Salam sejahtera Prof Dai serta teman teman sekalian. Pada esai kali ini, saya, Maydi Addison dengan NPM 2306209492, ingin menjeaskan kembali tentang peran metode numerik dalam computatational fluid dynamics (CFD). Namun kali ini simulasi cfd yang digunakan adalah dengan siemens alih-alih cfdsof.
Sebelum masuk ke pembahasan, alangkah baiknya bila kita mengucap syukur terlebih dahulu pada Allah yang Mahakuasa atas berkatnya sehingga kita masih bisa belajar dan terus menimba ilmu.
Selain daripada itu, saya juga ingin mengucapkan rasa terima kasih saya pada Pak Dai atas bimbingannya selama setengah semester. Begitu pula dengan teman-teman sekalian yang tak henti mengulurkan tangan untuk 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.
- 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.
- Intention
Tujuan saya adalah memahami peran metode numerik pada aplikasi siemens. Dengan begitu, niat saya adalah memahami konsep finite element method yang digunakan untuk analisis.
- Initial Thinking
Pada tahap ini, saya mengetahui bahwa objek analisis yang digunakan adalah objek 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.
- 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.
- Instruction Set
Langkah-langkah yang perlu dilakukan dalam menggunakan siemens adalah sebagai berikut:
- Download dan buka aplikasi siemens
- Klik file > new
- Pada bagian body groups di kiri layar, klik kanan lalu import file model yang akan dianalisis. Pastikan model yang akan diimport sudah didownload sebelumnya
- Untuk membuat surface wrap untuk objek, klik kanan objek yang telah diimport, lalu klik repair surface
- Pada bagian edit, klik start diagnostics. Pada bagian tickbox check face quality dan check face proxmity tidak perlu dicentang. Klik ok. Objek kini akan tampak memiliki mesh atau garis garis yang membentuk bagian bagian kecil dari objek.
- Untuk membuat domain wind tunnel, klik kanan pada part. Kemudian klik New shape part > block. Isi nilai x, y, dan z corner 1 dan corner 2 dengan satuan panjang Standarnya adalah minimal 6 kali panjang objek dan 2 kali lebar objeknya. Semakin besar domain wind tunnel maka semakin lama waktu yang dibutuhkan. Posisikan objek tepat di tengah wind tunnel.
- Klik kanan block surface, kemudian klik split by patch.
- Berikan part surface name yang sesuai dengan yang diinginkan. Bagian depan dinamai dengan in karena dari situlah arah dari fluida bergerak. Bagian belakang adalah bagian out karena surface tersebut adalah “pintu keluar” fluida. Kemudian beri nama pula surface bagian bawah sebagai floor.
- Klik kanan pada objek di star 1, klik assign parts to region. Ubah boundary mode menjadi one boundary per part surface. Klik create regions > close.
- Region 1 akan muncul di star 1, ubah nama menjadi air karena kita akan menganalisis aerodinamika dari objek.
- Pada bagian star 1, klik kanan continua. Klik new > mesh continuum.
- Klik kanan pada mesh 1 di bawah continua, kemudian klik select meshing.
- Jika ingin memisahkan satu bagian dengan bagian lain agar mesh tidak saling menyatu, klik contact prevention. Lalu atur boundaries sesuai dengan bagian objek yang diinginkan.
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.
Pada analisis ini, objek yang digunakan adalah vortex generator. Vortex generator adalah komponen kecil, seringkali berbentuk sirip, yang dipasang pada permukaan aerodinamis seperti sayap pesawat atau bodi kendaraan, untuk memanipulasi aliran udara di sekitarnya.
Pada gambar di atas, tampak streamline dari objek jika kita melihat dari sudut pandang samping atau depan. Hal ini menunjukkan bahwa vorteks memanipulasi aliran fluida.
Hasil dari x, y, dan z-momentum serta nilai drag dan force juga bisa didapat dari simulasi ini. Dengan bertambahnya iterasi maka nilai akan semakin mendekati solusi eksak. Maka alangkah baiknya jika jumlah iterasi disesuaikan dengan toleransi kesalahan yang diinginkan. Berikut adalah data dari hasil simulasi
Kesimpulan
Meski metode FEA bisa digunakan untuk sistem yang kompleks (bentuk dari objek yang sulit dihitung secara manual) dan bisa menghasilkan nilai yang akurat, akan tetapi komputasi intensif untuk aliran turbulen dan domain besar sangat diperlukan. Hal ini berarti waktu yang dibutuhkan oleh komputer lebih lama.
Selain itu, hasil dari perhitungan FEA juga cukup dependen terhadap kualitas mesh yang diaplikasikan. Mesh harus memiliki ukuran dan bentuk elemen tertentu demi bisa menjalankan analisis yang akurat dan baik.
