Performa Aerodinamika

بِسْمِ اللهِ الرَّحْمَنِ الرَّحِيْمِ

Assalamu’alaikum Warahmatullahi Wabarakatuh

Izin memperkenalkan diri, saya Muhammad Ijlal Akbar dengan NPM : 2306231795 akan menuliskan pemahaman saya mengenai Analisis Aliran Fluida pada sebuah Vortex Generator. Pemahaman ini saya dapatkan melalui simulasi mandiri yang saya lakukan menggunakan CFD (Computational Fluid Dynamic) dengan bantuan software Siemens Simcenter STAR-CCM+. Pada laporan ini, pemahaman say akan disalurkan dengan pendekatan Framework DAI5.

DAI5 merupakan sebuah framework yang mengintegrasikan kesadaran diri yang mendalam, niat, dan pemikiran sistematis untuk memecahkan masalah. Framework ini menekankan pentingnya menyelaraskan ilmu pengetahuan dengan nilai-nilai keimanan, memandang bahwa solusi terbaik lahir dari kesadaran akan Sang Pencipta.

Sebelum memulai pemahaman serta simulasi CFD, sebagai mahasiswa teknik mesin saya harus menyadari bahwa simulasi CFD merupakan salah satu upaya umat manusia untuk mencoba memahami ciptaan Allah SWT. Aliran fluida merupakan topik yang sangat kompleks dimana fenomena ini bergerak berdasarkan prinsip seperti konservasi massa, konservasi momentum linear, dan konservasi energi. Maka dari itu, saya harus memahami teori ini agar setiap langkah selanjutnya dalam pemahaman saya mengenai CFD mempunyai dasar yang kuat.

Tujuan utama dalam proses pembelajaran ini adalah melihat langsung cara kerja votex generator dan apakah vortex generator akan menghasilkan vortex ketika berada didalam simulasi CFD, saya juga bertujuan untuk mengukur pengaruh vortex tersebut terhadap gaya hambat dengan mendapatkan data numerik yang akurat, selain itu dengan menulusuri topik ini saya dapat mempelajari cara menggunakan Siemen Simcenter STAR-CCM+ dan cara menggunakannya untuk simulasi lainnya.

A. Dasar Teori

Dasar teori untuk memahami aliran fluida terdapat pada persamaan Navier-Stokes yang terdiri dari beberapa bagian yang merepresentasikan konservasi massa, momentum linear, dan energi. Dalam bentuk umum, persamaan ini adalah sistem persamaan diferensial parsial non-linear.

1. Persamaan Kontinuitas (Konservasi Massa)

Dinyatakan bahwa”massa tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan dalah suatu reaksi kimia”. Untuk aliran inkompresibel, persamaan ini sering disederhanakan menjadi

Di mana:

• ρ adalah densitas fluida
• t adalah waktu
• u adalah vektor kecepatan fluida
• ∇⋅ adalah operator divergensi

Untuk Fluida inkompresible dimana ρ merupakan nilai konstan,

2. Persamaan Momentum (Konservasi Momentum)

Persamaan momentum menggambarkan bagaimana momentum fluida berubah akibat gaya-gaya yang bekerja padanya (gaya tekanan, gaya viskos, dan gaya tubuh). Bentuk umum persamaan ini berupa,

Di mana:

• ρ adalah densitas fluida
• u adalah vektor kecepatan fluida
• t adalah waktu
• p adalah tekanan statis
• τ adalah tensor tegangan geser (viskos)
• g adalah vektor percepatan gravitasi (gaya tubuh lainnya juga bisa dimasukkan di sini)
• (u⋅∇)u adalah istilah konvektif

Untuk fluida inkompresible dan newtonian fluid, persamaan momentum ini akan menjadi,

Di mana:

∇^2 adalah operator Laplacian.

3. Persamaan Energi (Konservasi Energi )

Persamaan energi menggambarkan bagaimana energi internal fluida berubah akibat konveksi, konduksi panas, kerja yang dilakukan oleh gaya tekanan dan viskositas, serta sumber panas eksternal. Bentuk umumnya berupa,

Di mana:

• E adalah energi total per unit massa (internal + kinetik)
• κ adalah konduktivitas termal
• T adalah suhu
• Φ adalah fungsi disipasi viskos (yang merepresentasikan energi yang diubah menjadi panas karena efek viskositas)

B. Penyelesaian metode numerik FEA dalam CFD

dikarenakan persamaan yang mengatur aliran fluida sangat kompleks, maka persamaan ini tidak bisa diselesaikan secara analitik, dan harus diselesaikan dengan metode numerik. Konsepnya adalah dengan memecah domain aliran yang besar menjadi jutaan elemen kecil (proses ini disebut meshing). Di dalam setiap elemen kecil ini, solusi dari persamaan diaproksimasi menggunakan fungsi interpolasi. sebagai contoh pada simulasi STAR-CCM+, dengan shape function, kita dapat menghitung nilai kecepatan dan tekanan di titik manapun di dalam elemen berdasarkan nilai-nilai di titik sudut elemen (nodes). Dengan menggabungkan solusi dari semua elemen ini, maka didapatkan solusi untuk keseluruhan domain aliran

sebelum memulai simulasi, terdapat beberapa asumsi yang perlu dibuat agar simulasi berjalan dengan lancar

• aliran fluida bergerak stabil dan tidak berubah terhadap waktu(steady state)
• Kecepatan inlet diatur 20 m/s dan fluida bersifat inkompressible
• dinding pada permukaan sayap dan vortex generator dianggap licin dan tidak terdapat hambatan pada permukannya

1. pertama kita perlu mengimport Model 3D dari vortex generator
2. lalu kita membuat domain di sekitar vortex generator agar lapisan di tepi dapat terlihat dengan baik
3. mengaktifkan model agar aliran fluida steady state, incompressible
4. mengatur agar bagian inlet pada domain mempunyai kecepatan 20m/s dengan tekanan atmosfer, dan kondisi no slip pada semua dinding padat
5. menjalankan simulasi hingga menghasilkan solusi yang konvergen. hal ini ditandai nilai residual yang kecil dan gaya hambat yang sudah tidak berubah

berikut hasil dari simulasi STAR-CCM+ untuk menunjukkan pola aliran fluida disekitar vortex generator

Gambar 1.

Gambar 2.

Gambar 3.

Dari gambar diatas, terdapat beberapa hal yang terjadi pada aliran fluida

• Vortex Generator berhasil menspiralkan aluran udara yang kemudian menciptakan vortex di bagian belakangnya. ini membuktikan dasar dari cara kerja vortex
• streamlines terlihat mengikuti contour permukaan setelah melewati vortex generator, artinya energi dari vortex berhasil menjaga aliran agar tidak lepas
• warna pada streamline menunjukkan kecepatan, dimana aliran hijau neon merupakan aliran bebas dan aliran biru cyan merupakan aliran yang lebih lambat di dekat permukaan. terdapat juga aliran tekanan tinggi di depan vortex generator dan tekanan rendah dibelakangnya, yang menjadi katalis terbentukan vortex.

Gambar 4.

Data numerik dari log iterasi ini memberikan konfirmasi bahwa hasil yang kita dapatkan dari simulasi dapat dipercaya bahwa nilai residual untuk semua persamaan (Continuity, X momentum, Y momentum, Z momentum, dll) sudah berada di nilai yang sangat kecil (orde 10^−6). Nilai drag coefficion dan drag force juga sudah menunjukkan nilai yang stabil, yaitu Drag coeff : 0.0002515 dan Drag force : 0.0503

Nilai koefisien hambat yang sangat kecil ini menunjukkan bahwa objek ini memang sangat aerodinamis, dan fungsi vortex generator di sini adalah untuk mempertahankan efisiensi tersebut.

Dari pemahaman ini, dapat disimpulkan bahwa simulasi menggunakan Siemen Simcenter STAR-CCM+ berhasil memvisualisasikan cara kerja vortex generator dalam menciptakan vorteks untuk mengendalikan lapisan batas. efektivitas vortex generator juga terbukti secara numerik dengan tercapainya nilai yang stabil dan menunjukkan nilai gaya hambat yang terukur.

Pemahaman mengenai CFD melalui software STAR-CCM+ tidak akan mungkin bisa dikerjakan dengan mudah dan efisien jika bukan karena Framework DAI5 yang sangat membantu menjaga pemahaman tetap terstruktur dari awal hingga akhir.

وَالسَّلاَمُ عَلَيْكُمْ وَرَحْمَةُ اللهِ وَبَرَكَاتُهُ