## Desain dan Analisa Aerodimanika Dengan menggunakan Pendekatan CFD
Pada Model 3D Untuk Mobil Prototype “Engku Putri”
Rahman Hakim *# , Cahyo Budi Nugroho * , Ruzianto *
 Batam Polytechnics
Mechanical Engineering study Program Parkway Street, Batam Centre, Batam 29461, Indonesia
# E-mail: hakim@polibatam.ac.id

## Abstrak
Bentuk bodi yang aerodinamis  merupakan faktor  penting dalam perlombaan balap mobil seperti kontes mobil hemat energi (KMHE). Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui gaya hambat pada bodi kendaraan ( Drag Force ) dan mengetahui bagian – bagian bodi yang memiliki tingkat pressure yang lebih. Selanjutnya dilakukan simulasi pendekatan  CFD  dengan  mengunakan software  Solidworks ® 2013  -  flow  simulation dengan  perbandingan koefisien drag dan avg.  pressure dan  pemberian  variasi  kecepatan  angin,  yaitu  40  km/jam,  60  km/jam  dan  80 km/jam pada tiga desain mobil yang berbeda. Hasil simulasi didapat bahwa nilai koefisien drag rata-rata pada desain prototype 1 sebesar 0.0804 sedangkan kendaraan prototype  2 sebesar 0.0272 dan  pada desain prototype 3 “Engku Putri”  sebesar 0.02273. Melalui simulasi ini didapatkan avg. pressure tertingi terdapat pada body bagian depan  kendaraan,  dimana  desain  prototype  3  “Engku  Putri”  lebih  aerodinamis  dibandingkan  dengan  desain kendaraan prototype 1 dan prototype  2 karena memiliki nilai avg. pressure paling kecil yaitu sebesar 101,370 Pa.
Kata kunci: Koefisien drag, avg. pressure, Solidworks ® 2013 - flow simulation

## Abstract
An aerodynamic body  shape  which  is an important  factor for car racing as like as  Energy-Saving Car Contest (KMHE). In this research aims to determine the drag force on the body surface and the normal pressure on the body  surface  that  have  more  levels  of  pressure.  Furthermore  CFD  simulation  is  done  by  using  software Solidworks ® 2013 - flow simulation with a ratio of drag coefficient - average pressure with wind speed variation, which is 40 Km/hr, 60 Km/hr, and 80 Km/hr for all car design. The simulation result obtains an average of drag coefficient for prototype 1 design is 0.0804, for prototype 2 design is 0.0272 and for prototype 3 design “Engku Putri”  is 0.02273. Through this simulation obtains a  higher average  pressure  located on the  front of the  body vehicle wherein the design of prototype 3 “Engku Putri” is more aerodynamic than the design of prototype 1 and 2 because it has a value of an average pressure that smallest pressure is 101,370 Pa.
Keywords: Drag Coefficient, Avg. pressure, Solidworks ® 2013 - flow simulation

## 1 Pendahuluan
Mobil ialah salah satu alat transportasi yang banyak di gunakan  dalam  kehidupan  modern  saat  ini,  pada penelitian  kali  ini  kami  merancang  dan  membuat mobil prototype berbahan  bakar gasoline dengan nama  Engku  Putri  (Prototype  3  “Engku  Putri”) dimana mobil ini dirancang sebagai bahan penelitian mahasiswa  mesin  politeknik  negeri  batam  untuk upaya  penghematan  konsumsi  energi  atau  bahan bakar  serta  di  lombakan  di  ajang    Indonesia  kontes mobil  hemat  energi  2015  (KMHE  2015)  di  kota Malang,  dimana  dalam  kompetisi  ini  mahasiswa  di
tantang  menciptakan  kendaraan  yang  hemat  bahan bakar  dan  juga  memiliki  tingkat  keselamatan  yang tinggi.    Banyak  parameter  yang  di  lakukan  untuk upaya  penghematan  konsumsi  bahan  bakar  pada mobil prototype ini  antara  lain  yaitu:  rangka kendaraan, sistem engine , dan bentuk bodi kendaraan yang aerodinamis.
Bodi  merupakan  bagian  utama  pada  mobil  yang berfungsi sebagai pelindung kontruksi dan panel-panel  kelistrikan  dari  faktor  eksternal  seperti cahaya matahari, hujan, dan lain lain. Selain itu bodi juga berfungsi sebagai  pengatur aliran fluida pada sisi
Vol. 8, No. 1, April 2016, 06-11
p-ISSN: 2085-3858
Received February, 2016 Accepted March, 2016
luar mobil sehingga bisa berpengaruh pada performa dan karakteristik mobil, Gambar 1.
Aerodinamika merupakan salah satu ilmu pengetahuan  yang  mempelajari  tentang  sebab  akibat yang  ditimbulkan  oleh  aliran  fluida  yang  bergerak terhadapo  suatu  benda.  Sedangkan  untuk  gaya  drag merupakan gaya yang ditimbulkan oleh gerakan suatu benda  dengan  arah  yang  berlawanan  terhadap  gerak relatif  benda  padat  dengan  fluida  [1].  Jadi  dapat  di simpulkan, bodi kendaraan akan dikatakan aerodinamis    apabila    gaya  hambat  (koefisien drag ) yang  dihasilkan  rendah  sehinga  mengoptimalkan kinerja  mesin  yang  bisa  meningkatkan  efisiensi  dari kinerja  mesin  sehingga  bisa  mengurangi  konsumsi bahan bakar [2].
Gambar 1: Mobil Prototype 3 “Engku Putri”
Salah  satu  cara  untuk  mengetahui  pengaruh  yang ditimbulkan dari adanya profil pada bodi kendaraan, adalah dengan cara melakukan pendekatan komputasi atau  lebih  sering  kita  kenal  dengan  menggunakan sistem Computational  Fluid  Dinamics (CFD).  Salah satu software pendukung dalam pengunaan CFD ialah Solidworks ® 2013 - Flow Simulation .
Tujuan  dari  penelitian  ini  yaitu  untuk  menganalisa aliran  fluida eksternal  dari  bentuk  bodi  mobil prototype dan  tekanan  ( pressure )  yang  terjadi  pada permukaannya.  Selain  itu  analisis  ini  juga  bertujuan untuk mencari bentuk desain paling minim akan gaya hambat ( drag force ) untuk upaya efesiensi pengunaan bahan  bakar  kendaraan  dan  melihat  tekanan  tertingi dan  terendah  pada  bagian bodi mobil.  Dari  hasil simulasi  kita  dapat  menentukan  langkah-langkah produksi  dan  antisipasi  kesalahan  agar  tingkat kegagalan  produksi  dapat  dikurangi.  Berikut  data, tabel  1,  ringkasan  spesifikasi  teknis  dari  mobil prototype “Engku Putri”.

## TABEL I
Spesifikasi Mobil Prototype “Engku Putri”
No Spesifikasi Teknis 1 Dimensi alat 258.8 x 68.2x 70 cm (p x l x t) 2 Berat tanpa pengemudi 52 kg 3 Motor bensin Mesin Honda Gx 4 langkah satu silinder  35cc 4 Daya 1.3 HP
5 Putaran Mesin 7000 rpm 6 Material St 37, Allumunium alloy 1060, kayu dan fiber 7 Bahan bakar Pertamax/Premium Rem Cakram

## 2 Metodologi Penelitian
Langkah pertama yang dilakukan pada penelitian ini adalah  penggambaran  dalam  bentuk  CAD  berskala 1:1  dengan  menggunakan  program  Solidworks ® 2013, yang akan dilanjutkan dengan proses penentuan beberapa  parameter  yang  akan  digunakan  dalam simulasi.
Gambar 2: Desain Mobil Prototype 1 “Listrik”
Gambar 3: Desain Mobil Prototype 2 “Ethanol”
Gambar 4: Desain Mobil Prototype 3 “Engku Putri”
Pada gambar 2; 3 dan 4 merupakan desain yang kami gunakan dalam proses simulasi dengan perbandingan data teknis sebagai berikut:

## TABEL II SPESIFIKASI DIMENSI DESAIN BODY
No Spesifikasi Proto 1 Proto 2 Proto 3 1 Panjang 2598 mm 2440 mm 2589 mm 2 Lebar 1073 mm 591,4 mm 682,5mm 3 Tinggi 799,6 mm 642,1 mm 685,8mm 4 Cross Section Area 0,35 m 2 0,34 m 2 0,38 m 2
Langkah  kedua  adalah  langkah  terakhir  yang berupa  proses  simulasi  aliran  fluida  yang  dimulai dari  setting  parameter pengujian,  dimana  memiliki beberapa  tahapan  untuk  menyamakan  kondisi sebenarnya, diantaranya sebagai berikut:

## A. Pre-Processing
Pada  tahap  ini  kita  tentukan  system  satuan,  jenis fluida yang akan digunakan, serta karakteristik aliran yang  digunakan  adalah  laminar  dan  turbulen  yang diharapkan bisa mendekati pada kondisi sebenarnya:

## Tabel III Setting Parameter Simulasi
No Preprocessing Data 1 Seting unit sistem SI (m-kg-s). 2 Analysis type external 3 Default fluid Air (gases) 4 Initial and ambient conditions  Preasure         : 101325 Pa
 Temperature  : 293.2 k

## B. Boundary Condition
Kondisi batas yang digunakan dengan menggunakan pilihan default yang ada. Kecepatan aliran fluida yang akan digunakan adalah 11.11 m/s (40 Km/Jam); 16.67 m/s  (60  Km/Jam)  dan  22.22  m/s  (80  Km/Jam). Penentuan  hasil  dan  resolusi  geometri  yang digunakan  dalam  simulasi  ini  adalah  pada  angka  5. Selanjutnya adalah penentuan fluid domain yang akan digunakan sebagai batas komputasi fluida yaitu: (380 x 200 x 257) cm (p x l x t).
Gambar 5: Fluid Domain Pada Mobil Prototype 2 “Ethanol”
Selanjutnya  penentuan goal yang  diharapkan  pada simulasi  ini  adalah  berupa  gaya drag dan pressure profile .  Untk  perhitungan  koefisien drag dilakukan dengan  cara  pemberian  input  berupa  rumus  detail pada menu global goal .
C d = 2.D / ρ. U 2 . A (1)
Dimana:
C d = Coefficient Drag
D = GayaDrag (N)
U = kecepatan udara (m/s)
ρ = Densitas Udara (Kg/m 3 )
A = Cross Section Area (m 2 )
Berikut Equation goal pada Solidworks ® 2013 - Flow Simulation :
Gambar 6: Equation Goal Pada Bodi Prototype “Engku Putri” Dengan Kecepatan 11m/s
Dimana  parameter  udara  yang  digunakan  pada simulasi ini sesuai dengan Thermodynamic Properties yang ditabelkan dibawah ini:

## Tabel VI Variabel Massa Jenis dan Viskositas [4]
T ( K ) Massa jenis ρ ( kg/m3) Viskositas dinamik μ ( kg/ms ) 300 1.177 1,875 x 10 -7

## C. Messing
Simulasi  ini  menggunakan Mesh yang  terstuktur dimana  bentuk  dan  pola grid yang  ada  pada  fluid domain  maupun  pada  profil  bodi  mobil  berbentuk persegi dengan jumlah cell sebanyak 225,000 elemen. Dimana proses ini juga dilakukan pada software yang sama yaitu Solidworks ® 2013 - Flow Simulation.

## D. Solver (Post Processing)
Pada  proses  ini,  proses  perhitungan  terulang  pada setiap  elemen  yang  dihasilkan  dari  proses  meshing, dan  akan  berhenti  jika  hasilnya  sudah  sama ( Convergen ).

## 3 Analisa dan Pembahasan
Desain perancangan bodi mobil memiliki bentuk dan dimensi  yang  berbeda  beda  dengan  perbedaan tersebut  maka  aliran  fluida  yang  mengenai  bodi memiliki  hambatan  yang  berbeda  beda  juga. Pengujian mengunakan solidwork flow simulation ini didasarkan  pada  kondisi  di  kota  batam  dimana  suhu kisaran  26 o celcius,  dengan  variasi  pemberian kecepatan udara dari arah depan sebesar 40 km/jam, 60  km/jam  dan  80  km/jam.  Berikut  nilai  koefisien drag 3 desain rancangan bodi prototype pada table 5
di bawah ini:

## TABLE V Hasil simulasi Koefisien Drag
Kecepatan udara (m/s) Koefisien Drag (C d ) Prototype 1 “Listrik” Prototype 2 “Gasoline” Prototype 3 “Engku Putri” 11.11 ms 0.07940 0.01270 0.01056 16.67ms 0.08040 0.02820 0.02017 22.22 ms 0.08140 0.04070 0.03746
Pada data diatas maka didapat grafik di bawah ini :
Gambar  8 : Grafik Perbandingan Koefisien Drag
Dari data table di atas dapat dilihat hasil flow simulasi pada ketiga perancangan bodi mobil prototype. Pada grafik  8  dapat  dilihat  bahwa  nilai koefisien  drag desain prototype 1,2,dan  3  mengalami  kenaikan walaupun  kecil  seiring  bertambahnya  kecepatan aliran  udara.  Dapat  dilihat  bahwa  nilai  koefisien drag hasil  simulasi  rata-rata  yaitu  0.0804  untuk Desain prototype 1  listrik,  sedangkan  untuk  kendaraan prototype    2  ethanol    lebih  aerodinamis  dibanding prototype 1  listrik  dengan  rata-rata  yaitu  0.0272  dan untuk prototype engku putri  merupakan body paling aerodinamis    dengan  rata-rata  yaitu koefisien  drag 0.02273. Dari table 5 juga dapat dilihat bahwa kendaraan prototype engku  putri  lebih  kecil  koefisen drag nya  di bandingkan dengan prototype 1 listrik dan prototype 2. Sehingga dari hasil pengujian ini sudah mendekati table contoh standart koefisien drag dengan bentuk mendekati streamlinied bodi  dengan  nilai  K oefisien  seperti  pada table 6.

## TABLE VI
Nilai drag KoefiSien standart [6] No Nama Bentuk Drag Coefficient (C d ) 1 Sphere 0.47 2 Half - sphere 0.42
3 Cone 0.50 4 Cube 1.05 5 Angled Cube 0.80 6 Long Cylinder 0.82 7 Short Cylinder 1.15 8 Streamlined Body 0.04 9 Streamlined Half Body 0.09
Sedangkan pada bentuk aliran udara yang bergerak di sekitaran  bodi dengan  sample  pengujian  kecepatan 11.11  m/s  (40  Km/Jam)  ke  tiga  kendaraan  dapat  di lihat pada gambar 9, 10, dan 11 di b awah ini :
Gambar 9 : Simulasi Flow Trenjection Prototype 1 “Listrik”
Gambar 10 : Simulasi Flow Trenjection Prototype Ethanol 2
Gambar 11 : Simulasi Flow  Trenjection Prototype  Gasoline Engku Putri
Pressure yang  dialami  tiap  bagian  bodi  mobil prototype juga  berbeda-beda  ,  berikut  bagian  bodi yang  mengalami pressure tertingi  dan  terendah dengan sampel pengujian kecepatan 11.11 m/s dapat di lihat pada gambar di bawah ini.
Gambar 12 : Cut Plot Simulasi Mobil Prototype 1 “Listrik” v = 11.11 m/s
Gambar 13 : Cut Plot Simulasi Mobil Prototype 2 “Gasoline” v = 11.11 m/s
Gambar 14: Cut Plot Simulasi Mobil Prototype 3 “Engku Putri “ v = 11.11 m/s
Dari gambar di atas dilihat tekanan udara normal yang diberikan ke bodi yaitu 101.350 Pa. Dari ketiga bodi rata-rata hambatan tampak terjadi pada depan ( Force Drag) tertingi terjadi pada bodi prototype 1 “ Listrik” ditunjukan    warna  merah  didepan    ujung  bodi sedangkan  bodi prototype 2  “Gasoline”  dan  bodi prototype 3 “Engku Putri” hanya warna orange tetapi luas tekanan depan bodi prototype 2 “Gasoline”  lebih besar dibanding prototype 3 “Engku Putri”selanjutnya menurun  tekananya  bagian  atas  dan  bawah  hal tersebut dikarenakan  pada bagian tersebut kecepatan aliran  udaranya  lebih  kecil,  sesuai  dengan  ‘’Teori Bernaully’’  yang  mana  kecepatan  udara  berbanding terbalik  dengan  tekanan.  Dan  tekanan  kembali  naik pada  rata-rata    belakang  bodi  mobil  dengan  warna yang  di  tunjukan  kehijauan  dengan  nilai  yang ditunjukan  masing-masing  gambar  didapat  bahwa tekanan bodi belakang  tertingi dialami bodi prototype 1 “  Listrik”  dan  terkecil  dialami  bodi prototype 3 “Engku  Putri”  dilihat  dari  warna  dan  luas  bagian tekanan.  Kenaikan  tersebut  dikarenakan  bentuk belakang  bodi mobi  kurang streamline sehinga terdapat  gaya  udara  tak  beraturan  atau  biasa  disebut turbulance .

## 4 Kesimpulan
Mobil  yang  memiliki  nilai  koefisien drag terbesar terjadi  pada  desain  bodi prototype 1  listrik  rata-rata sebesar  0.0804  sedangkan  kendaraan prototype 2 dengan nilai koefisien drag rata-rata yaitu 0.0272 dan nilai  koefisien drag terkecil  tejadi  pada  desain prototype engku  putri    degan  rata  rata  sebesar 0.02273 . semakin tinggi kecepatan kendaraan , maka hambatan    ( koefisien  drag )  pada  kendaraan  juga semakin meningkat. Semakin kecil radius permukaan depan  body  maka koefisien  drag yang  diterima semakin  kecil.  Maka  Semakin  kecil  nilai koefisien drag pada kendaraan , maka dapat mengurangi beban kinerja mesin untuk mengerakan kendaraan sehingga
konsumsi bahan bakar lebih irit.

## Ucapan Terima Kasih
Penelitian ini bisa terlaksana dengan baik atas sarana dan  prasarana  dari  Politeknik  Negeri  Batam, khususnya Lab CAD/CAM/CAE di ruang RB.4 yang telah memfasilitasi kami, khususnya software original Solidworks ® 2013.
Tidak  lupa  akan  ucapan  terima  kasih  tak  terkira kepada seluruh dosen dan staf Jurusan Teknik Mesin Politeknik  Negeri  Batam  yang  telah  membimbing kami dalam  penyelesaian proses simulasi ini.

## Daftar Pustaka
[1] Fathus,  Grummy. Karakteristik  Aliran  Pada
Kendaraan Menyerupai MPV
Dengan
Penambahan  Front  Spoiler .  Jurusan  Teknik
Mesin  Fakultas  Teknik  Universitas  Negeri Surabaya. 2014.
[2] Michael. Perencanaan  Front  Dan  Rear  Difuser
Untuk  Mereduksi  Coeficient  Of  Drag .  Jurusan
Teknik  Mesin  Program  Otomotif  Universitas
Kristen Petra Surabaya. 2013.
[3] Noname. Car Aerodynamics Basics and How-To Design Tips , termuat dalam website: http://www.buildyourownracecar.com/race-car-a erodynamics-basics-and-design
(Diakses pada tanggal: 2 april 2016)
[4] Azwir, Purwanto, Wibowo.
Analisa
Computational  Fluid  Dinamic Bodi Kendaraan
Mataram  Proto  Dengan  Prangkat Lunak  Ansys
Fluent  14.45 .  Jurusan  Teknik  Mesin,  Fakultas Teknologi  Industri,  IST  AKPRIND  Yogyakarta.
2014.
[5] Agung. Analisa  pola  aliran  pada  mobil  esemka rajawali  modifikasi  mengunakan  CFD  Ansys
15.0. Jurusan  Teknk  Mesin  Fakultas  Teknik
Universitas Muhamadiyah Surakarta. 2015.
[6] Ahmad,  Dkk. Pegaruh  Penambahan  Atap
Skunder  Kabin  Mobil  (Scondary  Cabin  Roff)
Terhadap  Gaya  Aerodinamis  Dan  Prilaku  Arah Pada  Mobil  Sedan .  Jurusan  Teknik  Mesin,
Fakultas Teknik Universitas Lampung. 2013.