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

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
Nim

: Muhammad Ridwan Nofianto
: D 200 090 102

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2014

i

ii

iii

iv

v

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 sungguhsungguh (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)

vi

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 )

vii

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 sebesarbesarnya 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

viii

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

ix

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 masingmasing mobil model A dan model B didapatkan koefisien drag (C D)
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.

x

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI
HALAMAN PERSETUJUAN
HALAMAN PENGESAHAN
LEMBAR SOAL TUGAS AKHIR
MOTTO
PERSEMBAHAN
KATA PENGANTAR
ABSTRAKSI
DAFTAR ISI
DAFTAR GAMBAR
DAFTAR TABEL
DAFTAR SIMBOL

i
ii
iii
iv

v
vi
vii
viii
x
xi
xiii
xv
xvi

BAB I

PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
1.2. Perumusan Masalah
1.3. Batasan Masalah
1.4. Tujuan Penelitian
1.5. Manfaat Penelitian
1.6. Sistematika Penulisan

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

xi

1
1
3
4
4
5
5

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Diagram Alir Penelitian
3.2. Langkah-Langkah Simulasi Komputasi CFD
3.2.1 Pembuatan Geometry Dan Proses Meshing
3.2.2 Pre processor
3.2.3 Solver Manager
3.2.4 Post processor

29
29
30
31
38
42
44

BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
4.1. Verifikasi Software dan Validasi Data
4.2. Hasil Simulasi Kondisi Steady (Mantap)
4.2.1 Hasil Kontur Distribusi Tekanan
4.2.2 Hasil Kontur Disribusi Kecepatan
4.2.3 Hasil Kontur Turbulence Kinetic Energy
4.2.4 Hasil Pola Aliran Vector
4.2.5 Hasil Pola Aliran Streamline
4.2.6 Perhitungan Drag Coefficient, dan Lift Coefficient
4.3. Hasil Simulasi Kondisi Unsteady (Tak Mantap)
4.3.1 Hasil Kontur Kecepatan
4.3.2 Hasil Streamline Kecepatan
4.3.3 Hasil Kontur Turbulence Kinetic Energy

45
45
48
49
54
57
59
61
64
67
69
71
73

BAB V

PENUTUP

75

5.1.
5.2.
5.3.

75
77
77

Kesimpulan
Kontribusi Terhadap Ilmu Pengetahuan
Saran

DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN

xii

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

xiii

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

xiv

DAFTAR TABEL
Tabel 3.1: Data geometri pada front end body
…………
Tabel 3.2: Pengaturan kondisi batas meshing
…………
Tabel 3.3: pengaturan lapisan batas
…………
Tabel 3.4: kondisi batas untuk kondisi simulasi steady state …………
Tabel 4.1: Data hasil komputasi CFD
…………
Tabel 4.2: Data hasil perbandingan perhitungan komputasi
dan analitis
…………
Tabel 4.3: Jumlah mesh statictics pada model
AVANZA A dan AVANZA B
…………
Tabel 4.4: Data waktu variabel simulasi transient/unsteady …………

xv

33
37
38
41
46
47
48
69

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)

v

= 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)

xvi