mobil, truk, bis maupun

motor) terutama ditentukan oleh bentuk bodi dari suatu benda. Dalam aerodinamis

dikenal beberapa gaya yang bekerja pada sebuah benda misal lebih spesifik pada

mobil seperti yang dikemukakan oleh Djoeli Satrijo (1999:53).

Aerodinamika pada bodi kendaraan merupakan bagian penting dari desain

kendaraan dimana efisiensi kinerja kendaraan dapat dimaksimalkan apabila dapat

direncanakan dengan baik. Kestabilan kendaraan dan efisiensi penggunaan bahan

bakar dapat ditingkatkan apabila kendaraan memiliki gaya hambat atau CD

(Coefficient drag) yang kecil. Jadi analisa aerodinamika pada bodi kendaraan ini

adalah analisa bodi kendaraan yang ikut serta dalam kompetisi Kontes Mobil Hemat

Energi (KMHE) tingkat nasional dan Shell Eco Marathon Asia (SEMA). Kedua

kompetisi tersebut merupakan kompetisi kendaraan hemat energi tingkat nasional

dan tingkat internasional yang mana pemenang ditentukan dari tingkat efisiensi

kendaraan masing masing peserta yang dapat menempuh jarak sejauh mungkin

dengan konsumsi bahan bakar yang sedikit mungkin.

Aspek aerodinamika sebuah kendaraan menjadi salah satu parameter yang

sangat penting dalam desain otomotif, karena itu berkaitan dengan timbulnya gaya

hambat (drag) pada kendaraan tersebut akan mempengaruhi pada jumlah konsumsi

daya listrik atau bahan bakar yang digunakan dan stabilitas hasil kali dari koefisien

hambat (drag), tekanan dinamis aliran bebas dan luas permukaan (Sutantra, N.

2001). Persamaan tersebut dituliskan dalam persamaan 2.1 sebagai berikut :

5

𝑫 = 𝟎, 𝟓 (𝑪𝑫 . 𝝆. 𝑼𝟎𝟐 . 𝑨) (2.1)

Dimana :

𝐶𝐷 = koefisien drag

𝜌. 𝑈02 = tekanan dinamis arus bebas

A = luas karakteristik (luas daerah yang mengalami geseran)

Drag adalah besarnya gaya yang bergerak di atas sebuah objek yang memiliki

posisi sejajar dengan aliran bebas. Gaya drag pada suatu benda yang bergerak

melalui suatu fluida diakibatkan oleh tekanan dan tegangan geser permukaan benda

tersebut. Drag dibagi dalam dua jenis yaitu, drag gesekan (friction drag) dan drag

tekanan (preassure drag). Friction drag yaitu drag yang disebabkan oleh tegangan

geser permukaan suatu benda yang bersentuhan dengan fluida, sedangkan Pressure

drag yaitu drag yang disebabkan oleh tekanan yang bekerja pada sebuah benda

yang bergerak melalui sebuah fluida. Pressure drag besarnya sangat tergantung

pada bentuk benda itu sendiri sehingga sering disebut from drag (John Wiley dan

Sons, 2002).

Drag tekanan (pressure drag) adalah bentuk paling umum yang digunakan

untuk mendefinisikan drag pada benda yang disebabkan oleh resistensi fluida untuk

mengubah aliran untuk mengisi ruang dibelakang benda, sehingga menimbulkan

perbedaan tekanan antara aliran upstream dan downstream. Perbedaan ini

menyebabkan tekanan total pada bagian belakang (rear end) lebih rendah dari

bagian depan (leading edge), sehingga memunculkan tarikan ke arah belakang.

2.2. Prinsip Dasar Aliran Angin Pada Kendaraan

Secara umum fenomena aliran pada kendaraan dapat dikategorikan dalam 2

group yaitu aliran external dan aliran internal. Aliran external yaitu aliran udara

disekitar kendaraan dan aliran udara yang masuk ke dalam bagian kendaraan

misalkan aliran pada bagian pendingin. Aliran internal merupakan proses aliran di

dalam permesinan misalkan proses aliran fluida di dalam mesin dan sistem tranisi

kendaraan. (Munson, B., 2002)

Bilangan Reynold (Reynold number) sangat berpengaruh terhadap bentuk

(bodi) pada setiap kendaraan. Besar kecilnya nilai bilangan Reynold pada setiap

6

kendaraan ditentukan oleh dimensi, viskositas dan kecepatan. Pada saat kendaraan

bergerak dengan kecepatan tertentu, viskositas fluida mengakibatkan udara

mengarah di area surface bodi mobil sehingga dapat menimbulkan lapisan batas

atau (boundary layer). Dari lapisan batas tersebut terdapat aliran yang ada di luar

dari lapisan batas yang biasa disebut dengan inviscid flow. Inviscid flow merupakan

aliran yang ada di luar lapisan batas yang tidak mengalami gesekan, konduktifitas

panas atau diffuse massa (Anderson, J.D., 2001). Inviscid flow disekitar kendaraan

mengakibatkan tekanan menuju ke dalam lapisan batas. Tekanan tersebut terus

berlangsung hingga mencapai bagian belakang dan menyebabkan aliran mengalami

separasi (turbulen). Separasi pada daerah belakang ini biasa disebut dengan olakan

(wake). Gaya tekanan pada kendaraan diakibatkan karena adanya olakan sehingga

akan mengakibatkan kendaraan terganggu pada saat melaju.

Pola aliran udara di sekitar bodi kendaraan seperti pada gambar 2.1. Inilah

yang akan menyebabkan terjadinya gaya dan momen aerodinamis pada kendaraan

yang nantinya juga akan berpengaruh terhadap gaya hambat (drag) dari kendaraan.

Gambar 2.1. Aliran udara di sekitar kendaraan (Sutantra,N., 2001)

Pada dasarnya semua fenomena aerodinamis yang terjadi pada kendaraan

disebabkan adanya gerakan relatif dari udara disepanjang bentuk bodi kendaraan.

Hal ini dapat dilihat pada gambar 2.2 dibawah ini.

7

Gambar 2.2. Pola aliran disekitar kendaraan (Sutantra,N., 2001)

2.3. Karakteristik Aliran Luar Secara Umum

Sebuah benda yang terendam di dalam fluida yang bergerak mengalami gaya-

gaya resultan akibat interaksi antara benda dengan fluida di sekelilingnya. Pada

kasus manapun, kita dapat menetapkan sistem koordinat pada benda dan

memperlakukan situasi tersebut seperti fluida mengalir melewati benda yang diam

dengan kecepatan U, yang disebut kecepatan hulu. Struktur dari aliran luar dan

tingkat kemudahan dimana aliran dapat digambar dan dianalisa sering tergantung

pada sifat alamiah dari benda di dalam aliran. Seperti gambar 2.3 dibawah ini.

Gambar 2.3. Klasifikasi aliran : (a) 2D, (b) simetri sumbu, (c) 3D (Munson, B., 2002)

Klasifikasi lain dari bentuk benda dapat tergantung pada benda tersebut

apakah dibuat mulus mengikuti garis arus (streamlined) atau tumpul. Karakteristik

aliran sangat tergantung pada seberapa banyak bagian tersebut yang dibuat mulus.

Secara umum, benda-benda streamlined (seperti airfoil, mobil balap, dan lain-lain).

Memiliki pengaruh kecil pada fluida yang mengelilinginya, dibandingkan dengan

pengaruh yang dimiliki benda tumpul (seperti parasut, gedung-gedung, dan lain-

lain) pada fluida. (Munson, B., 2002)

8

2.4. Gaya Aerodinamika

Secara umum dimana arah kecepatan relatif angin terhadap kendaraan tidak

selalu sejajar dengan sumbu longitudinal kendaraan, maka akan terjadi aerodinamik

pada kendaraan. Tiga gaya aerodinamik tersebut yaitu :

2.4.1. Gaya hambat (drag) aerodinamik (Fᴅ)

Gaya yang bekerja dalam arah horizontal (pararel terhadap aliran) dan

berlawanan arah dengan arah gerak maju kendaraan. Gaya hambat total sendiri

terdiri dari beberapa jenis gaya hambat (Scybor Rylski, 1975) yaitu hambatan

bentuk dan hambatan pusar. Hambatan bentuk yaitu gaya hambat yang disebabkan

oleh adanya gradien tekanan (pressure drag) dan adanya gesekan (friction drag).

Sedangkan hambatan pusar disebabkan karena adanya perbedaan tekanan antara

bagian atas dan bagian bawah kendaraan sehingga menyebabkan timbulnya gerakan

aliran udara dari permukaan bawah menuju ke permukaan atas kendaraan yang

berupa pusaran (vortex). Bisa dilihat pada gambar 2.4 dibawah ini.

a. b.

Gambar 2.4. (a) hambatan bentuk dan (b) hambatan pusar (Sutantra,N., 2001)

Secara umum perumusan gaya hambat seperti persamaan berikut :

Fᴅ =𝟏

𝟐 ∙ Cᴅ ∙ ρ ∙ V² ∙ A (2.2)

𝑪ᴅ =𝟐 . 𝑭𝒅

𝝆 ∙ 𝑽 𝟐 ∙ 𝑨 (2.3)

Dimana :

Cᴅ = koefisien gaya hambat (drag)

A = luas frontal kendaraan (m²)

ρ = density udara (kg/m³)

V = kecepatan relatif angin terhadap kendaraan (m/dt)

9

2.4.2. Gaya angkat (lift) aerodinamik (Fʟ)

Gaya yang bekerja dalam arah vertikal dan biasanya arah ke atas ditandai

sebagai arah positif dan ke bawah sebagai arah negatif. Faktor lain adalah kekerasan

bagian permukaan bawah mobil yang disebabkan oleh profil mesin dan komponen

lain yang memperlambat laju aliran dibawah sehingga memperbesar tekanan aliran

permukaan bawah. Secara umum tekanan yang bekerja pada bagian bawah lebih

besar dari tekanan yang bekerja pada bagian atas, sehingga menimbulkan

terbentuknya gaya angkat (Fʟ) karena adanya desakan aliran udara dari permukaan

bawah ke permukaan atas kendaraan. Bisa dilihat pada gambar 2.5 di bawah ini.

Gambar 2.5. Distribusi tekanan penyebab gaya angkat (Sutantra,N., 2001)

Gaya lift dapat dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut :

Fʟ =𝟏

𝟐 ∙ C𝚤 ∙ ρ ∙ V² ∙ A (2.4)

𝑪𝚤 =𝟐 . 𝑭𝒅

𝝆 ∙ 𝑽 𝟐 ∙ 𝑨 (2.5)

Dimana :

C𝚤 = koefisien gaya angkat

2.4.3. Gaya samping (side) aerodinamik (Fs)

Gaya yang bekerja dalam arah horizontal dan transversal sehingga bersifat

mendorong kendaraan ke samping dan juga terjadi pada kondisi kendaraan

berbelok. Jika kendaraan bergerak dalam udara yang diam (tidak ada angin) atau

ada gerakan angin yang sejajar dengan arah gerak kendaraan maka tidak akan

timbul gaya samping, karena kesimetrisan aliran udara pada bagian samping

kendaraan sama. Bisa dilihat dalam gambar 2.6 di bawah ini.

10

Gambar 2.6. Sudut serang angin (Sutantra,N., 2001)

Gaya samping dapat dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut :

Fs =𝟏

𝟐 ∙ Cs ∙ ρ ∙ V² ∙ A ∙ βa (2.6)

𝑪𝒔 =𝟐 . 𝑭𝒔

𝝆 ∙ 𝑽 𝟐 ∙ 𝑨 ∙ βa (2.7)

Dimana :

βa = sudut serang angin

𝐶𝑠 = koefisien samping

Karena bentuk bodi dari kendaraan dan pola aliran udara pada kendaraan

maka besar kemungkinan titik kerja ketiga gaya angin tersebut yang pada umumnya

disebut “center of pressure” (Cp) berada diluar titik pusat massa dari kendaraan

(Cg). Karena letak Cp dan Cg berbeda, maka ketiga gaya aerodinamik diatas dapat

menimbulkan momen aerodinamis terhadap sumbu x, y, z yang berpusat pada Cg

seperti gambar 2.7 dibawah ini.

Gambar 2.7. Gaya dan momen aerodinamik pada kendaraan (Sutantra,N., 2001)

11

2.5. Kinematika Fluida

Kinematika merupakan geometri dari gerak. Oleh karena itu kinematika fluida

memberi gambaran tentang gerak fluida tanpa memandang penyebab dari gerak

tersebut. Kinematika dapat menjelaskan tentang fenomena fluida dengan cara-cara

sederhana. Gerak fluida dapat dikaji dengan memandang partikel fluida

sebagaimana adanya gerakan dalam ruang (metode lagrangian) atau memandang

gerak partikel fluida melewati satu titik tertentu dalam ruang (metode aulerian).

Metode Lagrangian memandang kurva lintasan partikel fluida sebagai hal yang

paling penting dan mendasar. Sedangkan Metode Eulerian memandang kurva serat

aliran (stream line) fluida sebagai hal yang paling penting dan mendasar. Serat

aliran (stream line) adalah kurva yang menunjukkan tangen pada titik yang

merupakan arah dari vektor kecepatan fluida pada titik yang bersangkutan. Hal ini

dapat dilihat pada gambar 2.8 dibawah ini. (Lalu Makrup, 2001)

Gambar 2.8. Serat aliran (stream line) (Lalu Makrup, 2001)

2.6. Koefisien Aerodinamika

Setiap kendaraan mempunyai 6 koefisien aerodinamik yaitu 3 buah koefisien

gaya aerodinamik dan 3 koefisien momen aerodinamik. Jika keenam koefisien

aerodinamik dari suatu kendaraan sudah diketahui maka ketiga gaya dan ketiga

momen aerodinamik yang bekerja pada kendaraan tersebut untuk kecepatan dapat

dihitung dengan mudah.

Koefisien aerodinamik suatu kendaraan dapat dicari secara eksperimen dan

dengan simulasi komputer memakai prinsip dinamika fluida. Salah satu eksperimen

yang umum dipakai adalah metode percobaan jalan yang disebut metode “coast

12

down”. Umumnya metode tersebut hanya digunakan untuk mencari koefisien

hambat (Cᴅ) aerodinamik. (Sutantra,N., 2001)

2.7. Pengujian Terowongan Angin (Wind Tunnel)

Pengujian terowongan angin adalah merupakan cara utama untuk mencari

keenam koefisien aerodinamik dari suatu kendaraan. Pada pengujian di terowongan

angin dapat diukur ketiga gaya aerodinamik pada kecepatan angin (Vₐ) tertentu dan

pada sudut serang angin (βₐ) tertentu. Bisa dilihat pada gambar 2.9 pengujian dalam

terowongan dibawah ini.

Gambar 2.9. Pengujian dalam terowongan (Munson, B., 2002)

Dengan data kendaraan dan hasil pengukuran terowongan angin, ketiga koefisien

gaya aerodinamik suatu kendaraan dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut :

(Sutantra,N., 2001)

𝑪ᴅ =𝑭𝒅

𝟎,𝟓 ∙ 𝝆 ∙ 𝑽𝐚 𝟐 ∙ 𝑨𝒇 (2.8)

𝑪ʟ =𝑭ʟ

𝟎,𝟓 ∙ 𝝆 ∙ 𝑽𝐚 𝟐 ∙ 𝑨𝒇 ∙ 𝜷𝐚 (2.9)

𝑪𝒔 =𝑭𝒔

𝟎,𝟓 ∙ 𝝆 ∙ 𝑽𝐚 𝟐 ∙ 𝑨𝒇 ∙ 𝜷𝐚 (2.10)

2. 8. Pengaruh Bentuk Bodi

Banyak problem didalam bidang aerodinamika yang tidak bisa diselesaikan

hanya dengan perhitungan analitis dan matematis saja tetapi harus menggunakan

berbagai macam eksperimen untuk membantu memecahkan permasalahan dan

menunjang teori dasar yang telah ada. Dari hasil eksperimen dapat diambil suatu

kesimpulan yang nantinya berguna untuk memecahkan problem aerodinamika.

Pada dasarnya proses perancangan bentuk bodi kendaraan dapat dibagi dalam 5

13

tahap yaitu : basic bodi, basic shape, basic model, styling model dan tahap akhir

yaitu production car. Seperti gambar 2.10 dibawah ini.

Gambar 2.10. Tahap perencanaan bodi kendaraan (Sutantra,N., 2001)

Analisa yang dilakukan oleh berbagai ahli aerodinamika terhadap bentuk bodi

kendaraan dilakukan dengan melakukan riset pengujian terhadap berbagai macam

komponen bodi kendaraan dan pengaruhnya terhadap beban angin.

Dari tahun ke tahun model kendaraan yang utamanya mengaruh pada

penurunan koefisien hambat aerodinamik (Cᴅ) dan tentunya juga tidak mengurangi

keindahan dari kendaraan. Beberapa model bentuk bodi kendaraan dan secara

umum ditunjukan pada tabel 2.1.

Tabel 2.1. Bentuk bodi kendaraan secara umum

14

Pada umumnya ada dua acara untuk mendesign sebuah kendaraan yang

aerodinamis yang memiliki gaya hambat yang rendah yaitu pendekatan secara

radikal dan pendekatan yang lebih konservatif. Pendekatan secara radikal merupaka

sebuah metode mendesign kendaraan yang mengambil referensi dari bentuk tear

drop bodi dari scybor-rylski maupun bentuk airfoil dan mengubahnya menjadi

suatu bentuk bodi kendaraan yang driveable (dapat dikendarai). Pendekatan ini

yang biasanya dilakukan oleh tim tim yang berkomopetisi dalam ajang Shell Eco

Marathon Asia (SEM ASIA) dan Kontes Mobil Hemat Energi (KMHE).

Pendekatan kedua yaitu pendekatan konservatif yaitu memulai dengan mendesign

dan memproduksi kendaraan yang kemudian akan mengurangi hambatan secara

bertahap dengan cara modifikasi bodi.

2.9. Simulasi CFD (Computational Fluid Dynamics)

CFD (Computational Fluid Dynamics) yaitu menyelesaikan permasalahan

dinamika fluida dengan pendekatan komputer. Adapun secara umum, CFD dapat

dimanfaatkan untuk menghitung gaya angkat (Lift), gaya hambat (Drag) dan

moment beserta koefisien-koefisienya secara kuantitatif bahkan dapat memprediksi

terjadinya stall yang sangat rumit jika diselesaikan dengan teori. Selain itu CFD

juga dapat memvisualisasikan distribusi tekanan, distribusi kecepatan hingga garis-

garis streamline sehingga sangat mudah diamati apakah aliran udara di sekitar

sesuai keinginan kita atau tidak. Tentu saja jika aliran udara tidak sesuai dengan

keinginan, kita dapat mengubah desain dengan sangat fleksibel di komputer.

Simulasi aerodinamika mobil dilakukan di dalam wind tunnel yang

ditetapkan sebagai domain komputasi dengan menggunakan Computational Fluid

Dynamics (CFD). Analisa ini adalah salah satu dari beberapa solusi teknologi untuk

sektor otomotif yang dapat diterapkan untuk percobaan analisa aliran pada bodi

mobil. Dengan kemajuan teknologi saat ini, telah ada metode untuk melihat

keadaan bentuk bodi menggunakan analisis fluent.

Secara umum zat terbagi kepada 3 fasa: padat (solid), cair (liquid), dan gas

(pada temperatur yang tinggi juga terdapat fasa plasma). Zat yang berfasa cair atau

gas disebut dengan fluida. Perbedaan antara zat padat dan cairan dibuat atas dasar

kemampuan zat untuk menolak suatu tegangan geser (shear stress) atau tangensial

yang diterapkan yang cenderung berubah bentuknya. Zat padat dapat menahan

15

tegangan geser (shear stress) yang diterapkan dengan cara berdeformasi, sedangkan

cairan mengalami deformasi secara terus menerus di bawah pengaruh tegangan

geser dengan nilai sekecil apapun. Pada zat padat, tegangan (stress) sebanding

dengan keregangan (strain), tetapi tegangan cairan sebanding dengan laju

keregangan (strain rate). Ketika gaya geser (shear force) yang bernilai konstan

diberikan, zat padat akan berhenti berdeformasi di beberapa sudut regangan yang

tetap, sedangkan cairan tidak pernah berhenti deformasi dan mendekati laju

regangan tertentu.

Tahap praprocessing ini merupakan tahapan awal dalam membangun dan

menganalisa sebuah model komputasi fluida (CFD). Dalam tahapan praprocessing

ini terdiri dari beberapa subtahapan mulai dari pembuatan desain bodi

menggunakan software Autodesk inventor, penentuan daerah komputasi,

penggenerasian mesh (meshing) serta menentukan parameter parameter yang

digunakan.

Tahap processing atau solving adalah suatu tahap menghitung iterasi dari pre

processing (parameter masukan dari praprocessing) jika kriteria kovergensi

tercapai dengan kriteria kovergensi 10-6 maka tahapan dilanjutkan pada post

processing dan jika tidak tercapai tahapan akan mundur kebelakang pada tahapan

meshing.

Tahap postprocessing merupakan tahap akhir dari simulasi yaitu merupakan

tahap penampilan hasil serta analisa terhadap hasil yang diperoleh berupa data

kualitatif dan data kuantitatif. Data kuantitatif berupa distribusi koefisien tekanan,

koefisien drag dan koefisien lift. Sedangkan data kualitatif berupa visualisasi aliran

dengan menampilkan grid display, pathlines, plot kontur, plot vektor dan profil

kecepatan.

16

Gambar 2.11. Simulasi dengan CFD

Secara umum koefisien hambat (Cd) aerodinamis dari beberapa jenis kendaraan

ditunjukkan pada table 2.2.

Table 2.2. Koefisien hambat (Cd) untuk beberapa jenis kendaraan

No Jenis Kendaraan Koefisien Hambat

1 Kendaraan penumpang 0,3 – 0,6

2 Kendaraan convertible 0,4 – 0,65

3 Kendaraan balap 0,25 – 0,3

4 Bus 0,6 – 0,7

5 Truck 0,8 – 1,0

6 Tractor – Trailer 0,8 – 1,3

7 Sepeda motor + pengendara 1,8

Berikut beberapa koefisian hambat (Cᴅ) untuk bermacam-macam model kendaraan

ditunjukkan pada beberapa tabel 2.3. dibawah ini:

17

Tabel 2.3. Koesfisien hambat (Cd) untuk bermacam – macam model kendaraan

Data dari : B. Neil

18

Data dari : B. Neil

19

Data dari : B. Neil

20

Data dari : B. Neil

21

Data dari : B. Neil

22

Data dari : B. Neil

23

Data dari : B. Neil