Link Video : https://youtu.be/vdp8i0YiTnE
Laporan Analisis Numerik Perpindahan Kalor Konduksi 2D menggunakan CFDSOF
Oleh: Ghifary Al Farisi
Mata Kuliah: Metode Numerik – 03
Abstrak / Pengantar
Laporan ini memaparkan analisis numerik fisis fenomena perpindahan kalor konduksi 2-Dimensi secara tunak (2D Steady-State Heat Conduction) pada sebuah penampang struktur dinding menggunakan perangkat lunak CFDSOF yang dikembangkan oleh Prof. DAI. Objek yang diamati adalah dinding berbahan aluminium berukuran 14×14 unit dengan karakteristik konduktivitas termal yang tinggi. Domain komputasi dikondisikan dengan variasi temperatur tetap pada batas-batas luarnya untuk mengamati karakteristik distribusi termal, profil temperatur lintas komponen, serta perilaku residu numerik hingga mencapai kriteria konvergen.
1. Kondisi Batas dan Properti Material
Dinding aluminium berukuran 14×14 unit diidealisasikan ke dalam 4 batasan utama (boundary conditions). Bagian tengah ditetapkan sebagai conductive wall (Wall 2), sedangkan batas luar dikondisikan dengan temperatur tetap sebagai berikut:
- Wall 1 (Luar Samping): 403 K
- Wall 3 (Luar Bawah): 323 K
- Wall 4 (Luar Atas): 353 K
Properti material serta ringkasan kondisi batas yang diterapkan dalam simulasi ini disajikan secara terstruktur pada tabel di bawah ini:
| Parameter Material / Simulasi | Nilai / Keterangan Dokumentasi |
|---|---|
| Jenis Material | Aluminium Padat (Solid Wall) |
| Ukuran Geometri Domain | 14 × 14 Unit Dimensi Spasial |
| Konduktivitas Termal (k) | 201 W/mK |
| Temperatur Batas Wall 1 (Samping) | Fixed Temperature = 403 K |
| Temperatur Batas Wall 3 (Bawah) | Fixed Temperature = 323 K |
| Temperatur Batas Wall 4 (Atas) | Fixed Temperature = 353 K |
2. Tahapan Simulasi Step-by-Step
Tahap 1: Pengaturan Domain dan Kondisi Batas
Langkah awal pemodelan dilakukan dengan menentukan geometri penampang dinding sebesar 14×14 unit dalam ruang simulasi CFDSOF. Grid atau mesh dikonstruksi untuk membagi seluruh wilayah domain menjadi pias komputasi. Selanjutnya, kondisi batas (boundary conditions) diinputkan secara manual pada masing-masing dinding luar sesuai parameter temperatur yang telah ditentukan.
Tahap 2: Proses Iterasi dan Monitoring Residu
Setelah konfigurasi selesai, solver dijalankan untuk menyelesaikan persamaan atur secara iteratif. Selama iterasi berlangsung, fluktuasi dan penurunan nilai galat dipantau melalui plot grafik residu untuk variabel kecepatan u, kecepatan v, dan enthalpy (energi). Proses kalkulasi dihentikan setelah grafik menunjukkan tren melandai (asimtotik) dan menembus batas toleransi konvergensi pada iterasi ke 1231
Tahap 3: Visualisasi Kontur Temperatur (Heatmap)
Pasca-proses (post-processing) dilakukan untuk menerjemahkan hasil numerik menjadi representasi visual berupa kontur temperatur 2D. Hasil pemetaan menampilkan gradasi warna kontinu (heatmap) dari spektrum merah pekat (suhu tertinggi pada Wall 1) yang mengalir melewati Wall 2 di area tengah, bergradasi ke arah hijau/kuning (Wall 4), and berakhir pada warna biru sejuk (suhu terendah pada Wall 3).
Tahap 4: Ekstraksi Data Plot XY
Untuk melihat profil perubahan temperatur secara kuantitatif, dibuat plot XY dengan menarik garis potong melintang melintasi domain koordinat geometri dinding. Sumbu mendatar (X) merepresentasikan panjang atau posisi spasial penampang, sedangkan sumbu vertikal (Y) merepresentasikan nilai temperatur aktual (K) pada titik pias tersebut.
3. Analisis Mendalam dan Landasan Teoretis
3.1 Aspek Matematis dan Metode Diskretisasi Volume Hingga
Secara fisik, fenomena konduksi panas 2D dalam kondisi tunak (steady-state) dan tanpa adanya pembangkitan energi internal diatur oleh persamaan diferensial parsial eliptik, yang dikenal sebagai Persamaan Laplace Termal:
∂/∂x [ k ∂T/∂x ] + ∂/∂y [ k ∂T/∂y ] = 0
Perangkat lunak CFDSOF mengadopsi Metode Volume Hingga (Finite Volume Method / FVM) untuk mendiskretisasi persamaan kontinu tersebut ke dalam bentuk aljabar linear pada setiap sel komputasi. Integrasi persamaan energi dilakukan pada masing-masing volume kendali guna menjamin konservasi energi yang mutlak.
Hal unik yang perlu dicermati adalah tetap munculnya plot residu untuk komponen kecepatan u dan v, meskipun simulasi ini murni membahas perpindahan panas pada benda padat (solid). Fenomena ini terjadi karena struktur solver utama CFDSOF dikembangkan berbasis persamaan Navier-Stokes untuk mekanika fluida. Pada material padat, nilai kecepatan dipaksa bernilai nol (u = 0, v = 0) melalui parameter internal, namun algoritma matriks momentum tetap dievaluasi oleh sistem sebagai batasan numerik (constraint). Penurunan nilai residu yang stabil hingga iterasi ke 1231 menandakan berkurangnya galat lokal secara optimal menuju solusi eksak.
3.2 Analisis Fisika Termal Berdasarkan Karakteristik Aluminium dan Hukum Fourier
Sifat fisik aluminium yang memiliki nilai konduktivitas termal (k) tinggi menjadi faktor utama yang memengaruhi karakteristik kontur temperatur. Sebagai konduktor ulung, aluminium memiliki kemampuan difusivitas termal yang sangat baik, sehingga transfer energi kinetik antaratom berlangsung secara cepat dan merata. Karakteristik ini tecermin dari visualisasi heatmap yang menunjukkan perubahan gradasi warna yang sangat halus (smooth) tanpa adanya efek diskontinuitas atau penumpukan panas lokal yang tajam.
Bila ditinjau berdasarkan Hukum Fourier untuk konduksi panas:
q = -k ∇T
Gradien kemiringan (slope) pada kurva grafik plot XY berbanding lurus dengan laju fluks kalor (q) yang berpindah. Bentuk kurva lengkung yang mulus dari batas temperatur tinggi (403 K) menuju temperatur rendah (323 K) memvalidasi terjadinya fenomena superposisi termal. Nilai temperatur di bagian tengah penampang (Wall 2) secara fisik merupakan representasi kesetimbangan termal akibat penetrasi panas simultan dari tiga batas luar yang mengelilinginya.
Kesimpulan
Berdasarkan keseluruhan tahapan simulasi dan analisis teoretis yang dilakukan, dapat disimpulkan bahwa perangkat lunak CFDSOF berhasil menyelesaikan pemodelan perpindahan kalor konduksi 2D dengan tingkat akurasi numerik yang tinggi. Karakteristik distribusi termal penampang dinding aluminium sepenuhnya mematuhi prinsip termodinamika dasar dan Hukum Fourier, di mana energi mengalir secara kontinu dari sumber potensial tinggi (403 K) menyebar ke area sekitarnya (353 K dan 323 K). Kestabilan grafik residu, ketepatan titik konvergensi pada iterasi ke-1231, serta kemulusan profil lengkung pada grafik kontur dan plot XY membuktikan bahwa parameter grid (mesh) serta kondisi batas yang dikonfigurasi telah tervalidasi dengan sangat baik dan bebas dari penyimpangan numerik yang signifikan.
