universitas sebelas maret surakarta...
TRANSCRIPT
USULAN PROGRAM KREATIVITAS MAHASISWA
SIMULASI NUMERIK KARAKTERISTIK ALIRAN FLUIDA PADA
PERMUKAAN PROTOTIPE ARTICHULATED BUS TRANSJAKARTA
DENGAN VALIDASI MENGGUNAKAN WIND TUNNEL
BIDANG KEGIATAN:
PKM - PENELITIAN
Di usulkan oleh:
1. Jordie Muhammad I0410022 (Angkatan 2010)
2. Muhammad Andy Anzi I0412035 (Angkatan 2012)
3. Tomy Arif Widodo I0410032 (Angkatan 2010)
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2014
ii
HALAMAN PENGESAHAN
1. Judul Kegiatan : SIMULASI NUMERIK KARAKTERISTIK ALIRAN
FLUIDA PADA PERMUKAAN PROTOTIPE ARTICHULATED BUS
TRANSJAKARTA DENGAN VALIDASI MENGGUNAKAN WIND TUNNEL
2. Bidang Kegiatan : PKM-P
3. Ketua Pelaksana Kegiatan
a. Nama Lengkap : Jordie Muhammad
b. NIM : I0410022
c. Jurusan : Teknik Mesin
d. Universitas : Universitas Sebelas Maret
e. Alamat Rumah dan No Tel./HP : Depok/085695805392
f. Alamat email : [email protected]
4. Anggota Pelaksana Kegiatan/Penulis : 3 orang
5. Dosen Pendamping :
a. Nama Lengkap dan Gelar : Dr. Budi Santosa S.T.,M.T
b. NIDN : 0005117001
c. Alamat Rumah dan No Tel./HP : 0812 2601 068
6. Biaya Kegiatan Total :
a. Dikti : Rp. 10.520.000,00
b. Sumber lain : Rp. 0
7. Jangka Waktu Pelaksanaan : 5 bulan
Surakarta, 25 September 2014
Menyetujui
Ketua Jurusan Teknik Mesin
(Didik Djoko Susilo,ST.MT)
NIP 19720313 1997 02 1001
Ketua Pelaksana Kegiatan
(Jordie Muhammad)
NIM I0410022
Pembantu Rektor III
Universitas Sebelas Maret
(Drs. Dwi Tiyanto,SU)
NIP 19540414 1980 03 1007
Dosen Pendamping
(Dr.Budi Santosa S.T.,M.T)
NIDN. 0005117001
iii
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ...................................................................................... i
HALAMAN PENGESAHAN ........................................................................ ii
DAFTAR ISI .................................................................................................. iii
DAFTAR GAMBAR ..................................................................................... iv
DAFTAR TABEL .......................................................................................... v
RINGKASAN ................................................................................................ vi
BAB 1. PENDAHULUAN ............................................................................
A. Judul............................................................................................... 1
B. Latar Belakang ............................................................................... 1
C. Perumusan Masalah ....................................................................... 3
D. Tujuan ............................................................................................ 3
E. Luaran yang diharapkan ................................................................ 3
F. Kegunaan ....................................................................................... 3
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA ................................................................... 4
BAB 3. METODE PELAKSANAAN ........................................................... 8
BAB 4. BIAYA DAN JADWAL KEGIATAN .............................................
A. Biaya Kegiatan .............................................................................. 9
B. Jadwal Kegiatan ............................................................................ 10
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................... 10
LAMPIRAN-LAMPIRAN ............................................................................
iv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1 Preassure and shear force on a small element of the surface ....... 2
Gambar 2.1 Aliran yang melewati sebuah air foil ......................................... 5
Gambar 3.1 Bagan Alir Kegiatan ................................................................... 8
Gambar 3.2 Sketsa Desain ............................................................................. 9
Gambar 3.3 Spesifikasi Desain ...................................................................... 9
Gambar. 5. Susunan Organisasi Tim Pelaksana dan
Gambar 6 Pembagian Tugas
v
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Biaya kegiatan ............................................................................... 9
Tabel 4.2 Jadwal kegiatan ............................................................................. 10
Tabel Lampiran.1 Justifikasi Anggaran Kegiatan .........................................
vi
RINGKASAN
Program ini diharapkan mampu menghasilkan nilai aerodinamis sebuah
kendaraan bus yang nantinya dapat digunakan untuk menentukan kapasitas daya
mesin yang digunakan Analisa tersebut sangat menentukan dalam proses
perancangan sebuah kendaraan karena aerodinamika kendaraan sangat
mempengaruhi laju dari kendaraan tersebut.
Program penelitian ini menerapkan konsep analisa dengan menggunakan
software yang divalidasikan dengan pembuatan permodelan yang akan diujikan
pada wind tunnel atau terowongan angina dengan variasi kecepatan tertentu.
Rencana kegiatan ini secara bertahap adalah dimulai dari studi literature,
pembuatan desain dan permodelan, analisa dengan software kemudian pembuatan
permodelan dengan skala tertentu untuk memvalidasi hasil dari software tersebut
dengan menggunakan wind tunnel.
1
BAB 1 PENDAHULUAN
A. Judul
SIMULASI NUMERIK KARAKTERISTIK ALIRAN FLUIDA PADA
PERMUKAAN PROTOTIPE ARTICHULATED BUS TRANSJAKARTA
DENGAN VALIDASI MENGGUNAKAN WIND TUNNEL
B. Latar Belakang
Proses Perancangan adalah suatu proses aktifitas/kegiatan yang akan
dilakukan oleh para ahli desain produk industri dari hasil studi, kemudian
dituangkan dalam bentuk inovasi/ide-ide desain dan dilanjutkan pada penjabaran
ataupun penyelarasan yang berhubungan dengan interaksi antar kegiatan terkait.
Aktifitas tersebut dibagi menjadi 5(lima) tahapan yang terdiri dari:
1. Studi banding/survey
2. Konsep desain
3. Pembuatan model
4. Mock-up
5. Prototype
Aerodinamika adalah aliran udara yang bergerak di sekitar suatu benda.
Benda apapun yang bergerak menerpa udara menimbulkan gaya aerodinamis.
Aerodinamika bekerja pada mobil yang sedang melaju karena adanya aliran
udara yang mengalir di sekitar mobil. Gaya-gaya yang ada pada sistem, seperti
tingkat aliran massa, penurunan tekanan, dan kekuatan dinamis fluida seperti lift,
drag dan momen pitching, dapat dengan mudah dihitung dengan CFD. Data ini
dapat digunakan langsung untuk keperluan desain dari sebuah produk, khususnya
mobil.
Ketika sebuah permukaan melewati fluida, timbul sebuah interaksi antara
permukaan tersebut dengan fluida; yang dapat dideskripsikan dalam bentuk gaya
antara fluida dengan permukaan. Gaya ini dapat didefinisikan sebagai tekanan,
tekanan/gaya geser di dinding, τw , sebagai akibat dari efek viskositas dan
tekanan/gaya normal sebagai akibat dari tekanan, p. Baik τw maupun p bervariasi
besar dan arahnya di sepanjang permukaan. Gaya resultan yang searah dengan
2
arah kelajuan fluida dinamakan drag, sedangkan gaya resultan yang normal/tegak
lurus dengan arah kecepatan fluida dinamakan lift. Koefisien lift dan koefisien
drag adalah bentuk tak berdimensi dari lift dan drag. Berikut ialah konsep awal
dari persamaan dalam menentukan drag force (gaya hambat) pada suatu benda
Gambar 1. Preassure and shear force on a small element of the surface a body
Perkembangan ilmu dan teknologi dewasa ini cukup pesat. Termasuk
dibidang aerodinamika, khususnya terowongan angin. Terowongan angin pertama
kali dibuat pada tahun 1871 oleh Francis Wenham dan John Browning dari
Inggris, berdasarkan keinginan untuk simulasi penerbangan dalam atmosfir.
Hingga saat ini terowongan angin mengalami perkembangan yang sangat pesat
dengan berbagai jenis sesuai dengan kebutuhan. Menurut bentuk terowongan
angin ada dua jenis yang cukup dikenal, yaitu saluran terbuka (open circuit) dan
saluran tertutup (closed circuit)[1].
Terowongan Angin adalah suatu alat untuk melakukan studi dan penelitian
mengenai interaksi antara gerakan udara dengan benda-benda yang ada di dalam
aliran udara. Di dalam terowongan angin diperlihatkan bagaimana aliran udara
terbentuk akibat adanya benda-benda, di pihak lain ditunjukan pengaruh aliran
tersebut terhadap benda, yaitu berupa gaya-gaya udaraseperti tekanan, gaya
angkat dan momen-momen [1].
3
Untuk membangun sebuah terowongan angin dibutuhkan biaya yang tidak
sedikit, tetapi kita dapat membuat terowongan udara yang sederhana dan
melakukan uji kemampuan atau simulasi pada model pesawat dan airfoil
contohnya pada sayap dengan bahan-bahan sederhana dan mudah didapatkan.
C. RUMUSAN MASALAH
Permasalahan yang akan dikaji pada program ini adalah:
1. Bagaimana menerapkan konsep fisika pada analisa aerodinamika pada sebuah
kendaraan
2. Bagaimana memanfaatkan bentuk energi angin untuk mengetahui hubungan
antara daya angkat pada prototype sebuah kendaraan.
3. Bagaimana memvalidasi hasil analisa dengan menggunakan software dan
juga hasil analisa dengan menggunakan terowongan angin.
4. Bagaimana pengaruh dari nilai aerodinamika kendaraan terhadap laju sebuah
kendaraan
.D. TUJUAN
Tujuan program ini adalah membuat desain sebuah body bus dan
mendapatkan hasil dari analisa aerodinamika sebuah bus dengan menggunakan
sebuah software dan divalidasikan dengan terowongan angina dimana
aerodinamika sebuah kendaraan sangat mempengaruhi laju kendaraan tersebut.
E. LUARAN YANG DIHARAPKAN
Luaran yang diharapkan adalah diperolehnya nilai velocity, turbulensi, dan
koefisien drag dari sebuah bus dimana nilai-nilai tersebut dapat digunakan untuk
menentukan daya sebuah mesin kendaraan.
F. KEGUNAAN
Hasil program ini sangat diharapkan memberikan manfaat antara lain:
a. Memberikan suatu nilai aerodinamika kendaraan untuk menentukan daya dari
mesin sebuah kendaraan
b. Menjadikan sebuah praktikum dari mahasiswa di luar bidang akademis yang
mampu memberikan pembelajaran dalam bidang material.
d. Merupakan suatu pengaplikasian ilmu yang didapat mahasiswa.
4
e. Mampu menciptakan sebuah desain kendaraan bus yang nantinya dapat
digunakan oleh masyarakat.
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA
Simulasi aliran dapat digunakan untuk mempelajari aliran di sekitar objek
dan menentukan hasil lift dan gaya drag pada benda karena aliran. Dalam kasus
ini kita menggunakan Simulasi aliran untuk menganalisa koefisien drag dari
Articulated bus Transjakarta. Perhitungan dilakukan untuk kisaran kecepatan
sekitar 60 km/jam. Dalam analisa ini mengunakan bantuan software solidwork
dengan eksternal flow.
D = tinggi mobil
U = kecepatan aliran fluida
= massa jenis, dan
= viskositas dinamis.
2.1 Koefisien drag
Coeffisien of drag (CD) adalah koefisien hambatan aerodinamik yang dipengaruhi
oleh faktor bentuk dan kehalusan permukaan kendaraan. CD dari sebuah mobil
dapat dianggap sebagai beban aero terhadap gerakan maju. Semakin besar nilai cd
maka semakin besar pula hambatan aerodinamiknya. Bentuk bodi kendaraan yang
mempunyai nilai CD yang kecil dikatakan sebagai bentuk aerodinamis dimana
bentuknya adalah stream line yang mengikuti arah aliran udara yang melewati
permukaan bodinya. Besarnya nilai CD dapat ditentukan dari percobaan terhadap
model kendaraan didalam suatu alat pengujian wind tunnel (terowongan angin).
Berikut persamaan untuk menentukan besar CD.
CD =Koefisien Drag
5
FD = gaya total dalam arah aliran
D = tinggi mobil
L = panjang mobil
Dalam mempertimbangkan aliran eksternal Fluida real, potensial flow dan
teori lapisan batas memungkinkan untuk memperlakukan atas masalah aliran
eksternal yang terdiri luas dari dua aliran yang berbeda, yang langsung berbatasan
dengan permukaan benda, dimana viskositas dominan dan gaya gesek
diperhitungkan. dan bahwa di luar lapisan batas, dimana viskositas diabaikan,
namun kecepatan dan tekanan yang dipengaruhi oleh adanya fisik dari benda yang
bersama-sama dengan lapisan batas terkait. Selain itu, ada titik stagnasi di bagian
depan benda dan ada daerah aliran di belakang benda (dikenal sebagai wake).
Aliran ditunjukkan pada Gambar 3.3.2.
Gambar 2.1. Aliran yang melewati sebuah air foil
Wake dimulai dari titik ‘S’ di mana terjadi pemisahan lapisan batas.
Pemisahan terjadi karena gradien tekanan negatif, yang dikombinasikan dengan
gaya viskositas di permukaan yang menghasilkan pembalikan aliran, sehingga
menyebabkan aliran untuk memisahkan diri dari permukaan. Hal yang sama
terjadi di bagian belakang body karena disana terjadi diskontinuitas fisik dari
permukaan body yang solid. Aliran dalam ‘wake’ menjadi sangat turbulen dan
6
terdiri dari pusaran fluida dalam skala yang sangat banyak. Terjadi disipasi tingkat
tinggi di sana yang menyebabkan tekanan di Wake berkurang. Sebuah situasi
dibuat dimana tekanan yang bekerja pada benda (tekanan stagnasi) adalah lebih
dari yang bertindak di bagian belakang body sehingga gaya resultan yang bekerja
pada body dalam arah gerakan fluida yang relatif. Gaya yang bekerja pada benda
karena perbedaan tekanan ini disebut tekanan drag (Drag Force) Tujuan dari
simulasi ini adalah untuk menganalisa koefisien drag yang diprediksi oleh
Simulasi aliran, karena aspek aerodinamis suatu bodi mobil juga mempengaruhi
keefisienan mobil tersebut.
2.2 Finite Elemen Methode
Finite Element Method pada awalnya merupakan kebutuhan untuk
memecahkan permasalahan elastisitas yang kompleks dan masalah analisis
struktural di dalam sipil dan aeronautical engineering. Finite element method
(metode elemen hingga) atau FEM adalah salah satu metode numerik yang paling
banyak dipakai di dunia engineering (sipil, mesin, penerbangan, mikroelektronik,
bioengineering, material) dan diajarkan di dunia (baik akademika maupun
industri). Usianya lebih dari 40 tahun, dan hingga kini masih tetap dipakai,
bahkan makin disukai. Metode ini berusaha memecahkan partial differential
equations dan persamaan integrasi lainnya yang dihasilkan dari hasil diskritisasi
benda kontinum. Meski berupa pendekatan, metode ini dikenal cukup ampuh
memecahkan struktur-struktur yang kompleks dalam analisis mekanika benda
padat (solid mechanics) dan perpindahan panas (heat transfer). Biasanya
matematikawan mencari closed-form solution untuk suatu kasus fisika, dan karena
mentok mereka lalu memanfaatkan metode numerik ini untuk memecahkan
kasusnya.
2.3 Terowongan Angin
Terowongan Angin adalah suatu alat untuk melakukan studi dan penelitian
mengenai interaksi antara gerakan udara dengan benda-benda yang ada di dalam
aliran udara. Di dalam terowongan angin diperlihatkan bagaimana aliran udara
terbentuk akibat adanya benda-benda, di pihak lain ditunjukan pengaruh aliran
7
tersebut terhadap benda, yaitu berupa gaya-gaya udara seperti, tekanan, gaya
angkat dan momen-momen [1].
Salah satu syarat yang penting dalam melakukan percobaan-percobaan dalam
pengukuran aliran udara pada instalasi terowongan angin, adalah mengetahui
dengan cermat distribusi kecepatan udara dan arah aliran udara didalam seksi uji.
Suatu aliran udara yang terbagi secara uniform dan arah aliran yang lurus serta
aliran yang stasioner merupakan kondisi yang dikehendaki. Kondisi ini dapat
diketahui dengan mengadakan pengukuran-pengukuran pada berbagai lokasi,
dengan menggunakan perlengkapan-perlengkapan instalasi terowongan angin
yang tersedia [1].
Berdasarkan fenomena alam maka terowongan angin dapat di bagi 3, yaitu :
1. Terowongan Angin Subsonik < 0,14 Mach
2. Terowongan Angin Transonik 0,8 s/d 1.2 Mach
3. Terowongan Angin Supersonik 1.2 – 4 Mach
Suatu benda yang mempunyai gerakan relatif terhadap udara sekitarnya, akan
mengalami gaya-gaya udara. Komponen gaya udara dalam arah aliran udara
dinamakan tahanan. Akibat adanya benda ini, karakteristik aliran udara dimuka
dan di belakang benda tidak serupa. Perbedaan momentum ini berkaitan dengan
gaya-gaya udara yang terjadi. Aliran udara disekitar suatu benda memiliki arah
dan kecepatan yang berubah. Bila diikuti streamline, maka perubahan kecepatan
akan berkaitan dengan perubahan tekanan, sesuai dengan persamaan energi
Bernoulli.
Setiap benda yang berada di dalam aliran udara akan mengalami gaya-gaya
udara. Gaya-gaya udara ini biasanya dibagi menjadi dua komponen, yaitu
komponen yang bekerja tegak lurus terhadap aliran udara dinamakan gaya angkat
(lift), dan komponen yang bekerja berlawanan dengan aliran udara dinamakan
tahanan (drag). Di dalam suatu aliran yang berkecepatan lebih rendah dari
kecepatan perambatan suara, maka tahanan yang terjadi timbul karena dua hal,
yaitu tahanan gesek dan tahanan tekanan.
8
BAB 3 METODE PELAKSANAAN
Bagan Alir Penelitian
Gambar 3.1. Bagan Alir Kegiatan
STUDI LITERATUR
MEMBUAT PERMODELAN 3D
KESIMPULAN
MEMASUKKAN
PARAMETER,
MENENTUKAN
BATASAN-BATASAN
SOLVING
MENAMPILKAN HASIL DAN
VALIDASI PROTOTIPE
MENGGUNAKAN WIND TUNNEL
SELESAI
MULAI
MENYUSUN LAPORAN
9
Sketsa Desain Sementara
Gambar 3.2. Sketsa Desain
Gambar 3.3 Spesifikasi Desain
BAB 4. BIAYA DAN JADWAL KEGIATAN
A. Biaya Kegiatan
Tabel 4.1 Biaya Kegiatan
No Jenis Pengeluaran Biaya (Rp)
1 Peralatan penunjang 1.370.000
10
B. Jadwal Kegiatan
Tabel 4.2 Jadwal kegiatan
No Nama Kegiatan Bulan ke
1 2 3 4 5
1 Studi Literatur
2 Membuat Permodelan 3D
3 Memasukkan Parameter
4 Solving
5 Menampilkan Hasil dan Validasi
6 Menarik Kesimpulan
7 Menyusun Laporan
DAFTAR PUSTAKA
Munson, Bruce R. , Donald F. Young. 2004. Fundamentals of Fluid Mechanics
4th
ed Vol. 1. Amesh, IOWA, USA : John Willey & Sons,Inc.
Munson, Bruce R. , Donald F. Young. 2006. Fundamentals of Fluid Mechanics
4th
ed Vol. 2. Amesh, IOWA, USA : John Willey & Sons,Inc.
2 Bahan habis pakai 8.650.000
3 Perjalanan : Pembelian alat dan
bahan
300.000
4 Administrasi dan dokumentasi 100.000
Jumlah 10.520.000
11
LAMPIRAN-LAMPIRAN
Lampiran 1
Biodata Ketua dan Anggota
Nama : Jordie Muhammad
NIM : I0410022
Fakultas/jurusan : Teknik/Teknik Mesin
Perguruan Tinggi : Universitas Sebelas maret
Tempat, tanggal lahir : Bali, 6 Desember 1992
Email : [email protected]
No.HP :085700031194
Anggota Kelompok
(Jordie Muhammad)
NIM I0410022
Anggota Pelaksana Kegiatan
Nama : Muhammad Andy Anzi
NIM : I0412035
Fakultas/Jurusan : Teknik/Teknik Mesin
Perguruan Tinggi : Universitas Sebelas Maret
Tempat, tanggal lahir : Pekalongan, 22 Oktober 1994
Email : [email protected]
No.HP : 085642854311
Ketua Kelompok
(Muhammad Andy Anzi)
NIM I0412035
12
Anggota Pelaksana Kegiatan
Nama : Tomy Arif Widodo
NIM : I0410032
Fakultas/jurusan : Teknik/Teknik Mesin
Perguruan Tinggi : Universtas Sebelas Maret
Tempat, tanggal lahir : Sragen, 31 Mei 1991
Email : [email protected]
No.HP : 085642192526
Anggota Kelompok
(Tomy Arif Widodo)
NIM I0410032
13
Biodata dosen pembimbing
Surakarta, 25 September 2014 ....
Dr. Budi Santosa, S.T., M.T.
NIDN. 0005117001
14
Lampiran 2
Justifikasi Anggaran Kegiatan
Tabel Lampiran.1 Justifikasi Anggaran Kegiatan
Hal Jenis Jumlah
Harga
satuan
(Rp)
Total
harga
(Rp)
Bahan habis
pakai
Printing Desain 50 5000 250000
Biaya Laboratorium dan
Pengujian 5 500000 2500000
Gypsum Untuk Cetakan 2 100000 200000
Resin 30 50000 1500000
Serat 10 200000 2000000
Komponen permodelan 2 700000 1400000
Cat 1 800000 800000
Katalis 5 20000 100000
Peralatan
penunjang
Meteran 1 50000 50000
Gunting 1 20000 20000
Kompresor 1 900000 900000
Kabel Rol 2 200000 400000
Transportasi,
Dokumentasi
dan
Adminstrasi
Transport pembelian alat dan
bahan 300000 300000
Dokumentasi dan Administrasi 100000 100000
Total 10520000
15
Lampiran 3
Susunan Organisasi Tim Pelaksana dan Pembagian Tugas
Gambar. 5 Susunan Organisasi Tim Pelaksana dan Pembagian Tugas
Ketua Pelaksana dan
Administrasi
Jordie Muhammad
Desainer dan Validating
Tomy Arif Widodo
Drafter
Muhammad Andy Anzi
16
Lampiran 4
Surat Penyataan Ketua Pelaksana
KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
Jalan Ir. Sutami 36 A Kentingan Surakarta 57126
Telp. : 646994 636895, Fax. 646655
Website UNS : http//www.uns.ac.id
SURAT PERNYATAAN KETUA PENELITI/PELAKSANA
Yang bertanda tangan di bawah ini:
Nama : Jordie Muhammad
NIM : I0410022
Jurusan : Teknik Mesin
Fakultas : Teknik
Dengan ini menyatakan bahwa usulan PKM Karsa Cipta saya dengan judul
“SIMULASI NUMERIK KARAKTERISTIK ALIRAN FLUIDA PADA
PERMUKAAN PROTOTIPE ARTICHULATED BUS TRANSJAKARTA
DENGAN VALIDASI MENGGUNAKAN WIND TUNNEL” yang diusulkan
untuk tahun anggaran 2014/ 2015 bersifat original dan belum pernah dibiayai
oleh lembaga atau sumber dana lain. Bilamana di kemudian hari ditemukan
ketidaksesuaian dengan pernyataan ini, maka saya bersedia dituntut dan diproses
sesuai dengan ketentuan yang berlaku dan mengembalikan seluruh biaya
penelitian yang sudah diterima ke kas negara.
Demikian pernyataan ini dibuat dengan sesungguhnya dan dengan
sebenar-benarnya.
Surakarta, 25 September 2014
Mengetahui, Yang menyatakan,
Pembantu Rektor/Ketua
Bidang kemahasiswaan,
( Drs. H. Dwi Tiyanto, SU ) (Jordie Muhammad)
NIP. 19540414 1980 03 1007 NIM. I0410022