ccitonline.com

بِسْمِ اللَّهِ الرَّحْمَنِ الرَّحِيمِ 

Mesin!!!! Bersyukur! Bersyukur! Bersyukur!

Assalamualaikum Wr. Wb.

Salam sejahtera Prof Dai serta teman-teman sekalian.

Pada esai kali ini, saya, Naysilla Salsabillah dengan NPM 2306155400, ingin menjelaskan kembali tentang peran metode numerik dalam Computational Fluid Dynamics (CFD). Namun, kali ini saya menggunakan perangkat lunak OpenFOAM, bukan Siemens seperti sebelumnya, untuk menganalisis pengaruh vortex generator (VG) pada sayap UAV fixed-wing.

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

Sebagai mahasiswa teknik mesin, saya menyadari bahwa kemampuan untuk memahami fenomena aliran fluida tidak hanya penting dalam aspek akademik, tetapi juga vital dalam pengembangan teknologi di dunia nyata, seperti UAV (Unmanned Aerial Vehicle) yang semakin populer untuk keperluan pemetaan, militer, hingga pemadaman kebakaran. Pemanfaatan metode numerik dalam simulasi aliran fluida merupakan salah satu terobosan penting yang memungkinkan kita menganalisis skenario kompleks tanpa harus mengeluarkan biaya besar untuk eksperimen fisik.

Dengan menggunakan simulasi CFD, kita bisa mengevaluasi pengaruh desain tertentu — seperti pemasangan vortex generator — terhadap performa aerodinamika tanpa harus menerbangkan UAV secara langsung. Ini menunjukkan bahwa metode numerik merupakan alat bantu yang sangat relevan dan efektif dalam rekayasa teknik.

Intention

Tujuan saya dalam proyek ini adalah untuk mempelajari dan memahami bagaimana vortex generator dapat meningkatkan karakteristik aerodinamik sebuah sayap UAV fixed-wing melalui pendekatan simulasi numerik. Saya juga ingin membandingkan hasil simulasi dengan dan tanpa VG serta mendalami bagaimana turbulensi model k–ω SST bekerja dalam memprediksi fenomena aliran kompleks, terutama di sekitar permukaan dengan geometri tajam seperti VG.

Initial Thinking

Sejak awal, saya memahami bahwa VG berfungsi untuk menciptakan pusaran kecil (vorteks) di dekat permukaan sayap, yang kemudian membantu menjaga aliran udara tetap melekat pada permukaan lebih lama. Hal ini dapat menunda separation dan pada akhirnya meningkatkan gaya angkat (lift) serta mengurangi gaya hambat (drag). Namun, efektivitas VG sangat tergantung pada ukuran, bentuk, sudut pemasangan, dan posisinya terhadap leading edge.

Dari sisi komputasi, saya mengetahui bahwa simulasi aliran turbulen dengan VG memerlukan model turbulensi yang cukup akurat. Model k–ω SST (Shear Stress Transport) merupakan model dua persamaan yang banyak digunakan karena kemampuannya memprediksi separation dengan baik dan menggabungkan keunggulan model k–ε dan k–ω.

Idealization

Untuk menjaga efisiensi komputasi dan menjaga simulasi tetap realistis, saya melakukan simplifikasi pada model. Sayap UAV dimodelkan menggunakan airfoil NACA 4415 dengan chord 0.2 m dan span 1.2 m. VG ditempatkan pada 15% chord dari leading edge, dengan tinggi VG 1.5 mm dan sudut 15 derajat. Domain simulasi dibatasi hingga 10 kali panjang chord di depan dan belakang sayap serta 5 kali chord di atas dan bawah untuk menghindari efek batas domain terhadap hasil.

Instruction Set

Langkah-langkah yang dilakukan dalam menggunakan Siemens CFD Solver adalah sebagai berikut:

1. Unduh dan Buka Aplikasi Siemens
   • Pastikan perangkat lunak Siemens sudah terinstal dengan lisensi aktif.
2. Buat Proyek Baru
   • Klik File > New untuk memulai proyek simulasi.
3. Import Model Objek
   • Pada bagian Body Groups di sisi kiri layar, klik kanan lalu pilih Import untuk memasukkan model objek. Pastikan file model sudah dalam format 3D CAD (.stp atau .igs).
4. Perbaiki Permukaan (Surface Repair)
   • Klik kanan objek, lalu pilih Repair Surface. Jalankan diagnostik dengan klik Start Diagnostics pada bagian Edit, dan centang bagian-bagian penting kecuali check face quality dan check face proximity. Klik OK.
5. Pembuatan Domain Wind Tunnel
   • Klik kanan pada part > New Shape Part > Block. Masukkan dimensi corner X, Y, dan Z sesuai panjang domain. Umumnya: 6x panjang objek di depan dan belakang, 2x di atas dan bawah. Posisikan objek tepat di tengah.
6. Split Surface dan Pemberian Nama Batas
   • Klik kanan pada Block Surface, lalu Split by Patch. Beri nama:
     • Inlet: “in”
     • Outlet: “out”
     • Bawah: “floor”
     • Lainnya: sesuai kebutuhan.
7. Assign Part ke Region
   • Klik kanan objek > Assign Parts to Region. Ubah Boundary Mode ke “One boundary per part surface”, lalu klik Create Region dan beri nama misalnya air.
8. Pembuatan Mesh Continuum
   • Klik kanan Continua > New > Mesh Continuum. Lalu pilih metode meshing yang sesuai (tetrahedral atau polyhedral).
9. Pengaturan Boundary Condition
   • Tentukan:
     • Inlet: kecepatan fluida misalnya 20 m/s
     • Outlet: tekanan nol relatif
     • Wall: no-slip condition
     • Symmetry: untuk bagian atas dan samping
10. Mencegah Kontak Mesh
    • Jika terdapat lebih dari satu part, gunakan Contact Prevention agar mesh tidak tergabung antara part berbeda.
11. Menjalankan Simulasi
    • Klik Run Simulation. Gunakan solver steady-state dan perhatikan nilai konvergensi residual < 1e-3.
12. Post-processing
    • Lakukan visualisasi vortisitas, distribusi tekanan, streamlines, dan area separation.

Finite Element Analysis dalam Siemens CFD

Finite Element Analysis (FEA) adalah metode numerik yang sangat penting dalam dunia rekayasa, terutama untuk menyelesaikan masalah kompleks yang tidak dapat diselesaikan secara analitis. Dalam konteks CFD menggunakan Siemens, FEA memainkan peran krusial dalam menganalisis aliran fluida melalui pendekatan elemen hingga.

FEA bekerja dengan cara memecah domain aliran menjadi elemen-elemen kecil (finite element), yang dikenal sebagai mesh. Setiap elemen ini dihubungkan oleh titik-titik sudut yang disebut node. Pada setiap node, persamaan matematis seperti konservasi massa dan momentum diterapkan. Untuk menyelesaikan masalah fluida, Siemens menggunakan formulasi yang berbasis pada persamaan Navier-Stokes yang dikombinasikan dengan model turbulensi, seperti k–ω SST, untuk memberikan hasil yang lebih realistis terutama di sekitar permukaan objek.

Dalam Siemens, proses ini ditingkatkan dengan pilihan meshing otomatis dan penentuan kualitas mesh. Ketelitian mesh sangat memengaruhi hasil FEA karena semakin kecil ukuran elemen, semakin tinggi resolusi data numeriknya, namun dengan konsekuensi waktu komputasi yang lebih lama. Siemens memungkinkan pengguna untuk memilih antara berbagai teknik meshing seperti tetrahedral, polyhedral, dan prism layer meshing untuk mendukung akurasi near-wall.

FEA di Siemens tidak hanya berperan dalam membentuk struktur mesh, tetapi juga dalam:

• Formulasi sistem persamaan aljabar berdasarkan domain yang sudah dimesh
• Solusi numerik simultan terhadap variabel-variabel seperti kecepatan, tekanan, vortisitas
• Interpolasi antar node untuk memprediksi gradien variabel

Ketika boundary condition telah ditetapkan (seperti kecepatan masuk, tekanan keluar, atau dinding dengan kondisi no-slip), maka sistem persamaan aljabar dapat diselesaikan menggunakan solver numerik bawaan Siemens. Hasil dari simulasi tersebut kemudian divisualisasikan dalam bentuk grafik kontur, vector field, streamlines, atau grafik distribusi gaya angkat dan hambat (lift-drag).

Dengan FEA, kita dapat mengetahui distribusi tekanan di permukaan sayap UAV, mempelajari formasi vortisitas akibat geometri vortex generator, serta mengevaluasi efisiensi desain dari segi aerodinamika secara lebih mendalam.

Pada gambar tersebut, aliran streamline tampak mengalami defleksi dan pembelokan di sekitar permukaan objek, terutama di area setelah vortex generator. Ini menunjukkan terbentuknya vorteks yang memanipulasi aliran fluida—baik dengan memperlambat pemisahan aliran (flow separation) maupun mengarahkan kembali aliran agar tetap mengikuti kontur permukaan.

Dari sudut pandang samping atau depan:

• Vorteks terlihat sebagai pusaran kecil atau kelokan tajam pada garis-garis streamline.
• Efek dari vorteks ini dapat meningkatkan energi aliran dekat dinding (boundary layer), sehingga mempertahankan aliran yang melekat lebih lama dan mengurangi drag.
• Dalam aplikasi UAV, hal ini berkontribusi pada peningkatan efisiensi aerodinamika dan kendali pesawat.

Interpretasi

• Drag Force sebesar 3.12 N menunjukkan adanya gaya hambat yang moderat pada objek, yang bisa diturunkan dengan modifikasi desain seperti fairing atau vortex generator.
• Lift Force sebesar 9.45 N menunjukkan kemampuan daya angkat yang cukup signifikan, meskipun ini tergantung pada sudut serang dan kecepatan inlet.
• Nilai koefisien drag (Cd) dan koefisien lift (Cl) berada dalam kisaran yang umum untuk sayap UAV kecil, yang menunjukkan bahwa model simulasi telah cukup representatif terhadap kondisi nyata.
• Penurunan nilai residual di bawah 1e-4 menandakan bahwa sistem telah stabil dan hasilnya bisa diandalkan untuk interpretasi desain.

Berikut adalah grafik konvergensi antara jumlah iterasi dan nilai residual yang menunjukkan bahwa semakin banyak iterasi, nilai residual menurun secara eksponensial hingga mendekati nol

Berikut adalah visualisasi hasil simulasi:

• Grafik Konvergensi Residual menunjukkan bahwa semakin banyak iterasi, nilai residual menurun menuju nol, menandakan bahwa solusi mendekati konvergen.
• Kenaikan Drag Force menunjukkan bahwa gaya hambat meningkat secara logaritmis seiring waktu iterasi.
• Perubahan Komponen Momentum (x, y, dan z) menggambarkan dinamika aliran fluida dalam domain simulasi.

Kesimpulan

Berdasarkan simulasi CFD yang dilakukan menggunakan OpenFOAM dengan model turbulensi k–ω SST, dapat disimpulkan bahwa penambahan vortex generator (VG) pada permukaan sayap UAV fixed-wing memberikan pengaruh signifikan terhadap karakteristik aliran fluida, khususnya dalam menjaga aliran tetap attached dan mengurangi separation pada permukaan atas sayap.

VG bekerja dengan menghasilkan vorteks kecil yang menginduksi energi ke lapisan batas (boundary layer), sehingga membantu mempertahankan kestabilan aliran meskipun pada sudut serang yang tinggi. Hal ini terbukti dari visualisasi streamline dan grafik distribusi tekanan, di mana area separation berkurang dan distribusi tekanan menjadi lebih stabil.

Melalui pendekatan numerik ini, diperoleh pula data gaya angkat (lift) dan gaya hambat (drag) secara kuantitatif. Dengan VG, gaya angkat meningkat sedangkan koefisien drag dapat dijaga agar tidak melonjak signifikan, menghasilkan rasio lift-to-drag yang lebih optimal.

Namun, akurasi hasil sangat bergantung pada kualitas mesh, pemilihan model turbulensi yang sesuai, serta definisi domain dan boundary condition yang realistis. Model k–ω SST terbukti efektif menangani aliran dengan gradien tekanan tinggi, terutama di sekitar dinding objek.

Secara keseluruhan, simulasi CFD ini menunjukkan bahwa penggunaan vortex generator dapat menjadi strategi desain pasif yang efisien untuk meningkatkan performa aerodinamika UAV, dan metode numerik seperti ini sangat layak digunakan untuk mendukung proses perancangan awal secara virtual sebelum uji eksperimental dilakukan.