Assalamualaikum warahmatullahi wabarakatuh, Salam sejahtera bagi kita semua, Om Swastiastu, Namo Buddhaya, dan Salam Kebajikan. Selamat datang di essay saya Prof Dai serta teman teman sekalian. Pada esai kali ini, saya, Ganda Sibarani dengan NPM 2306229203, ingin menjeaskan kembali tentang peran metode numerik dalam computatational fluid dynamics (CFD) menggunakan software Ansys.
Sebelum masuk ke pembahasan, alangkah baiknya bila kita mengucap syukur terlebih dahulu pada Tuhan Yang Maha Esa atas berkatnya sehingga kita masih bisa belajar dan terus menimba ilmu.
Selain daripada itu, saya juga ingin mengucapkan rasa terima kasih saya pada Prof Dai atas bimbingannya. Begitu pula dengan teman-teman sekalian yang telah membantu saya dalam mengerti pentingnya metode numerik dalam bidang teknik mesin.
Pada perancangan esai ini, saya menggunakan framework DAI5 untuk mengatur langkah-langkah pemikiran saya agar sesuai dengan tujuan pembelajaran saya.
PEMAHAMANA DENGAN DAI5
1. Deep Awareness of I
Dengan menyadari bahwa semua fluida yang bergerak di dunia ini adalah atas kehendak yang Mahakuasa, kita membuat tujuan kita mengerti apa itu fluid dynamics. Tujuan ini didasari dari keinginan kita untuk memanfaatkan sebaik mungkin apa yang telah Allah ciptakan untuk kita manusia. Simulasi dari pergerakan fluida ini begitu kompleks sehingga kita butuh suatu cara untuk menghitung dengan tepat dan cepat. Metode numerik adalah salah satu solusi yang sangat pas dalam hal ini. Meski begitu, kita harus tetap mengingat bahwa metode numerik hanya dapat menyajikan solusi yang mendekati, tidak sepenuhnya eksak.
2. Intention
Tujuan saya adalah memahami peran metode numerik pada aplikasi ansys. Dengan begitu, niat saya adalah memahami konsep finite element method yang digunakan untuk analisis.
3. Initial Thinking
Pada tahap ini, saya mengetahui bahwa objek analisis yang digunakan adalah objek UAV Firefighting yang begitu kompleks. Dari situ saya menganalisis, finite element method adalah metode yang digunakan untuk menyelesaikan persamaan diferensial matematika yang terlalu kompleks dalam bidang keteknikan. Konsep ini didasari dengan membagi atau memecah sistem kompleks yang besar menjadi lebih kecil dan lebih sederhana.
4. Idealization
Semakin banyak mesh yang digunakan maka hasil akan semakin menuju solusi eksaknya. Sepatutnya kita membuat mesh tersebut sebanyak mungkin hingga mencapai tak hingga. Akan tetapi hal ini tidak mungkin dikarenakan keterbatasan hardware. Oleh karena itu, kita mengambil nilai yang ideal saja. Hal ini tentu akan menimbulkan toleransi kesalahan. Toleransi kesalahan bisa terus diminimalisir untuk mendapat solusi seakurat yang diinginkan.
5. Instruction Set
ABSTRAK
Kebakaran di kawasan urban, khususnya pada gedung bertingkat, memerlukan solusi intervensi yang cepat, presisi, dan aman. Studi ini mengusulkan rancangan dan analisis performa UAV (Unmanned Aerial Vehicle) fixed-wing tipe kamikaze yang dirancang sebagai solusi cepat tanggap dari pemadam kebakaran, mengingat respon dari unit pemadam yang cenderung lambat akibat perjalanan yang jauh dan kondisi lalu lintas yang tidak menentu. UAV ini dirancang khusus untuk mengantarkan muatan pemadam api seperti powder ABC atau CO2 langsung ke titik api pada ketinggian tertentu. UAV ini merupakan unit sekali pakai (disposable) yang didesain dengan kecepatan tinggi, fitur navigasi otomatis, struktur tahan panas, serta sayap yang dapat dilipat. Berdasarkan hasil desain, UAV memiliki jangkauan 4 km, kecepatan maksimum 35 m/s, endurance 10โ15 menit, rate of climb 3,7 m/s, serta service ceiling mencapai 400 meter. Desain aerodinamika menggunakan airfoil NACA 4412 dan konfigurasi sayap trapezoidal untuk efisiensi angkat dan minimisasi drag. Dengan konsep peluncuran vertikal dari atas gedung, UAV ini diharapkan dapat mempercepat respon awal terhadap kebakaran di gedung tinggi dan meminimalkan risiko terhadap personel pemadam kebakaran. Untuk misi pada gedung bertingkat, UAV akan menabrakkan diri ke lokasi kebakaran (misi kamikaze), sementara untuk kebakaran pada rumah-rumah rendah, UAV hanya akan menjatuhkan tabung CO2 atau powder ABC dari ketinggian yang aman.
PENDAHULUAN
Kebakaran di gedung bertingkat menghadirkan tantangan yang kompleks, antara lain:
- Akses terbatas ke gedung tinggi โ Dalam kondisi darurat, akses menuju lantai atas sangat sulit dilakukan, terlebih ketika lift dimatikan dan tangga darurat terhalang asap atau kerusakan struktur.
- Respon yang lambat dari pemadam kebakaran โ Meskipun terdapat pos pemadam kebakaran di berbagai titik kota, waktu tempuh menuju lokasi kebakaran seringkali terhambat oleh kemacetan lalu lintas atau jarak tempuh yang tidak dekat.
- Risiko keselamatan petugas โ Petugas pemadam sering kali menghadapi bahaya seperti ledakan, runtuhan struktur, dan paparan suhu ekstrim selama proses pemadaman.
- Equipment umum yang tidak efektif dalam hal kepresisian โ Peralatan seperti smoke bomb atau tabung CO2 memiliki efektivitas rendah dalam hal penargetan presisi ke titik api, terutama di lantai atas gedung tinggi.
Jakarta sebagai ibu kota dengan kepadatan tinggi memiliki total 119 pos pemadam kebakaran, dengan rata-rata jarak antar pos di Jakarta Pusat sekitar 3,91 km. UAV dengan kemampuan kamikaze menawarkan solusi cepat dan presisi untuk menangani kebakaran sejak dini.
Gambar 1. Peta Sebaran Pos DAMKAR di Jakarta Pusat
Selain itu, intervensi manual dari petugas pemadam kebakaran kerap menghadapi risiko tinggi akibat potensi ledakan atau runtuhan struktur bangunan. Oleh karena itu, solusi UAV otonom yang mampu mencapai titik kebakaran secara langsung sangat dibutuhkan. Inovasi ini juga sejalan dengan perkembangan teknologi smart city dan emergency response berbasis drone.
TUJUAN DAN KARAKTERISTIK DESAIN
UAV dikembangkan dengan tujuan utama untuk:
- Menjangkau gedung tinggi dengan cepat (cruise speed 20โ30 m/s)
- Mengantarkan muatan pemadam secara presisi dan menghantam target (kaca tempered, dll.)
- Memiliki struktur tahan terhadap panas dan tabrakan
- Dapat diluncurkan dari atas gedung dengan ruang terbatas
- Menurunkan waktu respon kebakaran dan meningkatkan keselamatan petugas
Fitur desain mencerminkan kombinasi antara aerodinamika optimal dan keandalan struktural. UAV dilengkapi dengan folding wing untuk kemudahan peluncuran dari rooftop sempit, pusher configuration untuk memaksimalkan ruang fuselage, serta hard nose cone untuk memastikan penetrasi kaca. Sayap menggunakan airfoil NACA 4412 yang terbukti memiliki performa Cl/Cd tinggi, dengan konfigurasi trapezoidal untuk kestabilan dan efisiensi.
METODOLOGI DESAIN
1. Kebutuhan Misi
Tahapan ini melibatkan analisis terhadap kebutuhan operasional UAV untuk misi penanggulangan kebakaran:
- Profil Wilayah: Didasarkan pada data persebaran pos DAMKAR di Jakarta dan luasan area operasional sekitar 4 km.
- Jenis Misi:
- Misi Kamikaze untuk kebakaran di gedung bertingkat, dengan UAV melakukan penetrasi langsung ke titik api.
- Payload Drop untuk kebakaran di rumah tinggal atau bangunan rendah, di mana UAV melepaskan tabung CO2 atau powder ABC dari ketinggian yang aman.
- Kondisi Target: Gedung bertingkat dengan kaca tempered, membutuhkan kecepatan tinggi dan struktur nose yang kuat.
- Peluncuran: Menggunakan launcher dari rooftop pos pemadam kebakaran.
- Keamanan & Navigasi: UAV harus mampu menghindari rintangan serta memiliki sistem navigasi dan deteksi objek
Gambar 2. Diagram Profil Misi UAV Firefighting: Take-off hingga Impact
2. Perhitungan Awal Performa
- Range dan Endurance:
Range ditentukan sejauh 4 km dengan endurance minimal 10 menit.
Rumus estimasi waktu terbang: Endurance = 2 RangeCruise Velocity = 2 400030 = 267 seconds
- Service ceiling ditetapkan > 400 m, mengacu pada Autograph Tower (gedung tertinggi di Indonesia setinggi 383 m), sehingga UAV dapat menjangkau seluruh lantai bangunan dalam skenario terburuk.
Gambar 3. Skema Service Ceiling untuk Gedung Tinggi di Jakarta
- Take-off distance diminimalkan dengan launcher incline yang dapat dipasang di rooftop pos DAMKAR ataupun dipasang pada salah gedung tinggi yang ada di Jakarta.
HASIL DESAIN DAN ANALISIS PERFORMA
1. Parameter Aerodinamika
- Airfoil: NACA 4412 (Cl_max = 1,145 ฮฑ 12 derajat AoA). Dipilih karena memiliki karakteristik lift tinggi pada AoA rendah.
Gambar 4. PArameter Aerodinamika Airfoil NACA 4412
Sayap trapezoidal dipilih karena mampu mengoptimalkan distribusi gaya angkat sepanjang bentang sayap, serta menghasilkan efisiensi aerodinamika yang baik tanpa mengorbankan kendali lateral. Dengan taper ratio sebesar 0,6923 dan aspect ratio 7,27, konfigurasi ini menjadi kompromi ideal antara kemampuan manuver dan efisiensi dalam cruise flight. Aspect ratio yang tinggi berkontribusi pada pengurangan induced drag, sementara bentuk trapezoidal memungkinkan penempatan struktural yang lebih kuat pada pangkal sayap dan perakitan mekanisme lipat (folding mechanism) pada ujung sayap. Hal ini juga mendukung kestabilan saat manuver tajam di fase akhir misi (terminal dive) serta efisiensi saat loiter atau terbang lurus menuju target.
- Koefisien lift-to-drag (L/D) dihitung sebesar 13.011 dengan Cl = 1.145 dan Cd = 0.088.
- Induced drag factor sebesar 0.035 berdasarkan analisis geometri sayap.
Gambar 5. Gambar Teknik UAV
2. Parameter Kinerja
Tabel 1. Ringkasan Parameter Kinerja UAV Kamikaze untuk Misi Kebakaran Urban
3. Estimasi Berat
Estimasi berat dilakukan berdasarkan dekomposisi komponen:
- Payload : 2,5โ3,5 kg (CO2 tabung dan sistem trigger)
- Empty weight : 3,8โ4 kg
- Fuel/battery : estimasi berdasarkan kebutuhan daya motor dan endurance target
Total(Wo) : 9,75 โ 10 kg
Tabel 2. Estimasi Berat UAV Berdasarkan Komponen Utama
4. Komponen Pendukung dan CG
Komponen utama meliputi motor brushless DC 520KV, propeller 14×7, serta sistem pelontar dan kendali. Center of gravity (CG) berada pada 0,63 m dari titik referensi berdasarkan pembobotan massa komponen.
Gambar 6. Perhitungan Distribusi Massa dan Lokasi Center of Gravity UAV
Gambar 7. Komponen Pendukung UAV
5. Model CAD dan Inovasi Desain
Model CAD menunjukkan konfigurasi modular dengan fitur-fitur seperti:
- Wing folding system yang dapat dikunci
- Nose cone berbahan aluminium dan alumina untuk penetrasi
- Konfigurasi pusher propeller
- Tail berbentuk V untuk stabilitas lateral
- Fitur GPS, sounder, serta sistem deteksi objek
Gambar 8. Tampilan UAV Ketika Wing Dilipat
Gambar CAD juga menunjukkan angle of incidence sebesar 5ยฐ pada wing root, yang menghasilkan efisiensi Cl/Cd maksimum tanpa meningkatkan drag secara signifikan.
[
Gambar 9. Tampilan CAD UAV dari Samping dan Atas dengan Indikasi Sudut Incidence
6. Hasil Simulasi CFD
Finite Element Analysis memiliki peran penting dalam analisis kali ini. FEA merupakan salah satu metode numerik untuk memodelkan aliran fluida, panas dan fenomena transportasi dengan membagi sistem yang kompleks menjadi elemen-elemen kecil. Metode ini bisa digunakan untuk mengkalkulasi distribusi kecepatan, tekanan, suhu, atau konsentrasi fluida (meski tidak secara eksak tetapi cukup mendekati).
Pada siemens, elemen elemen ini dapat dilihat ketika kita sudah membuat mesh pada objek. Titik sambungan pada tiap elemen disebut node. Elemen inilah yang nanti diberikan persamaan matematis berdasarkan apa yang dianalisis. FEA memperkirakan solusi dari persamaan dengan fungsi bentuk untuk menghitung kecepatan di node.
Pada percobaan kali ini, saya menganalisis aerodinamika maka persamaan yang digunakan adalah Navier-Stokes. Persamaan Navier-Stokes terdiri dari konservasi massa, konservasi momentum, serta konservasi energi. Persamaan konservasi energi diperlukan jika ada transfer panas.
Pada surface yang telah dibuat, kita bisa menentukan nilai kecepatan fluida masuk, tekanan keluar, atau dinding tanpa slip. Nilai-nilai ini akan dimasukkan ke dalam persamaan dan menghasilkan visualisasi pemodelan pada gambar seperti berikut.
Parameter dalam pengujian CFD
- Angle of attack = 0ยฐ
- Angle of Incidence = 5ยฐ
- Vmax = airspeed = 35 m/s
- Outlet Pressure = 0Pa (asumsi)
- Massa jenis udara = 1.23 kg/m^3
- Meshing paarameter standar ansys
Gambar 10. Angle of Incidence (5derajat)
Gambar 11. Meshing
Gambar 12. Simulasi dengan ANSYS
7. Estimasi Biaya dan Keandalan
| Komponen | Estimasi Biaya |
| Unit UAV | IDR 68,8 โ 144 juta |
| Pengembangan Penuh | IDR 720 juta โ 1,68 M |
Tabel 3. Estimasi Biaya Pengembangan dan Produksi UAV Kamikaze
Biaya mencakup fabrikasi awal, uji terbang, serta pengembangan sistem kontrol. Keandalan ditingkatkan melalui material tahan api dan modularitas yang mempermudah perawatan. Sistem sensor untuk navigasi dan penghindaran rintangan memberikan keunggulan tambahan dalam lingkungan kompleks perkotaan.
KESIMPULAN
Studi ini berhasil merancang UAV fixed-wing tipe kamikaze sebagai alternatif teknologi pemadam kebakaran untuk wilayah urban. Berdasarkan parameter performa, UAV ini mampu menjalankan misi dengan efektivitas tinggi dan waktu respon cepat. Inovasi pada struktur sayap lipat, desain nose penetratif, dan sistem kendali otomatis memungkinkan intervensi kebakaran dilakukan lebih cepat, presisi, dan aman. Selanjutnya, pengembangan dapat diarahkan ke uji terbang nyata dan integrasi AI-based target tracking untuk meningkatkan akurasi misi
REFERENSI
[1] Amelia, S., & Taryat. (2017). Analisis sebaran lokasi pos pemadam kebakaran di Kota Administrasi Jakarta Pusat. Jurnal Teknik PWK, Universitas Krisnadwipayana. Retrieved from https://journal.teknikunkris.ac.id/index.php/pwk
[2] Anderson, J. D. (1999). Aircraft performance and design. Tata McGraw-Hill Education.
[3] Demirel, A. R., & Yavuz, M. M. (2024). Modeling and analysis of kamikaze UAV design with 3 different wing configurations. Journal of Mathematical Sciences and Modelling. https://doi.org/10.33187/jmsm.1505481
[4] Saraรงyakupoฤlu, T., Delibaล, H. D., & รzรงelik, A. D. (2022). An experimental determination and numerical analysis of a loiter munition unmanned aerial vehicle system. International Journal of 3D Printing Technologies and Digital Industry, 6(1), 83โ101. https://doi.org/10.46519/ij3dptdi.1083686
[5] Silkov, V., & Zirka, A. (2014). Calculation of the characteristics of a UAV launch from a ramp. Aviation, 18(4), 178โ184. https://doi.org/10.3846/16487788.2014.985476
[6] Vieri, C., Adamiri, S. A., & Hirzi, T. Z. (2023). Analisis peta sebaran spasial pemadam kebakaran (DAMKAR) Kota Jakarta Pusat. Jurnal Sains Geografi, 1(1).[7] Zountouridou, E., Kiokes, G., Dimeas, A., Prousalidis, J., & Hatziargyriou, N. (2023). A guide to unmanned aerial vehicles performance analysisโthe MQโ9 unmanned air vehicle case study. The Journal of Engineering, 2023, e12270. https://doi.org/10.1049/tje2.12270
