ccitonline.com

Nama: Najla Fatin
NPM: 2306265530

Pendahuluan

Simulasi numerik aliran fluida telah menjadi pendekatan utama dalam rekayasa teknik, khususnya dalam bidang aerodinamika, di mana pemahaman terhadap perilaku fluida yang mengalir di sekitar permukaan padat sangat krusial. Salah satu perangkat lunak berbasis Computational Fluid Dynamics (CFD) yang telah terbukti andal dan banyak digunakan di industri dan akademik adalah Simcenter STAR-CCM+. Perangkat lunak ini menawarkan kemudahan dalam memodelkan geometri kompleks serta melakukan simulasi multifisika, termasuk aliran fluida, perpindahan panas, dan interaksi fluida-struktur.

Metodologi Percobaan

• Geometri dan domain simulasi

Geometri objek yang digunakan dalam simulasi dibentuk menyerupai kontur streamline dengan permukaan halus dan melengkung, dirancang untuk mengarahkan aliran dengan gangguan minimal. Objek ini ditempatkan dalam domain fluida berbentuk silinder memanjang dengan batas inlet dan outlet jauh dari objek untuk menghindari efek pembatas domain pada distribusi aliran.

• Diskretasi dan kondisi awal

Domain fluida didiskretisasi menggunakan metode mesh polyhedral, yang dipilih karena kemampuannya menghasilkan konvergensi yang lebih baik pada geometri kompleks. Di sekitar dinding objek, digunakan prism layer untuk menangkap efek lapisan batas secara lebih akurat. Jumlah elemen dalam mesh mencapai dua juta sel.

Kondisi batas meliputi:

1. Inlet: kecepatan tetap (uniform velocity) sebesar 8.05 m/s
2. Outlet: tekanan tetap (atmosferik)
3. Dinding objek: no-slip condition

• Pemilihan model turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah Realizable k-ε, yang mampu menangani variasi gradien kecepatan tinggi dan memiliki performa baik untuk simulasi aliran subsonik pada geometri kompleks. Model ini memanfaatkan dua persamaan untuk menghitung energi turbulen (k) dan laju disipasi turbulen (ε). Pemodelan turbulensi memegang peranan penting karena berpengaruh pada prediksi tekanan dan gaya hambat secara akurat.

Analisis DAI5 Dalam Proses Simulasi

• Deep awareness of “I”

Dalam proses simulasi ini, terdapat kesadaran bahwa setiap pengambilan keputusan, baik dalam pemilihan metode maupun interpretasi hasil, merupakan refleksi dari pemahaman pribadi yang terbentuk dari latar belakang akademik, pengalaman, dan intuisi teknik. Kesadaran ini penting agar hasil yang diperoleh tidak hanya diambil mentah-mentah, tetapi dianalisis secara kritis dan kontekstual.

• Intention

Secara eksplisit, tujuan utama dari penelitian ini adalah mengevaluasi performa aerodinamis suatu bentuk geometri terhadap aliran subsonik. Namun lebih dari itu, terdapat keinginan implisit untuk mengembangkan keterampilan dalam menggunakan perangkat lunak simulasi dan memahami bagaimana keputusan teknis (seperti jenis mesh dan model turbulensi) memengaruhi hasil simulasi.

• Initial thinking

Ekspektasi awal dalam simulasi ini adalah bahwa bentuk streamline yang digunakan akan mengarahkan aliran secara optimal dan menghasilkan gaya hambat yang minimal. Namun, simulasi tetap dibuka untuk kemungkinan munculnya fenomena seperti separasi aliran, vorteks lokal, atau ketidakstabilan numerik yang mungkin timbul akibat resolusi mesh atau kondisi batas tertentu.

• Idealization

Dalam memodelkan sistem fisik ke dalam simulasi numerik, diperlukan berbagai idealisasi, seperti:

1. Mengasumsikan fluida bersifat inkompresibel (ρ = konstan), sehingga persamaan kontinuitas menjadi:
2. Mengabaikan efek gravitasi dan gesekan eksternal dari lingkungan
3. Domain dianggap simetris dan tidak terganggu oleh turbulensi dari luar

Selain itu, pendekatan numerik menggunakan Finite Element Method (FEM) dalam STAR-CCM+ dapat dijelaskan melalui formulasi umum:

Penyederhanaan ini dilakukan agar sistem persamaan dapat diselesaikan secara numerik tanpa mengorbankan akurasi hasil utama.

• Instruction set

Langkah-langkah yang dilakukan dalam simulasi ini secara sistematis adalah:

1. Pembuatan geometri 3D menggunakan CAD internal STAR-CCM+
2. Penyusunan domain fluida mengelilingi objek streamline
3. Pembuatan mesh polyhedral dan prism layers untuk akurasi dinding
4. Penetapan kondisi batas pada inlet, outlet, dan permukaan padat
5. Pemilihan model turbulensi (Realizable k-ε)
6. Set up solver dengan kontrol waktu dan kriteria konvergensi
7. Monitoring residuals dan gaya hambat hingga stabil
8. Visualisasi hasil dalam bentuk grafik, kontur tekanan, kecepatan, dan streamline

Hasil dan Pembahasan

• Konvergensi residual

Plot residual dari simulasi menunjukkan penurunan bertahap yang stabil hingga mencapai nilai di bawah 10⁻³ untuk sebagian besar parameter (kontinuitas, momen X/Y/Z, energi turbulen). Hal ini menunjukkan bahwa simulasi telah mencapai keadaan tunak yang konvergen.

• Evaluasi hambatan

Gaya hambat yang dihasilkan dari interaksi aliran dengan objek streamline menurun dengan cepat pada 20 iterasi awal, lalu stabil di kisaran 0.008 hingga 0.01 Newton. Hasil ini menunjukkan bentuk geometri cukup efisien dalam mengalirkan fluida dengan gangguan minimal.

• Distribusi tekanan dan kecepatan

Dari visualisasi distribusi kecepatan dan tekanan:

1. Kecepatan maksimum ditemukan di sisi atas objek, mencapai 8.05 m/s, menunjukkan percepatan aliran.
2. Tekanan tertinggi berada di bagian depan objek (leading edge) akibat stagnasi aliran, sementara tekanan rendah dominan di bagian belakang (wake), berkontribusi terhadap gaya hambat.

Kesimpulan

Penelitian ini menunjukkan bahwa bentuk streamline mampu mengarahkan aliran fluida secara efisien, dengan menghasilkan drag force rendah dalam aliran subsonik. Hasil simulasi stabil setelah 100 iterasi, ditandai dengan konvergensi residual yang baik dan distribusi kecepatan serta tekanan yang sesuai dengan prediksi teoritis.

Integrasi pendekatan D.A.I.5 memberikan kedalaman reflektif terhadap proses rekayasa, menggabungkan dimensi teknis dengan kesadaran personal, niat desain, idealisasi sistem fisik, serta disiplin dalam mengikuti urutan teknis. Hal ini tidak hanya meningkatkan akurasi hasil, tetapi juga memperkuat pemahaman konseptual dari simulasi numerik yang dilakukan.

Lampiran