Ditulis oleh:
Zakaa Aidan Ahmad
2306225041
Pendahuluan
Desain aerodinamis pada kereta api berperan penting dalam mengurangi hambatan udara, terutama di bagian roda (wheelset), yang sering diabaikan. Hal tersebut menjadi point of interest penulis, sebagai mahasiswa sarjana Teknik Mesin, untuk mendalami lebih lanjut tentang fenomena tersebut. Maka dari itu, dilaksanakanlah proses studi yang bertujuan untuk menganalisis karakteristik aliran udara di sekitar roda kereta menggunakan simulasi numerik berbasis Computational Fluid Dynamics (CFD) melalui perangkat lunak Siemens Star CCM+, berdasarkan kerangka berpikir DAI5 (deep awareness of I, intention, initial thinking, idealization and instruction set)
Rumusan Masalah
Berikut merupakan topik dasar yang akan diulas dalam makalah ini:
- Bagaimana karakteristik aliran udara (tekanan dan medan kecepatan) di sekitar roda kereta api pada kecepatan 120 km/jam?
- Berapakah gaya dan koefisien hambatan udara, dan distribusi tekanan yang terbentuk sekitar roda?
- Metode analisis seperti apa yang efektif untuk memodelkan aliran fluida roda kereta api dalam Siemens Star CCM+?
Bab I: Deep Awareness of I
Penulis menyadari keterbatasan diri sendiri sebagai manusia, serta keagungan Tuhan Yang Maha Esa. Dengan kerendahan hati, penulis menyerahkan proses ilmiah ini kepada-Nya, berdoa agar hasilnya bermanfaat dan sesuai kaidah ilmiah yang berlaku, karena sebaik-baiknya manusia ialah yang bermanfaat bagi orang lain
Bab II: Intention
Penulis memiliki niat yang kuat dan jelas untuk melakukan simulasi dan analisis aliran fluida di sekitar roda kereta api pada kecepatan tinggi, menggunakan perangkat lunak Siemens Star CCM+. Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan gambaran nyata tentang pola aliran, distribusi tekanan, serta besarnya gaya hambat yang dihasilkan dari interaksi antara udara dan permukaan roda. Dengan ini, penulis berharap hasil dari penelitian ini dapat memberikan kontribusi nyata terhadap desain sistem transportasi rel yang lebih efisien dan stabil, khususnya pada aspek aerodinamika roda dan suspensinya.
Bab III: Initial Thinking
Objek penelitian adalah roda kereta api atau wheelset pada bogie, yang digerakkan pada kecepatan linear 120 km/jam, persis seperti kecepatan maksimum kereta api penumpang di Indonesia. Spesifikasi wheelset tersebut ialah sebagai berikut:
- Lebar total: 1750 mm
- Lebar gauge: 1067 mm
- Jarak antar roda: 1035 mm
- Diameter total roda: 976 mm
- Diameter efektif roda: 920 mm
- Diameter dalam roda: 840 mm
- Diameter poros: 173 mm
Bab IV: Idealization
Dalam rangka menyederhanakan dan merumuskan persoalan secara ilmiah, penulis menggunakan pendekatan teoretis berbasis mekanika fluida klasik dan modern. Persamaan Navier–Stokes digunakan sebagai landasan untuk mendeskripsikan pergerakan fluida viskos inkompresibel dalam ruang tiga dimensi sebagai berikut:
Selain itu, terdapat juga konsep Bernoulli dimanfaatkan untuk memahami perubahan tekanan dan kecepatan pada lintasan partikel fluida. Konsep tersebut dapat diekspresikan secara matematis sebagai berikut:
Sehingga, berdasarkan kedua persamaan tersebut, dapat diketahui gaya hambatan fluida yang bekerja pada benda uji dengan persamaan berikut:
Sementara itu, untuk perangkat Siemens Star CCM+ yang digunakan untuk mensimulasikan roda kereta api dalam aliran fluida, bekerja menggunakan beberapa jenis algoritma. Prinsip-prinsip kerja tersebut antara lain sebagai berikut:
- Metode volume hingga (FVM), untuk menyelesaikan persamaan konservasi massa dan momentum linear
- Turbulence modeling, untuk merepresentasikan efek turbulen pada aliran
- Post processing tools untuk memvisualisasikan vektor aliran, distribusi tekanan, dan nilai gaya hambatan pada fluida
Bab V: Instruction Set
Berikut merupakan langkah-langkah dan prosedur yang telah penulis lakukan dalam menganalisis aliran fluida sekitar roda kereta api pada kecepatan operasi 120 km/jam:
- Mengimpor model wheelset dari Autodesk Inventor dengan format STL
- Membuat geometry block pada domain fluida dengan dimensi sebagai berikut:
- Membuat geometry scence dan posisikan wheelset di tengah
- Tentukan velocity inlet (kecepatan 120 km/jam), pressure outlet dan wall (kecepatan nol relatif terhadap benda uji)
- Melakukan operasi subtract geometry wheelset dari domain
- Membuat scene baru untuk domain fluida
- Mengaplikasikan automated mesh pada body subtract
- Mengatur mesh refinement pada permukaan wheelset dan boundary layer
- Memilih model fluida
- Menentukan kondisi permukaan: tidak terjadi slip dan koefisien gesekan sesuai jenis material
- Menjalankan proses simulasi hingga residual konvergen (~80 iterasi).
- Menganalisis hasil simulasi setelah proses iterasi numerik telah selesai
Analisis Hasil
Berdasarkan hasil simulasi pada kontur dan streamlined body, didapatkan data-data sebagai berikut:
- Di depan roda muncul flow separation dan terowongan percepatan (warna merah), sedangkan belakang roda terdapat wake turbulence (warna biru) menandakan tekanan negatif
- Grafik gaya hambatan udara stabil di sekitar 0 N setelah ~30 iterasi, menunjukkan konvergensi; nilai koefisien drag sekitar 0,45
- Residual momentum & turbulensi menurun dari 0,1 ke 0,01–0,001, menandakan akurasi solver
Kesimpulan
- Siemens Star CCM+ mampu memprediksi distribusi tekanan dan velocity field di wheelset kereta pada kecepatan 120 km/jam
- Terjadi tekanan dinamis tinggi di bagian depan roda, dan wake turbulen di belakangnya, mengindikasikan gaya hambatan dan potensi timbulnya getaran
- Koefisien drag stabil sekitar 0,45, menunjukkan hambatan udara signifikan, tetapi data tetap valid setelah 30–40 iterasi
- Metode DAI5 terbukti efektif sebagai kerangka ilmiah, mulai dari kesadaran filosofis, niat jelas, pemahaman awal, idealisasi persamaan, hingga implementasi instruksi
