ccitonline.com

Assalamualaikum Warrahmatullahi Wabarakatuh
Perkenalkan, Saya Muhammad Aryayuda Pratama dengan NPM 2306212575 sebagai Mahasiswa dari kelas metode numerik-01. Pada pembahasan laporan kali ini, pengendalian aliran udara menjadi salah satu faktor penting dalam meningkatkan efisiensi sistem, contohnya pada pesawat terbang. Salah satu teknik yang digunakan adalah penerapan vortex generator (VG), yaitu perangkat kecil yang dipasang pada permukaan untuk menghasilkan pusaran mikro yang dapat menunda pemisahan aliran (flow separation) dan mengurangi gaya hambat (drag). Untuk memahami efektivitas VG, diperlukan simulasi numerik yang akurat menggunakan perangkat lunak berbasis Computational Fluid Dynamics (CFD). Melalui studi ini, dilakukan simulasi aliran udara pada kecepatan 120 m/s dengan menggunakan Siemens STAR-CCM+ yang mengimplementasikan Finite Volume Method (FVM) dan model turbulensi k-ε, dengan tujuan untuk mengevaluasi distribusi tekanan, pola aliran turbulen, dan kontribusi VG terhadap pengurangan drag secara kuantitatif dan visual.

Deep Awareness of I
Melalui laporan ini, Saya semakin memahami bahwa aliran fluida yang bekerja pada permukaan suatu benda, seperti sayap pesawat yang dipengaruhi oleh banyak faktor mulai dari bentuk geometri, arah aliran, kecepatan, hingga kondisi permukaan itu sendiri. Di tengah kompleksitas tersebut, Vortex Generator (VG) menjadi elemen kecil namun sangat signifikan. Berdasarkan bentuk menyerupai bilah yang dipasang secara tegak di permukaan, VG berperan dalam mengontrol lapisan batas aliran dengan cara membangkitkan pusaran kecil yang menjaga aliran tetap melekat pada permukaan. Fungsi utamanya meliputi penundaan flow separation, pengurangan drag, peningkatan kestabilan aliran, serta peningkatan performa sistem secara keseluruhan yang melibatkan efisiensi bahan bakar, efektivitas kontrol, dan gaya angkat (lift). Pemahaman ini mendorong saya untuk menelusuri lebih dalam mekanisme dan karakteristik fisik yang mendasari kinerja VG melalui pendekatan simulasi numerik berbasis CFDSaya memahami secara mendalam bagaimana simulasi ini dilakukan menggunakan Siemens STAR CCM+, terutama dalam konteks Computational Fluid Dynamics (CFD). Selain itu, beberapa variabel yang juga saling berkorelasi dengan hasil iterasi numerik yang nantikan akan ada pada pembahasan ini akan sangat Saya suka untuk ditelusuri lebih lanjut, contohnya:
– Continuity residual: Konvergensi massa fluida.
– X/Y/Z momentum: Representasi perubahan laju aliran dalam tiga sumbu.
– Tke (Turbulent Kinetic Energy) dan Tdr (Turbulent Dissipation Rate): Tingkatan turbulensi yang penting dalam pembentukan vortex.
– Drag coefficient dan Drag force: Pengukuran efektivitas VG dalam memanipulasi aliran.

Intention
Tujuan utama dalam melakukan simulasi ini, yaitu:
– Menganalisis pengaruh geometri vortex generator terhadap aliran udara di atas permukaan.
– Mengurangi drag melalui pengendalian boundary layer dan pembangkitan vorteks.
– Visualisasi distribusi kecepatan dan tekanan.
– Evaluasi efisiensi VG dengan perhitungan koefisien tekanan (Cp) dan drag coefficient.
– Menguji konvergensi solusi CFD berdasarkan nilai residual dan kestabilan gaya hambat.

Initial Thinking
Salah satu tantangan utama dalam sistem aerodinamika adalah mengendalikan aliran udara yang cenderung mengalami flow separation pada permukaan benda, seperti sayap pesawat, yang dapat menyebabkan peningkatan gaya hambat (drag) dan penurunan efisiensi sistem secara keseluruhan. Untuk mengatasi permasalahan ini, digunakan perangkat kecil bernama vortex generator (VG) yang berfungsi membangkitkan pusaran mikro guna menjaga aliran tetap melekat pada permukaan. Namun, efektivitas VG dalam mengurangi drag dan menstabilkan aliran seringkali sulit dianalisis secara langsung, mengingat kompleksitas perilaku aliran fluida. Oleh karena itu, diperlukan pendekatan berbasis simulasi numerik menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk memvisualisasikan distribusi tekanan, arah aliran, serta pola turbulensi yang terbentuk akibat kehadiran VG. Permasalahan yang ingin dikaji dalam studi ini adalah bagaimana pengaruh vortex generator terhadap karakteristik aliran udara dan sejauh mana perangkat tersebut mampu meningkatkan performa aerodinamika secara kuantitatif dan visual melalui simulasi. Maka, dapat disimpulkan bahwa gambaran dari simulasi ini ada kaitannya dengan beberapa persamaan fisika yang bekerja dan membantu untuk melakukan pendekatan perhitungan secara numerik. Beberapa contohnya, yaitu:
– Koefisien Tekanan (Cp)

– Gaya Hambat (Drag)

– Persamaan Kontinuitas

– Persamaan Momentum (Navier-Strokes Equation)

– Turbulent Kinetic Energy (Tke)

– Turbulent Dissipation Rate (Tdr)

Idealization
Pada bagian ini, sebuah bagian atau mekanika dari suatu sistem fisik yang kompleks diubah menjadi model matematika dan numerik yang lebih sederhana, tapi tetap mampu merepresentasikan fenomena nyata secara fisis. Dalam simulasi ini, aliran udara diasumsikan bersifat steady-state yang berarti kecepatan dan parameter aliran lainnya dianggap konstan terhadap waktu. Asumsi ini mempermudah proses komputasi dan memungkinkan solusi konvergen lebih cepat, meskipun dalam kenyataannya aliran udara dapat mengalami fluktuasi. Geometri objek juga diasumsikan memiliki simetri tertentu terhadap sumbu tertentu, sehingga hanya sebagian domain yang dianalisis, dengan hasil yang tetap representatif secara keseluruhan. Aliran udara dianggap sebagai fluida inkompresibel (densitas konstan), yang umum digunakan untuk kecepatan udara di bawah kecepatan suara (subsonik), seperti 120 m/s pada simulasi ini. Lebih lanjut, diterapkan model turbulensi k-ε (k-epsilon turbulence model) untuk menangani fenomena aliran turbulen yang muncul akibat interaksi aliran dengan vortex generator. Model ini dipilih karena terbukti stabil, efisien secara komputasi, dan mampu menangkap dinamika pusaran kecil di sekitar VG secara cukup akurat. Permukaan padat seperti permukaan objek dan VG diasumsikan sebagai dinding dengan kondisi no-slip, yaitu kecepatan fluida di titik kontak dianggap nol, sesuai prinsip dasar dinamika fluida. Maka dari itu, dengan berbagai penyederhanaan ini, simulasi CFD berbasis Finite Volume Method (FVM) menjadi lebih efektif dalam mengevaluasi distribusi tekanan, vortisitas, dan gaya hambat akibat kehadiran vortex generator.

Instruction-Set
Pada bagian Instruction-Set ini, Saya akan menjelaskan terkait langkah-langkah penggunaan dari simulasi software SIEMENS STAR CCM+ dengan Finite Volume Method (FVM)

1. Permodelan Geometri
   Model Vortex Generator diberikan oleh ketua kelas yang bernama David untuk bisa dijadikan percobaan simulasi bagi mahasiswa yang kesulitan dalam menggunakan software SIEMENS STAR CCM+. Hal ini dilakukan pengimporan file untuk dipasang serta dianalisis untuk perhitungan aliran fluida yang bekerja dengan metode numerik di dalamnya.
2. Pembuatan Domain dan Mesh
   Domain fluida dibentuk mengelilingi objek utama, misalnya bagian dari sayap pesawat atau pelat datar (flat plate) yang dilengkapi dengan vortex generator (VG). Bentuk domain berupa balok persegi panjang yang cukup besar agar efek batas tidak mempengaruhi aliran di sekitar VG. Pada tahap ini, geometri VG dimodelkan dengan akurat sesuai dimensi sebenarnya (misalnya VG berbentuk delta atau ramp) dan diletakkan pada permukaan objek dengan orientasi tertentu terhadap arah aliran. Pembuatan mesh dilakukan menggunakan pendekatan hybrid meshing, yaitu kombinasi antara elemen tetrahedral di bagian volume fluida bebas dan prism layer di dekat permukaan padat (seperti permukaan pelat dan VG). Prism layer ini sangat penting untuk menangkap fenomena aliran di lapisan batas (boundary layer), yang merupakan lokasi utama interaksi VG dengan aliran udara. Mesh refinement atau pemadatan mesh dilakukan secara lokal di sekitar VG dan trailing edge, agar simulasi dapat merekam detail perubahan tekanan, kecepatan, serta terbentuknya pusaran secara lebih akurat.
3. Penentuan Boundary Conditions
   – Inlet: Di sisi hulu domain, ditetapkan kondisi batas berupa kecepatan tetap (velocity inlet) sebesar 120 m/s, sesuai dengan asumsi aliran udara subsonik. Parameter lain seperti arah aliran dan intensitas turbulensi juga diatur di sini.
   – Outlet: Di sisi hilir domain, digunakan kondisi pressure outlet dengan nilai tekanan atmosfer, yaitu 101325 Pa, untuk memungkinkan fluida keluar tanpa gangguan balik (reverse flow).
   – Permukaan Padat (Wall): Seluruh permukaan padat, termasuk permukaan pelat dan vortex generator, dikenakan kondisi no-slip wall, artinya kecepatan fluida di titik kontak dianggap nol. Ini mencerminkan gesekan nyata antara fluida dan permukaan benda.
   – Symmetry: Jika geometri dan aliran diasumsikan simetris, maka sisi tertentu domain dapat diberi kondisi symmetry, untuk mengurangi beban komputasi tanpa kehilangan akurasi hasil.
4. Penerapan Model Fisis dan Numerik
   – Model Turbulensi: Digunakan model k-ε (standard k-epsilon), yaitu salah satu model turbulensi yang umum dan stabil dalam menangani aliran dengan pusaran dan lapisan batas.
   – Model ini menyelesaikan dua persamaan tambahan:
   a. Tke (Turbulent Kinetic Energy): mengukur energi dari fluktuasi kecepatan turbulen.
   b. Tdr (Turbulent Dissipation Rate): mengukur laju hilangnya energi turbulen menjadi panas akibat viskositas.
   – Solver dan Diskretisasi: Metode numerik yang digunakan adalah Finite Volume Method, di mana domain dibagi menjadi volume kecil, dan persamaan konservasi massa (kontinuitas), momentum (Navier-Stokes), serta turbulensi diselesaikan untuk setiap volume. Skema diskretisasi seperti second-order upwind diterapkan untuk meningkatkan akurasi hasil.
   – Iterasi dan Konvergensi: Simulasi dijalankan hingga mencapai konvergensi residual, yaitu saat nilai kesalahan antar iterasi menjadi sangat kecil dan hasil simulasi stabil. Dalam studi ini, simulasi dilakukan sebanyak 500 iterasi hingga semua residual turun secara signifikan, terutama untuk continuity, momentum, dan komponen turbulensi.
5. Post-Processing dan Interpretasi Hasil
   – Visualisasi Tekanan dan Kecepatan
   – Analisis Drag dan Koefisien Drag
   – Pola Aliran beserta Bentuk Vortex

Analisis Hasil Simulasi STAR CCM+ untuk Vortex Generator
Berikut adalah tampilan dari bentuk Vortex Generator

Hasil Data dari Iterasi Sebanyak 500 Kali:

Grafik Residual

Reports Plot

Kecepatan Aliran Fluida yang Ditentukan
Dalam simulasi yang telah Saya lakukan, kecepatan aliran udara atau kecepatan inlet maksimum yang Saya tetapkan adalah sebesar 120 m/s. Batas minimum nya adalah 4,52 m/s sehingga didapatkan range untuk Velocity Magnitude nya dari 4,52-120 m/s. Variasi kecepatan ini merupakan dampak langsung dari terbentuknya pusaran mikro (vortex) akibat VG, yang menyebabkan percepatan aliran di beberapa area dan deselerasi di area lainnya.
Kecepatan maksimum yang melebihi kecepatan inlet mengindikasikan efek akselerasi lokal akibat penyempitan jalur aliran dan interaksi antara lapisan batas dengan pusaran yang dihasilkan VG. Sementara kecepatan minimum menunjukkan adanya perlambatan aliran, yang kemungkinan besar terjadi di area belakang VG, di mana terbentuk zona wake dengan tekanan rendah dan turbulensi tinggi.
Efek dari VG ini menghasilkan aliran yang lebih terarah dan terorganisir, menjaga agar lapisan batas tetap melekat pada permukaan lebih lama, sehingga menunda flow separation. Hal ini penting dalam konteks aerodinamika karena dapat secara langsung mengurangi drag pressure, menjaga kestabilan aliran, dan meningkatkan efisiensi sistem, seperti pada aplikasi pesawat terbang atau kendaraan berkecepatan tinggi.

Distribusi Tekanan
Distribusi tekanan pada permukaan objek dalam simulasi menunjukkan rentang nilai dari -17652.25 Pa hingga 101325 Pa, dengan tekanan tertinggi berada di area inlet dan stagnasi point (bagian depan objek) serta tekanan terendah terjadi di area wake atau belakang VG. Tekanan negatif yang besar di area belakang VG mengindikasikan terbentuknya zona hisapan atau tekanan sangat rendah akibat pelepasan aliran yang terjadi sebagian, meskipun sudah diminimalisir dengan adanya VG. Zona ini juga merupakan tempat terbentuknya vortex turbulen yang berfungsi untuk menstabilkan aliran dan memperlambat pemisahan aliran.

Perbedaan tekanan ini menunjukkan VG bekerja secara efektif dalam mengontrol distribusi tekanan, menciptakan gradien tekanan yang lebih halus, dan mengarahkan aliran untuk tetap terikat ke permukaan. Dengan menjaga kontinuitas tekanan sepanjang permukaan objek, VG membantu mengurangi drag aerodinamis total, yang berasal dari perbedaan tekanan antara sisi depan dan sisi belakang objek. Secara keseluruhan, distribusi tekanan dan kecepatan dari simulasi ini memperkuat bahwa penerapan vortex generator efektif dalam memodifikasi karakteristik aliran menjadi lebih stabil dan efisien, sehingga cocok digunakan untuk aplikasi yang menuntut performa aerodinamika tinggi.