Assalamu’alaykum Wr. Wb. Selamat Pagi, Siang, Sore, dan Malam Prof. Dai dan teman-teman semua. Pada kesempatan kali ini, saya akan membahas mengenai analisis aerodinamika pada mobil Formula 1 menggunakan CFD dengan bantuan software Solidworks.
Introduction
Siapa yang tidak tahu mengenai ajang balap mobil Formula 1. Formula 1 atau yang biasa kita kenal sebagai F1 adalah salah satu bukti nyata dari berkembangnya teknologi dalam dunia otomotif terutama pada mobil balap dimana yang paling mutakhir hingga saat ini. Bagaimana tidak, teknologi yang digunakan pada mobil Formula 1 mampu menghasilkan downforce yang sangat besar dan juga menjadikan mobil F1 dapat menikung dalam kecepatan tinggi yang hal ini adalah mustahil jika dilakukan oleh mobil-mobil pada umumnya. Selain itu, mesin yang digunakan pun juga tidak sembarangan, menggunakan mesin hibrida turbocharged V6 1,6 liter. Mesin ini menggabungkan mesin pembakaran internal dengan sistem hibrida canggih, termasuk motor listrik dan sistem pemulihan energi. Artinya, mobil F1 saat ini adalah satu-satunya mesin mobil yang paling efisien dari segi pembakarannya sehingga mampu menghasilkan sebuah “jet darat” dengan HP (Horse Power) yang besar.
Di sini kita tidak membahas lebih detail mengenai teknologi yang digunakan pada mobil F1. Akan tetapi, kita akan meninjau bagaimana pengaruh CFD dapat memengaruhi performa aerodinamika dari mobil F1. Hal ini tentu sangat penting dalam memahami performa aerodinamis mobil dan bagaimana perilakunya di lintasan. Dengan menggunakan CFD, para engineer dapat menguji dan menyempurnakan desain mereka tanpa perlu melakukan wind tunnel testing yang mahal sehingga dapat menghemat waktu dan biaya.
DAI 5 Framework
Deep Awareness of I
Sebagai seorang Mechanical Engineer, kita tidak asing dengan istilah fluida dan aerodinamika. Dua hal ini selalu saling berkaitan satu dengan yang lain. Saya sendiri sebagai pecinta Formula 1 menjadi suatu daya tarik tersendiri terhadap F1 bukan hanya pada kecepatan luar biasa yang dicapai di lintasan, tetapi juga pada kompleksitas rekayasa yang tersembunyi di balik setiap elemen desainnya. Salah satu aspek paling krusial dalam performa mobil F1 adalah aerodinamika, di mana setiap lekuk dan sudut bodi kendaraan dirancang secara presisi untuk memanipulasi aliran udara demi menghasilkan gaya tekan ke bawah (downforce) yang besar tanpa menambah gaya hambat (drag) secara signifikan.
Dalam konteks inilah saya menyadari bahwa Computational Fluid Dynamics (CFD) bukan hanya sekadar alat bantu simulasi, tetapi telah menjadi alat utama dalam proses desain dan inovasi teknis di dunia balap modern. Tim Formula 1 tidak lagi hanya mengandalkan uji coba di terowongan angin, tetapi menggunakan CFD untuk menyimulasikan puluhan bahkan ratusan variasi desain dalam waktu yang jauh lebih cepat dan efisien. CFD memungkinkan mereka mengevaluasi perubahan kecil pada bentuk sayap, diffuser, atau saluran udara, dan mengukur dampaknya terhadap performa aerodinamis secara detail.
Intention
Tujuan utama dari simulasi ini adalah untuk memahami dan menjelaskan bagaimana Computational Fluid Dynamics (CFD) berperan penting dalam menganalisis dan mengoptimalkan aerodinamika mobil Formula 1, serta mengapa pendekatan ini menjadi keharusan dalam rekayasa kendaraan modern.
Dalam dunia balap Formula 1 yang sangat kompetitif, di mana selisih waktu sepersepuluh detik saja dapat menentukan kemenangan atau kekalahan, desain aerodinamika menjadi kunci utama. Mobil F1 harus mampu menghasilkan downforce sebesar mungkin untuk menjaga grip dan kestabilan saat melaju di tikungan tajam, sekaligus meminimalkan drag agar tidak mengurangi kecepatan di lintasan lurus. Permasalahan ini sangat kompleks karena aliran udara yang terjadi bersifat tiga dimensi, tidak stasioner, dan sangat bergantung pada kondisi dinamis mobil.
Initial Thinking
Sebelum melakukan simulasi, saya memulai dengan pertanyaan mendasar : Apa saja fenomena fisika yang terjadi ketika udara mengalir di sekitar mobil Formula 1, dan bagaimana kita dapat memodelkannya secara numerik melalui CFD? Untuk menjawab pertanyaan ini, saya mengacu pada prinsip-prinsip dasar mekanika fluida dan termodinamika, yang menjadi fondasi dari setiap simulasi CFD.
Dalam konteks aerodinamika mobil F1, beberapa persamaan fisika utama yang sangat berperan antara lain :
1.) Persamaan Kontinuitas
Persamaan ini menyatakan kekekalan massa dalam sistem fluida. Dalam bentuk umum untuk aliran inkompresibel :
di mana u adalah kecepatan fluida.
2.) Persamaan Navier-Stokes
Merupakan inti dari CFD, persamaan ini menggambarkan hukum kekekalan momentum fluida :
adapun persamaan kontinuitas dan persamaan Navier-Stokes pada koordinat kartesian :
3.) Model Turbulensi (misalnya k-ε atau k-ω SST)
Karena aliran di sekitar mobil F1 sebagian besar bersifat turbulen, maka perlu pendekatan tambahan untuk memodelkan efek fluktuasi kecil pada aliran. Salah satu model yang sering digunakan dalam simulasi CFD untuk mobil balap adalah k-ε atau k-ω SST, yang menyederhanakan perilaku turbulensi menjadi dua persamaan tambahan :
- Kinetik energi turbulen k
- Laju disipasi turbulen ε atau ω
4.) Persamaan Drag dan Lift (Downforce)
Setelah aliran disimulasikan, data CFD digunakan untuk menghitung gaya-gaya aerodinamis :
Persamaan Lift :
Persamaan Drag :
Idealization
Dalam simulasi ini, saya menggunakan model 3D dari bodi mobil F1 yang yang sudah saya buat menggunakan software Solidworks. Simulasi dilakukan menggunakan perangkat lunak CFD seperti Ansys Fluent atau OpenFOAM, dengan asumsi aliran steady, incompressible, dan menggunakan turbulensi model k-epsilon. Domain simulasi mencakup aliran udara dengan kecepatan konstan 200 km/jam. Hasil analisis berfokus pada distribusi tekanan, vektor kecepatan aliran, dan koefisien drag serta downforce
Berikut adalah lampiran dari bentuk mobil F1 nya.
Instruction Set
Pada tahap ini, saya menyusun langkah-langkah konkret dalam melakukan simulasi aerodinamika pada mobil Formula 1 menggunakan perangkat lunak SolidWorks Flow Simulation.
1.) Persiapan Geometri Mobil Formula 1 : bentuk mobil Formula 1 saya yang gunakan tidak 100% merepresentasikan bentuk aktualnya sehingga masih terdapat kesalahan dalam melakukan desainnya. Akan tetapi, bentuk ini sudah mencukupi dalam memahami data secara garis besar pengaruhnya terhadap performa mobil Formula 1.
2.) Membuat Domain Aliran (Flow Domain) : Di sini saya menggunakan tipe analisis External Flows karena udara mengalir di permukaan mobil. Kemudian aliran udara ini akan diperbesar 5 kali dimensi mobil ke segala arah agar mepresentasikan kondisi aktualnya pada saat mobil berjalan di lintasan.
3.) Penetapan Kondisi Batas (Boundary Conditions) : Di sini saya menentukan parameter inlet dan outlet di mana untuk Inlet Velocity sebesar 72 m/s (sekitar 260 km/jam) yang di aman kecepatan ini, seperti saat mobil F1 berada di lintasan. Untuk Outlet Pressure saya biarkan secara defaultnya (0 Pa gauge pressure) sebagai atmosfer. Kemudian permukaan mobil diset sebagai “wall condition” dengan opsi no-slip.
4.) Setup Parameter Fisik dan Model Turbulensi : Selanjutnya saya akan memilih jenis fluidanya adalah Air (Udara) sebagai ideal gas. Untuk model turbulensinya saya akan menggunakan k-epsilon sebagai default untuk aliran eksternal.
5.) Post-Processing Hasil : Pada bagian ini, data yang dihasilkan akan digunakan untuk menghitung nilai koefisien drag (Cd) dan downforce (Cl). Kemudian melakukan dokumentasi area yang menghasilkan turbulensi tinggi, vorteks besar, atau tekanan rendah ekstrem, sebagai bahan untuk iterasi desain selanjutnya.
SIMULATION CFD
Karena saya di sini menggunakan software Solidworks, saya akan menggunakan Solidworks Flow Simulation. Sebenarnya sama aja dengan software Siemens STAR-CCM+ karena keduanya sama-sama menyimulasikan bagaimana suatu fluida bekerja jika terkena suatu benda solid.
Adapun setup yang saya gunakan selama simulasi adalah sebagai berikut.
Setelah melakukan setup dan parameter di atas maka bisa kita langsung simulasikan, didapatkan hasilnya seperti berikut :
