ccitonline.com

Pendahuluan

Dalam dunia keteknikan, pengujian teknis pada alat dan bahan telah secara umum diterapkan. Hal tersebut memiliki tujuan yang sangat krusial, yakni untuk memastikan produk yang dihasilkan dapat memberikan performa sesuai dengan apa yang diinginkan konsumen. Berkat dilakukannya pengujian, apa yang dapat dijadikan bahan evaluasi dalam pengembangan produk dapat diketahui secara pasti.

Terdapat berbagai metode untuk melakukan pengujian, baik secara langsung maupun tidak. Pada metode pengujian langsung, purwarupa dari produk akan dibuat dan diuji secara langsung, menghasilkan data yang akurat, namun tidak efisien karena proses produksi mesti dilakukan berkali-kali. Maka, metode pengujian tidak langsung menggunakan bantuan simulator pada komputer lebih umum digunakan semenjak masa revolusi industri 4.0 ini.

Rumusan masalah

1. Bagaimana prosedur dalam menguji karakteristik fluida pada suatu benda dengan perangkat lunak Siemens Star CCM+
2. Apa saja implementasi kerangka berpikir DAI5 (deep awareness of I, intention, initial thinking, idealization dan instruction set) pada kegiatan uji aliran fluida berbasis komputer
3. Bagaimana karakteristik hasil pengujian benda tertentu dalam suatu aliran fluida

Deep awareness of I

Sebagai seorang insan teknik yang senantiasa berupaya memahami fenomena fisika melalui pendekatan numerik dan simulasi, saya menyadari bahwa keteraturan dan kompleksitas aliran fluida adalah salah satu bentuk keagungan dari ciptaan Tuhan. Dalam keterbatasan manusia untuk menangkap dan menghitung fenomena tersebut secara manual, saya berserah diri pada Sang Pencipta, yang telah menciptakan alam semesta dengan hukum-hukum fisika yang konsisten dan dapat dikaji secara ilmiah.

Melalui perangkat lunak seperti Siemens STAR CCM+, saya menyaksikan bagaimana Tuhan mengizinkan manusia mengembangkan alat untuk memahami fenomena kompleks, seperti turbulensi dan tekanan dinamis, dalam dunia nyata. Setiap streamlines yang divisualisasikan dalam simulasi seolah menggambarkan bagaimana Tuhan mengatur pergerakan udara dan fluida dengan presisi yang luar biasa.

Intention

Niat utama dalam proyek ini adalah untuk melakukan simulasi aliran fluida tunak turbulen pada sebuah benda streamline berdimensi 2 meter x 1 meter x 0,75 meter sepetri di gambar atas menggunakan perangkat lunak Siemens STAR CCM+. Simulasi ini bertujuan untuk mempelajari distribusi kecepatan dan tekanan di sekitar benda, serta menghitung nilai koefisien dan gaya hambatan fluida.

Melalui simulasi ini, saya ingin mendapatkan pemahaman mendalam tentang bagaimana bentuk geometri streamline dapat mempengaruhi aliran fluida dan gaya tahanan yang terjadi, sebagai bekal dalam pengembangan desain aerodinamis yang lebih efisien.

Initial thinking

Dalam simulasi aliran fluida, terdapat dua aspek fundamental yang menjadi pijakan awal, yaitu kinematika dan dinamika fluida.

• Kinematika fluida mempelajari pergerakan fluida tanpa mempertimbangkan gaya penyebabnya. Dalam konteks ini, kita mengamati parameter seperti garis arus (streamline), vektor kecepatan, dan distribusi kecepatan fluida di sekitar benda.
• Dinamika fluida mempelajari gaya-gaya yang bekerja pada fluida, termasuk tekanan, viskositas, serta gaya inersia. Ini berperan penting dalam memahami drag force yang dialami oleh benda dalam aliran.

Pada konsep tersebut, terdapat beberapa persamaan yang menjadi basis dalam melaksanakan kegiatan simulasi dengan bantuan perangkat lunak komputer. Contohnya persamaan Reynold Averaged Navier Stock (RANS) yang berlaku pada aliran tunak inkompresibel sebagai berikut:

Yang mana memiliki korelasi dengan gaya hambatan udara yang memiliki arah vektor kontra dengan kecepatan relatif benda ujinya, dan berbanding lurus terhadap densitas dan koefisien hambatan fluida, luas permukaan dan kuadrat kecepatan fluida sebagai berikut:

Sementara itu, pada perangkat uji simulasi Siemens STAR CCM+ terdapat konsep-konsep yang merupakan integrasi berbagai metode numerik seperti:

• Finite Volume Method (FVM) untuk menyelesaikan persamaan konservasi massa dan momentum
• Turbulence modeling (misalnya k-epsilon) untuk merepresentasikan efek turbulen pada aliran
• Post-processing tools untuk memvisualisasikan vektor aliran, distribusi tekanan, dan nilai gaya

Idealization

Dalam simulasi ini, dilakukan asumsi idealisasi berupa:

• Benda streamline dianggap kaku dan tidak mengalami deformasi.
• Aliran fluida bersifat tunak (steady), artinya parameter aliran tidak berubah terhadap waktu.
• Aliran inkompresibel dengan kecepatan masuk konstan sebesar 20 m/s.
• Medium fluida adalah udara standar, dengan densitas 1.225 kg/m³ dan viskositas dinamis 1.81×10⁻⁵ Pa·s.
• Model turbulensi yang digunakan adalah Realizable k-ε karena sesuai untuk aliran eksternal dengan shear layer seperti pada streamline body dan daoat diturunkan dari persamaan berikut:

Instruction set

Langkah-langkah simulasi dilakukan sebagai berikut:

Pembuatan Geometri:

• Geometri streamlined body dibuat menggunakan perangkat CAD dan diimpor ke STAR-CCM+.
• Dimensi geometri: panjang 2 m, lebar 1 m, tinggi 0,75 m.

Pembuatan Domain dan Boundary:

• Domain simulasi dibuat memanjang ke arah aliran untuk menghindari efek dinding.
• Inlet diberi kecepatan 20 m/s, outlet sebagai tekanan tetap (0 Pa gauge).
• Sisi benda diberi kondisi no-slip wall.

Mesh Generation:

• Menggunakan polyhedral mesh dengan refinemen lokal di sekitar geometri untuk menangkap gradien tekanan dan kecepatan secara akurat.
• Boundary layer mesh ditambahkan untuk memodelkan lapisan batas.

Physics Setup:

• Model: Steady state, incompressible flow.
• Turbulence model: Realizable k-ε.
• Solver: Segregated flow.

Simulation Execution:

• Iterasi dijalankan hingga konvergen (residual < 1e-6).
• Hasil menunjukkan drag coefficient konvergen pada nilai 0.2515, dan drag force sebesar 0.0503 N (terlihat dari iterasi ke-945 sampai 946).

Post-Processing:

• Visualisasi aliran menggunakan streamlines menunjukkan pembelokan fluida di sekitar badan streamline.
• Distribusi tekanan menunjukkan adanya perbedaan tekanan antara sisi depan dan belakang benda yang menghasilkan drag.

Analisis hasil simulasi

Berdasarkan kedua hasil visualisasi simulasi sebagai berikut:

Distribusi Tekanan (Pressure Distribution)

Terlihat dari gambar di atas bahwa:

• Tekanan tertinggi berada di bagian depan permukaan streamline (leading edge).
• Tekanan kemudian menurun drastis di sepanjang permukaan streamline, terutama pada bagian atas dan bawah di sekitar sisi lengkung.
• Area belakang objek menunjukkan tekanan lebih rendah, menandakan kemungkinan terbentuknya region wake atau area turbulensi.
• Distribusi ini sesuai dengan prinsip Bernoulli, di mana peningkatan kecepatan fluida di sekitar sisi streamline mengakibatkan penurunan tekanan.

Distribusi Kecepatan (Velocity Contour)

Gambar tersebut menampilkan:

• Kecepatan fluida meningkat drastis saat mengalir melewati sisi lengkung streamline.
• Aliran lebih cepat pada sisi atas dan bawah, dibandingkan dengan bagian tengah atau belakang.
• Bagian belakang menunjukkan pola kecepatan yang tidak seragam, indikasi terjadinya aliran turbulen atau separation.
• Hal ini menunjukkan bahwa bentuk streamline berhasil mengakselerasi fluida di sekitar permukaan, menciptakan perbedaan tekanan yang mendukung pengurangan gaya drag (gaya hambat).

Pola streamline (Streamline Pathlines)

Gambar tersebut juga menunjukkan:

• Pola aliran fluida mengikuti kontur badan streamline secara halus di bagian depan dan samping.
• Terdapat indikasi pembentukan vortex atau wake di bagian belakang model, dengan aliran yang berputar atau melambat.
• Tidak terjadi separasi besar di bagian depan atau tengah, menunjukkan desain cukup aerodinamis.
• Pola aliran menunjukkan bahwa bentuk streamline cukup baik dalam mengarahkan fluida, namun adanya wake di belakang tetap menghasilkan drag parasit yang tidak dapat dihindari sepenuhnya.

Kesimpulan

Model streamline berhasil menurunkan tekanan pada sisi luar permukaan dan mempercepat aliran di area sempit (efek venturi), menghasilkan pengurangan drag.

Meskipun bentuk streamline mengarahkan aliran dengan baik di depan dan tengah objek, turbulensi dan vortex tetap muncul di bagian belakang (wake), yang menjadi sumber utama drag.

Berdasarkan distribusi tekanan dan kecepatan, serta pola aliran, dapat disimpulkan bahwa:

• Efisiensi aerodinamika model cukup baik.
• Diperlukan optimalisasi bentuk bagian belakang untuk mengurangi wake dan minimalkan drag.

Dengan parameter dan geometri saat ini, model cocok untuk digunakan dalam aplikasi yang memerlukan minimasi hambatan fluida, seperti kendaraan cepat atau desain sirip efisien.