M005-1 ANALISA PENGARUH KONTROL AKTIF ALIRAN BLOWING TERHADAP PENGURANGAN DRAG AERODINAMIKA VAN MODEL
ANALISA PENGARUH KONTROL AKTIF ALIRAN BLOWING TERHADAP
PENGURANGAN DRAG AERODINAMIKA VAN MODEL
1) 2) 3) 4)Harinaldi , Budiarso , Rustan Tarakka , Sabar P.Simanungkalit
1)Departemen Teknik Mesin – Fakultas Teknik, Universitas Indonesia
E-mail :
Abstrak
Pada penelitian ini, kontrol aktif aliran berupa tiupan (blowing) diaplikasikan pada bagian belakang
van model (reversed Ahmed body) sebagai pendekatan bentuk kendaraan keluarga (MPV). Penelitian
dilakukan dengan dua pendekatan yaitu komputasi dan eksperimental pada kecepatan up stream
(U )13.9 m/s dengan kecepatan kontrol aktif blowing 1.0 m/s. Pada pendekatan komputasi digunakan
software CFD Fluent 6.3 untuk mengetahui karakteristik medan aliran dan pengurangan drag
aerodinamika pada model uji. Pada pendekatan eksperimen digunakan load cell untuk memvalidasi
hasil pengurangan drag aerodinamika yang diperoleh melalui pendekatan komputasi. Hasil
pengurangan gaya drag aerodinamika yang diperoleh dari pendekatan komputasi sebesar 13.697% dan
eksperimen 3.564%.Kata kunci : Kontrol aktif aliran, drag aerodinamika, konsumsi bahan bakar, dan van model Pendahuluan
Aspek aerodinamika sebuah kendaraan berkaitan dengan timbulnya gaya drag pada kendaraan tersebut. Dimana besarnya gaya drag yang dialami sebanding dengan jumlah konsumsi bahan bakar. Sebagian besar gaya drag muncul akibat adanya tekanan rendah dan olakan ketika timbul separasi aliran di bagian belakang kendaraan. Dari tinjauan dinamika fluida, metode untuk mengurangi hambatan aerodinamika dapat dilakukan dengan memodifikasi aliran secara lokal, memindahkan atau menunda posisi separasi (separated swirling structures) serta mengurangi berkembangnya zona resirkulasi di bagian belakang kendaraan. Metode-metode tersebut dapat dilakukan dengan mengontrol aliran di dekat dinding (wall) tanpa atau dengan pemberian energi tambahan dengan menggunakan sistem kontrol pasif atau aktif.
Pada penelitian ini, kontrol aktif aliran berupa blowing diaplikasikan pada bagian belakang
van model (reversed Ahmed body) sebagai pendekatan bentuk kendaraan keluarga (MPV).
Penelitian dilakukan dengan dua pendekatan yaitu komputasi dan eksperimental pada kecepatan up
stream (U )13.9 m/s dengan kecepatan kontrol aktif blowing 1.0 m/s. Pada pendekatan komputasi
digunakan software CFD Fluent 6.3 untuk mengetahui karakteristik medan aliran dan pengurangan drag aerodinamika pada model uji. Pada pendekatan eksperimen digunakan load cell untuk memvalidasi hasil pengurangan drag aerodinamika yang diperoleh melalui pendekatan komputasi. Pengurangan drag tersebut akan di digunakan untuk menghitung efisiensi energi sistem kontrol aktif itu sendiri serta peluang peningkatan efisiensi bahan bakar jika pengurangan drag aerodinamika tersebut diterapkan pada kendaraan keluarga (MPV) yang sesungguhnya.
Studi Pustaka
Penelitian tentang drag aerodinamika dilakukan untuk lebih memahami fenomena fisik dan mendapatkan kemungkinan solusi-solusi dalam pengurangan drag aerodinamika tersebut. Penyebab utama drag aerodinamika adalah distribusi tekanan, terutama pada jendela belakang dan permukaan kendaraan. Kedua lokasi tersebut berkontribusi sebesar 90% dari total drag aerodinamika dan 80% -nya terjadi di bagian belakang kendaraan. Gaya drag , dirumuskan sebagai hasil kali koefisien drag, tekanan dinamis aliran bebas dan luas karakteristik (pers.1) .
(1)
( . . . ) = 1 2
(2)
= . . .
Dimana ρ adalah massa jenis udara, merupakan kecepatan free stream, A adalah luas penampang, F d merupakan total gaya drag dan C D adalah koefisien drag.
Aliran sekitar kendaraan merupakan aliran yang kompleks, karena interaksi yang nonlinear antara aliran udara dengan bagian dan permukaan kendaraan. Penggunaan model geometris yang dapat menggambarkan fenomena fisik pada kendaraan yang sesungguhnya adalah cara yang efisien dalam mengembangkan kontrol aktif sebagai solusi pengurangan gaya drag aerodinamika. [1][2] Geometri Ahmed body (Gambar 1) memungkinkan untuk mengetahui fenomena ini dan dapat digunakan untuk mengembangkan dan untuk mengevaluasi solusi yang akan diterapkan.
[3]
Gambar 1. Geometry Ahmed Body (skala 0.7) Kontrol aktif berfungi dengan menggunakan aktuator yang membutuhkan daya dan umumnya diambil dari generator pada kendaraan. Bagian luar sistem ini meliputi permukaan yang bergerak, lubang atau slot yang ditempatkan pada permukaan kendaraan dimana aliran harus dikontrol. Penggunaannya membutuhkan mekanik, elektromagnetik, listrik, atau sistem akustik piezoelektrik yang ditempatkan di bagian berongga pada kendaraan. Bobot dan dimensinya harus minimal untuk menghindari pemakaian luasan yang berlebihan. Beberapa solusi kontrol telah diidentifikasi, diuji dan dianalisis untuk aeronautika. Solusi yang diadopsi umumnya terdiri dari sistem hisapan atau tiupan melalui slot berbentuk lingkaran atau persegi.
Hisapan digunakan untuk mengendalikan pemisahan pada bagian belakang Ahmed body [4] [5] dengan kemiringan 25°. Diperoleh pengurangan drag hingga 18% untuk kecepatan hisapan V s = 0.6 kali free stream velocity. Sementara itu, penggunaan hisapan juga dapat mengurangi drag aerodinamika yang disebabkan oleh pusaran longitudinal vortices yang muncul di sisi kiri dan kanan kaca depan. Dalam kasus ini diperoleh pengurangan drag mendekati 8% dengan metode [6] numerik dan eksperimental pada geometri kendaraan .
Pengurangan drag juga dapat diperoleh dengan menggunakan teknik tiupan secara kontinyu. Dalam hal ini, tiupan digunakan untuk menggeser atau mengeliminasi pusaran longitudinal vortice di bagian belakang dengan tujuan menaikkan tekanan statik yang kemudian dapat mengurangi gaya drag aerodinamis. Penerapan kontrol aktif tiupan pada model kendaraan (Ahmed body) menghasilkan penurunan drag hingga 6%, konsumsi bahan bakar menurun hingga 0.4 liter per -100 kilometer dengan kecepatan mobil 130 km/jam, dan menurut siklus NEDC, emisi [3] berkurang hingga 2.3 gram per -kilometer untuk median vehicle seperti Renault Megane .
Metodologi Penelitian
Penelitian dilakukan dengan dua pendekatan yaitu komputasi dan eksperimental. Pada pendekatan komputasi digunakan software CFD Fluent 6.3 untuk mengetahui karakteristik medan aliran dan pengurangan drag aerodinamika pada model uji. Gambar 2 menunjukkan van model (reversed Ahmed body) yang digunakan dalam penelitian ini. Model ini merupakan modifikasi dari model Ahmed body. Modifikasi dilakukan agar model yang digunakan dapat dapat mencerminkan bentuk kendaraan keluarga (MPV) yang sesungguhnya. Bagian depan model ini mempunyai sudut ° kemiringan atau slant angle (α) = 35 . Bagian belakang model ini memiliki jari-jari kelengkungan pada tepi atas dan bawah, sehingga jika dilihat dari samping model memilki keserupaan dalam arah sumbu-z. Van model ini memilki rasio 0.25 terhadap model Ahmed body yang asli, dan memilki dimensi panjang = 0.261 m, lebar = 0.09725 m, dan tinggi = 0.072 m. Dalam penelitian ini diambil batasan masalah berdasarkan kondisi sebagai berikut : a.
Udara dianggap fluida tak mampu mampat dan mengalir secara seragam, b. ) = 13.9 m/s dengan kecepatan kontrol aktif blowing (U BL ) 1.0 m/s. Kecepatan upstream (U
Domain aliran yang digunakan dalam pendekatan komputasi (Gambar 3) berbentuk balok dengan dimensi panjang = 8 , lebar = 2 , dan tinggi = 2 ( =panjang model dalam sumbu x). Nilai dimensi domain aliran ini perlu ditetapkan agar efek-efek viskos yang berhubungan dengan
wall tidak berpengaruh pada aliran di sekitar model. Pada pendekatan eksperimen digunakan load
cell untuk memvalidasi hasil pengurangan drag aerodinamika yang diperoleh melalui pendekatan
komputasi (Gambar 4). Load cell tersusun dari sebuah plat stainless steel yang telah dipasangi strain gauge disisi depan dan belakang kemudian dihubungkan dengan Van model menggunakan batang aluminium. Van model ditempatkan dalam terowongan angin yang nantinya dialiri udara sehingga model menerima gaya dorong. Gaya dorong yang diterima oleh model tersebut juga akan diterima oleh plat yang membuat plat mengalami defleksi. Strain gauge akan membaca proses tersebut dalam bentuk perubahan hambatan material dan menghasilkan tegangan keluar sebagai output. Dengan bantuan kalibrasi, output tegangan pada strain gauge akan langsung dtampilkan dalam bentuk gaya dalam satuan gram.
Gambar 2. Dimensi Van Model Gambar 3. Domain aliran dalam CFD
Hasil dan Pembahasan
a. Distribusi Tekanan
Koefisien distribusi tekanan hasil komputasi pada bagian belakang Van model tanpa penambahan kontrol aliran dan setelah ditambahkan kontrol aliran berupa tiupan (U BL = 1 m/s) pada kecepatan upstream (U ) = 13.9 m/s ditunjukkan pada Gambar.5(a dan b). Sedangkan nilai minimum dan maksimum koefisien distribusi tekanan pada bagian belakang Van model saat tanpa kontrol aktif aliran dan saat ditambahkan kontrol aliran dinyatakan dalam Tabel 1.
Gambar 4. Experimental Set Up (a). Tanpa control aktif aliran
(b) U BL = 1m/s Gambar 5. Koefisien distribusi tekanan pada bagian belakang Van model
Tabel 1. Nilai minimum dan maksimum koefisien distribusi tekanan
Cp Lokasi Cp Lokasi Kontrol Aktif
Min. y/H z/W Max. y/H z/W Tidak Ada -0.9073 1 0.0294 0.4, 0.3 - ¼, 0 Tiupan (U = 1m/s) -0.5741 BL 1 - ¼ 0.0219
0.4
b. Intensitas Turbulensi
Sementara itu intensitas turbulensi hasil komputasi pada bagian belakang Van model tanpa penambahan kontrol aliran dan setelah ditambahkan kontrol aliran berupa tiupan (U BL = 1 m/s) pada kecepatan upstream (U ) = 13.9 m/s ditunjukkan pada Gambar.6(a dan b). Sedangkan nilai minimum dan maksimum koefisien distribusi tekanan pada bagian belakang Van model saat tanpa kontrol aktif aliran dan saat ditambahkan kontrol aliran dinyatakan dalam Tabel 2.
(a). Tanpa control aktif aliran (b) U BL = 1m/s
Gambar 5. Intensitas turbulensi pada bagian belakang Van model
Tabel 2. Nilai minimum dan maksimum intensitas turbulensi
Kontrol
IT Min. Lokasi
IT Max. Lokasi (%)
Aktif (%) y/H z/W y/H z/W Tidak Ada
0.61 0.4 ¼
1.60 0.7 -½ Tiupan 0.66 0.7, 0.5 ½ 1.42 1, 0.9 ¼, -¼
c. Drag Aerodinamika
Berdasarkan Tabel.1, terlihat bahwa penambahan kontrol aktif aliran berupa blowing menyebabkan adanya pengurangan total gaya drag sebesar 13.70%.
Tabel 1. Total gaya drag aerodinamika, koefisien drag & pengurangan drag hasil komputasi
Gaya drag Koefisien Pengurangan Drag Kontrol Aktif
(N) drag (%) Tidak Ada
- 0.8234 1.7811 Tiupan(U BL =1m/s) 0.7106 1.5371 13.697
d. Validasi Eksperimen
Pengambilan data drag aerodinamika dengan metode eksperimen dengan menggunakan
load cells . Pengambilan data dilakukan selama 100 detik dan data yang diambil adalah setiap 2
detik sehingga jumlah data adalah 50 data. Rata-rata dari 50 data tersebut menjadi besar gaya drag aerodinamika. Load celll yang digunakan memiliki ketelitian hingga 1 gram, sehingga data eksperimen yang diperoleh bersifat fluktuatif. Fluktuatif data tersebut dapat dilihat dari Gambar 5.
1.2 ) N
1.0 ( g ra
0.8 D a y a
0.6 l G ta
0.4 o T
Tanpa Kontrol Aktif Aliran
0.2 Ubl = 1 m/s
0.0
20
40
60 80 100 120 Detik (s)
Gambar 5. Fluktuasi data eksperimen gaya drag aerodinamika Berdasarkan Tabel.2, terlihat bahwa penambahan kontrol aktif aliran berupa blowing menyebabkan adanya pengurangan total gaya drag sebesar 3.56%.
Tabel 2. Validasi total gaya drag aerodinamika, koefisien drag dan pengurangan drag
Gaya drag Koefisien Pengurangan Drag Kontrol Aktif
(N) drag (%) Tidak Ada
- 0.70384 1.522 Tiupan(U BL =1m/s) 0.67875 1.468 3.564
Dari hasil yang didapatkan, terdapat selisih hasil pengurangan drag aerodinamika yang cukup besar antara pendekatan komputasi dengan eksperimen.
Kesimpulan
Dari hasil komputasi dan eksperimen terlihat bahwa penambahan kontrol aktif aliran dapat meningkatkan koefisien distribusi tekanan dan mengurangi intensitas turbulensi dibagian belakang Van model yang menyebakan terjadinya pengurangan gaya drag aerodinamika. Sehingga penerapan kontrol aktif aliran pada kendaraan berpeluang besar untuk mengurangi drag aerodinamika yang pada akhirnya dapat meningkatkan efisiensi bahan bakar.
Referensi
Ahmed S.R., G. Ramm and G. Faltin (1984). Some salient features of the time-averaged ground vehicle wake, SAE technical paper series, no. 840300, Detroit. Gad-El-Hak, M., (1996) Modern developments in flow control. Appeared in Applied Mechanics Reviews, vol.49, pp. 365–379.
Kourta, A. and Gillieron, P., (2009) Impact of the automotive aerodynamic control on the economics issues. Journal of Applied Fluid Mechanics, 2, pp. 69-75. Rouméas M., Gilliéron P., and Kourta A., (2005, June) Analyze and control of the near-wake flow over simplified car geometry, 4th Conference on Bluff Body Wakes and Vortex-Induced, Vibrations (BBVIV4), Santorin, Greece. Rouméas M., Gillieron P., and Kourta A., (2008) Separated flows around the rear window of a simplified car geometry, Journal of Fluid Engineering 30(021101-1). Lehugeur B. and P. Gilliéron (2006, April). Drag reduction by active control of A-pillar vortex breakdown on a simplified car geometry, European Drag Reduction and Flow Control Meeting, Ischia, Italy.