TUGAS AKHIR Studi Perencanaan Untuk Performance Spoiler MCX-1 SP dan MCX-2 SP Pada Kendaraan Truk Dengan Metode Computational Fluid Dynamic (CFD).
TUGAS AKHIR
STUDI PERENCANAAN UNTUK PERFORMANCE SPOILER MCX-1 SP
DAN MCX-2 SP PADA KENDARAAN TRUK DENGAN METODE
COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC (CFD)
Disusun Sebagai Syarat Untuk Mencapai Gelar Sarjana Teknik
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Disusun oleh :
HERLAMBANG PUTRA JAWI
NIM
: D 200 11 0005
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2016
i
ii
iii
iv
v
MOTTO
Kalau ingin hidup harus punya mimpi,
Tetapi hidup jangan sekadar hidup,
Karena monyet juga bisa hidup.
Rencana hidup adalah pekerjaan dan usaha,
Tidak lupa juga untuk berdoa,
Berusaha dan berdo’a adalah kewajiban setiap manusia.
Kalau kerja hanya sekadar kerja,
Babi hutan juga bekerja.
Maka yakinlah bahwa di setiap kerja keras orang baik dan jujur,
Akan datang senyum yang lebar untuk kehidupan yang lebih baik,
Suatu hari nanti.
Karena ALLAH SWT MAHA ADIL.
vi
HALAMAN PERSEMBAHAN
Dengan penuh harap ridho Allah SWT, teriring perasaan syukur
dan sabar yang mendalam serta penghargaan yang tinggi, setelah
melewati berbagai ujian dalam perjuangan yang tak kenal lelah, Saya
mempersembahkan Tugas Akhir ini kepada :
Bapak dan Ibu yang dengan segala kasih sayang, kesabaran,
keikhlasan, dan pengorbanannya yang senantiasa membimbing
dan mendo’akanku.
Kawan Tri Hartanto, Edy Nugroho, dan Alif Komarudin, yang selalu
membantu dalam segala hal baik moril maupun materiil.
Sahabatku (teman-teman angkatan 2011 teknik mesin) yang selalu
kompak, dan penuh solidaritas.
Almamater (Universitas Muhammadiyah Surakarta)
Dosen Universitas Muhammadiyah Surakarta Teknik Mesin yang
telah membimbing saya dalam perkuliahan.
Bapak Dosen Pembimbing akademik Ir. Pramuko IP, MT., Bapak
Dosen Pembimbing utama tugas akhir Ir. Sarjito, MT, Ph.D, dan
Bapak Dosen Pembimbing pendamping tugas akhir Wijianto, ST,
M.Eng,
Sc.
Saya
berterima
kasih
atas
pengarahan
dan
bimbingannya yang telah banyak saya terima selama berada di
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
vii
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur ke hadirat Allah SWT atas segala rahmat dan
karunia-Nya yang telah terlimpahkan kepada penulis, sehingga Tugas
Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik.
Adapun Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan
Sidang Sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik,
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapat
bantuan dari berbagai pihak, pada kesempatan ini, penulis dengan penuh
keikhlasan hati ingin menyampaikan terima kasih kepada :
1. Bapak Ir. Sri Sunarjono MT, Ph.D selaku Dekan Fakultas Teknik,
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
2. Bapak Tri Widodo BR. ST, MSc, Ph.D selaku Ketua Jurusan Teknik
Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Surakarta.
3. Bapak Ir. Sarjito, MT, Ph.D selaku Dosen Pembimbing Utama yang
telah
membimbing,
mengarahkan,
memberi
petunjuk
dalam
penyusunan Tugas Akhir ini.
4. Bapak Wijianto, ST, M.Eng, Sc. Selaku Dosen Pembimbing
Pendamping yang telah meluangkan waktu untuk memberikan
bimbingan dan arahannya.
5. Bapak Ir. Pramuko IP, MT. Selaku Pembimbing Akademik.
viii
ix
ABSTRAKSI
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk melakukan permodelan dan
simulasi perilaku aerodinamika pada kendaraan truk dengan penambahan
berupa spoiler MCX-1 Sp dan spoiler MCX-2 Sp menggunakan software
simulasi CFD. Selain itu untuk mendeskripsikan fenomena aliran fluida
yang terjadi disekitar masing-masing model kendaraan truk, sehingga nilai
koefisien drag dari truk akan diketahui dan diperoleh perbedaan hasil
simulasi dari masing-masing model kendaraan truk.
Dalam proses simulasi ini akan dilakukan dengan variasi pada
bentuk geometri spoiler dan kecepatan kendaraan truk, dimana kecepatan
divariasikan antara 5 m/s sampai 25 m/s dengan interval kecepatan 5 m/s.
Model
dibuat
dalam
skala
yang
sesuai
dimaksudkan
untuk
mendeskripsikan perilaku aliran baik didepan maupun dibelakang
kendaraan truk dan simulasi dilakukan pada kondisi steady state.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai rata-rata koefisien drag
terendah
terjadi
pada
truk
dengan
spoiler
MCX-2
Sp
sebesar
0,192000036 dan CD tertinggi pada truk tanpa spoiler sebesar
0,21183409. Ini membuktikan bahwa penambahan spoiler MCX-2 Sp
pada truk mampu menurunkan gaya hambat dibandingkan model lainnya.
Kata kunci : Truk, Kecepatan, Koefisien Drag, Aerodinamika, CFD
x
ABSTRACTION
Purpose of research thesis is to doing about models and behavior
aerodynamic of simulation on truck vehicle with added as spoiler MCX-1
Sp and spoiler MCX-2 Sp utilize CFD simulation software. Besides to
describe fluid flow phenomenon that happening around each truck vehicle
models, so point drag coefficient of truck will be known and gotten
difference result simulated of each truck vehicle models.
In this simulated process will be doing with variation on shaped
spoiler geometry and truck vehicle speed, speed variation is among 5 m/s
until 25 m/s with speed interval 5 m/s. Models made in scale suitably being
meant to describe flow behaviour at front and also behind truck and
simulation vehicle is to doing on steady state condition.
Result of research to point out that average of drag coefficient value
is lowest happens on truck with spoiler MCX-2 Sp as big as 0,192000036
and drag coefficient value is supreme happens on truck without spoiler as
big as 0,21183409. This proves that added as spoiler MCX-2 Sp on truck
can reduce drag coefficient on truck than another models.
Keyword : Truck, Speed, Drag Coefficient, Aerodynamic, CFD.
xi
DAFTAR ISI
Halaman Judul ......................................................................................... i
Pernyataan Keaslian Topik Tugas Akhir .................................................. ii
Halaman Persetujuan .............................................................................. iii
Halaman Pengesahan ............................................................................. iv
Lebar Soal Tugas Akhir ........................................................................... v
Halaman Motto......................................................................................... vi
Halaman Persembahan ........................................................................... vii
Kata Pengantar……………………………………………………………….. viii
Abstraksi .................................................................................................. x
Daftar Isi .................................................................................................. xii
Daftar Gambar..........................................................................................xiv
Daftar Tabel...………………………………………………………………….xvi
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Subyek Penelitian ........................................................................ 1
1.2 Latar Belakang Penelitian ............................................................ 1
1.3 Lingkup Penelitian ........................................................................ 4
1.4 Tujuan Umum Penelitian .............................................................. 5
1.5 Sistematika Penulisan .................................................................. 6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI
2.1 Tinjuan Pustaka ........................................................................... 8
2.2 Dasar Teori .................................................................................. 12
2.2.1 Karakteristik Aliran Fluida ................................................... 12
2.2.2 Konsep Dasar Aliran Fluida ................................................ 15
2.2.3 Hukum Bernoulli ................................................................. 19
2.2.4 Koefisien Drag ................................................................... 20
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Diagram Alir Penelitian ................................................................. 21
xii
3.2 Langkah Simulasi CFD Kendaraan Truk Pada Kondisi Steady
State ............................................................................................ 22
3.2.1 Pembuatan Geometri dan Proses Meshing ...................... 23
3.2.2 Pre-Processor................................................................... 30
3.2.3 Solver Manager ................................................................ 33
3.2.4 Post-Processor ................................................................. 35
BAB IV PEMBAHASAN DAN ANALISA DATA
4.1. Verifikasi Software dan Validasi Data ......................................... 37
4.2 Studi Koefisien Drag (CD) Kendaraan Truk Pada Kondisi Steady
State ............................................................................................ 39
4.3 Studi Hubungan Kecepatan Terhadap Koefisien Drag Pada
Kendaraan Truk .......................................................................... 42
4.4 Uji Varian Satu Jalan atau One Way Anova ............................... 43
4.5 Visualisasi Streamlines dan Vector Plot Kecepatan Pada
Kendaraan Truk .......................................................................... 48
4.5.1 Visualisasi Streamlines Pada Kendaraan Truk................... 50
4.5.2 Visualisasi Vector Plot Kecepatan Aliran Disekitar
Kendaraan Truk .................................................................. 52
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan ................................................................................ 55
5.2 Saran ......................................................................................... 56
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Pola aliran udara disekitar kendaraan truk ........................... 10
Gambar 2.2 Aliran laminar ....................................................................... 13
Gambar 2.3 Profil lapis batas aliran transisi sepanjang pelat datar ......... 14
Gambar 2.4 Aliran turbulen ...................................................................... 15
Gambar 2.5 Posisi profil aliran fluida inviscid pada boundary layer ......... 18
Gambar 2.6 Pemisahan aliran lapisan batas pada dinding spoiler .......... 19
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ......................................................... 21
Gambar 3.2 Diagram alir simulasi ............................................................ 23
Gambar 3.3 Desain truk pada masing-masing model truk
menggunakan software Solidworks 2013 ............................. 24
Gambar 3.4 Hasil import pada pembuatan geometri ............................... 25
Gambar 3.5 Computational Domain......................................................... 26
Gambar 3.6 Hasil proses meshing ........................................................... 27
Gambar 3.7 Inflation Boundary Layer ...................................................... 28
Gambar 3.8 Pengaturan properti domain ................................................. 31
Gambar 3.9 Posisi kondisi batas domain simulasi ................................... 32
Gambar 3.10 Pengaturan solver pada simulasi CFD ............................... 34
Gambar 3.11 Hasil proses solver pada Ansys 15.0 CFX-Solver .............. 35
Gambar 3.12 Contoh hasil simulasi dengan Ansys CFX-post ................. 36
Gambar 4.1 Perbandingan hasil simulasi CFD dengan percobaan wind
tunnel performa spoiler MCX-1 Sp pada truk hubungan antara
kecepatan dan drag .................................................................. 38
xiv
Gambar 4.2 Hubungan antara kecepatan terhadap koefisien drag pada
kendaraan truk .......................................................................... 42
Gambar 4.3 Visualisasi streamlines pada kendaraan truk ...................... 50
Gambar 4.4 Vector plot kecepatan aliran disekitar kendaraan truk......... 52
xv
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Kondisi batas meshing ............................................................. 27
Tabel 3.2 Pengaturan inflation pada mesh .............................................. 28
Tabel 3.3 Jumlah mesh statistics pada masing-masing model truk ......... 29
Table 3.4 Kondisi batas untuk simulasi steady state ................................ 32
Tabel 4.1 Nilai kondisi lingkungan............................................................ 37
Tabel 4.2 Data input SPSS ...................................................................... 44
Tabel 4.3 Tabel output uji satu jalan atau one way ANOVA .................... 45
xvi
STUDI PERENCANAAN UNTUK PERFORMANCE SPOILER MCX-1 SP
DAN MCX-2 SP PADA KENDARAAN TRUK DENGAN METODE
COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC (CFD)
Disusun Sebagai Syarat Untuk Mencapai Gelar Sarjana Teknik
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Disusun oleh :
HERLAMBANG PUTRA JAWI
NIM
: D 200 11 0005
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2016
i
ii
iii
iv
v
MOTTO
Kalau ingin hidup harus punya mimpi,
Tetapi hidup jangan sekadar hidup,
Karena monyet juga bisa hidup.
Rencana hidup adalah pekerjaan dan usaha,
Tidak lupa juga untuk berdoa,
Berusaha dan berdo’a adalah kewajiban setiap manusia.
Kalau kerja hanya sekadar kerja,
Babi hutan juga bekerja.
Maka yakinlah bahwa di setiap kerja keras orang baik dan jujur,
Akan datang senyum yang lebar untuk kehidupan yang lebih baik,
Suatu hari nanti.
Karena ALLAH SWT MAHA ADIL.
vi
HALAMAN PERSEMBAHAN
Dengan penuh harap ridho Allah SWT, teriring perasaan syukur
dan sabar yang mendalam serta penghargaan yang tinggi, setelah
melewati berbagai ujian dalam perjuangan yang tak kenal lelah, Saya
mempersembahkan Tugas Akhir ini kepada :
Bapak dan Ibu yang dengan segala kasih sayang, kesabaran,
keikhlasan, dan pengorbanannya yang senantiasa membimbing
dan mendo’akanku.
Kawan Tri Hartanto, Edy Nugroho, dan Alif Komarudin, yang selalu
membantu dalam segala hal baik moril maupun materiil.
Sahabatku (teman-teman angkatan 2011 teknik mesin) yang selalu
kompak, dan penuh solidaritas.
Almamater (Universitas Muhammadiyah Surakarta)
Dosen Universitas Muhammadiyah Surakarta Teknik Mesin yang
telah membimbing saya dalam perkuliahan.
Bapak Dosen Pembimbing akademik Ir. Pramuko IP, MT., Bapak
Dosen Pembimbing utama tugas akhir Ir. Sarjito, MT, Ph.D, dan
Bapak Dosen Pembimbing pendamping tugas akhir Wijianto, ST,
M.Eng,
Sc.
Saya
berterima
kasih
atas
pengarahan
dan
bimbingannya yang telah banyak saya terima selama berada di
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
vii
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur ke hadirat Allah SWT atas segala rahmat dan
karunia-Nya yang telah terlimpahkan kepada penulis, sehingga Tugas
Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik.
Adapun Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan
Sidang Sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik,
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapat
bantuan dari berbagai pihak, pada kesempatan ini, penulis dengan penuh
keikhlasan hati ingin menyampaikan terima kasih kepada :
1. Bapak Ir. Sri Sunarjono MT, Ph.D selaku Dekan Fakultas Teknik,
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
2. Bapak Tri Widodo BR. ST, MSc, Ph.D selaku Ketua Jurusan Teknik
Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Surakarta.
3. Bapak Ir. Sarjito, MT, Ph.D selaku Dosen Pembimbing Utama yang
telah
membimbing,
mengarahkan,
memberi
petunjuk
dalam
penyusunan Tugas Akhir ini.
4. Bapak Wijianto, ST, M.Eng, Sc. Selaku Dosen Pembimbing
Pendamping yang telah meluangkan waktu untuk memberikan
bimbingan dan arahannya.
5. Bapak Ir. Pramuko IP, MT. Selaku Pembimbing Akademik.
viii
ix
ABSTRAKSI
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk melakukan permodelan dan
simulasi perilaku aerodinamika pada kendaraan truk dengan penambahan
berupa spoiler MCX-1 Sp dan spoiler MCX-2 Sp menggunakan software
simulasi CFD. Selain itu untuk mendeskripsikan fenomena aliran fluida
yang terjadi disekitar masing-masing model kendaraan truk, sehingga nilai
koefisien drag dari truk akan diketahui dan diperoleh perbedaan hasil
simulasi dari masing-masing model kendaraan truk.
Dalam proses simulasi ini akan dilakukan dengan variasi pada
bentuk geometri spoiler dan kecepatan kendaraan truk, dimana kecepatan
divariasikan antara 5 m/s sampai 25 m/s dengan interval kecepatan 5 m/s.
Model
dibuat
dalam
skala
yang
sesuai
dimaksudkan
untuk
mendeskripsikan perilaku aliran baik didepan maupun dibelakang
kendaraan truk dan simulasi dilakukan pada kondisi steady state.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai rata-rata koefisien drag
terendah
terjadi
pada
truk
dengan
spoiler
MCX-2
Sp
sebesar
0,192000036 dan CD tertinggi pada truk tanpa spoiler sebesar
0,21183409. Ini membuktikan bahwa penambahan spoiler MCX-2 Sp
pada truk mampu menurunkan gaya hambat dibandingkan model lainnya.
Kata kunci : Truk, Kecepatan, Koefisien Drag, Aerodinamika, CFD
x
ABSTRACTION
Purpose of research thesis is to doing about models and behavior
aerodynamic of simulation on truck vehicle with added as spoiler MCX-1
Sp and spoiler MCX-2 Sp utilize CFD simulation software. Besides to
describe fluid flow phenomenon that happening around each truck vehicle
models, so point drag coefficient of truck will be known and gotten
difference result simulated of each truck vehicle models.
In this simulated process will be doing with variation on shaped
spoiler geometry and truck vehicle speed, speed variation is among 5 m/s
until 25 m/s with speed interval 5 m/s. Models made in scale suitably being
meant to describe flow behaviour at front and also behind truck and
simulation vehicle is to doing on steady state condition.
Result of research to point out that average of drag coefficient value
is lowest happens on truck with spoiler MCX-2 Sp as big as 0,192000036
and drag coefficient value is supreme happens on truck without spoiler as
big as 0,21183409. This proves that added as spoiler MCX-2 Sp on truck
can reduce drag coefficient on truck than another models.
Keyword : Truck, Speed, Drag Coefficient, Aerodynamic, CFD.
xi
DAFTAR ISI
Halaman Judul ......................................................................................... i
Pernyataan Keaslian Topik Tugas Akhir .................................................. ii
Halaman Persetujuan .............................................................................. iii
Halaman Pengesahan ............................................................................. iv
Lebar Soal Tugas Akhir ........................................................................... v
Halaman Motto......................................................................................... vi
Halaman Persembahan ........................................................................... vii
Kata Pengantar……………………………………………………………….. viii
Abstraksi .................................................................................................. x
Daftar Isi .................................................................................................. xii
Daftar Gambar..........................................................................................xiv
Daftar Tabel...………………………………………………………………….xvi
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Subyek Penelitian ........................................................................ 1
1.2 Latar Belakang Penelitian ............................................................ 1
1.3 Lingkup Penelitian ........................................................................ 4
1.4 Tujuan Umum Penelitian .............................................................. 5
1.5 Sistematika Penulisan .................................................................. 6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI
2.1 Tinjuan Pustaka ........................................................................... 8
2.2 Dasar Teori .................................................................................. 12
2.2.1 Karakteristik Aliran Fluida ................................................... 12
2.2.2 Konsep Dasar Aliran Fluida ................................................ 15
2.2.3 Hukum Bernoulli ................................................................. 19
2.2.4 Koefisien Drag ................................................................... 20
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Diagram Alir Penelitian ................................................................. 21
xii
3.2 Langkah Simulasi CFD Kendaraan Truk Pada Kondisi Steady
State ............................................................................................ 22
3.2.1 Pembuatan Geometri dan Proses Meshing ...................... 23
3.2.2 Pre-Processor................................................................... 30
3.2.3 Solver Manager ................................................................ 33
3.2.4 Post-Processor ................................................................. 35
BAB IV PEMBAHASAN DAN ANALISA DATA
4.1. Verifikasi Software dan Validasi Data ......................................... 37
4.2 Studi Koefisien Drag (CD) Kendaraan Truk Pada Kondisi Steady
State ............................................................................................ 39
4.3 Studi Hubungan Kecepatan Terhadap Koefisien Drag Pada
Kendaraan Truk .......................................................................... 42
4.4 Uji Varian Satu Jalan atau One Way Anova ............................... 43
4.5 Visualisasi Streamlines dan Vector Plot Kecepatan Pada
Kendaraan Truk .......................................................................... 48
4.5.1 Visualisasi Streamlines Pada Kendaraan Truk................... 50
4.5.2 Visualisasi Vector Plot Kecepatan Aliran Disekitar
Kendaraan Truk .................................................................. 52
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan ................................................................................ 55
5.2 Saran ......................................................................................... 56
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Pola aliran udara disekitar kendaraan truk ........................... 10
Gambar 2.2 Aliran laminar ....................................................................... 13
Gambar 2.3 Profil lapis batas aliran transisi sepanjang pelat datar ......... 14
Gambar 2.4 Aliran turbulen ...................................................................... 15
Gambar 2.5 Posisi profil aliran fluida inviscid pada boundary layer ......... 18
Gambar 2.6 Pemisahan aliran lapisan batas pada dinding spoiler .......... 19
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ......................................................... 21
Gambar 3.2 Diagram alir simulasi ............................................................ 23
Gambar 3.3 Desain truk pada masing-masing model truk
menggunakan software Solidworks 2013 ............................. 24
Gambar 3.4 Hasil import pada pembuatan geometri ............................... 25
Gambar 3.5 Computational Domain......................................................... 26
Gambar 3.6 Hasil proses meshing ........................................................... 27
Gambar 3.7 Inflation Boundary Layer ...................................................... 28
Gambar 3.8 Pengaturan properti domain ................................................. 31
Gambar 3.9 Posisi kondisi batas domain simulasi ................................... 32
Gambar 3.10 Pengaturan solver pada simulasi CFD ............................... 34
Gambar 3.11 Hasil proses solver pada Ansys 15.0 CFX-Solver .............. 35
Gambar 3.12 Contoh hasil simulasi dengan Ansys CFX-post ................. 36
Gambar 4.1 Perbandingan hasil simulasi CFD dengan percobaan wind
tunnel performa spoiler MCX-1 Sp pada truk hubungan antara
kecepatan dan drag .................................................................. 38
xiv
Gambar 4.2 Hubungan antara kecepatan terhadap koefisien drag pada
kendaraan truk .......................................................................... 42
Gambar 4.3 Visualisasi streamlines pada kendaraan truk ...................... 50
Gambar 4.4 Vector plot kecepatan aliran disekitar kendaraan truk......... 52
xv
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Kondisi batas meshing ............................................................. 27
Tabel 3.2 Pengaturan inflation pada mesh .............................................. 28
Tabel 3.3 Jumlah mesh statistics pada masing-masing model truk ......... 29
Table 3.4 Kondisi batas untuk simulasi steady state ................................ 32
Tabel 4.1 Nilai kondisi lingkungan............................................................ 37
Tabel 4.2 Data input SPSS ...................................................................... 44
Tabel 4.3 Tabel output uji satu jalan atau one way ANOVA .................... 45
xvi