Membedah struktur ilmu pada penelitian Falling Liquid Film (FLF) sangat penting dalam memahami peran dan bagian-bagian ilmu yang terlibat dalam penelitian tersebut. Struktur ilmu pada penelitian aliran FLF ditunjukkan melalui diagram berikut:
Penelitian mengenai optimasi aliran Falling Liquid Film dibangun oleh tiga cabang ilmu utama, yaitu Machine Learning & Artificial Intelligence, Computational Fluid Dynamics (CFD), dan optimasi. Ketiga cabang ilmu tersebut dapat dikategorikan sebagai cabang ilmu level pertama. Machine Learning menjadi cabang ilmu yang sangat penting karena model optimasi online yang dikembangkan berbasis pada penggunaan algoritma Artificial Neural Network (ANN).
Cabang ilmu selanjutnya adalah Computational Fluid Dynamics (CFD). Cabang ilmu ini menjadi cabang ilmu utama dalam penelitian ini. Pengembangan model optimasi online pada penelitian ini merupakan bagian dari pengembangan cabang ilmu CFD itu sendiri. Cabang ilmu CFD membahas bagaimana menyelesaikan berbagai kasus aliran fluida yang kompleks dan sulit diselesaikan secara analitik melalui metode diskritisasi.
Secara umum, penyelesaian kasus aliran fluida dilakukan dengan menyelesaikan tiga persamaan atur utama (governing equations), yaitu konservasi massa, konservasi momentum, dan konservasi energi. Ketiga persamaan tersebut merupakan persamaan diferensial parsial nonlinier berdimensi tinggi, sehingga sangat sulit diselesaikan secara analitik, terutama pada kasus aliran yang kompleks. Oleh karena itu, keilmuan CFD hadir sebagai alternatif untuk menyelesaikan persamaan tersebut melalui metode diskritisasi.
Metode diskritisasi mengubah bentuk governing equations yang semula berupa persamaan diferensial parsial menjadi sistem persamaan aljabar yang lebih mudah diselesaikan. Salah satu metode diskritisasi yang umum digunakan adalah Finite Volume Method (FVM), yaitu metode yang dilakukan dengan mengintegrasikan governing equations terhadap suatu volume terbatas (finite volume) menggunakan konsep Teorema Gauss. Dengan pendekatan ini, kasus aliran kompleks dapat diselesaikan secara numerik. Namun, metode diskritisasi sering menghasilkan sistem persamaan aljabar dalam jumlah sangat besar yang membentuk matriks berukuran besar, sehingga penyelesaiannya membutuhkan bantuan komputer dengan kemampuan komputasi tinggi.
Cabang ilmu lainnya adalah optimasi. Cabang ilmu ini dibutuhkan sebagai pondasi dalam membangun model optimasi online pada penelitian ini. Ilmu optimasi meliputi konsep-konsep dasar optimasi serta pemilihan metode optimasi yang sesuai dengan karakteristik kasus yang akan dioptimasi.
Cabang ilmu level pertama terikat dengan cabang ilmu pada level berikutnya, yaitu cabang ilmu level dua. Cabang ilmu level dua merupakan ilmu-ilmu dasar yang diperlukan untuk memahami cabang ilmu pada level pertama. Cabang ilmu level dua terdiri atas tiga cabang ilmu, yaitu perpindahan kalor dan massa, mekanika fluida, dan termodinamika.
Perlu dicatat bahwa perpindahan kalor memerlukan dasar-dasar mekanika fluida dan termodinamika. Ilmu perpindahan kalor dan massa membahas konsep dasar fenomena perpindahan kalor serta faktor-faktor dan parameter yang memengaruhi efektivitas perpindahan kalor. Salah satu pembahasan penting dalam cabang ilmu ini adalah perpindahan panas secara konveksi. Pembahasan konveksi sangat berkaitan erat dengan fenomena optimasi aliran FLF pada penelitian ini, karena efektivitas perpindahan kalor secara konveksi sangat dipengaruhi oleh karakteristik dan kondisi aliran fluida. Oleh karena itu, pemahaman mekanika fluida dan termodinamika menjadi sangat penting.
Mekanika fluida merupakan cabang ilmu utama yang menjadi landasan dasar bagi CFD. Cabang ilmu ini membahas karakteristik dan sifat fluida, meliputi sifat zat fluida, perilaku fluida statis, perilaku fluida mengalir, serta aliran incompressible dan compressible. Mekanika fluida juga memperkenalkan tiga persamaan atur utama yang digunakan dalam penyelesaian kasus fluida pada CFD. Selain itu, mekanika fluida memperkenalkan konsep Volume Kontrol dan Teorema Transport Reynolds yang menjadi konsep penting dalam perumusan persamaan pada CFD. Cabang ilmu ini banyak menggunakan konsep matematika lanjut, seperti kalkulus vektor dan persamaan diferensial. Oleh karena itu, mekanika fluida memerlukan dasar matematika teknik dan metode numerik.
Cabang ilmu lainnya pada level dua adalah termodinamika. Termodinamika sangat penting untuk mendukung cabang ilmu lainnya, terutama perpindahan kalor dan massa. Secara umum, termodinamika membahas interaksi sistem terhadap energi termal dan kerja dengan lingkungannya. Termodinamika memperkenalkan parameter-parameter fisik yang perlu diperhatikan dalam menganalisis interaksi energi pada suatu sistem. Selain itu, termodinamika juga memperkenalkan konsep analisis volume kontrol yang menjadi dasar penting dalam mekanika fluida dan CFD.
Tingkatan berikutnya adalah cabang ilmu level tiga, yang terdiri atas metode numerik dan matematika teknik. Cabang ilmu pada tingkat ini mendasari cabang ilmu pada tingkat sebelumnya.
Metode numerik menjadi landasan bagi Machine Learning & AI, mekanika fluida, dan termodinamika. Metode numerik memperkenalkan pendekatan alternatif dalam menyelesaikan kasus-kasus teknik yang kompleks agar dapat diselesaikan melalui operasi matematis yang lebih sederhana. Selain itu, metode numerik memberikan perspektif berbeda dalam menyelesaikan permasalahan matematis yang sulit diselesaikan secara analitis. Kerangka berpikir yang diajarkan dalam metode numerik juga menjadi landasan penting dalam pengembangan CFD.
Adapun matematika teknik membahas penerapan konsep-konsep matematika pada permasalahan teknik. Matematika teknik memperkenalkan konsep matematika lanjut yang digunakan dalam analisis kasus secara analitik, seperti penyelesaian persamaan diferensial biasa, persamaan diferensial parsial, kalkulus vektor, persamaan multivariabel, transformasi Laplace, dan lain sebagainya. Matematika teknik menjadi dasar dalam pemodelan matematis pada permasalahan teknik yang selanjutnya digunakan dalam mekanika fluida dan termodinamika.
Cabang ilmu terakhir adalah cabang ilmu level empat yang menjadi akar utama dalam struktur ilmu penelitian ini, yaitu kalkulus dan aljabar linier. Kedua cabang ilmu ini menjadi pondasi dasar bagi seluruh cabang ilmu lainnya.
Kalkulus menjadi landasan utama dalam penyelesaian matematika secara analitis. Kalkulus memperkenalkan konsep perubahan variabel melalui diferensial dan integral, yang menjadi dasar pemodelan dalam berbagai permasalahan teknik. Sementara itu, aljabar linier menjadi landasan utama dalam menyelesaikan sistem persamaan linier melalui pendekatan matriks. Aljabar linier sering disalahartikan sebagai ilmu yang hanya membahas matriks, padahal cabang ilmu ini memberikan pemahaman mendasar mengenai sistem dengan banyak variabel dan banyak komponen yang membentuk sistem persamaan linier. Kemampuan menerjemahkan permasalahan teknik menjadi sistem persamaan linier yang dapat diselesaikan melalui pendekatan matriks merupakan aspek penting yang sering menjadi tantangan dalam praktik rekayasa.
