i

TUGAS AKHIR

SIMULASI PERILAKU AERODINAMIKA DALAM KONDISI STEADY DAN UNSTEADY PADA MOBIL MENYERUPAI TOYOTA AVANZA DENGAN CFD

Tugas Akhir ini disusun Untuk Memenuhi Sebagai Persyaratan Memperoleh

Derajat Sarjana S1 pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta

Disusun :

Nama : Muhammad Ridwan Nofianto Nim : D 200 090 102

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

2014

ii

iii

iv

v

vi

MOTTO

“Boleh jadi kamu membenci sesuatu, padahal ia amat baik bagimu, dan

boleh jadi (pula) kamu menyukai sesuatu, padahal ia amat buruk bagimu,

Allah mengetahui, sedang kamu tidak mengetahui”

(Q.S Al-Baqarah 216)

”Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan. Maka apabila

kamu telah selesai (dari suatu urusan), kerjakanlah dengan sungguh-

sungguh (urusan) yang lain, dan hanya kepada Tuhanmu-lah hendaknya

kamu berharap”

(Q. S. Insyirah: 6-8)

“Siapapun yang berhenti belajar adalah kaum tua, tidak perduli terjadi di

usia 20 atau 80. Siapapun yang tetap belajar tidak cuma awet muda, tetap

bernilai tanpa memperhatikan kapasitas fisiknya”

(Henry Ford)

“Orang yang tidak mengerti kebutuhan orang lain, adalah orang bodoh.

Dan orang yang tidak mampu memenuhi kebutuhan itu adalah orang

egois.”

(Penulis)

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 :

Ibunda tercinta Yuliana Sri Ambar Wati serta ayah tercinta Sarjono

yang telah membesarkan ku : 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.

Melawati Fatma Sari dan Anna lestari adik tercinta yang selalu

menjadi motivasi untuk menyelesaikan penelitian dan penulisan

tugas akhir ini.

Nofi Febriyanto teman seperjuangan dalam penelitian tugas akhir

ini terima kasih atas support dan kerja samanya selama penelitian.

Teman-teman Teknik Mesin angkatan 2009, terutama teman-teman

dari Kalimantan bang nur, begik, jehan, dan Arianto Sp serta

teman-teman lain yang tidak bisa disebut kan satu persatu terima

kasih atas bantuan dan dukungannya selama menempuh masa

perkuliahan.yang selalu memberikan pelajaran berharga yang tidak

bisa dinilai dengan materi, sehingga penulis bisa sampai seperti

saat ini.

Almamater ( Universitas Muhammadiyah Surakarta )

viii

KATA PENGANTAR

Assalamu’alaikum Wr. Wb.

Segala puji syukur ke hadirat Allah SWT yang telah melimpahkan

rahmat,hidayah dan karunia-Nya. Sholawat serta salam semoga selalu

dilimpahkan kepada Nabi Besar Muhammad SAW, beserta keluarga dan

sahabat-sahabatnya. Penulis sangat bersyukur karena dapat

menyelesaikan penyusunan skripsi dengan judul “Simulasi Perilaku

Aerodinamika Dalam Kondisi Steady Dan Unsteady Pada Mobil

Menyerupai Toyota Avanza Dengan CFD” sebagai salah satu syarat

untuk mendapatkan gelar sarjana S1 Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta.

Penulis dengan segala ketulusan dan keihklasan hati ingin

menyampaikan rasa terima kasih dan penghargaan yang sebesar-

besarnya kepada :

1. Bapak Ir. Sri Sunarjono, M.T., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta.

2. Bapak Tri Widodo Besar R., ST., M.Sc., Ph.D, selaku Ketua Jurusan

Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.

3. Bapak Ir. Sarjito, M.T., Ph.D. selaku Dosen Pembimbing I yang telah

membimbing, mengarahkan, memberi petunjuk dalam penyusunan

Tugas Akhir ini.

4. Bapak Nur Aklis, ST., M.Eng. selaku Dosen Pembimbing II yang telah

meluangkan waktunya untuk memberikan bimbingan dan arahannya.

5. Bapak Ir. Tri Tjahjono, M.T. selaku Pembimbing Akademik yang

memberi nasehat.

6. Dosen jurusan Teknik Mesin beserta Staf Tata Usaha Fakultas Teknik

Dalam penelitian dan penulisan laporan tugas akhir ini penulis

menyadari bahwa hasil laporan yang penulis kemukakan masih jauh dari

sempurna. Oleh karena itu kritik dan saran yang bersifat membangun dari

ix

pembaca akan penulis terima dengan senang hati. Selain itu penulis juga

berharap dengan adanya laporan ini bisa membantu memberikan

tambahan pengetahuan dan motivasi untuk pembaca pada umumnya dan

penulis khususnya guna meningkatkan pengetahuan.

Wassalamu’alaikum Wr. Wb.

Surakarta, April 2014

Penulis

x

Simulasi Perilaku Aerodinamika Dalam Kondisi Steady Dan Unsteady Pada Mobil Menyerupai Toyota Avanza Dengan CFD

Muhammad Ridwan Nofianto, Sarjito, Nur Aklis

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta

Jl. Ahmad Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasuro e-mail: ridwannofianto@yahoo.com

ABSTRAKSI

Pada penelitian ini menguraikan suatu fenomena kondisi aliran steady dan unsteady disekeliling bodi mobil yang dibuat dan dianalisa secara komputasi dengan menggunakan program software berbasis CFD (Computational Fluid Dynamics). Model mobil Avanza terpilih untuk melakukan penelitian ini, Dua mobil model A dan model B didesain dengan perbedaan bagian depan bodi (front end body) dengan menggunakan software solidworks 2012 kemudian disimulasikan menggunakan software Ansys 14.5-CFX, suatu paket yang menyatu dengan paket CFD.

Desain dari kedua model dibandingkan untuk mengetahui perbedaan besarnya koefisien drag (CD), koefisien lift (CL), distribusi tekanan, distribusi kecepatan dan perilaku karakter aliran di sekitar belakang mobil pada awal kondisi aliran steady. Model dibuat dalam skala yang sesuai dimaksudkan untuk melihat perilaku aliran baik di depan maupun di belakang mobil dalam rentang waktu yang berbeda-beda pada kondisi unsteady. Dari hasil analisis yang diperoleh dari parameter geometri dengan perbedaan bentuk bagian depan bodi mempunyai peran yang penting di dalam perilaku aerodinamika kendaraan.

Dari hasil simulasi yang diperoleh dari paket CFD pada masing-masing mobil model A dan model B didapatkan koefisien drag (CD) sebesar 0.531 dan 0.495, itu membuktikan penurunan koefisien drag (CD) sebesar 6.78%. untuk koefisien lift (CL) pada masing-masing model sebesar 0.0396 dan 0.0202, itu membuktikan penurunan koefisien lift (CL) sebesar 48.99%. pada hasil distribusi tekanan dan kecepatan relative sedikit berpengaruh pada bagian upper dan lower surface. Dengan perubahan geometri membuktikan bahwa mobil model B lebih aerodinamis dibanding model A.

Kata Kunci: Mobil Avanza, koefisien Drag, koefisien Lift, distribusi

tekanan, distribusi kecepatan, Aerodinamis, CFD.

xi

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL i

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI ii

HALAMAN PERSETUJUAN iii

HALAMAN PENGESAHAN iv

LEMBAR SOAL TUGAS AKHIR v

MOTTO vi

PERSEMBAHAN vii

KATA PENGANTAR viii

ABSTRAKSI x

DAFTAR ISI xi

DAFTAR GAMBAR xiii

DAFTAR TABEL xv

DAFTAR SIMBOL xvi

BAB I PENDAHULUAN 1

1.1. Latar Belakang 1

1.2. Perumusan Masalah 3

1.3. Batasan Masalah 4

1.4. Tujuan Penelitian 4

1.5. Manfaat Penelitian 5

1.6. Sistematika Penulisan 5

BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI 7

2.1. Kajian Pustaka 7

2.2. Dasar Teori 9

2.2.1. Pemodelan Turbulensi Pada Shear Stress

Transport (SST) 9

2.2.2. Pembuatan Grid (Meshing) 11

2.2.3. Persamaan Yang mengatur CFD 12

2.2.4. Densitas 14

2.2.5. Viskositas 14

2.2.6. Aliran Lapisan Batas Laminar dan Turbulen 19

2.2.7. Pemisahan Aliran (separation) 24

2.2.8. Koefisien Tekanan 25

2.2.9. koefisien lift, dan koefisien drag 26

2.2.10. Tahapan proses CFD 27

xii

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 29

3.1. Diagram Alir Penelitian 29

3.2. Langkah-Langkah Simulasi Komputasi CFD 30

3.2.1 Pembuatan Geometry Dan Proses Meshing 31

3.2.2 Pre processor 38

3.2.3 Solver Manager 42

3.2.4 Post processor 44

BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN 45

4.1. Verifikasi Software dan Validasi Data 45

4.2. Hasil Simulasi Kondisi Steady (Mantap) 48

4.2.1 Hasil Kontur Distribusi Tekanan 49

4.2.2 Hasil Kontur Disribusi Kecepatan 54

4.2.3 Hasil Kontur Turbulence Kinetic Energy 57

4.2.4 Hasil Pola Aliran Vector 59

4.2.5 Hasil Pola Aliran Streamline 61

4.2.6 Perhitungan Drag Coefficient, dan Lift Coefficient 64

4.3. Hasil Simulasi Kondisi Unsteady (Tak Mantap) 67

4.3.1 Hasil Kontur Kecepatan 69

4.3.2 Hasil Streamline Kecepatan 71

4.3.3 Hasil Kontur Turbulence Kinetic Energy 73

BAB V PENUTUP 75

5.1. Kesimpulan 75

5.2. Kontribusi Terhadap Ilmu Pengetahuan 77

5.3. Saran 77

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1: Posisi profil aliran fluida inviscid pada boundry layer …… 16

Gambar 2.2: aliran sekitar kendaraan .......................................………… 17

Gambar 2.3: Aliran laminar ........................................................………… 20

Gambar 2.4: Profil lapis batas sepanjang pelat datar tipis ........………… 21

Gambar 2.5: Aliran turbulen ......................................................………… 22

Gambar 2.6: Pemisahan aliran lapisan batas didinding ............………… 24

Gambar 3.1: Desain mobil untuk simulasi .................................………… 32

Gambar 3.2: Mobil Toyota Avanza S-Type tahun 2009.............………… 32

Gambar 3.3: Hasil impor pada producing geometry ..................………… 33

Gambar 3.4: Computational Domain ........................................ ………… 34

Gambar 3.5: Contoh model hasil proses meshing ............................…… 35

Gambar 3.6: model meshing setengah bagian pada symmetry plane..…36

Gambar 3.7: Perbedaan bentuk tepi grid ...................................………… 37

Gambar 3.8: Letak lapisan batas pada bawah mobil

dan ground plane ..................................................………… 38

Gambar 3.9: Pengaturan property domain .................................…………39

Gambar 3.10: Letak kondisi batas untuk domain komputasi..............……40

Gambar 3.11: Pengaturan initial condition ........................................…… 42

Gambar 3.12: Kontrol solver pada kondisi steady dan

unsteady/transient ......................................................…… 43

Gambar 3.13: Contoh gambar visualisasi hasil simulasi

dengan ANSYS 14.5 CFX-post ................................…… 44

Gambar 4.1: Kontur tekanan mobil AVANZA A..................................…… 51

Gambar 4.2: Kontur tekanan mobil AVANZA B..................................…… 52

Gambar 4.3: Grafik tekanan mobil Avanza A ....................................…… 53

Gambar 4.4: Grafik tekanan mobil Avanza B.....................................…… 53

Gambar 4.5: kontur kecepatan mobil Avanza A.................................…… 55

Gambar 4.6: kontur kecepatan mobil Avanza B................................…… 55

Gambar 4.7: Grafik kecepatan mobil Avanza A.................................…… 56

Gambar 4.8: Grafik kecepatan mobil Avanza B.................................…… 57

Gambar 4.9: Kontur turbulence kinetic energy...................................…… 58

Gambar 4.10: Vektor kecepatan pada bidang plane X, Y..................…… 59

Gambar 4.11: Vektor kecepatan pada bidang plane Z, X .................…… 60

Gambar 4.12: Aliran streamlines 2D disekitar mobil AVANZA...........…… 62

Gambar 4.13: Aliran streamline 3D di sekitar mobil AVANZA...........……63

Gambar 4.14: kontur aliran kecepatan kondisi transien pada plane Y,Z

dengan timestep 0.1, 0.5, 1, 1.5, 2 detik....................…… 70

xiv

Gambar 4.15: Struktur streamlines kecepatan pada belakang mobil

dibidang X, Z dengan timestep 0.1, 0.5, 1, 1.5, 2 detik … 72

Gambar 4.16:Struktur streamline pada belakang mobil dibidang

vertical Y,Z dengan timestep 0.1, 0.5, 1, 1.5, 2

detik............................................................………….......73

Gambar 4.17: kontur turbulence kinetic energy kondisi transien pada

bidang Y,Z dengan timestep 0.1, 0.5, 1, 1.5, 2

detik...............................................................................….74

xv

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1: Data geometri pada front end body ………… 33

Tabel 3.2: Pengaturan kondisi batas meshing ………… 37

Tabel 3.3: pengaturan lapisan batas ………… 38

Tabel 3.4: kondisi batas untuk kondisi simulasi steady state ………… 41

Tabel 4.1: Data hasil komputasi CFD ………… 46

Tabel 4.2: Data hasil perbandingan perhitungan komputasi

dan analitis ………… 47

Tabel 4.3: Jumlah mesh statictics pada model

AVANZA A dan AVANZA B ………… 48

Tabel 4.4: Data waktu variabel simulasi transient/unsteady ………… 69

xvi

DAFTAR SIMBOL

Simbol Satuan

ρ = Densitas (kg/m3)

m = Massa ( kg )

μ = Viskositas Dinamik (N. s/m2)

v = Viskositas kinematik ( m2/s )

Re = Reynold number

= Tegangan geser

v = Kecepatan bebas (m/s)

= Kecepatan lokal (m/s)

l = Panjang (m)

p = Tekanan (Pa)

pt = Tekanan total (Pa)

p = Tekanan statis (Pa)

Cp = Koefisien Tekanan

CL = Coefficient Lift

CD = Coefficient Drag

L = Gaya Lift (N)

D = Gaya Drag (N)

A = Frontal Area (m2)

g = Grafitasi (m/s2)

v