ANALISA COEFICIENT OF DRAG PADA PENGGUNAAN AIR DEFLECTOR TRUK MENGGUNAKAN CFD. Ganjar Nugraha

ANALISA COEFICIENT OF DRAG PADA PENGGUNAAN AIR DEFLECTOR TRUK MENGGUNAKAN CFD TUGAS AKHIR Karya Ilmiah sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik dari Universitas Mercu Buana

Oleh :

Ganjar Nugraha 0130212-019

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

UNIVERSITAS MERCU BUANA 2007

ANALISA COEFFICIENT OF DRAG PADA PENGGUNAAN AIR DEFLECTOR TRUK MENGGUNAKAN CFD Abstrak

Tujuan penulisan skripsi ini adalah untuk memahami fungsi dari penggunaan air deflector pada kendaraan truk serta untuk mengetahui seberapa besar pengaruh dari pengggunaan perangkat air deflector terhadap coeficient of drag yang timbul pada saat kendaraan truk melaju pada kecepatan 60 km/jam dan 100 km/jam. Analisa dilakukan menggunakan metode CFD (Computational Fluid Dynamics) yang di dalam kajian ini menggunakan bantuan perangkat lunak Cosmos FloWork 2004 untuk melakukan simulasi agar didapat nilai drag reduction. Berdasarkan hasil pengujian, efektifitas dari penggunaan air deflector ini adalah pada kecepatan yang lebih tinggi dalam artian semakin tinggi kecepatan kendaraannya melaju maka efektifitas penggunaan dari air deflector pun meningkat. Dihasilkan perbaikan apabila menggunakan air deflector pada kecepatan 100 km/jam adalah pengurangan gaya hambat sebesar 27.4 N dan perubahan angka koefisien gaya hambat dari 0.16 menjadi 0.13 atau sebesar 18% jika dibandingkan dengan truk yang tidak menggunakan air deflector.

COEFFICIENT OF DRAG ANALYSIS IN USING OF TRUCK’S AIR DEFLECTOR WITH CFD METHOD Abstract

The purpose of this writing is to concern the function of using air deflector on a truck and to discover how massive the effect of using the device against the coefficient of drag that merged while the truck run 60 km/hour and 100 km/hour. This analysis is made using the Computational Fluid Dynamics method with Cosmos FloWork 2004 software. Base on the simulation, effectivity of using the air deflector is on higher speed, it means higher the truck’s speed more effective air deflector works. By using air deflector on the speed of 100 km/hour, it can reduced 27.4 N of drag force and also reduced coefficient of drag from 0.16 to 0.13 or about 18% against the truck without using air deflector.

LEMBAR PERNYATAAN Yang bertanda tangan dibawah ini: Nama

:

Ganjar Nugraha

NIM

:

0130212-019

Jurusan

:

Teknik Mesin

Fakultas

:

Teknologi Industri

Judul Skripsi

:

ANALISA

COEFFICIENT

PENGGUNAAN

AIR

OF

DRAG

DEFLECTOR

PADA TRUK

MENGGUNAKAN CFD

Dengan ini menyatakan bahwa hasil penulisan skripsi saya yang telah saya buat ini merupakan hasil karya sendiri dan benar keasliannya. Apabila ternyata di kemudian hari penulisan skripsi ini merupakan hasil plagiat atau penjiplakan terhadap karya orang lain, maka saya bersedia mempertanggung jawabkan sekaligus bersedia menerima sanksi berdasarkan aturan tata tertib di Universitas Mercu Buana. Demikian, pernyataan ini saya buat dalam keadaan sadar dan tidak dipaksakan.

Penulis

Ganjar Nugraha

i

LEMBAR PENGESAHAN ANALISA COEFFICIENT OF DRAG PADA PENGGUNAAN AIR DEFLECTOR MENGGUNAKAN CFD

DISUSUN OLEH: NAMA

:

GANJAR NUGRAHA

NIM

:

0130212 – 019

JURUSAN

:

TEKNIK MESIN

Mengetahui Pembimbing

Koordinator Tugas Akhir

(DR. Mardani Ali Sera, M.Eng)

(Nanang Ruhyat, ST.MT)

ii

KATA PENGANTAR Assalamualaikum Wr. Wb Dengan memanjatkan puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang dengan rahmat dan hidayahNYA, Alhamdulillah penulis akhirnya dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “ Analisa Coefficient of Drag Pada Penggunaan Air Deflector Truk Menggunakan CFD “. Pembuatan skripsi ini tentunya tidak terlepas dari bantuan segala pihak yang nantinya akan teruraikan dalam lembar ucapan terima kasih. Selama penulis menempuh pendidikannya di Fakultas Teknologi Industri, Jurusan Teknik Mesin, sejak semester ke lima penulis telah memikirkan ide untuk menulis sebuah topik yang akan dituangkan dalam sebuah skripsi. Tentunya tidak mudah untuk memikirkannya, dengan berbekalkan minat dalam bidang aerodinamika dan otomotif, penulis terus menggali beberapa ide yang bisa dikembangkan untuk disusun menjadi skripsi. Seiring dengan berjalannya waktu, kuliah terus bergulir, pilihan semakin banyak tetapi pengetahuan yang terbatas, akhirnya penulis memutuskan untuk melakukan simulasi pengujian dengan bantuan perangkat lunak. Dengan sedikit kemampuan di bidang CAD-yang saat itu masih mempelajari AutoCAD-dan dilanjut dengan mempelajari Solid Works yang terintegrasi didalamnya adalah CosmosXpress, penulis kemudian mendapatkan ide untuk membuat sebuah simulasi tentang pengujian perangkat aerodinamika. Memang dirasakan cukup sulit untuk mempelajari sesuatu yang baru tanpa bantuan dari siapapun dan tanpa mengikuti kursus khusus apapun, tetapi penulis mencoba bertukar pikiran dengan beberapa rekan yang akhirnya membantu dalam proses pembelajaran untuk melakukan simulasi yang sederhana ini. Ternyata dengan menggunakan bantuan perangkat lunak Cosmos FloWork yang telah banyak digunakan oleh para engineer, simulasi dapat dilakukan. Demikianlah kata pengantar ini dibuat, dan tentunya penulis sangat menyadari bahwa skripsi ini masih banyak hal yang kurang sempurna, untuk itu penulis meminta maaf sedalam-dalamnya. Tetapi walaupun masih terdapat iii

banyak kekurangan, semoga skripsi ini bisa dijadikan sebagai bahan acuan untuk melakukan simulasi lainnya yang lebih kompleks dengan menggunakan bantuan perangkat lunak lainnya. Wassalamualaikum Wr. Wb

Penulis

Ganjar Nugraha

iv

UCAPAN TERIMA KASIH Dengan segala kerendahan hati dan rasa keikhlasan yang sangat tinggi, pertama-tama penulis mengucapkan rasa terima kasih yang setinggi-tingginya kepada ALLAH SWT. Hanya dengan berkat-Nya maka penulis mendapatkan rasa kesabaran yang tinggi, kesehatan yang sempurna dan lain sebagainya untuk dapat menyelesaikan skripsi ini. Sempat penulis merasa sangat tidak bersemangat untuk membuat skripsi ini karena masalah-masalah yang dihadapi. Bukan tidak mustahil, apabila skripsi ini akan gagal di tengah jalan dan gelar kesarjanaan dalam bidang teknik mesin tidak akan pernah disandang. Akan tetapi berkat dorongan dari keluarga tercinta, rekan-rekan kuliah di PKSM Universitas Mercu Buana serta rekan-rekan kerja dan pihak-pihak lain maka penulis kembali untuk menyelesaikannya. Entah apa yang harus penulis ucapkan dalam lembaran ini, karena rasanya tidak cukup hanya dengan mengucap kata TERIMA KASIH maka permasalahan sudah selesai begitu saja. Akan tetapi, tidak ada salahnya apabila kata tersebut diulang kembali karena makna yang terkandung didalamnya sangatlah dipenuhi oleh kekuatan magis sehingga rasanya “orang-orang” tidak akan pernah bosan untuk mendengarnya. Oleh karena itu izinkan penulis untuk kembali mengucap TERIMA KASIH yang sedalamdalamnya dan sebesar-besarnya tersebut kepada: •

Bapak DR. Mardani Ali Sera, M.Eng, selaku pembimbing yang telah memberikan arahan kepada penulis dan koreksinya untuk setiap bab yang diajukan.

•

Bapak Ir. Yuriadi Kusuma, Msc, Bapak DR. Abdul Hamid, M.Eng, Bapak R. Ariosuko Dh, Ir, dan Bapak Nanang Ruhyat ST, MT, selaku para dosen penguji yang telah meluangkan waktunya untuk menguji hasil skripsi penulis.

•

Bapak Erwin Shihab ST, MT,

yang telah memberikan ide dan

bimbingan kepada penulis diluar kegiatan kampus. v

•

Dosen-dosen PKSM program studi Teknik Mesin Universitas Mercu Buana, terima kasih banyak atas ilmu, teori dan segala analisa yang telah diberikan. Selain itu, penulis juga berterima kasih atas segala tugas-tugas makalah yang telah diberikan karena dengan tugas-tugas tersebut, walau kadang penulis mengeluh tetapi pada akhirnya penulis dapat terbuka wawasannya untuk menyelesaikan suatu karya ilmiah.

•

Rekan seperjuangan di angkatan ke-2 mahasiswa Teknik Mesin PKSM Universitas Mercu Buana, baik yang masih eksis maupun yang telah berlalu karena seleksi alam, sesama kuli yang juga kuliah.

•

Istriku tercinta Mutia Wardini S.Sos, atas dorongan dan dukungan baik moril maupun spiritual yang tak pernah berakhir hingga akhirnya penulis dapat memperoleh apa yang telah menjadi impian sebelum kami menikah, yaitu gelar kesarjaanan.

•

Ananda tersayang Daffa’ Fazil Nugraha, putra pertama penulis yang selalu memberikan obat pelipur lara dikala penulis merasa resah maupun dikala lelah.

•

Rekan-rekan para pecinta dan penggila sepeda di sepedaku.com, batasan untuk menikmati sepeda hanyalah langit. Bonny Osborne, yang telah memberikan racun sehat kepada penulis hingga akhirnya penulis mengerti apa yang sebenarnya ada dibalik hasrat bermain sepeda.

•

Serta orang-orang yang telah memberikan dukungan dalam bentuk apapun selama penulis menjalankan kuliah yang tidak dapat penulis sebutkan satupersatu. Tidak ada kata lain selain hanya mengucapkan TERIMA KASIH BANYAK ATAS SEMUANYA.

•

Yang paling terakhir, kedua orang tua penulis, Nyandjang Soetisna dan A.Atikah yang Alhamdulillah hingga penulis menyelesaikan kuliah mereka berdua masih terus memberikan do’a-do’anya hingga akhirnya penulis dapat meraih yang di cita-citakan. Kakak-kakak tercinta, sudah kubuktikan bahwa salah satu dari keluarga kita ternyata ada yang mampu meraih gelar sarjana. Adik-adik iparku, terima kasih atas segala dorongan

agar

penulis

selalu

membakar

semangatnya

untuk

menyelesaikan semua ini. Ibu mertuaku, Hj. Dedeh Siti Suhaerah, vi

beliau yang selalu memberikan masukan-masukan terbaik untuk meraih semua ini. Sekali lagi, TERIMA KASIH ATAS SEGALANYA DAN SEGALANYA………

Meruya, 07 Oktober 2007

Ganjar Nugraha

vii

DAFTAR ISI Halaman Pernyataan

…………………………………………………………….i

Halaman Pengesahan ……………………………………………………………..ii KATA PENGANTAR ……………………………………………………………iii UCAPAN TERIMA KASIH ……………………………………………………..v DAFTAR ISI …………………………………………………………………....viii DAFTAR GAMBAR

…………...........................................................................x

DAFTAR TABEL ……………………………………………………………….xii DAFTAR NOTASI ……………………………………………………………xiii BAB I PENDAHULUAN

………………………………………………………1

1.1 Latar Belakang ………………………………………………………1 1.2 Tujuan Penulisan …………………………………………………….2 1.3 Permasalahan

……………………………………………………….2

1.4 Batasan Masalah …………………………………………………….3 1.5 Metodologi Penelitian ……………………………………………….3 1.6 Sistematika Penulisan

………………………………………………3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA …………………………………………………5 2.1 Dasar Mekanika Fluida ………………………………………………5 2.1.1 Viskositas

…………………………………………………….5

2.1.2 Persamaan Kontinuitas (Continouty Equation) …………………6 2.1.3 Boundary Layer ……………………………………………….8 2.1.4 Pengembangan dari Boundary Layer ………………………….8 2.1.5 Separasi dari Boundary Layer ………………………………….10 2.1.6 Hubungan Angka Reynold dengan Koefisien Gaya Hambat…..11 2.1.7 Laminer dan Turbulen Boundary Layer………………………..13 2.2 Gaya aerodinamika …………………………………………………..14 2.2.1 Gaya hambat aerodinamik (Drag force)………………………..15 2.2.2 Gaya angkat aerodinamik (Lift force) …………………………17 2.2.3 Gaya samping aerodinamik (Side force) ………………………19 2.3 Stabilitas kendaraan bergerak ………………………………………..20 viii

2.4 Dasar aerodinamika kendaraan komersil …………………………….22 2.4.1 Pengaruh pembulatan sisi bodi ………………………………..22 2.4.2 Pengaruh perbedaan jarak tinggi kabin ke trailer dengan bentuk kabin yang berbeda ……………………………………………23 2.4.3 Distribusi tekanan pada bodi bagian depan ……………………24 2.5 Air deflector sebagai perangkat untuk menurunkan gaya hambat pada Truk …………………………………………………………………26 2.6 Yaw angle ……………………………………………………………27 BAB III PERALATAN DAN PROSES PENGUJIAN ………………………..29 3.1 Uraian umum ……………………………………………………….29 3.2 COSMOSFloWorks 2005

…………………………………………30

3.3 Mensimulasikan masalah engineering dengan COSMOSFloWorks ...31 3.4 Proses pengujian ……………………………………………………..31 BAB IV HASIL DAN ANALISA ……………………………………………….39 4.1 Hasil pengujian air deflector …………………………………….......39 4.2 Analis hasil pengujian air deflector …………………………………50 BAB V SIMPULAN DAN SARAN ……………………………………………..54 5.1 Simpulan ……………………………………………………………54 5.2 Saran …………………………………………………………………54 DAFTAR PUSTAKA …………………………………………………………...56 LAMPIRAN

ix

DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1

Beberapa perangkat aerodinamika pada truk

Gambar 1.2

Salah satu jenis Air Deflector

Gambar 2.1

Aliran antara dua plat parallel

Gambar 2.2

Massa aliran rata-rata adalah konstan

Gambar 2.3

Perubahan kecepatan Boundary layer

Gambar 2.4

Boundary layer disepanjang plat tipis datar

Gambar 2.5

Aliran turbulen Boundary layer

Gambar 2.6

Titik separasi

Gambar 2.7

Hubungan CD dengan Re pada permukaan silinder dan bola

Gambar 2.8

Efek turbulen pada Boundary layer

Gambar 2.9

Titik transisi pada turbulen Boundary layer

Gambar 2.10

Gaya dan momen aerodinamik

Gambar 2.11

Induced drag

Gambar 2.12

Perbedaan pola aliran pada profil sayap

Gambar 2.13

Pola aliran dengan besar tekanan, schematic

Gambar 2.14

Aliran pada bodi bagian depan bis

Gambar 2.15

Pengaruh pembulatan pada sudut bodi bis

Gambar 2.16

Perbandingan kondisi aliran udara

Gambar 2.17

Distribusi tekanan

Gambar 2.18

Aliran udara antara kabin dan trailer

Gambar 2.19

Jenis air deflector

Gambar 2.20

Sudut yawing

Gambar 3.1

Model truk

Gambar 3.2

Langkah 1

Gambar 3.3

Langkah 2

Gambar 3.4

Langkah 3

Gambar 3.5

Langkah 4

Gambar 3.6

Langkah 5

Gambar 3.7

Langkah 6

Gambar 3.8

Langkah 7 x

Gambar 3.9

Langkah 8

Gambar 3.10

Langkah 9

Gambar 3.11

Langkah 10

Gambar 3.12

Langkah 11

Gambar 3.13

Langkah 12

Gambar 4.1

Model truk 1

Gambar 4.2

Model truk 2

Gambar 4.3

Model truk 3

Gambar 4.4

Model truk 4

Gambar 4.5

Pengujian 1

Gambar 4.6

Pengujian 2

Gambar 4.7

Pengujian 3

Gambar 4.8

Pengujian 4

Gambar 4.9

Pengujian 5

Gambar 4.10

Pengujian 6

Gambar 4.11

Pengujian 7

Gambar 4.12

Pengujian 8

Gambar 4.13

Hasil uji

Gambar 4.14

Perubahan drag force

Gambar 4.15

Presentasi perubahan

xi

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1

Hasil pengujian 1

Tabel 4.2

Hasil pengujian 2

Tabel 4.3

Hasil pengujian 3

Tabel 4.4

Hasil pengujian 4

Tabel 4.5

Hasil pengujian 5

Tabel 4.6

Hasil pengujian 6

Tabel 4.7

Hasil pengujian 7

Tabel 4.8

Hasil pengujian 8

Tabel 4.9

Nilai drag force pada kecepatan 60 km/jam

Tabel 4.10

Nilai drag force pada kecepatan 100 km/jam

Tabel 4.11

Nilai Coefficient of drag pada kecepatan 60 km/jam

Tabel 4.12

Nilai Coefficient of drag pada kecepatan 100 km/jam

xii

DAFTAR NOTASI Simbol

Keterangan

Unit

A

Luas area

m2

CD

Koefisien gaya hambat

CL

Koefisien gaya angkat

CS

Koefisien gaya samping

Di

Induced drag

FD

Gaya hambat

N

FL

Gaya angkat

N

FS

Gaya samping

N

M

Massa

kg

p

Tekanan

Pa

Re

Angka Reynolds

T

Temperatur

Kelvin

ρ

Kerapatan udara

kg/m3

µ

Viskositas dinamik

Ns/m2

υ

Viskositas kinematik

m2/s

v

Kecepatan

m/s

xiii

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Perancangan bentuk bodi sebuah kendaraan memberikan pengaruh yang besar terhadap kinerja dan kemampuan manuver kendaraan tersebut. Dengan perkembangan ilmu, teknologi dan juga peningkatan kualitas maupun kuantitas dari produk teknologi, maka adalah tantangan bagi desainer kendaraan untuk memanfaatkan pertumbuhan ilmu dan teknologi ini dalam melakukan perbaikan dalam perencanaannya agar didapat kinerja yang semakin baik pada kendaraan. Kinerja kendaraan dipengaruhi oleh beban angin yang terjadi pada sekeliling kendaraan. Beban-beban angin yang terjadi pada kendaraan dapat mempengaruhi konsumsi bahan bakar dan juga dapat mempengaruhi kestabilan arah kendaraan. Secara konvensional beban angin yang dibahas atau diperhatikan pada kendaraan hanyalah gaya hambat angin karena ia sangat berpengaruh terhadap konsumsi bahan bakar dan perilaku traksi dari suatu kendaraan. Dengan meningkatnya kemampuan gerak kendaraan yaitu kecepatan dan kemampuan manuvernya maka stabilitas arah kendaraan menjadi sangat penting. Pentingnya kemampuan manuver dan stabilitas arah ini telah mendorong penulis untuk membahas dan mengkaji gaya dan momen angin yang terjadi pada kendaraan, dalam hal ini adalah truk. Air Deflector

Arah angin

Gap Seal

Trailer Skirt

Gambar 1.1 Beberapa perangkat aerodinamika pada truk

Pada sebuah truk terdapat beberapa perangkat yang digunakan untuk menurunkan nilai dari Coeficient of Drag untuk memperbaiki beban angin yang 1

terjadi, antara lain air deflector yang dipasangkan diatas kabin dari truk, gap seal yang dipasangkan pada celah antara kabin dan trailer dan trialer skirt yang dipasangkan dibagian bawah trailer. Pada karya tulis ini penulis hanya mengkaji penggunaan air deflector yang digunakan pada truk.

Gambar 1.2 Salah satu jenis Air Deflector

1.2

Tujuan Penulisan Dalam melakukan pengkajian ini, penulis bertujuan untuk memahami

seberapa besar pengaruh dari penggunaan air deflector pada truk-truk besar terhadap coefficient of drag yang ditimbulkan pada saat truk tersebut melaju pada kecepatan 60km/jam dan 100km/jam. Sehingga hasil dari kajian ini dapat memberikan informasi tentang fungsi sebuah perangkat aerodinamika yaitu air deflector.

1.3

Permasalahan Dengan memperbaiki aliran udara yang melewati antara bagian kepala truk

dengan trailernya dapat memberikan pengaruh yang baik untuk menurunkan gaya hambat secara keseluruhan. Terdapat beberapa alat yang dapat digunakan untuk memperbaiki aerodinamika pada sebuah truk, salah satunya adalah dengan menggunakan air deflector yang dipasangkan di atas kabin truk. Benarkah air deflector ini mampu menurunkan coefficient of drag?

2

1.4

Batasan Masalah Dalam penulisan ini, penulis membatasi pembahasan masalah pada analisa

pengaruh dalam menggunakan air deflector pada sebuah truk terhadap drag reduction dengan menggunakan metode CFD (Computational Fluid Dynamics) dan bantuan software Cosmos FloWorks 2004.

1.5

Metodologi Penelitian Metode yang dilakukan dalam penelitian ini, ditahapakan sebagai berikut: 1. Studi pustaka. 2. Membuat model truk referensi untuk menganalisa drag force yang terjadi dengan menggunakan software SolidWorks 2005. 3. Melakukan pengujian model truk dengan menggunakan software Cosmos FloWorks 2004. 4. Pengujian dilakukan dengan menggunakan data primer. 5. Analisa data hasil pengujian penggunaan air deflector terhadap drag force yang ditimbulkan.

1.6

Sistematika Penulisan Sistematika penulisan tugas akhir ini disajikan dalam 5 (lima) bab, yaitu:

BAB I

PENDAHULUAN Menguraikan latar belakang, tujuan penulisan, permasalahan, batasan masalah dan metode yang menjadi dasar untuk mempelajari pengaruh penggunaan air deflector terhadap drag reduction.

BAB II

LANDASAN TEORI Menguraikan dasar mekanika fluida dan dasar-dasar aerodinamika yang

menjadi

acuan

dalam

melakukan

analisa

pengaruh

penggunaan air deflector terhadap drag reduction yang terjadi. BAB III

PERALATAN DAN PROSEDUR PENGUJIAN Menguraikan tahap pengujian yang dilakukan, software yang digunakan dalam pengujian dan metode pengujian air deflector yang digunakan.

3

BAB IV

HASIL DAN ANALISA Berisikan rangkuman dari hasil pengujian yang ditampilkan dalam bentuk gambar dan grafik serta analisisnya yang berkaitan dengan pengaruh penggunaan air deflector.

BAB V

SIMPULAN DAN SARAN Berisi simpulan yang didapat dari pengujian serta analisis yang telah dilakukan terhadap penggunaan air deflector pada truk dan kaitannya dengan drag reduction yang ditimbulkan.

4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1

Dasar Mekanika Fluida Fluida dibedakan menjadi fluida cair dan fluida gas. Fluida cair meiliki

sifat yang sulit untuk ditekan dan berbeda dengan fluida gas yang mudah untuk ditekan. Karena hal inilah,

karakteristik penting fluida dari sudut pandang

Mekanika Fluida adalah kemampuan untuk dapat ditekan. Tetapi masih terdapat satu karakteristik lagi yaitu viskositas. Ketika fluida

menaikkan tekanannya

melawan kompresi untuk mempertahankan volume awal, karakteristik ini disebut dengan kompresibilitas. Selanjutnya, saat fluida menunjukan tahanannya ketika terdapat dua lapisan yang bergesekan diantara fluida tersebut, maka karakteristik ini disebut dengan viskositas. Kerapatan dari semua zat ditentukan sebagai massa per satuan volume. Dalam fluida, properti ini bergantung pada tekanan p dan temperatur T. Untuk US standard atmosphere sea level condition yaitu pada tekanan p = 101325 Pa, T = 293.2 K, nilai kerapatan udara ρ = 1.204 kg/m3.

2.1.1

Viskositas Ketika fluida mengisi celah antara dua buah plat paralel dengan luas area

A dengan jarak h, dimana plat bagian bawah adalah merupakan bagian yang tetap, dan gaya F dibutuhkan untuk memindahkan plat bagian atas dengan kecepatan U.

Gambar 2.1 Aliran diantara dua plat paralel 5

τ =µ

du …(2.1) dy

Tegangan geser τ besarnya sebanding dengan gradien kecepatan

du . dy

Faktor konstanta µ adalah propeti dari fluida yang dinamakan viskositas dinamik. Pada umumnya faktor konstanta itu bergantung pada temperatur.

ν=

µ …(2.2) ρ

Pada persamaan (2.2) disebut sebagai viskositas kinematik dimana bergantung pada tekanan dan temperatur. Untuk US standart atmosphere sea level condition: µ = 1.7894 x 10-5 Ns / m2 ν = 1.4607 x 10-5 m2 / s

Ada beberapa prosedur untuk mengembangkan persamaan dasar mekanika fluida. Beberapa hukum yang bersifat kekal sebagai dasar dari penelitian ini adalah : a. Massa bersifat kekal , dimana massa tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan. b. Hukum kedua Newton dimana massa yang mempunyai percepatan menghasilkan gaya yang mempunyai besar dan arah. c. Energi bersifat kekal, dimana energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan tetapi dapat berubah bentuk dari suatu bentuk energi ke bentuk energi yang lainnya.

2.1.2 Persamaan Kontinuitas (Continouity Equation) Di dalam aliran fluida yang steady, massa alir per satuan waktu yang melalui masing – masing bagian tidak akan berubah, walaupun diameter pipanya berubah. Inilah yang disebut sebagai hukum dari Konservasi Massa. 6

Untuk pipa yang ditunjukan pada gambar 2.2, dimana diameternya yang mengecil antara bagian 1 dan bagian 2 yang memiliki luas area A1 dan A2 dan kecepatan yang mengalir adalah ν1 dan ν2 dengan densitasnya adalah ρ1 dan ρ2, sehingga dapat dinyatakan: ρ1A1ν1 = ρ2A2ν2 atau, ρAν = konstan …(2.3)

Gambar 2.2 Massa aliran rata-rata adalah konstan

Apabila fluidanya memiliki sifat incompressible, seperti air, maka densitasnya menjadi konstan, maka:

Aν = kostan …(2.4)

Dari persamaan (2.3) dan (2.4) menyatakan bahwa aliran adalah kontinyu tanpa ada perubahan, maka kedua persamaan tadi disebut sebagai Persamaan Kontinyuitas. Yang merupakan pernyataan dari prinsip konservasi massa yang diaplikasikan kedalam aliran fluida. Dari persamaan (2.3) sudah jelas bahwa kecepatan akan berbanding terbalik dengan luas area dari pipa. Apabila diameter pipa mengecil maka kecepatannya akan naik.

7

2.1.3

Boundary Layer Udara memiliki viskositas, yang mengakibatkan terjadinya gesekan

internal diantara lapisan-lapisan udara meskipun terdapat aliran udara relatif sehingga konsekuensinya apabila terjadi aliran diantara lapisan-lapisan udara tadi maka enrginya akan melemah. Ketika udara mengalir diatas sebuah permukaan maka boundary layer tipis akan terbentuk diantara aliran udara dan permukaan.

Gambar 2.3 Perubahan kecepatan Boundary layer

2.1.4

Pengembangan dari Boundary Layer Aliran dalam sebuah boundary layer sepanjang plat tipis datar

diperlihatkan pada gambar. Berhubungan dengan aliran eksternal yang sejajar dengan arah yang streamlines memiliki kecepatan V∞ dan tekanan p∞ yang homogen. Viskositas aliran bersifat tanpa slip sama sekali sepanjang dinding. Dibagian plat depan dari aliran boundary layer dalam keaadan yang steady dan hampir paralel dengan dinding. Keadaan ini disebut dengan aliran laminer. Meningkatnya ketebalan boundary layer dapat didekati dengan menggunakan : ⎛ v ⎞

δ ≈ ⎜⎜ ⎟⎟ . x …(2.13) ⎝ V∞ ⎠

Dengan meningkatnya jarak x dan viskositas kinematik v dan menurunnya kecepatan aliran bebas V∞, maka ketebalan boundary layer akan bertambah.

8

Gambar 2.4 Boundary layer disepanjang plat tipir datar

Kondisi aliran laminer dari boundary layer stabil terhadap gangguan hanya untuk beberapa kondisi. Pada jarak x = xtr dari garis transisi, kondisi aliran turbulen. Transisi antara aliran laimner dan aliran turbulen ditentukan oleh angka Reynold. Untuk kondisi plat datar, transisi terjadi pada :

Re xtr =

V∞ .xtr = 5.10 5 …(2.14) v

Tetapi angka ini hanya berlaku pada tekanan yang tidak memiliki gradien dalam aliran eksternal. Dalam kasus tekanan yang memiliki gradien, tekanan melemah dalam menuju ke aliran laminer yang stabil dimana dapat menyebabkan aliran transisi yang dini untuk menuju ke kondisi aliran turbulen dalam boundary layer. Kecepatan aliran turbulen mempengaruhi kondisi aliran itu sendiri sehingga secara terpisah dapat dapat mempengaruhi viskositas dari fluida. Untuk itu, ketebalan boundary layer sepanjang plat datar meningkat dengan lebih cepat dari titik transisi dengan :

⎛ v ⎞

4

δ ≈ ⎜⎜ ⎟⎟ .x 5 …(2.15) ⎝ V∞ ⎠ 9

Gambar 2.5 Aliran turbulen Boundary layer

2.1.5

Separasi dari boundary layer Didalam sebuah aliran dimana tekanannya menurun pada arah alirnya,

fluida diakselerasi dan boundary layer akan menipis. Pada arah yang berlawanan, tekanan memiiliki

sebuah gradien negatif yang menstabilkan aliran ketika

turbulen menurun perlahan. Kenyataannya, terdapat sedikit perbedaan didalam sebuah aliran dengan gradien tekanan yang positif dimana tekanannya meningkat pada arah alirnya, seperti pada aliran divergen atau dinding yang melengkung seperti pada gambar. Fluida yang menjauhi dinding memiliki kecepatan alir yang besar yang mengakibatkan inersia yang besar pula. Akibatnya, aliran dapat bergerak ke area downstream melalui downstream yang memiliki tekanan yang tinggi. Fluida yang dekat dengan dinding dengan kecepatan alir yang kecil tidak dapat mencapai area downstream akibat dari inersianya yang kecil. Sehingga kecepatan alir menjadi lebih kecil dan lebih kecil lagi hingga akhirnya akan mencapai gradien kecepatan nol. Titik ini disebut sebagai titik separasi dari aliran.

10

Gambar 2.6 Titik separasi

Tipe aliran dibatasi oleh angka Reynold dimana : a. Aliran laminer untuk Re l < 5.10 5 dengan angka C D =

2.656

(Re ) l

b. Aliran turbulen untuk 5.10 5 < Re l < 10 7 dengan angka C D =

2.656

(Re l )

c. Untuk aliran dengan angka Re l > 10 7 , drag berkembang dengan asimtotik, CD =

2.1.6

0.91

(log Re l )2.58

Hubungan Angka Reynold dengan Koefisien Gaya Hambat

Seperti terlihat pada rumus diatas

bahwa C D merupakan fungsi dari

Angka Reynold, gambar berikut ini adalah beberapa hasil eksperimen koefisien gaya hambat pada plat datar, permukaan silinder dan bola berdasarkan dari Angka Reynold.

Gambar 2.7 Hubungan CD dan Re pada permukaan silinder dan bola 11

Beberapa kondisi pada Angka Reynold telah diteliti dan didokumentasikan oleh para ahli. Kondisi tersebut adalah sebagai berikut : a. Untuk Re << 1, aliran dalam jeda ini terpelihara asimetri dan pada kedua sisi tersebut tidak ada separasi aliran. Drag force pada silinder sepenuhnya disebabkan hambatan deformasi. b. Untuk 4 ≤ Re ≤ 40, dalam jeda ini aliran terseparasi, menyebabkan dua vortex yang besar dibelakang silinder. Vortex ini terpelihara menempel pada silinder sampai Re diatas 40. Aliran masih asimetri terhadap arah aliran. Drag force bertambah seiring dengan Re, tetapi lift force masih belum ada. c. Untuk 40 ≤ Re ≤ 150, dalam jeda ini aliran asimetri hampir menghilang seluruhnya. d. Untuk 200 ≤ Re ≤ 400, aliran dalam vortex berubah dari laminer menjadi turbulen. Transisi ini dikenal sebagai daerah transisi Tritton. e. Untuk 400 ≤ Re ≤ 3.105 , Von Karman Vortex street muncul dengan pola antisimetri. f. Untuk 3.105 ≤ Re ≤ 5.105, aliran berubah dengan cepat, aliran dapat berupa subkritis, kritis transisi dan superkritis. Berhubungan dengan keadaan tersebut dapat merubah juga drag force dan lift forcenya. g. Untuk 5.105 ≤ Re ≤ 3.106, aliran seluruhnya pada fase superkritis dan titik separasi bergerak mundur, lebar wake mengecil dan koefisien gaya hambat turun drastis. Penurunan gaya hambat ini dikenal dengan “Drag Crisis”. h. Untuk Re ≥ 3.106 gaya hambat meningkat dari titik terendah pada fase krisis gaya hambat tetapi masih lebih kecil daripada gaya hambat yang diteliti pada angka Re yang lebih rendah. Aliran yang terbentuk seluruhnya turbulen. Fenomena drag crisis tersebut disebabkan oleh karena momentum aliran yang jauh lebih besar untuk mengatasi gaya geser yang terjadi pada permukaan dalam kondisi tanpa slip. Gambar dapat memperjelas fenomena tersebut.

12

Gambar 2.8 Efek turbulen pada Boundary layer

Pada gambar terjadi penundaan separasi pada bola yang dijatuhkan ke air dengan kecepatan 25 ft/sec. Pada gambar sebelah kiri permukaan bola terlihat halus sedangkan pada gambar sebelah kanan pada permukaan bola terlihat pola titik-titik pasir pada hidung bola yang disebabkan aliran transisi dari laminer ke turbulen mulai terbentuk.

2.1.7

Laminer dan turbulen boundary layer

Sebuah boundary layer diatas permukaan kendaraan, seperti dibagian atap (roof), sebagian besar adalah laminer tetapi semakin jauh kebelakang akan terdapat sebuah titik perubahan ketika boundary layer berubah dari laminer menjadi turbulen.

13

Gambar 2.9 Titik transisi pada turbulen Boundary layer

Semakin tinggi kecepatan kendaraan bergerak maka titik perubahan akan cenderung bergerak menuju kedepan yang menyebabkan berkurangnya aliran udara laminer dan cenderung menjadi turbulen seluruhnya yang akan berbanding lurus dengan friksi yang terjadi.

2.2 Gaya aerodinamika

Secara umum, dimana arah relative angin terhadap kendaraan tidak selalu bisa sejajar dengan sumbu longitudinal kendaraan, maka akan terjadi tiga gaya aerodinamik pada kendaraan. Gaya-gaya aerodinamik tersebut adalah: 1. Gaya hambat (drag) aerodinamik (FD) 2. Gaya angkat (lift) aerodinamik (FL) 3. Gaya samping (side) aerodinamik (FS)

14

Gambar 2.10 Gaya dan momen aerodinamik

2.2.1

Gaya hambat aerodinamik (Drag force)

Hambatan aerodinamik merupakan gaya seret yang bekerja parallel terhadap arah aliran. Gaya hambat atau yang disebut dengan drag ini merupakan gaya yang menahan gerak benda. Secara umum gaya hambat ini terjadi akibat perbedaan tekanan antara bagian depan dan bagian belakang benda. Besarnya gaya hambat aerodinamik dapat diformulasikan: 1 FD = .C D .ρ .v 2 . A …(2.16) 2 atau: 1 FD = .ρ .v 2 . A. f (RE ) …(2.17) 2 atau:

1 2 FD = .(1,2)C D . A.(v + v0 ) …(2.18) 2 atau: CD =

FD 1 .ρ .v 2 . A 2

…(2.17)

dimana: CD

:

koefisien gaya hambat

A

:

luas frontal area (m2)

ρ

:

density udara (kg/m3)

v

:

kecepatan kendaraan (m/s)

vo

:

kecepatan relative angin terhadap kendaraan (m/s)

15

f(RE) :

angka Reynolds

Gaya hambat total terdiri dari beberapa jenis gaya hambat, yaitu: 1. Hambatan bentuk Bentuk bodi mobil yang kompleks menyebabkan terjadinya distribusi tekanan disepanjang permukaan bodi mobil tersebut. Selain itu, telah dijelaskan bahwa sifat dari aliran udara memiliki viskositas maka timbul tegangan geser di sepanjang permukaan bodi mobil. Dengan adanya perbedaan tekanan antara bagian depan mobil

dengan bagian

belakang mobil dimana tekanan positif bekerja pada bagian depan mobil dan tekanan negatif bekerja pada bagian belakang mobil sehingga menyebabkan timbulnya gaya hambat yang bekerja berlawanan dengan arah gerak mobil. 2. Hambatan pusaran Karena adanya perbedaan tekanan antara bagian atas mobil dan bagian bawah mobil, menyebabkan timbulnya gerakan aliran udara dari permukaan bawah menuju ke permukaan atas mobil yang berupa pusaran (vortex). Timbulnya vortex pada mobil juga akan menghambat gerak laju mobil yang disebabkan adanya pengaruh gaya angkat vertikal pada bodi mobil yang sedang bergerak secara horizontal. Vortex yang terjadi akan mengubah arah lift yang semula tegak lurus terhadap jalan menjadi miring ke belakang dengan sudut yang relatif kecil ε. Timbulnya defleksi kearah belakang dari gaya angkat menyebabkan terjadinya komponen induced drag dalam arah horizontal.

Gambar 2.11 Induced drag 16

Jadi induced drag adalah gaya hambat aerodinamik yang ditimbulkan akibat gaya angkat aerodinamik yang mengalami defleksi dengan adanya aliran pusaran yang terjadi pada bagian belakang mobil, yang besarnya adalah: Di = FL . sin ε …(2.18)

3. Hambatan tonjolan Gaya hambat yang disebabkan oleh adanya tonjolan profil tertentu pada bagian permukaan bodi mobil seperti kaca spion, pegangan pintu, antenna dan aksesori lainnya. 4. Hambatan aliran dalam Gaya hambat oleh aliran udara yang mengalir melalui system pendingin mesin yaitu radiator. Pada kenyataannya hanya hambatan bentuk dan hambatan pusar yang paling besar pengaruhnya terhadap gaya hambat keseluruhan.

2.2.2 Gaya angkat aerodinamik (Lift force)

Menurut hokum kontinyuitas, semakin dekat suatu profil bergerak di atas tanah kecepatan aliran udara di antara profil dan tanah akan semakin tinggi dengan adanya pengecilan luasan, sehingga tekanan yang dihasilkan akan semakin mengecil.

Gambar 2.12 Perbedaan pola aliran pada profil sayap

Tetapi pada kondisi real, dimana aliran udara memiliki viskositas maka pada jarak ground clearance yang sangat kecil akan terbentuk boundary layer pada 17

bagian bawah mobil dan boundary layer pada tanah. Boundary layer ini akan mengadakan interaksi satu sama lain sehingga akan memperlambat kecepatan aliran tekanan yang dihasilkan akan semakin besar.

Gambar 2.13 Pola aliran dengan besar tekanan, skematic

Pada mobil, kecepatan aliran udara pada bagian bawah juga dipengaruhi oleh profil mesin bagian bawah dan kekasaran permukaan. Adanya berbagai tonjolan profil mesin pada bagian bawah akan menyebabkan separasi aliran sehingga kecepatan aliran rendah dan tekanan semakin besar. Perbedaan bentuk antara permukaan atas dan permukaan bawah mobil menyebabkan kecepatan aliran udara pada bagian atas mobil lebih cepat daripada bagian bawah mobil, sehingga tekanan pada permukaan atas mobil menjadi lebih rendah daripada permukaan bagian bawah mobil. Oleh karena hal tersebut, tekanan yang bekarja pada bagian bawah mobil secara umum lebih besar dari tekanan yang bekerja pada bagian atas mobil, sehingga menimbulkan gaya angkat yang biasa disebut dengan lift karena adanya desakan aliran udara dari permukaan bawah ke permukaan atas kendaraan. Pada mulanya aspek gaya angkat ini tidak terlalu diperhatikan karena kecepatan kendaraan tidak menimbulkan gaya angkat yang cukup berarti, tetapi dengan kemajuan teknologi yang berkembang pesat dimana kecepatan kendaraan yang semakin tinggi dapat menimbulkan masalah dalam hal stabilitas dan respon kendaraan. Semakin cepat kendaraan melaju, maka akan semakin sulit dikendalikan. Salah satu cara untuk mengendalikan stabilitas dan respon kendaraan adalah dengan memperkecil gaya angkat yang ditimbulkan. Besarnya gaya angkat ini memiliki formulasi :

18

1 FL = .C L .ρ .Va 2 . A f …(2.19) 2

2.2.3 Gaya samping aerodinamik (Side force)

Gaya samping aerodinamik ditimbulkan oleh arah angin yang membentuk sudut terhadap arah laju kendaraan. Kondisi ini dapat terjadi akibat kendaraan berbelok atau arah hembusan angin yang membentuk sudut terhadap arah laju kendaraan. Gaya samping aerodinamik dapat mendorong kendaraan ke arah samping sehingga kendaraan akan mengalami slip kesamping. Kondisi lain yang mungkin terjadi adalah apabila gaya samping ini bekerja tidak pada titik berat kendaraan, maka akan menimbulkan rolling moment dan yawing moment yang akan menyebabkan kendaraan terguling maupun berbelok. Besarnya gaya samping ini dapat diformulasikan:

1 FS = .C S .ρ .Va 2 . A f …(2.20) 2

dimana: CD

:

koefisien gaya hambat

CL

:

koefisien gaya angkat

CS

:

koefisien gaya samping

Af

:

luas frontal area (m2)

ρ

:

density udara (kg/m3)

Va

:

kecepatan relative angin terhadap kendaraan (m/s)

Daerah frontal (Af) adalah luasan penampang melintang bodi kendaraan yang besarnya adalah:

A f ≈ 0.81.l.h …(2.21)

19

2.3 Stabilitas kendaraan bergerak

Dinamika sebuah kendaraan dibedakan menjadi sub-dinamika dan didalam sub-dinamika tersebut terdapat beberapa pendekatan.

Gambar 2.13 Sistem tiga koordinat

Dalam tujuan untuk menganalisa, terdapat tiga sistem koordinat seperti pada gambar 2.13: a. Sistem inersial X1Y1Z1 b. Sistem pada mobil XS0YS0ZS0, ZS0 sejajar dengan permukaan jalan termasuk titik massa kendaraan, XS0 adalah sumbu dari permukaan jalan dan atau sumbu longitudinal dari kendaraan dan YS0 adalah sumbu transversal dari kendaraan. c. Sistem pada roda kendaraan XkYkZk, Xk adalah sumbu roda dan parallel dengan sumbu jalan, Zk berpotongan dengan sumbu rotasi roda yang sejajar dengan Xk.

20

Gambar 2.14 Jenis sub-dinamika stabilitas

21

2.4 Dasar aerodinamika kendaraan komersil. 2.4.1 Pengaruh pembulatan sisi-sisi bodi

Pengurangan gaya hambat aerodinamika untuk kendaraan-kendaraan komersil seperti truk dan bus dapat dilakukan dengan membulatkan bagian bodi depannya seperti terlihat pada gambar 2.9.

(a). Bis dengan permukaan sudut yang tajam

(b). Bis dengan permukaan sudut yang dibulatkan

(c). Bis dengan permukaan sudut yang dibulatkan dan permukaan depan miring

Gambar 2.14 Aliran pada bodi bagian depan bis

Koefisien gaya hambat yang terjadi secara progressif akan menurun ketika bentuk sudut-sudutnya diperbulat hingga 120mm, namun penurunannya menjadi lebih sedikit ketika pembulatan diperbesar lagi seperti terlihat pada grafik.

22

Gambar 2.16 Pengaruh pembulatan pada sudut bodi bis

Terlihat bahwa terdapat radius yang optimum untuk pembulatan sudut bodi, apabila diperbesar lagi terlihat tidak memiliki perbaikan. Penurunan koefisien gaya hambat dari pembulatan sisi bodi ini diakibatkan oleh perubahan aliran udara yang menjadi streamline.

2.4.2

Pengaruh perbedaan jarak tinggi kabin ke trailer dengan bentuk kabin yang berbeda.

Pemahaman secara umum aliran udara yang melalui kabin bagian atas dapat dilihat pada gambar 2.10. Terlihat tiga jenis ketinggian yang berbeda antara kabin dan trailernya dengan bentuk bagian atas kaca dari kabin yang dibulatkan dan tidak dibulatkan. Dari grafik terlihat bahwa kabin yang tidak dibulatkan pada bagian atas kacanya dengan trailer yang paling rendah ternyata memiliki koefisien gaya hambat yang terbesar yang dikarenakan aliran udara yang tidak dapat langsung mengalir kebelakang tetapi akan menabrak trailer terlebih dulu. Sedangkan untuk bentuk bodi bagian atas dari kacanya yang diperbulat, dengan ketinggian trailer yang terkecil terlihat memiliki koefisien gaya hambat yang terkecil, ini diakibatkan aliran udara dapat mengalir dengan hambatan yang relatif kecil hanya pada saat udara mengalir antara jarak kabin ke trailer yang kemudian akan sedikit menabrak bagian depan dari trailer sehingga hanya menghasilkan sedikit hambatan.

23

(a). Sudut diatas kaca kabin yang tajam

(b) Sudut diatas kaca kabin yang dibulatkan

Gambar 2.17 Perbandingan kondisi aliran udara

2.4.3 Distribusi tekanan pada bodi bagian depan

Untuk jenis truk dengan trailer yang besar maka biasanya antara kabin dan mesin

dengan

trailernya

dipisahkan,

sehingga

membantu

memperbaiki

kemampuan manuvernya tetapi memiliki konsekuensinya yaitu terdapat jarak yang besar antara kabin dengan trailernya. Akibatnya jarak ini akan menyebabkan terjadinya gaya dorong yang besar pada permukaan trailer bagian depan setelah aliran udara melalui atas kabin sehingga mengakibatkan stagnasi yang besar dan aliran udara akan mengarah ke bagian atas.

24

(a). Kabin tanpa air deflector

(b). Kabin dengan air deflector Gambar 2.18 Distribusi tekanan

Seperti terlihat pada gambar 2.18(a), sebuah area distribusi tekanan udara positif (diatas tekanan atmosfir) menyebar pada area depan dari trailer dengan intensitas maksimum (area stagnan) terjadi tepat sedikit diatas kabin, sedang kondisi yang sebaliknya yaitu area distribusi tekanan udara negatif (dibawah tekanan atmosfir) terjadi dibagin depan dari atap trailer yang diakibatkan aliran udara separasi yang menyebabkan turbulen terjadi disana. Dengan memasangkan sebuah air deflector pada bagian atas kabin seperti pada gambar 2.11(b) maka pola aliran udara akan diarahkan langsung ke bagian atas dari trailer. Sehingga hanya sedikit terjadi aliran separasi pada bagian depan

25

dari trailer. Konsekuensinya, maka aliran udara akan bergerak langsung dari air deflector langsung menuju bagian atas trailer akibatnya tekanan udara pada celah antara kabin dengan trailer akan menurun, tekanan negatif ini akan lebih banyak diberikan oleh bagian vertikal dari bagian depan trailer sehingga area bagian atas dari trailer akan menurunkan jumlah hambatan yang dihasilkan oleh bagian frontal dari trailernya.

2.5

Air deflector sebagai perangkat untuk menurunkan gaya hambat pada truk

Untuk mengurangi gaya hambat yang timbul akibat dari perbadaan tinggi antara kabin dan trailer sebuah truk, biasanya air deflector banyak digunakan. Perangkat ini mencegah aliran udara di atas kabin dari truk untuk mengalir membentuk aliran yang menimbulkan gaya hambat akibat dari terdapatnya beda tinggi tersebut seperti pada gambar 2.12(a).

(a). Terdapat beda tinggi pada kabin

(b). Dihubungkan dengan air deflector

Gambar 2.19 Aliran udara antara kabin dan trailer

Aliran udara akan diarahkan oleh deflector secara langsung melewati celah antara kabin dan trailer sehingga akan terus mengalir secara halus diatas atap trailer seperti pada gambar 2.19(b).

Air deflector ini memiliki keuntungan untuk mengurangi gaya hambat yang ditimbulkan oleh aliran udara yang mengalir langsung dari arah depan, tetapi kemampuannya akan sedikit berkurang

ketika terjadi aliran udara dari arah

samping. Perbaikan dapat dilakukan untuk mencegah aliran udara mengalir dibawah deflector akibat aliran udara yang datang dari samping dengan membuat 26

dinding samping pada deflector, hal ini didapat dengan membuat air deflector dari fiber glass atau plastik yang dicetak seperti pada gambar.

Gambar 2.20 Jenis air deflector

2.6

Yaw angle

Pada sebuah mobil kecil, pengaruh aliran udara dari samping mungkin tidak terlalu berpengaruh besar terhadap koefisien gaya hambat yang timbul. Namun, semakin besar ukuran sebuah kendaraan akan berbanding lurus dengan koefisien gaya hambatnya. Untuk itulah, maka tidak hanya aliran udara yang mengalir langsung dari depan tetapi aliran udara dari bagian samping pun haruslah dipertimbangkan. Dalam hal ini ada baiknya untuk mengetahui pengaruh aliran udara dari samping terhadap koefisien gaya hambat, dengan memperhitungkan kecepatan dan sudut serang relatif dari aliran udara samping terhadap arah gerakan dari kendaraan dan kecepatannya. Sehingga dapat digambarkan pada gambar 2.14.

27

Gambar 2.21 Sudut yawing

Garis vektor kecepatan kendaraan telah dibuat, kemudian

vektor

kecepatan aliran udara samping yang memiliki sudut terhadap arah gerakan kendaran. Kemudian garis yang ketiga akan timbul yang mewakilkan kecepatan aliran udara relatif sehingga akan tergambar sebuah segitiga. Sudut relatif yang terjadi antara arah dari kendaraan bergerak dengan arah aliran udara relatif disebut sebagai yaw angle. Sudut inilah yang digunakan untuk menganalisa pengaruh dari aliran udara samping terhadap koefisien gaya hambat.

28

BAB III PERALATAN DAN PROSES PENGUJIAN 3.1 Uraian Umum

Masalah engineering adalah masalah yang berhubungan dengan perancangan berbagai macam objek maupun sistem. Terdapat tiga jenis pendekatan secara umum untuk menyelesaikan masalah engineering ini, yaitu: a. Pendekatan secara eksperimen, sebuah bentuk prototype skala penuh perlu dibangun sehingga eksperimen yang akan dilakukan dapat diterapkan pada objek tersebut. b. Pendekatan

secara

komputerisasi,

perancangan

objek

dengan

menggunakan komputerisasi dilakukan yang kemudian hasilnya secara langsung dapat digunakan tanpa eksperimen. c. Pendekatan secara eksperimen dan komputerisasi, sebuah pendekatan dengan menggabungkan kedua proses tadi dimana model objek dengan skala penuh dibuat dan urutan serta jumlah proses pengujiannya dilakukan tergantung kepada masalah yang akan diselesaikan. Masing-masing pendekatan, baik yang pertama maupun yang kedua samasama memiliki kekurangan dan kelebihan. Pendekatan eksperimen murni dapat dilakukan dengan benar tanpa membutuhkan validasi tambahan untuk mendapatkan hasil yang terbaik tetapi membutuhkan biaya yang cukup besar untuk membuat model objek, fasilitas pengetesan dan perangkat pendukungnya. Selanjutnya, apabila model objek dites maka hasil yang didapat harus dibandingkan dengan objek dengan skala penuh sehingga komputerisasi dibutuhkan untuk melakukannya. Pendekatan komputerisasi murni secara substansi dapat dikatakan tidak lebih mahal dibandingkan eksperimen baik dari segi finansial maupun waktu tetapi membutuhkan jaminan kecukupan dalam hasil yang dibutuhkan. Secara alamiah, jaminan tersebut berdasar pada berbagai verfikasi dan validasi terhadap penggunaan kode-kode komputerisasi baik dari sudut pandang matematika 29

maupun fisika, misalnya pada keakuratan hasil yang didapat secara matematika maupun kecukupan dari penggunaan model matematika terhadap proses fisika yang benar, yang divalidasi dengan membandingkan komputerisasi dengan data eksperimen yang tersedia. Pada pendekatan yang ketiga, apabila dengan alasan menggabungkan eksperimen dan komputerisasi, dengan menggunakan segala keuntungan dan meninggalkan segala kekurangan yang dimiliki pada keduanya. Masalah engineering yang rumit biasanya lebih mudah diselesaikan dengan proses seperti ini. Sebuah kode komputerisasi dapat divalidasi terhadap data eksperimen yang tersedia sehingga akan mempercepat proses pemilihan untuk perancangan objek yang optimal dan model operasi yang optimal pula.

3.2 COSMOSFloWorks 2005

COSMOSFloWorks 2005 merupakan sebuah perangkat lunak engineering yang terintegrasikan penuh dengan SolidWorks 2005, perangkat lunak ini digunakan

bagi

yang

membutuhkan

analisa

aliran

(flow

analysis).

COSMOSFloWorks didasarkan pada metode Computational Fluid Dynamics (CFD) sehingga dapat digunakan untuk berbagai macam aliran dengan berbagai karakteristik, antara lain: a. Analisa dua dan tiga dimensi b. Aliran ekternal dan internal c. Aliran steady-state dan transient d. Aliran gas yang kompresibel dan cairan yang inkompresibel termasuk jenis subsonik, transonik dan supersonik e. Aliran laminar, turbulen maupun transisional f. Aliran perpindahan panas yang terjadi atau antara fluida dan solid. g. Perpindahan panas pada solid saja ( tidak terdapat fluida) h. Radiasi antar permukaan i. Aliran dengan pengaruh gravitasi. j. Aliran pada bagian yang berputar k. Aliran pada dinding dengan kekasaran 30

3.3 Mensimulasikan masalah engineering dengan COSMOSFloWorks

Setelah model yang akan kita simulasikan dibuat dengan SolidWorks, misalnya model yang benar-benar mirip dengan aslinya, sebelum diujikan di COSMOSFloWorks, terdapat beberapa hal yang perlu diperhatikan :

Permudah model yang akan diujikan, misalnya dengan membuang bagian-bagian yang tidak perlu dan tidak akan mempengaruhi hasil dari tujuan pengujian, karena akan merumitkan proses pengujian baik itu memory maupun CPU time (misal, daripada menggunakan permukaan yang bergelombang dalam pengujian, karena menghasilkan mesh cell dalam jumlah yang sangat banyak sehingga membutuhkan waktu penyelesaian oleh CPU, lebih baik menggunakan permukaan yang datar tetapi memiliki nilai kekasaran yang ekuivalen)

Buatkan bagin tambahan pada model, misalnya bagian inlet dan outlet yang

dibutuhkan

untuk

menyelesaikan

masalah

dengan

COSMOSFloWorks. Selain itu juga, kita dapat menentukan parameter-parameter yang lain apapun yang kita inginkan didalam COSMOSFloWorks project’s goal. Kita dapat menentukan seluruh domain, sebagian permukaan model ataupun sebagian volume, sehingga dapat meningkatkan kemampuan dan akurasinya.

3.4 Proses pengujian

1. Setelah model yang akan diuji kita buat dengan menggunakan SolidWorks, lalu dibuatkan pula tunnel untuk melakukan simulasi dan menentukan inlet dan outletnya.

31

Gambar 3.1 Model truk

2. Klik FloWorks, Project, Wizard. Maka project’s wizard akan menuntun kita dalam menyeleseaikan proses pengujian ini. 3. Pilih Create New, pada kotak Configuration name lallu ketikkan Tunnelling1, karena akan dilakukan beberapa pengujian pada tunnel dengan truk yang menggunakan tiga jenis air deflector yang berbeda serta satu buah truk yang tidak menggunakan air deflector. Lalu klik Next

Gambar 3.2 Langkah 1

32

4. Didalam kotak dialog Unit, kita tentukan satuan yang kita inginkan baik untuk input maupun untuk output (hasil). Dalam proyek ini satuannya menggunakan SI. Lalu klik Next


5. Didalam kotak dialog Fluid type dan physical features kita dapat menentukan jenis fluida yang akan kita gunakan baik itu liquid maupun gas dalam pengujian, juga kita dapat menambahkan karakteristik fluidanya yang lebih spesifik. Pada pengujian ini menggunakan fluida jenis gas karena yang kita gunakan adalah udara

dan tidak menambahkan

karakteristik lainnya. Lalu klik Next


33

6. Didalam kotak dialog Analysis Type, pilih jenis analisa alirannya adalah Internal type. Lalu klik Next.


7. Didalam kotak dialog Roughness, kita dapat menentukan seberapa besar nilai kekasaran yang dimiliki oleh permukaan yang akan kita uji. Untuk pengujian kali ini nilai kekasaran pada kondisi Default yaitu 0. Lalu klik Next.


8. Pada kotak dialog Selecting Fluid Subtance, kita dapat memilih jenis fluida yang akan digunakan untuk melakukan analisa aliran. Untuk pengujian kali ini fluida yang digunakan adalah udara, maka drag Air dari list Database of Fluid dan tempatkan di list Selected Fluid. 34

Lalu klik Next.


9. Karena dalam analisa saat kita tidak menentukan nilai perpindahan panas, maka pada kotak dialog Default Wall Conditions pilih Adiabatic wall sebagai kondisi Default. Lalu klik Next.


10. Untuk pengujian Internal, pada Initial and Ambient Conditions akan menanyakan spesifikasi kondisi disekitar aliran. Untuk pengujian kali ini, semua kondisi thermodinamika, kecepatan dan parameter turbulensi adalah pada kondisi Default. Lalu klik Next. 35


11. Didalam kotak dialog Result Resolution and Geometry Resolution kita pilih pada kondisi Default. Lalu klik Next.


12. Lalu pada kotak Summary kita akan melihat seluruh parameter yang telah kita tentukan untuk menjalankan analisa ini. Maka proyek akan dipersiapkan. Lalu klik Finish.

36


13. Lalu klik FloWorks, Solve, Batch Run. Klik kotak Run dan Shutdown monitor sehingga apabila kalkulasi telah selesai maka Solver monitor akan secara otomatis menutup. Lalu klik Run.


14. Setelah semua kalkulasi selesai, aktifkan konfigurasi Tunnelling1. buat Goal Plot untuk mendapatkan nilai Drag Coefficient. 15. Lalu klik FloWorks, Results, Load/Unload results. Didalam kotak dialog Load/Unload

results

klik

file

1.fld

lalu

klik

Open.

Didalam

COSMOSFloWorks analysis tree, dibawah Results klik kanan ikon Goals dan pilih Create, maka kotak dialog Goals akan muncul.

37


16. Didalam list Available klik Add all. Lalu klik OK, maka excel workbook akan dibuat dengan judul Goal1, maka seluruh nilai akan terlihat.

38

BAB IV HASIL DAN ANALISA 4.1

Hasil pengujian air deflector Dalam melakukan simulasi pengujian air deflector, penulis melakukan

beberapa pengujian dengan menggunakan beberapa model air deflector terhadap beberapa kecepatan kendaraan. Hal ini dilakukan dengan tujuan agar didapat perbandingan untuk hasil yang terbaik. Beberapa pengujian tersebut, antara lain: a. Truk tanpa menggunakan air deflector.

Gambar 4.1 Model truk 1

39

b. Truk dengan semi-full air deflector.


c. Truk dengan full air-deflector.


40

d. Truk dengan modified air deflector.


Keempat jenis air deflector tersebut diuji pada kecepatan 60 km/jam dan 100 km/jam, yang dimaksud untuk mendapatkan efektivitas penggunaan dari air deflector.

41

1. Pengujian model truk 1 a. Dengan menggunakan kecepatan 60 km/jam.

Gambar 4.5 Pengujian 1

Hasil : Tabel 4.1 Hasil pengujian 1 Goal Name SG X - Component of Force1

Un it [N]

Value 5.327279 039

Averaged Value 5.3208

Minimum Value 5.26737

Maximum Value 5.36518

42

b. Dengan menggunakan kecepatan 100 km/jam.



Un it [N]

Value 15.52504 675




43

2. Pengujian model truk 2 a. Dengan menggunakan kecepatan 60 km/jam



Un it [N]

Value 4.450925 865




44

b. Dengan menggunakan kecepatan 100 km/jam



Un it [N]

Value 14.56891 936




45




Un it [N]

Value 4.28624 343




46




Un it [N]

Value 13.08869 877




47




Un it [N]

Value 4.577877 909




48




Un it [N]

Value 12.78747 822




49

4.2

Analisa hasil pengujian air deflector

Untuk seluruh nilai drag force dari pengujian tersebut haruslah dikalikan dengan 10 karena dimensi untuk model menggunakan skala 1:10.

Tabel 4.9 Nilai Drag force pada kecepatan 60 km/jam No.

Model

Satuan

Nilai

1

Truk 1

N

53.27279039

2

Truk 2

N

44.50925865

3

Truk 3

N

42.8624343

4

Truk 4

N

45.77877909

Tabel 4.10 Nilai Drag force pada kecepatan 100 km/jam No.

Model

Satuan

Nilai

1

Truk 1

N

155.2504675

2

Truk 2

N

145.6891936

3

Truk 3

N

130.8869877

4

Truk 4

N

127.8747822

Setelah didapat seluruh besarnya drag force, maka dapat ditentukan besarnya Coeficient of Drag dengan menggunakan :

CD =

FD 1 .ρ .Va 2 . A f 2

Dimana: FD

: drag force

Va

: kecepatan relative angin terhadap kendaraan (m/s)

Af

: luas frontal area (m )

Ρ

: density udara (kg/m3)

2

50

Tabel 4.11 Nilai Coeficient of Drag pada kecepatan 60 km/jam No. Model Satuan

Nilai

Perubahan

%

CD

0

0

0.055368758

1

Truk 1

N

53.27279039

2

Truk 2

N

44.50925865

8.763531739 16%

0.046260434

3

Truk 3

N

42.8624343

10.41035609 20%

0.044548817

4

Truk 4

N

45.77877909

7.494011299 14%

0.047579902

Tabel 4.12 Nilai Coeficient of Drag pada kecepatan 100 km/jam No. Model Satuan

Nilai

Perubahan

%

CD

1

Truk 1

N

155.2504675

0

0

0.161358651

2

Truk 2

N

145.6891936

9.561273894

6%

0.151421198

3

Truk 3

N

130.8869877

24.36347978 16%

0.136036613

4

Truk 4

N

127.8747822

27.37568524 18%

0.132905896

51

Gambar 4.13 Hasil uji

Gambar 4.14 Perubahan drag force

52

Gambar 4.15 Presentasi perubahan

53

BAB V SIMPULAN DAN SARAN

5.1

Simpulan Penggunaan perangkat air deflector memberikan pengaruh yang cukup

baik terhadap pengurangan gaya hambat yang timbul pada kendaraan besar untuk jenis truk yang memiliki luas permukaan frontalnya cukup besar. Pengurangan gaya hambat ini jelas akan memberikan pengaruh pada kestabilan pengendaraan dan

penggunaan bahan bakar walaupun didalam kajian ini penulis tidak

melakukan pengujian terhadap penggunaan bahan bakar. Dengan melakukan dua percobaan untuk setiap model truk, yaitu untuk kecepatan 60 km/jam dan 100 km/jam, pada hasil pengujiannya dapat dilihat perbedaan yang besar untuk pengurangan gaya hambat yang ditimbulkan oleh penggunaan perangkat air deflector. Sehingga jelaslah bahwa efektifitas dari penggunaan air deflector ini adalah pada kecepatan yang lebih tinggi dalam artian semakin tinggi kecepatan kendaraannya melaju maka efektifitas penggunaan dari air deflector pun meningkat. Dihasilkan perbaikan apabila menggunakan air deflector jenis ketiga pada kecepatan 100 km/jam adalah pengurangan gaya hambat sebesar 27.4 N dan perubahan angka koefisien gaya hambat dari 0.16 menjadi 0.13 atau sebesar 18% jika dibandingkan dengan truk yang tidak menggunakan air deflector. Semoga seluruh kajian ini mampu memberikan gambaran bagi pembaca tentang fungsi dari air deflector sebagai salah satu perangkat aerodinamika untuk kendaraan jenis truk.

5.2 Saran Bentuk dari air deflector ini masih dapat disesuaikan untuk mendapat efektifitas yang lebih baik, diharapkan pembaca yang berminat mengembangkan kajian ini mampu mendapatkan bentuk yang lebih baik lagi.

54

Dan hasil uji dari penggunaan air deflector ini masih sangat dinamis, masih banyak kemungkinan yang dapat diujikan terhadap penggunaan air deflector tersebut. Pengujian yang telah dilakukan oleh penulis menggunakan arah angin yang sejajar dengan arah kendaraan yaitu dari arah depan, pengujian masih dapat dikembangkan lagi dengan melakukan pengujian dengan arah angin dari samping terhadap koefisien gaya hambat. Juga besarnya gaya hambat yang ditimbulkan dalam pengujian ini masih dapat dikorelasikan dengan konsumsi bahan bakar, sehingga dapat diketahui efektifitas penggunaan perangkat air deflector tersebut terhadap konsumsi bahan bakar.

55

DAFTAR PUSTAKA

1. Cosmos, Cosmos FloWork Tutorial, 2004 2. Egon Krause, Fluid mechanics, Springer, 2005 3. Heinz Hesler, Advanced Vehicle Technology, Butterworth Heinemann, 2002 4. Jullian Happian dan Smith, An introduction to modern vehicle design, Butterworth Heinemann, 2002 5. Nakayama F dan Boucher R F, Introduction to Fluid Mechanics, Butterworth Heinemann, 1998 6. Nyoman Sutantra, Teknologi Otomotif – Teori dan aplikasinya, Penerbit Guna Widya, 2001 7. Richard B. Hathaway, Vehicle design, Lecture notes, 2000 8. Ryszard Andrzejewski dan Jan Awrejcewicz, Non linear dynamics of a wheeled vehicle, Springer, 2005

56

ANALISA COEFICIENT OF DRAG PADA PENGGUNAAN AIR DEFLECTOR TRUK MENGGUNAKAN CFD. Ganjar Nugraha

Recommend Documents