Assalamualaikum Warahmatullahi Wabarakatuh, perkenalkan nama saya Rafi Daffa Putra Hariza dengan NPM 2306222254. Pada blog ini saya akan membahas teori metode numerik dibalik Computational Fluid Dynamics (CFD) serta contoh aplikasinya pada software Simcenter Star CCM+ dengan framework DAI5.
Apa itu CFD?
Computational fluid dynamics (CFD) adalah teknik yang dibangun berdasarkan prinsip mekanika fluida, di mana persamaan yang mengatur pergerakan fluida diterapkan untuk memberikan pemahaman dan prediksi kualitatif terhadap perilaku sistem fisik (Tryggvason, 2016). Secara sederhana, teknik ini melibatkan penerapan metode numerik dan algoritma untuk menganalisis permasalahan aliran fluida. Untuk melakukannya, persamaan yang mengatur aliran fluida digantikan dengan pendekatan diskret pada titik-titik grid, yaitu aliran fluida didiskretisasi menjadi bagian-bagian kecil yang cukup kecil sehingga solusi yang diperoleh pada titik-titik grid tidak terpengaruh oleh jarak antar titik grid tersebut.
Metode-metode numerik yang digunakan dalam CFD
1. Finite Difference Method
Merupakan salah satu metode numerik untuk menyelesaikan Ordinary Differential Equations (ODE) khususnya Boundary Value Problem, di mana titik-titik grid yang berjarak sama digunakan untuk mengaproksimasi persamaan diferensial. Bentuk umum dari metode ini sebagai berikut:
2. Finite Volume Method
Finite volume method (FVM) adalah teknik diskretisasi untuk partial differential equations (PDE), khususnya yang berasal dari hukum kekekalan fisika. FVM menggunakan formulasi integral volume dari permasalahan dengan membagi domain menjadi sejumlah volume hingga untuk mendiskretisasi persamaan. FVM umum digunakan untuk mendiskretisasi persamaan dalam computational fluid dynamics. Bentuk umum dari metode ini sebagai berikut:
Mulai dari persamaan transpor umum untuk sifat skalar ฯ:
Melakukan integrasi persamaan ini di atas dengan volume kontrol umum VCV dengan permukaan ACV:
Menerapkan teorema divergensi pada suku konvektif dan difusif:
3. Spectral Methodย
Spectral Methods adalah salah satu kelas teknik diskretisasi untuk partial differential equations (PDEs), di mana solusi dari permasalahan direpresentasikan sebagai penjumlahan dari serangkaian fungsi basis global (yang didefinisikan di seluruh domain komputasi). Fungsi basis yang umum digunakan antara lain:
- Fourier Series: Untuk permasalahan periodik.
- Chebyshev or Legendre Polynomials: Untuk permasalahan non-periodik.
Workflow dari Spectral Method
a. Ekspansi Solusi: Solusi u(x,t) diasumsikan dapat diekspansi dalam bentuk
deret:ย
Di sini, ฯkโ(x) adalah fungsi basis spektral (misalnya, harmonisa Fourier atau polinomial), dan akโ(t) adalah koefisien yang bergantung pada waktu.
b. Substitusi ke dalam PDE: Ekspansi deret ini disubstitusikan ke dalam persamaan diferensial parsial (PDE).
c. Penentuan Koefisien: Berbagai pendekatan dapat digunakan untuk menentukan koefisien akโ(t):
d. Metode Kolokasi: PDE diberlakukan secara eksak pada sejumlah titik kolokasi yang telah ditentukan di seluruh domain.
Metode Galerkin: PDE dikalikan dengan setiap fungsi basis dan diintegrasikan di atas domain. Ini menghasilkan sistem persamaan diferensial biasa (ODE) untuk koefisien akโ(t).
Metode Tau: Mirip dengan Galerkin, tetapi biasanya digunakan untuk masalah dengan kondisi batas yang lebih kompleks.
4. Finite Element Methodย
Finite element method adalah metode numerik untuk menyelesaikan berbagai jenis persamaan diferensial. Dalam FEM, fungsi-fungsi ditransformasikan dari ruang berdimensi tak hingga ke ruang berdimensi hingga. Ruang berdimensi hingga ini kemudian diubah menjadi vektor-vektor biasa dalam suatu ruang vektor yang dapat diselesaikan secara numerik. Idenya adalah membagi domain menjadi elemen-elemen kecil dan mencari pendekatan polinomial terhadap variabel tak bebas (fungsi tak diketahui) pada setiap elemen. Artinya, setelah metode finite element diterapkan pada fungsi-fungsi tersebut, mereka dikonversi menjadi vektor-vektor biasa.
Mengapa CFD menjadi Penting?
Simulasi CFD biasanya dilakukan di akhir tahap pengembangan produk sebagai salah satu cara untuk memverifikasi desain. Namun, saat ini CFD semakin sering digunakan sepanjang siklus hidup suatu produk.
Simulasi CFD dapat dilakukan sejak awal pengembangan untuk menguji kelayakan suatu desain. Para engineer kemudian dapat menggunakan simulasi CFD untuk melakukan iterasi desain, mengeksplorasi ruang desain, atau mengoptimalkan produk untuk konfigurasi tertentu.
CFD juga digunakan setelah tahap pengembangan produk untuk meningkatkan pengalaman pengguna. Sebagai contoh, sebuah pabrik manufaktur dapat menggunakan simulasi CFD yang disederhanakan sebagai bagian dari digital twin. Sensor-sensor dari aset dunia nyata dapat mengambil sampel proses di lini produksi. Simulasi CFD kemudian dapat menggunakan data tersebut sebagai input untuk menilai kondisi aset, meningkatkan kinerja, memprediksi potensi masalah perawatan, atau memberikan masukan kepada tim desain awal mengenai kasus penggunaan dan lingkungan yang tidak terduga.
Memahami CFD dengan Framework DAI5ย serta melakukan simulasi dengan Software Simcenter STAR-CCM+ sebagai contoh aplikasi dari metode numerik pada CFD
Apa itu Siemens Star-CCM+?
Simcenter STAR-CCM+ software simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD) yang dikembangkan oleh Siemens. Simcenter STAR-CCM+ memungkinkanย pemodelan dan analisis terkait permasalahan-permasalahan teknik yang berhubungan dengan aliran fluida, stres, aliran partikulat, elektromagnetik dan fenomena terkait. Simcenter STAR-CCM+ย secara utama menggunakan Finite Element Analysis (FEA) atau Finite Volume Method untuk menghitung transportasi besaran fisik pada mesh yang telah didiskretisasi. Untuk aliran fluida, persamaan-persamaan NavierโStokes diselesaikan di setiap cells dalam domain mesh untuk memodelkan perilaku aliran secara akurat.
Memahami CFD dan melakukan Simulasi dengan Simcenter Star CCM+ dengan Framework DAI5
Penggunaan Software Simcenter Star CCM+ menjadi sebuah salah satu solusi modern yang canggih dan praktis dalam memecahkan permasalahan metode numerik secara komputasional yang digunakan untuk melakukan simulasi dan analisis terkait fluid dynamics. Namun, agar proses penggunaan software seperti siemens dapat dilakukan dengan jelas dan terarah, dibutuhkan suatu kerangka berpikir yang baik untuk memecahkan masalah. Framework DAI5 merupakan landasan berpikir yang tepat untuk memecahkan masalah, bukan hanya sekadar dengan logika namun juga dengan kesadaran spiritual dan diri. Dengan menggunakan framework DAI5, kita dapat menggunakan Software Simcenter Star CCM+ dengan terarah dan bermakna di setiap langkahnya.
- Deep Awareness of I
Sadar dan yakin bahwa fenomena-fenomena alam adalah ciptaan Sang Pencipta sehingga bisa ditekankan bahwa kita mempelajari CFD untuk mempelajari dan memahami fenomena-fenomena fluida untuk demi terus mengenal lebih Sang Pencipta. Lalu turut meminta pertolongan ke Sang Pencipta sebelum memulai sesuatu dan bisa menempatkan diri dengan baik sebagai manusia. Selain itu, patut menjaga self-awareness dan self-consciousness selama proses pengerjaan simulasi agar dapat berjalan dengan lancar dan penuh fokus. Terakhir, patut bersyukur kepada The Creator karena masih diberi akal sehat dan ilmu untuk mengerjakan simulasi ini.
- Intention
Menetapkan niat yang baik dan jelas dalam menjalankan CFD seperti membantu kehidupan manusia, memecahkan masalah, dan meningkatkan efisiensi dapat membuat kita tidak mudah goyah dalam menggunakan CFD. Dengan adanya niat yang jelas, penggunaan CFD dapat dilakukan dengan penuh tanggung jawab dan tidak menjurus ke hal-hal yang negatif.
- Initial Thinking (about the problem)
Menganalisis secara komprehensif bagaimana cara penggunaan software dan simulasi apa yang ingin dijalankan dengan root cause analysis. Selain itu juga penting juga untuk memahami secara betul metode numerik dan konsep fluida sehingga penggunaan software menjadi lebih mudah dan jelas. Dengan memahami betul apa yang akan dilakukan, penggunaan software dapat berjalan dengan lebih mudah, cepat, dan efisien.
- Idealizationย
Melakukan penyederhanaan dari simulasi yang akan dijalankan tanpa mengurangi karakteristik-karakteristik fisik penting dari sistem dalam keadaan nyata. Asumsi-asumsi dilakukan pada aspek seperti ukuran boundary, karakteristik boundary, jenis aliran, atau ukuran mesh yang digunakan. Dengan asumsi-asumsi yang tepat dan tetap merepresentasikan kondisi fisik pada keadaan nyatanya, simulasi dengan software Simcenter Star CCM+ dapat dilakukan secara efisien dan baik tanpa memerlukan intensitas komputasi yang tinggi. Sehingga simulasi dapat berjalan dengan baik dan komprehensif, namun tetap hemat energi dari sisi komputasi.
- Instruction Setย
Tahap ini merupakan penerapan solusi secara terorganisir dari langkah-langkah yang sudah diterapkan sebelumnya. Dalam simulasi CFD, tahap ini mencakup langkah seperti penyusunan mesh, pemilihan model fisik, dan penentuan metode numerik. Pada tahap ini dibutuhkan penyusunan langkah yang konkrit dan jelas terkait simulasi. Selain itu, juga perlu dipastikan simulasi yang dijalankan bersifat komprehensif dan valid. Sehingga simulasi CFD yang dijalankan pada software Simcenter Star CCM+ dapat berjalan dengan lancar dan mendapatkan hasil yang baik dan relevan.
Analisis Simulasi
Contoh hasil simulasi yang dilakukan dengan objek Vortex Generator.
Simulasi ini dijalankan dengan inlet velocity sebesar 20 m/s.
Hasil simulasi CFD dengan kecepatan inlet sebesar 20 m/s menggunakan Simcenter STAR-CCM+ menunjukkan karakteristik aliran yang cukup aerodinamis di sekitar objek vortex generator. Dari visualisasi streamline, aliran mengalami percepatan di atas permukaan objek yang ditunjukkan oleh warna hijau hingga biru, sementara terjadi stagnasi di bagian depan objek dengan tekanan maksimum mencapai 228 Pa, serta penurunan tekanan signifikan di sisi atas hingga -527 Pa. Total Drag Force yang dihitung sebesar 0,0503 N dengan koefisien drag yang sangat kecil yaitu 2,515ร10โปโด, menunjukkan bahwa bentuk geometri ini sangat efisien dalam meminimalkan hambatan terhadap fluid flow. Simulasi ini dapat disimpulkan cukup berhasil memodelkan fenomena aliran dengan baik dan memberikan informasi penting terkait performa aerodinamika objek vortex generator yang diuji.
