ccitonline.com

Assalamualaikum Wr. Wb.
Selamat Pagi Prof. Dr. Ahmad Indra dan Kawan-Kawan

Pada kali ini, saya akan membahas mengenai CFD dan FEM pada software yang digunakan untuk analisis aliran fluida. Salah satu perangkat lunak yang terkemuka dalam integrasi kedua metode ini adalah Siemens STAR-CCM+, yang menyediakan platform komputasi multifisika untuk analisis aliran fluida, perpindahan panas, hingga tegangan mekanik dalam satu ekosistem terpadu.

Vortex generator adalah salah satu objek yang paling mendasar untuk dipelajari dalam ilmu aerodinamika. Dalam aplikasinya, vortex generator digunakan dalam banyak sekali benda seperti sayap pesawat, spoiler mobil balap, bahkan hingga kincir angin.

Dalam blog ini, saya akan membahas mengenai CFD dan FEM dari vortex generator dengan menggunakan framework DAI5. Framework DAI5 hadir sebagai kerangka kerja conscious thinking yang menekankan lima langkah sadar dalam penyelesaian masalah, yaitu: Deep Awareness of I, Intention, Initial Thinking, Idealization, dan Instruction Set. Dengan menerapkan DAI5, simulasi teknik tidak hanya menjadi proses perhitungan matematis, tetapi juga proses reflektif dan bertanggung jawab secara spiritual dan sosial.

1. Deep Awareness of I

Dalam tahap ini, saya sebagi penulis menyadari bahwa setiap fluida yang bergerak, aliran baik laminar atau turbulen yang terjadi, dan tegangan struktural yang dianalisis dengan metode FEM adalah manifestasi hukum Tuhan yang tertib. Mendalami simulasi dari vortex generator berarti merenungi keteraturan semesta dan peran manusia sebagai khalifah yang bertugas memahami, mengelola, dan mengembangkan sistem ini dengan bijak dan sesuai dengan etika.

2. Intentions

Dalam simulasi ini, niat bukan hanya untuk memenuhi tugas akademik atau meraih publikasi, tetapi sebagai bentuk ibadah ilmiah. Pada intinya, memahami aliran fluida dan dampaknya terhadap struktur vortex generator dilakukan agar dapat menciptakan teknologi yang efisien, aman, dan bermanfaat bagi masyarakat.

Lebih detail, tujuan dari dilakukannya simulasi ini adalah:

• Mengetahui bagaimana vortex generator dapat memengaruhi aliran dan tekanan pada udara yang dilewati.
• Menganalisis drag force yang dihasilkan saat udara melewati vortex generator.
• Menganalisis metode numerik yang digunakan untuk simulasi.

3. Initial Thinking

Simulasi ini berangkat dari keingintahuan akan bagaimana penambahan vortex generator (VG) dapat memengaruhi karakteristik aliran fluida, khususnya dalam konteks meningkatkan efisiensi aerodinamika dan mengendalikan flow separation. Vortex generator berfungsi untuk mengganggu lapisan batas (boundary layer), menciptakan pusaran kecil (vortex) yang membantu menjaga aliran tetap melekat pada permukaan benda.

Beberapa rumus fisika yang berkaitan dengan simulasi ini:

a. Persamaan Kontinuitas

b. Persamaan Navier-Stokes

4. Idealization

Berikut adalah beberapa asumsi yang digunakan dalam simulasi:

• Aliran diasumsikan steady-state (tunak) untuk mengurangi beban komputasi, meskipun dalam kenyataan, vortex bersifat unsteady.
• Fluida diasumsikan inkompresibel, karena kecepatan aliran tidak mendekati kecepatan suara.
• Efek termal diabaikan, karena fokus utama adalah dinamika momentum, bukan perpindahan panas.
• Geometri VG (Vortex Generator) disederhanakan menjadi bentuk delta atau persegi panjang untuk mempermudah pembuatan mesh dan mengurangi kompleksitas numerik.
• Struktur diasumsikan elastis-linier pada analisis FEM, dengan gaya fluida yang dihasilkan dari hasil tekanan permukaan pada simulasi CFD.
• Dibuat boundary condition sebagai beriut:
  • Inlet Velocity = 20,8 m/s
  • Outlet Pressure = 0 Pa
  • Wall = No-slip Condition

5. Instruction Set

Langkah-langkah dari simulasinya adalah sebagai berikut:

1. Pembentukan Geometri
   Dilakukan dengan mengimport desain vortex generator (saya dapatkan dari Grabcad untuk mempersimpel dan memperkecil error) sebagai geometri dari simulasi.
2. Pembentukan Mesh
   Dilakukan meshing yang digenerate secara otomatis oleh software.
3. Penerapan kondisi batas
   Menginput nilai dari idealization ke dalam software.
4. Penerapan Model Turbulensi
   Menggunakan model k-epsilon untuk mensimulasikan aliran turbulen di sekitar vortex generator.
5. Simulasi
   Running simulasi pada software untuk menghitung tiga parameter utama, yaitu distribusi tekanan, kecepatan, dan gaya drag.
6. Post-Processing
   Evaluasi hasil untuk menentukan drag, koefisien drag, dan distribusi kecepatan dan tekanan pada objek.

Hasil :

Evaluasi Hasil :

1. Distribusi Kecepatan
   Kecepatan aliran yang ada pada vortex generator paling lambat berada pada kurang lebih 0,695 m/s sepertii pada grafik abu-abu hijau. Yang paling lambat direpresentasikan oleh warna abu-abu. Semenatara itu, nilai terbesar adalah 20,8 m/s yang ditunjukkan dengan warna hijau pada grafik.
2. Distribusi Tekanan
   Tekanan terkecil pada vortex generator berada pada bagian kanan depan dan belakang dari vortex generator seperti pada gambar pertama sebesar -527 Pa. Hal ini terjadi karena terjadi efek vakum atau hisap. Sementara itu, tekanan terbesar berada pada 228 Pa pada bagian depan vortex generator yang terkena udara secara langsung. Di mana masing-masing nilai terendah dan terbesar direpresentasikan dengan warna biru dan merah.
3. Analisis Streamline
   Terlihat bahwa adanya vortex generator menyebabkan gangguan aliran yang teratur di permukaan atas objek, membentuk pusaran kecil yang menjaga aliran tetap melekat (attached) lebih lama, sehingga mengurangi fenomena flow separation. Selain itu, perbedaan tekanan yang ditunjukkan oleh kontur warna di permukaan (dari biru – tekanan rendah hingga merah – tekanan tinggi) menunjukkan efek penguatan energi kinetik lokal oleh vortex terhadap boundary layer. Hal ini menandakan bahwa konfigurasi vortex generator berhasil meningkatkan performa aerodinamika dengan cara merekayasa ulang karakteristik lapisan batas.

Selanjutnya adalah perbandingan data dari grafik residual dan iteration yang dilakukan sebanyak 1000 kali pada software Star CCM.

Grafik Residual vs Iteration ini menunjukkan konvergensi solusi numerik dalam simulasi CFD menggunakan Simcenter STAR-CCM+. Sumbu vertikal menunjukkan nilai residual (dalam skala logaritmik), sementara sumbu horizontal menunjukkan jumlah iterasi. Residual merepresentasikan selisih antara hasil perhitungan saat ini dan solusi sebelumnya untuk setiap persamaan (kontinuitas, momentum, energi turbulen, dll). Terlihat bahwa semua residual turun secara signifikan dari sekitar 10010^0100 menuju di bawah 10−510^{-5}10−5, yang mengindikasikan proses iteratif yang stabil dan solusi yang telah hampir konvergen. Meski sempat ada sedikit lonjakan pada iterasi ke-500-an (kemungkinan karena perubahan batas atau update mesh lokal), seluruh kurva kemudian stabil kembali. Penurunan Tke (turbulent kinetic energy) dan Tdr (turbulent dissipation rate) hingga di bawah 10−710^{-7}10−7 juga menunjukkan model turbulensi bekerja dengan baik. Secara keseluruhan, grafik ini mencerminkan bahwa simulasi sudah valid untuk dianalisis lebih lanjut karena telah mencapai konvergensi yang cukup untuk standar CFD.

Kesimpulan

Simulasi aliran udara pada model Vortex Generator menggunakan metode Finite Element dengan bantuan perangkat lunak Siemens Star CCM+ telah berhasil dilaksanakan. Hasilnya menunjukkan distribusi kecepatan dan tekanan yang sesuai dengan perilaku fisik, serta terbentuknya pola streamline yang mencerminkan peningkatan pencampuran aliran akibat terbentuknya vorteks.

Penggunaan model turbulensi k-ε dalam kondisi steady-state terbukti efektif dalam merepresentasikan karakteristik aliran, dengan tetap menjaga efisiensi komputasi. Nilai residual yang telah turun di bawah ambang batas menunjukkan bahwa solusi numerik yang diperoleh bersifat stabil dan dapat dipercaya. Di samping itu, penerapan simetri geometri dalam pemodelan memberikan keuntungan dalam penghematan sumber daya komputasi tanpa mengurangi ketelitian hasil.

Secara umum, kehadiran Vortex Generator terbukti mampu mengubah struktur aliran dan berkontribusi terhadap peningkatan performa aerodinamika. Studi ini juga memperkuat peran penting pendekatan numerik dan pemodelan CFD dalam mendukung analisis teknik dan proses desain secara akurat serta efisien.

Sekian sebuah blog singkat dari saya. Saya sebagai penulis mengakui bahwa masih banyak hal yang bisa ditingkatkan. Oleh karena itu, apabila terdapat kritik dan saran, mohon diberikan agar bisa meningkatkan kualitas diri dan blog pada selanjutnya.

Wassalamualaikum Wr. Wb.