Jurnal Dinamis, Volume.5, No.3 September 2017
ISSN  0216-7492

## SIMULASI COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC (CFD) PADA RUANGAN DRIVER MOBIL TIM HORAS UNTUK MEMPREDIKSI KENYAMANAN TERMAL PENGEMUDI
Amma Muliya R. 1 , Himsar Ambarita 2 , A. Halim Nasution 3 , Mulfi Hazwi 4 , Syahril Gultom 5 1,2,3,4,5 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 E-mail : smartams13@gmail.com

## ABSTRAK
Kenyamanan termal ( thermal comfort) merupakan salah satu aspek yang harus dipertimbangkan ketika  akan  mendesign  suatu  ruangan  driver  pada  sebuah  mobil.  Penelitian  ini  berfokus  pada simulasi Computational  Fluid  Dynamic (CFD)  ruangan  driver  mobil  Tim  Horas  Universitas Sumatera Utara generasi keempat untuk memprediksi kenyamanan termal pengemudi. Simulasi dilakukan  selama  30  menit  dan  hasil  yang  diperoleh  adalah  temperatur  pada  16  titik  tubuh pengemudi.  Selanjutnya  hasil  simulasi  dibandingkan  dengan  standar  zona  kenyamanan  yang telah  ditetapkan  untuk  tubuh  manusia.  Dari  hasil  simulasi,  persentase  kenyamanan  tertinggi didapatkan  pada  menit  ke-12  dengan  nilai  31,25  %  (5  titik  nyaman).  Nilai  dari  kelima  titik tersebut adalah  tangan kiri (29, 367 °C), betis kiri (27,3639°C) , betis kanan (28 °C), kaki kiri (27°C), dan kaki kanan (27°C). Persentase kenyamanan terendah didapatkan pada menit ke-15 dengan nilai 0 % (tidak ada titik nyaman). Persentase rata-rata kenyamanan termal pengemudi pada ruangan driver mobil Tim Horas generasi keempat selama 30 menit adalah 13,75 %.
Kata  Kunci:  Kenyamanan  Termal,  CFD  ,  Ruangan  Driver,  Temperatur,  Persentase  rata-rata kenyamanan termal

## 1. PENDAHULUAN
Konsumsi  energi  di  sektor  transportasi  dari  tahun  ke  tahun  telah  meningkat secara  signifikan,  sehingga  diperlukan  upaya  untuk  mendapatkan  sistem  transportasi yang  hemat  energi.  Dalam  menyanggupi  tantangan  itu  sebuah  kompetisi  Shell  Eco- marathon  (SEM)  Asia  dan Indonesia  Energy  Marathon  Challenge (IEMC) menjadi ajang  bagi  mahasiswa  untuk  berinovasi  dalam  mendesain,  membuat,  dan  menjalankan mobil  hemat  energi  sehingga  didapatkan  konsumsi  bahan  bakar  terbaik.  Tim  Horas Universitas  Sumatera  Utara  sampai  saat  ini  telah  membuat  mobil  generasi  pertama sampai keempat yang dipersiapkan untuk mengikuti kedua perlombaan tersebut.
Salah satu parameter yang dipertimbangkan dalam pembuatan mobil Tim Horas yaitu  desain  interior  pada  ruangan  driver  yang  berpengaruh  terhadap  kenyamanan termal driver dalam mengemudi. Untuk mengetahui distribusi temperatur pada ruangan driver ( driver compartment) dapat digunakan software ANSYS FLUENT sehingga bisa diprediksi  aliran  fluida  yang  terjadi  pada  ruangan  driver  mobil  Tim  Horas.  Dengan metode simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD) menggunakan software ANSYS FLUENT,  dapat  diketahui  temperatur  di  setiap  titik  pada  ruangan  driver  yang berpengaruh  terhadap  kenyamanan  termal  pengemudi.  Permasalahan  yang  diangkat dalam penelitian ini adalah bagaimana pengaruh temperatur yang ada di ruangan driver mobil  Tim  Horas  generasi  keempat  terhadap  kenyamanan  termal  ( thermal  comfort ) pengemudi.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA Kenyamanan Termal
ASHRAE  [1]  mendefinisikan  kenyamanan  termal  sebagai  suatu  pemikiran dimana  kepuasan  didapati.  Meskipun  digunakan  untuk  mengartikan  tanggapan  tubuh, kenyamanan  termal  merupakan  kepuasan  yang  dialami  oleh  manusia  yang  menerima suatu  keadaan  termal,  keadaan  ini  alami  baik  secara  sadar  ataupun  tidak  sadar. Pemikiran  suhu  netral  atau  suhu  tertentu  yang  sesuai  untuk  seseorang  dinilai  agak kurang  tepat  karena  nilai  kenyamanan  bukan  merupakan  nilai  yang  pasti  dan  selalu berbeda bagi setiap individu.

## Standar Kenyamanan Termal Pada Tubuh manusia
Perbandingan  hasil  pengukuran  dengan  standar  kenyamanan  thermal  dapat diketahui dari beberapa parameter, yaitu:
1. Kecepatan udara
Georg Lippsmeier [2] menyatakan bahwa patokan untuk kecepatan angin ialah:
• 0,25 m/s ialah nyaman, tanpa dirasakan adanya gerakan udara.
• 0,25-0,5 m/s ialah nyaman, gerakan udara terasa.
• 1,0-1,5 m/s aliran udara ringan sampai tidak menyenangkan.
• Diatas 1,5 m/s tidak menyenangkan.
2. Suhu
Suhu merupakan salah satu parameter yang menentukan kenya-manan seseorang. Suhu memiliki hubungan yang erat terhadap sensasi, psikologi, dan kesehatan tubuh manusia. Suhu  kenyamanan  termal  menurut  skala new  effective  temperature [3]  serta hubungannya dengan reaksi psikologi dan kesehatan manusia bisa dilihat pada gambar 1.
Gambar 1. Skala termal ET* serta hubungan terhadap reaksi psikologi dan kesehatan pada tubuh manusia [3]
ISSN  0216-7492
Sesuai  standard  ASHRAE  55-1992  [4]  and  ISO  7730  [5], Equivalent Homogenous  Tempe-  rature  ( EHT)  untuk  tubuh  manusia  dapat  digunakan  sebagai standar  kenyamanan  termal.  Bohm  [6]  menjelaskan  dalam  jurnalnya,    terdapat  16 segmen  titik  pada  tubuh  manusia  yang  bisa  dijadikan  acuan  untuk  menentukan kenyamanan termal. Gambar  2 memperlihatkan standar zona kenyamanan termal tubuh manusia.
Gambar 2. EHT indeks untuk 16 titik pada tubuh manusia [6]
Untuk  nilai  temperatur zona nyaman pada 16 titik tubuh  manusia diperlihatkan pada tabel 1.
Tabel 1. Nilai temperatur minimum dan maksimum zona kenyamanan termal pada 16 titik tubuh manusia [6]

## Perhitungan Dinamika Fluida (Computational Fluid Dyna-mics)
Dinamika   fluida [7]  adalah   cabang   dari   ilmu   mekanika   fluida    yang mempelajari  tentang  pergerakan  fluida.  Dinamika  fluida  dipelajari  melalui  tiga cara yaitu:
• Dinamika fluida eksperimental
• Dinamika fluida secara teori, dan
• Dinamika fluida secara numerik (CFD)
Computational  Fluid  Dynamics (CFD)  adalah  suatu  cabang  dari  mekanika  fluida yang  menggunakan  metode  numerik  untuk  menyelesaikan  dan  menganalisa  elemen- elemen  yang  akan  disimulasikan.  Pada  proses  ini,  computer  diminta  untuk  menyele- saikan  perhitungan-perhitungan  numerik  dengan  cepat  dan  akurat.  Prinsip  kerja  pada CFD  adalah  model  yang  akan  kita  simulasikan  berisi  fluida  akan  dibagi  menjadi beberapa bagian atau elemen. Elemen-elemen yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol  perhitungan  yang  akan  dilakukan  oleh software selanjutnya  elemen  diberi batasan  domain  dan boundary  condition .    Prinsip  inilah  yang  banyak  digunakan  pada proses perhitungan dengan menggunakan bantuan komputasi.

## Metode CFD Menggunakan Perangkat Lunak FLUENT
CFD  memungkinkan    penye-lesaian    persamaan    pembentuk    aliran    dengan menggunakan    suatu    perhitungan    numerik    yang    disebut    dengan    metode    volume hingga    ( finite    volume  methods ).  Untuk  memudahkan    perhitungan    numerik,    telah
Jurnal Dinamis, Volume.5, No.3 September 2017
ISSN  0216-7492
tersedia    banyak    perangkat    lunak    computer.    Salah    satu    perangkat    lunak    yang terkenal dalam perhitungan dan simulasi CFD adalah FLUENT.
FLUENT [8]  adalah  program  komputer  yang  dikembangkan  oleh  ANSYS Inc. untuk  memodelkan  aliran  fluida  dan  perpindahan  panas  dalam  geometri  yang kompleks.    FLUENT  merupakan    salah    satu    jenis    program    CFD    ( Computational Fluid  Dynamics )  yang  menggunakan  metode  diskritisasi  volume  hingga. FLUENT memiliki  fleksibilitas mesh ,  sehingga  kasus-kasus  aliran  fluida  yang memiliki mesh tidak    terstruktur    akibat    geometri    benda    yang    rumit    dapat  diselesikan    dengan mudah.

## 3. METODOLOGI PENELITIAN Diagram Alir Penelitian dan Simulasi
Diagram  alir  yang  digunakan  dalam  penelitian  dan  simulasi  dapat  dilihat  pada gambar 3.
Gambar 3.   Diagram alir
(a) Penelitian,
(b) Simulasi
Diagram  alir  penelitian  meliputi  pengambilan  data,  pemodelan,  hasil  temperatur yang didapat dari 16 titik tubuh, analisa dan perbandingan dengan penelitian lain, dan yang terakhir kesimpulan serta saran.
Sedangkan  diagram  alir    simulasi  meliputi  pembuatan  geometri  ruangan  driver dengan solidworks, proses  import  model  pada  ANSYS Work-bench ,  proses meshing,
Jurnal Dinamis, Volume.5, No.3 September 2017
pendefinisi-an bidang batas pada geometri, penentuan bidang batas pada FLUENT, proses iterasi numerik, dan plot kontur temperatur pada 16 titik tubuh driver.

## Proses Pre-Processing
Proses pre-processing meru-pakan      proses      yang      dilakukan      sebelum pengujian  (simulasi).  Proses  ini  mencakup  pembuatan  model  (gambar  4),    penentuan domain (gambar 5) dan pembuatan mesh (gambar 6).
Gambar 4.  Ruangan driver mobil Tim Horas generasi keempat
Keterangan gambar: 1. Driver
2. Tempat duduk
3. Stir
4. Pemadam api
5. Tempat botol minum
6. Pengubah gigi
7. Ruangan driver
8. Minyak rem
9. Emergency Shutdown
10. RPM meter
11. Gear indicator 12. Dashboard
Gambar 5. Computational Domain
(a) (b)
Gambar 6.  Bentuk mesh default
(a) Bentuk mesh tampak luar,
(b) Bentuk mesh secara transparan

## Pengaturan Simulasi (Simulation Setting)
Pengaturan  simulasi  yang  dimaksud  adalah  menetukan  beberapa  aspek yang diperlukan  dalam  simulasi  seperti  bentuk  solver  yang  dipilih,  material  fluida,  jenis viskos,    dll    sesuai    dengan    asumsi    yang    dilakukan.    Tabel    2    dan  3  menunjukkan pengaturan  simulasi  yang  dilakukan di dalam FLUENT. Sedangkan titik tubuh yang diukur pada driver diperlihatkan pada gambar 7.
Tabel 2. Parameter dan Asumsi yang Digunakan dalam Simulasi CFD

## Tabel 3. Pengaturan simulasi pada
FLUENT
Jurnal Dinamis, Volume.5, No.3 September 2017
Keterangan gambar:
1. Kepala
2. Dada
3. Lengan kiri atas
4. Lengan kiri bawah
5. Tangan kiri
6. Paha kiri
7. Betis kiri
8. Kaki kiri
9. Punggung
10. Lengan kanan atas
11. Lengan kanan bawah
12. Tangan kanan
13. Pinggul
14. Paha kanan
15. Betis kanan 16. Kaki kanan

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada gambar 8 akan ditampil-kan gambar kontur statik temperatur tubuh driver yang didapat dari hasil simulasi selama 30 menit (1800 s) .
t=180 s t=360 s t=540 s t=720 s t=900 s t=1080 s t=1260 s t=1440 s
Gambar 8. Kontur temperatur selama 30 menit.
Grafik  kenyamanan  termal  driver  selama  30  menit  (1800  s)  dapat  dilihat  pada gambar 9 s/d 18.
Gambar 9. Grafik temperatur kenyamanan termal pada menit ke-3 (180 s)
Gambar 10. Grafik temperatur kenyamanan termal pada menit ke-6 (360 s)
Gambar 11. Grafik temperatur  kenyamanan termal pada menit ke-9 (540 s)
t=1620 s t=1800 s
Gambar 12. Grafik temperatur kenyamanan termal pada menit ke-12 (720 s)
Gambar 13. Grafik temperatur kenyamanan termal pada menit ke-15 (900 s)
Gambar 14. Grafik temperatur kenyamanan termal pada menit ke-18 (1080 s)
Gambar 15. Grafik temperatur kenyamanan termal pada menit ke-21 (1260 s)
Gambar 16. Grafik temperatur kenyamanan termal pada menit ke-24 (1440 s)
Gambar 17. Grafik temperatur kenyamanan termal pada menit ke-27 (1620 s)
Gambar 18. Grafik temperatur kenyamanan termal pada menit ke-30 (1800 s)
Dari grafik pada gambar 9 s/d 18, dapat dilihat persentase kenyamanan tertinggi didapatkan pada menit  ke-12 dengan nilai  31,25 % (5 titik nyaman).  Nilai dari kelima titik tersebut  adalah   tangan kiri  (29, 367 °C), betis kiri (27,3639°C)  , betis  kanan (28 °C),  kaki  kiri  (27°C),  dan  kaki  kanan  (27°C).  Sedangkan  persentase  kenyamanan terendah didapatkan pada menit ke-15 dengan nilai 0 % (tidak ada titik nyaman).
Setelah mengetahui persen kenyamanan termal dari menit ke-3 sampai menit ke- 30, pada tabel 4 ditampilkan persen rata-rata kenyamanan termal ruangan driver mobil Tim Horas generasi keempat selama 30 menit.
Tabel 4. Persentase rata-rata kenya-manan termal selama 30 menit
Dari tabel 4 dapat dilihat bahwa persentase rata-rata kenyamanan termal ruangan driver mobil Tim Horas  generasi keempat selama 30 menit masih sangat rendah, yaitu 13,75  %.  Ini  menunjukkan  bahwa  ruangan  driver  mobil  Tim  horas  generasi  keempat belum bisa dikatakan nyaman karena masih jauh dari standar kenyamanan.

## 5. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil dan pembahasan dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:
1. Metode Computational  Fluid  Dynamic (CFD)  dapat  memprediksi  dengan  efisien dan  efektif  pada  ruangan  driver  mobil  Tim  horas  generasi  keempat  sehingga  bisa mengetahui kenyamanan termal pengemudi.
2. Persentase  kenyamanan  tertinggi  didapatkan  pada  menit  ke-12  dengan  nilai  31,25 % (5 titik nyaman). Nilai dari kelima titik tersebut adalah  tangan kiri (29, 367 °C), betis  kiri  (27,3639°C)  ,  betis  kanan  (28  °C),  kaki  kiri  (27°C),  dan  kaki  kanan (27°C).
3. Persentase  kenyamanan  terendah  didapatkan  pada  menit  ke-15  dengan  nilai  0  % (tidak ada titik nyaman).
4. Persentase rata-rata kenyamanan termal pengemudi pada ruangan driver mobil Tim Horas generasi keempat selama 30 menit adalah 13,75 %.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] De  Dear&  Brager.  2002. Thermal  Comfort  in  Naturally  Ventilated  Buildings: Revisions to ASHRAE Standard 55 . Jurnal: Energy and Buildings 34.
[2] Lippsmeir,  G.  1994. Bangunan Tropis . Jakarta: Erlangga.
[3] McDowall,    Robert  .  2006. Fundamentals  of  HVAC  Systems. USA:  ASHRA  e- learning.
[4] ASHRAE.  1992. Thermal  environmental  conditions  for  human  occupancy. ANSI/ASHRAE  Standard  55-1992. Atlanta:  American  Society  of  Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, Inc.
[5] ISO.  1994 .  Moderate  thermal  environments-determination  of  the  PMV  and  PPD indices  and  specification  of  the  conditions  for  thermal  comfort. International Standard 7730. Geneva: International Standards Organization .
[6] M. Bohm M., et al. 1990 . Evaluation of Vehicle Climate with a Thermal Manikin -  The  Relationship  between  Human  Temperature  Experience  and  Local  Heat Loss. Swedish Institute of Agricultural Enginee. ring.  JTI-Report 123.
[7] Tuakia,  Firman.  2008. Dasar-dasar  CFD  Menggunakan  Fluent. Bandung: Informatika Bandung.
[8] Ansys Inc. Ansys Fluent Documentation . Ansys Inc