Studi Koefisien Drag Aerodinamika pada Model Ahmed Body Terbalik Berbasis Metode Numerik
Marga Yogatama, Ramon Trisno
Program Studi Teknik Mesin, FakultasTeknik, Universitas Pancasila, Jakarta
E-mail: marga.yoga00@gmail.com
Abstrak-- Salah satu bidang yang menghasilkan gas rumah kaca adalah bidang transportasi. Emisi yang dihasilkan transportasi ada di angka 14% dan diprediksikan akan meningkat. Oleh karena itu berbagai usaha dilakukan, salah satunya dengan menghemat konsumsi bahan bakar. Untuk menghemat bahan bakar  ada  berbagai  cara,  salah  satunya  dalah  mengurangi  gaya  drag  aerodinamis.  Eksperimen  ini menggunkan pemodelan pada software ansys dan model mobil ahmed body terbalik. Simulasi dilakukan menggunakan software Ansys Fluent 16.2. Simulasi dilakukan pada kecepatan 30 km/h, 60 km/h dan 100 km/h. dari hasil simulasi didapatkan penggambaran turrbulensi aliran serta rata-rata koefisien drag sebesar 0,0763 .
Kata kunci: Ansys, aerodinamika, ahmed body
Abstract--T ransportation is one segment that produced greenhouse gasses. Transportation produced 14% emission in the world and will continuously arise. Because of that, so many efforts made to reduce the rises. One of them is to reduce fuel consumption. To reduced fuel consumption, we need to reduced the drag aerodynamic effect. This experiment uses ansys software modeling with reversed ahmed body car  model.  Simulation  does  at  30  km/h,  60  km/h  and  100  km/h.  from  the  simulation  we  can  get  the stream turbulency and the drag coefficient at 0.0763.
Keywords : Ansys, aerodynamic, ahmed body

## 1.  PENDAHULUAN
Pemanasan  global  adalah  suatu  fenomena global yang ditandai dengan kenaikan suhu rata- rata  di  bumi  yang disebabkan oleh peningkatan emisi gas rumah kaca. Emisi gas rumah kaca ini merupakan hasil pembakaran bahan bakar fosil. Lingkungan  yang  terasa  semakin  panas  akhir- akhir  ini  adalah  salah  satu  efek  pemanasan global  yang  terjadi  akhir-akhir  ini.  Belum  lagi kenaikan  air  laut  yang  mengancam  daerah  – daerah  dengan  pesisir  pantai.  Oleh  karena  itu perlu dilakukan
usaha-usaha untuk menanggulangi  dan  memperlambat  pemanasan global. Salah satu
bidang yang banyak menghasilkan  emisi  gas  rumah  kaca  adalah bidang transportasi. Emisi gas rumah kaca yang dihasilkan  sebesar  14%  dan  diprediksiakan meningkat  sebesar  dua  kali  lipat  pada  tahun 2050  ( Intergovermental  Panel  on  Climate Change  in  Climate  Change  2014:  Mitigation  of Climate  Change ).  Prediksi  tersebut  berdasar pada  prediksi  peningkatan  populasi  manusia pada tahun-tahun kedepan. Peningkatan populasi  juga    akan  menyebabkan  kebutuhan akan alat trasnportasi turut meningkat. Peningkatan  jumlah  transportasi  ini  telah  terjadi dan  dapat  kita  amati  di  Indonesia.  Peningkatan jumlah kendaraan ini tidak dapat dihindari, maka dari  itu  harus  dilakukan  penghematan  bahan bakar untuk menekan emisi gas rumah kaca.
Berbagai usaha untuk membantu menekan emisi gas  rumah  kaca  telah  dilakukan.  Mulai  dari memperbanyak angkutan masal, produksi LCGC,  pembutan  mobil  listrik.  Namun  dirasa penghematan  bahan  bakar  adalah  hal  yang paling mendesak karena telah banyak kendaraan yang diciptakan dengan bahan bakar fosil. Salah satu  upaya  penghematan  bahan  bakar  adalah dengan mengurangi gaya drag aerodinamis pada kendaraan. Pengurangan gaya drag aerodinamis,  bila  dilihat  dari  sudut  pandang mekanika  fluida,  dapat  dilakukan  dengan  tiga metode, yaitu 1) memodifikasi aliran secara lokal, 2) memindahkan atau menunda separasi aliran, 3)  mengurangi  terbentuknya  zona  resirkulasi  di bagian belakang dari separasi aliran yang terjadi.

## 2.  LANDASAN TEORI

## 2.1 Drag Aerodinamis
Benda  yang  bergerak  melewati  fluida,  akan mengalami  interaksi  pada  permukaan  benda tersebut  dengan  fluida  yang  mengalir  atau dilaluinya. Interaksi tersebut merupakan gaya dan momen yang bersumber dari tegangan geser (τ w ), yang diakibatkan oleh efek viskos, dan tegangan normal  yang  diakibatkan  oleh  distribusi  tekanan (p). Dengan p berarah tegak lurus ke arah pusat dan τ tangensial dengan terhadap permukaan. Drag pada sebuah benda dapat dipecah menjadi dua  bagian,  yaitu Drag yang  diakibatkan  oleh gaya gesek, yaitu Drag Gesekan dan Drag yang
diakibatkan  oleh  tekanan,  yaitu Drag Tekanan. Sebagian  besar drag dari  suatu  benda  didapat dari  hasil  eksperimen  yang  dilakukan  di terowongan  angin  yang  dilakukan  berkali-kali. drag dapat  dituliskan  dalam  bilangan  tak- berdimensi yang disebut sebagai Koefisien Drag , C D ,  yaitu  perbandingan  antara Drag dengan Dynamic Pressure Freestream , , yang dapat dituliskan sebagai berikut:
= (1)
Pada  benda  yang  berbentuk bluff  body, seperti  mobil, drag aerodinamis  yang  dihasilkan sebagian  besar  dikarenakan  oleh drag tekanan atau form drag . Hal  ini dikarenakan pada bagian depan  dan  belakang  mobil  tersebut  memiliki perbedaan  tekanan  yang  cukup  besar.  Hal tersebut  menyebabkan  efek  vakum  terhadap mobil,  sehingga  mobil  seolah  mengalami  tertarik ke  belakang.  Gaya  tarik  ke  belakang  tersebut dapat  dirasakan  sebagai  gaya drag pada  mobil tersebut,  karena  gaya  tersebut  cenderung menghambat pergerakan mobil.

## 2.2 Lapisan Batas
Lapisan batas di definisikan sebagai lapisan yang terbentuk  pada  permukaan  suatu  benda  yang terendam  dalam  aliran  fluida,  dimana  area  yang terdapat  di  dalam  lapisan  tersebut  efek  viskos sangat  penting  dan  di  luar  lapisan  batas  efek viskos  tidak  begitu  penting  atau  inviscid.  Aliran inviscid adalah aliran dimana gesekan, konduktivitas  panas,  dan  difussi  massa  dapat diabaikan [1].
Pada  saat  fluida  yang  berasal  dari  hulu  dan sesaat  melewati  permukaan  benda,  maka kecepatan  fluida  pada  bagian  ujung  depan ( leading  edge) secara  sesaat  akan  turun  secara drastis.  Hal  ini  dikarenakan  efek  dari  tegangan geser  yang  besar  menyebabkan  partikel  fluida yang  berada  di  bagian  dekat  permukaan  dapat dikatakan  berhenti  dan  menyebabkan  partikel fluida  yang  ada  didekatnya  akan  ikut  melambat yang dikarenakan adanya efek viskos. Pada aliran fluida  yang  berada  di  luar  lapisan  batas  maka aliran  tersebut  dikatakan  aliran  tak  berotasi, namun pada saat aliran tersebut masuk ke dalam lapisan  batas  maka  aliran  tersebut  dikatakan aliran berotasi. Pada bagian hilir dari lapisan batas ada  bagian  yang  mana  aliran  menjadi  turbulen yang  dikarenakan  partikel  fluida  menjadi  sangat terdistorsi.
Lapisan  batas  memiliki  sebuah  ketebalan yang  mana  membatasi  area  dimana  efek  viskos masih  berlaku  pada  sebuah  aliran  fluida  atau tidak.  Ketebalan  dari  lapisan  batas  menebal dengan arah yang sama dengan aliran fluida dan semakin  jauh  jarak  permukaan  benda  yang dilewati  maka  ketebalan  dari  lapisan  batas  akan
bertambah besar. Ketebalan dari sebuah lapisan batas  dinotasikan  dengan  notasi  δ.  Perubahan kecepatan  yang  terjadi  pada  lapisan  batas menentukan gradient kecepatan  di  permukaan plat  dan  juga  tegangan  gesernya.  Sehingga, tegangan  geser  untuk  lapisan  batas  laminar adalah
= (2)

## 2.3 Separasi Aliran
Ketika  sebuah  fluida  melalui  sebuah  benda  dan dianggap  aliran  fluida  tersebut  menempel  pada benda tersebut, idealnya distribusi  tekanan pada kedua sisi tetap sama tetapi pada beberapa kasus lapisan batas terpisah dari benda. Pada kejadian ini tekanan pada satu sisi menjadi sangat rendah. Munculnya  penurunan  tekanan  ini  terjadi  secara tiba-tiba. Ini terjadi pada sisi dimana aliran udara lebih  cepat.  Perbedaan  tekanan  ini  akan mengakibatkan  drag  pada  benda  tadi.  Seperti gambar diatas, aliran yang berputar kembali, dan menjadi turbulen diakibatkan oleh separasi aliran, untuk mengisi daerah dengan tekanan yang lebih rendah

## 2.4 Model Kendaraan
Pemodelan  yang  paling  jamak  ditemui  dalam simulasi  dan  penelitian  mengenai  aerodinamika adalah Ahmed body. Ahmed body sendiri adalah sebuah  kendaraan  yang  disederhanakan  dan diahrapkan mampu menggambarkan pemlodelan turbulensi  pada  geometri  kendaraan  lain  yang menyerupainya.

## Gambar 2.1 Ahmed body
Ahmed  body  memiliki  bentuk  kubus  dengan fillet di bagian depan sehingga hampir berbentuk menyerupai  setengah  bola.  Di  bagian  belakang terdapata  bentuk  miring,  yang  dapat  diubah besaran derajatnya

## 2.5 Intensitas Turbulen
Turbulensi  merupakan  fenomena  ketidakaturan medan aliran  yang disebabkan oleh gaya inersia dari suatu aliran lebih besar dibandingkan dengan gaya viskosnya. Aliran turbulen biasanya ditandai dengan perilaku chaos atau acak pada parameter- parameter yang memiliki deskripsi medan seperti kecepatan, tekanan, tegangan geser dan temperatur.
Hubungan antara intensitas turbulensi dengan drag  aerodinamis  pada  sebuah  benda  pada
dasarnya  bila  intensitas  turbulensi  meningkat maka  drag  aerodinamis  yang  dihasilkan  pada benda  tersebut  juga  akan  meningkat.  Hal  ini dikarenakan  pada  saat  nilai  intensitas  turbulensi pada  suatu  kondisi  aliran  terntentu  meningkat maka  dapat  dikatakan  olakan  yang  terbentuk  di belakang  benda  tersebut  memiliki  ukuran  yang semakin besar. Pertambahan ukuran olakan yang semakin  besar  menandakan  bahwa  separasi aliran yang terjadi lebih cepat dan menyebabkan area olakan yang ada dibelakang benda tersebut akan  semakin  besar.  Oleh  karena  itu,  dengan meningkatnya intensitas turbulensi dapat menyebabkan drag yang dihasilkan menjadi lebih besar.

## 2.6 Computational Fluid Dynamic
Computational Fluid Dynamics atau biasa disebut dengan CFD adalah suatu cara untuk menganalisa suatu sistem yang melibatkan aliran fluida,  perpindahan  panas,  reaksi  kimia  dan fenomena  fisik  lainnya  yang  berdasarkan  pada simulasi berbasis komputer. Pada masa kini, CFD sudah  menjadi  salah  satu  pendekatan  yang dilakukan  dalam  mencari  jawaban  pada  suatu permasalahan enjineering, terutama dalam bidang  mekanika  fluida  dan  perpindahan  panas.
Secara konvensional, penyelesaian permasalahan enjinering dalam bidang mekanika fluida  dan  perpindahan  panas  dilakukan  dalam dua pendekatan saja, yaitu pendekatan eksperimental  dan  pendekatan  analitis.  Namun, dikarenakan  permasalahan  yang  muncul  dari waktu ke waktu semakin susah untuk diselesaikan secara konvensional, maka dibutuhkan pendekatan  baru  yang  dapat  dilakukan  dengan cepat,  mudah  dan  tidak  mengeluarkan  banyak biaya,  sehingga  munculah  perangkat  lunak berbasis CFD. Alasan itu lah, yang menyebabkan pada saat ini CFD menjadi salah satu pendekatan yang digunakan untuk mengklarivikasi hasil yang didapatkan  dari  pendekatan  analitis  maupun eksperimental.
Proses pada computational fluid dynamic ada tiga yaitu:
1.  Tahap Pre- Processing 2.  Tahap CFD solver
3.  Tahap post processing

## 3.  SIMULASI
Dalam  prosesnya  simulasi  ini  akan  dilakukan dengan langkah berikut:
1.  Pembuatan model ahmed body
2.  Penentuan boundary condition
3.  Menjalankan solver
4.  Pemrosesan hasil simulasi
Proses pembuatan model ahmed body dilakukan dengan menggunakan software SolidWork dengan bentuk model berikut:
Gambar 3.1 Reverse Ahmed body 3D
Kemudian  untuk  boundary  condition  yang diberikan pada simulasi ini:
Tabel 3.1 Boundary condition Kriteria Nilai Coupling Scheme Gradient Pressure Momentum Turbulent Kinetic Energy Turbulent Dissipation Rate Coupled Least Square Cell
Based Second Order Second Order Upwind Second Order Upwind Second Order Upwind

## Flow Courant Number

## Density
Body Force
Turbulent Kinetic Energy Turbulent Dissipation
Rate Turbulent Viscosity Maximum Turbulent Viscosity Ratio Under Relaxation Factors 1 1 0.8 0.8 0.95 1E10+7 Tabel 3.2 Solution control
Kriteria Nilai Jenis Fluida Densitas Fluida Viskositas Fluida Udara 1246 kg/m 3 1.7894E-05 Kecepatan Masuk Intensitas Turbulensi Ratio Viskositas Turbulensi 30;60 & 100 km/h 1% 10 Tekanan Keluar Intensitas Turbulensi Ratio Viskositas Turbulensi 1 atm (Konstan) 5% 10

## 4.  HASIL SIMULASI
Setelah  dilakukan  proses  solver  menggunakan software maka diperoleh hasil berikut:

## 1.  Pada kecepatan 30km/h
Di  bawah adalah  gambar  hasil simulasi penggambaran tekanan udara.
Gambar 4.1 Tekanan pada 30 km/h
Di bawah ini adalah koefisien drag,  yang berada di angka 0,0756.
Gambar 4.2 Cd pada 30 km/h
Berikut  ini  adalah  hasil  simulasi  untuk  intensitas turbulensi.
Gambar 4.3 Turbulensi pada 30 km/h
2.  Pada kecepatan 60 km/h Di  bawah adalah gambar  hasil simulasi penggambaran tekanan udara.
Gambar 4.4 kecepatan pada 60km/h
Di bawah ini adalah hasil simulasi untuk koefisien drag, yang berada diangka 0,076.
Gambar 4.5 Cd pada 60km/h Hasil simulasi intensitas turbulensi
Gambar 4.6 turbulensi pada 60km/h

## 3.  Kecepatan 100 km/h
Berikut  penggambaan  tekanan  pada  kecepatan 100 km/h
Gambar 4.7 tekanan pada 100km/h
Kemudian  di  bawah  ini  untuk  penggambaran intensitas turbulensi
Gambar 4.8 turbulensi pada 100km/h
Untuk koefisien drag yang terjadi sebagai berikut
Gambar 4.9 Cd pada 100km/h
Koefisien drag yang terjadi ada di angka 0,0763. Dari  percobaan  yang  telah  dilakukan  dapat disimpulkan dengan grafik berikut:
Gambar 4.10 Grafik CD vs kecepatan
Gambar 4.11 Cd vs intensitas turbulensi Dari  grafik  Cd  vs  keceptan  bisa  disimpulkan  jika Cd berbanding lurus dengan kecepatan. Kemudian dari gambar 4.11 kita dapat kesimpulan jika  Cd  berbanding  lurus  dengan  intensitas turbulensi.

## 5.  KESIMPULAN
Dari hasil simulasi yang telah digambarkan diatas ketiga  kondisi  memiliki  Cd  yang  hampir  sama, pada  kisaran  0,076.  Kemudian  untuk  intensitas turbulensi  terbesar  tejadi  pada  kecepatan  100 km/h. Untuk penelitian selanjutnya untuk menurunkan  Cd  atau  koefisien  drag  dapat dilakukan  dengan  menggunakan  kontrol  aliran mode aktif dengan menggunakan jet actuator .

## DAFTAR PUSTAKA
[1].  Anderson Jr, John D. (2001). Fundamentals of
Aerodynamics (3 rd ed).  Singapore:  McGraw- Hill Higher Education.
[2].  Ansys,  Inc.  (2013). Ansys  Fluent  Theory Guide. United States of America: Pemulis
[3].  Hucho, Wolf-Heinrich et all. (1987).
Aerodynamics  of  Road  Vehicles  from  Fluid Mechanics  to  Vehicle  Engineering. Great
Britain: Butterworth – Heinemann Ltd. [4].  Luthfie, A. (2017). Analisis Pengaruh Perubahan  Sudut  Pipa  Siphon  Terhadap Performasi Turbin Hydrocoil dengan Menggunakan  Computational  Fluid  Dynamic (CFD). Jurnal  Teknik  Mesin,  6 (1),  41-47. doi:http://dx.doi.org/10.22441/jtm.v6i1.1336
[5].  Kurniawan,  I.  (2017).  Analisa  Posisi  Pelat Peredam Gerak Lateral Cairan di Dalam Truk Tangki Oval yang Dimodifikasi Menggunakan
Komputasi  Dinamika  Fluida. Jurnal  Teknik Mesin, 6 (1), 48-55.
doi:http://dx.doi.org/10.22441/jtm.v6i1.1316
[6].  Ramdani,  S.  (2017).  Analisis  Pengaruh Variasi CDI terhadap Performa dan Konsumsi Bahan  Bakar  Honda  Vario  110CC. Jurnal Teknik Mesin, 4 (3), 94-98. doi:http://dx.doi.org/10.22441/jtm.v4i3.1271