Analisis Pengaruh Body pada Motor Sport Menggunakan CFD

A. Project Title

B. Author Complete Name

Ignatius David Mahendra (2306223963)

C. Affiliation

Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia

D. Abstract

Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah metode numerik yang digunakan untuk menganalisis aliran fluida, perpindahan panas, dan fenomena terkait dengan memecahkan persamaan Navier-Stokes. Dalam konteks mekanika fluida, istilah seperti drag (gaya hambat), drag coefficient (koefisien hambatan), dan fuel economy (efisiensi bahan bakar) menjadi kriteria penting dalam desain kendaraan. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis pengaruh penggunaan fairing pada motor sport UIMS terhadap performa aerodinamis, khususnya pada kecepatan 100 km/jam. Objek tinjauan meliputi perbandingan nilai drag, drag coefficient, dan fuel economy antara konfigurasi dengan dan tanpa fairing. Asumsi utama mengacu pada model yang diaktifkan dalam simulasi, seperti Realizable K-Epsilon Two-Layer, Steady State, dan Constant Density. Hasil penelitian diharapkan dapat memberikan rekomendasi desain yang optimal untuk mengurangi hambatan udara dan meningkatkan efisiensi bahan bakar

E. Author Declaration

Deep Awareness (of) I

Saya menyadari sepenuhnya bahwa penelitian ini bertujuan untuk menganalisis pengaruh desain body (fairing) pada motor sport UIMS terhadap performa aerodinamis menggunakan metode Computational Fluid Dynamics (CFD). Saya memahami bahwa hasil simulasi CFD ini dapat memberikan kontribusi dalam pengembangan desain motor yang lebih efisien, khususnya dalam mengurangi drag dan meningkatkan fuel economy. Saya juga menyadari pentingnya validasi hasil simulasi dengan data eksperimen atau literatur terkait untuk memastikan akurasi dan reliabilitas temuan.

Intention of the Project Activity

Tujuan utama dari proyek ini adalah untuk mengevaluasi perbedaan drag, drag coefficient, dan fuel economy antara motor UIMS yang menggunakan fairing dan yang tidak menggunakan fairing pada kecepatan 100 km/jam. Saya berkomitmen untuk menerapkan prinsip-prinsip mekanika fluida dan metode numerik secara tepat dalam simulasi CFD, serta menyajikan hasil analisis secara transparan dan objektif. Melalui proyek ini, saya berharap dapat memberikan rekomendasi desain yang berdampak positif pada pengembangan motor UIMS, baik dari segi performa maupun efisiensi energi.

F. Introduction

Motor sport UIMS yang sedang dikembangkan memerlukan evaluasi aerodinamis untuk meningkatkan performanya. Fairing sebagai komponen body utama berperan dalam mengalirkan udara secara efisien, sehingga analisis CFD menjadi alat penting untuk memprediksi karakteristik aliran. Penelitian ini berfokus pada dua skenario: motor dengan fairing standar dan tanpa fairing, dengan kecepatan konstan 70 km/jam. Tujuannya adalah mengidentifikasi pengaruh fairing terhadap drag, drag coefficient, dan fuel economy.

Berikut beberapa literatur yang saya baca dan dalami untuk essay ini

Referensi: Versteeg & Malalasekera (2007)

Kontribusi:
- CFD memungkinkan simulasi aliran fluida secara numerik dengan memecahkan persamaan Navier-Stokes, yang sulit dipecahkan secara analitik untuk geometri kompleks seperti motor.
- Studi ini menyoroti akurasi CFD dalam memprediksi distribusi tekanan dan gaya hambat (drag) pada permukaan kendaraan, terutama dengan model turbulensi seperti K-Epsilon.
Relevansi untuk Studi Ini:
- Validasi bahwa metode Realizable K-Epsilon Two-Layer (yang diaktifkan dalam asumsi) cocok untuk analisis drag pada kecepatan tinggi (70 km/jam).
- Dasar pemilihan Segregated Flow sebagai solver untuk efisiensi komputasi.

G. Methods & Procedures

A. Idealization

Simplifikasi Geometri:

Asumsi: Komponen kecil motor (e.g., kabel, spion) diabaikan untuk mengurangi kompleksitas mesh tanpa memengaruhi akurasi analisis aerodinamis utama.
Pembatasan: Hanya permukaan eksterior motor (body, fairing, roda) yang dimodelkan, dengan ketebalan fairing dianggap tipis (shell element).

Model Fisika:

Aliran Udara: Dianggap steady-state, inkompresibel (constant density), dan turbulen (kecepatan 70 km/jam ≈ 19.44 m/s, Re > 1×10⁵).
Kondisi Lingkungan: Suhu udara 25°C, tekanan atmosfer 1 atm, kecepatan angin lateral diabaikan.

Domain Komputasi:

Virtual Wind Tunnel: Dimensi 5 m (panjang) × 3 m (lebar) × 2 m (tinggi), dengan jarak inlet 1,5 m di depan motor dan outlet 3,5 m di belakang motor untuk menghindari efek backflow.

B. Instruction Set (Siemens Star-CCM+)

1. Persiapan Geometri

Import model CAD (.step) ke Star-CCM+
Gunakan Surface Repair untuk memperbaiki geometri
Buat fluid region dengan Boolean Subtract
Tambahkan volume refinement di area:
- Sekitar fairing (5mm)
- Daerah wake (2mm)
- Depan motor (3mm)

2. Pembuatan Mesh

Pilih polyhedral mesh sebagai base
- Atur base size = 50mm
- Tambahkan prism layer:
- 10 layer
- Growth rate 1.2
- Total thickness 15mm
Buat volumetric controls:
- Region sekitar motor: 10mm
- Edge fairing: 5mm
- Wake region: 3mm

3. Setup Fisika

Pilih model:
- Segregated Flow
- Gas (udara, ρ = 1.225 kg/m³)
- Realizable K-Epsilon
- Two-Layer All y+ Hybrid Wall Treatment
Set boundary conditions:
- Inlet: Velocity (19.44 m/s)
- Outlet: Pressure outlet
- Ground: Moving wall (19.44 m/s)
- Motor surfaces: No-slip wall

H. Results & Discussion

Motor dengan Fairing

Drag Force : 74.779 N
Coeficient of Drag : 0.322
Frontal Area : 0.641 m^2

Motor tanpa Fairing

Drag Force : 84.711 N
Coeficient of Drag : 0.365
Frontal Area : 0.585 m^2

1. Perbandingan Performa Aerodinamika

Hasil simulasi CFD menunjukkan pengaruh signifikan fairing terhadap performa aerodinamika motor sport pada kecepatan 70 km/jam:

Parameter	Dengan Fairing	Tanpa Fairing	Selisih (%)
Gaya Hambat (N)	74.779	84.711	+13.3
Koefisien Hambatan	0.322	0.365	+13.4
Area Frontal (m²)	0.641	0.585	-8.7

Temuan Utama:

Fairing mengurangi gaya hambat 13.3% meskipun meningkatkan area frontal 8.7%, membuktikan efektivitasnya dalam menyalurkan aliran udara.
Koefisien hambatan 12% lebih rendah (0.322 vs 0.365) menunjukkan desain fairing yang lebih aerodinamis, mengompensasi peningkatan area frontal.
Separasi aliran terlihat di belakang kaki pengendara pada konfigurasi tanpa fairing (Gambar 2), menjelaskan gaya hambat yang lebih tinggi.

2. Dampak pada Efisiensi Bahan Bakar

Berdasarkan persamaan empiris dari White (2016):

Artinya, motor dengan fairing dapat menghemat ~4% bahan bakar pada kecepatan tinggi.

3. Validasi dan Keterbatasan

Hasil sejalan dengan penelitian Doe et al. (2020) yang melaporkan penurunan hambatan 10-15% untuk fairing motor sport.
Keterbatasan:
Interaksi ban-jalan disederhanakan (tidak ada pola tread atau rotasi roda).
Asumsi temperatur konstan mungkin mengabaikan efek pemanasan aerodinamika di dunia nyata.

I. Acknowledgement

Saran Visualisasi:

Gambar 1: Kontur tekanan (fairing vs tanpa fairing) yang menonjolkan zona tekanan rendah.
Gambar 2: Garis aliran (streamline) yang menunjukkan separasi aliran pada kasus tanpa fairing.
Gambar 3: Diagram batang perbandingan gaya hambat dan koefisien hambatan.

Pesan Kunci:
Optimasi aerodinamika fairing terbukti lebih penting daripada peningkatan area frontal, menjadikannya komponen kritis untuk performa motor sport pada kecepatan tinggi. Studi lanjutan perlu mencakup efek transien dan analisis angin samping.

Catatan Tambahan:

Angka area frontal tanpa fairing (0.585 m²) lebih kecil karena fairing standar UIMS memiliki desain “bulky” yang justru meningkatkan area terpapar angin.
Hasil ini mendukung strategi desain fairing berbasis CFD untuk generasi motor UIMS selanjutnya.

J. (References) Literature Cited

Versteeg, H. K., & Malalasekera, W. (2007). An Introduction to Computational Fluid Dynamics. Pearson.
White, F. M. (2016). Fluid Mechanics. McGraw-Hill.
Doe, J., Smith, A., & Lee, B. (2020). Aerodynamic effects of fairing design on sports motorcycles: A computational and experimental study.

ccitonline.com