ccitonline.com

Assalamualaikum Warahmatullahi Wabarakatuh. Selamat siang Prof. Dai dan rekan-rekan mahasiswa/i sekalian.Perkenalkan, saya Muhammad Fikri Ashari Lubis, mahasiswa Teknik Perkapalan Universitas Indonesia angkatan 2022 dengan NPM 2206059004. Merupakan suatu kehormatan bagi saya dapat mengikuti mata kuliah Metode Numerik di bawah bimbingan Prof. Dai pada semester ini. Saya akan memfokuskan post ini untuk melanjutkan karya tulis ilmiah saya.

G. Metode & Langkah-langkah Solusi (Metode Numerik)

Penelitian ini menggunakan pendekatan kuantitatif berbasis eksperimen numerik tiga dimensi menggunakan perangkat lunak Computational Fluid Dynamics (CFD) yang dirancang khusus untuk menganalisis aliran reaktif dan pembakaran pada mesin pembakaran dalam (Internal Combustion Engine), seperti ANSYS Forte. Metodologi ini dirancang dengan mematuhi kerangka DAI5, memastikan setiap tahap komputasi memiliki dasar fisika yang kuat, dapat diverifikasi, dan dijalankan dengan kesadaran akan upaya meminimalisasi tingkat galat (error minimization).

1. Idealisasi

Dalam memodelkan fenomena termofluid dan kinetika kimia yang sangat kompleks di dalam ruang bakar mesin dual-fuel kapal, diperlukan idealisasi. Idealisasi ini menyederhanakan domain komputasi tanpa menghilangkan esensi dari realitas fisik yang terjadi, guna mengoptimalkan biaya dan waktu komputasi.

a. Asumsi Siklus Tertutup (Closed-Cycle Assumption) Simulasi tidak memodelkan siklus empat tak secara penuh. Pemodelan hanya difokuskan pada fase kompresi dan ekspansi (pembakaran), yaitu dimulai sesaat setelah katup isap tertutup sepenuhnya (Intake Valve Close / IVC) hingga sesaat sebelum katup buang terbuka (Exhaust Valve Open / EVO). Asumsinya adalah massa campuran bahan bakar dan udara yang terperangkap di dalam silinder adalah konstan (tidak ada kebocoran atau blow-by melalui ring piston). Asumsi ini dibenarkan karena fokus utama penelitian adalah menganalisis kinerja indikatif internal dan profil pembentukan emisi akibat variasi waktu injeksi.

b. Penyederhanaan Geometri Domain (Sector Mesh) Ruang bakar mesin propulsi kapal berbentuk silindris. Karena injektor bahan bakar diesel umumnya diletakkan tepat di tengah (sentral) dengan jumlah lubang nosel penyemprotan yang simetris (misalnya 8 lubang), maka aliran turbulensi dan semprotan diidealisasikan bersifat asisimetris periodik. Oleh karena itu, domain geometri ruang bakar penuh sebesar 360 derajat direduksi menjadi irisan sektor komputasi (sector mesh) sebesar 45 derajat. Idealisasi ini secara drastis mengurangi jumlah elemen jaring komputasi dari jutaan menjadi ratusan ribu, yang mempercepat proses perhitungan secara signifikan. Kondisi batas periodik (periodic boundary condition) diterapkan pada kedua sisi irisan sektor tersebut.

c. Pemodelan Persamaan Pembangun (Governing Equations) Sistem komputasi menyelesaikan persamaan kekekalan fundamental yang mengatur dinamika fluida ruang bakar. Alih-alih menghitung secara manual, perangkat lunak memecahkan prinsip dasar berikut secara iteratif:

• Kekekalan Massa (Persamaan Kontinuitas): Prinsip ini memastikan bahwa laju perubahan massa fluida di dalam silinder selalu seimbang dengan jumlah pergerakan aliran fluida tersebut, ditambah dengan penambahan massa baru yang berasal dari penguapan cairan bahan bakar diesel yang disemprotkan oleh injektor.
• Kekekalan Momentum (Persamaan Navier-Stokes): Mengadaptasi hukum kedua Newton untuk fluida, prinsip ini menyatakan bahwa perubahan momentum aliran gas di dalam silinder dipengaruhi oleh perbedaan tekanan (gradien tekanan), gaya gesek antar lapisan fluida (viskositas), gaya gravitasi, dan gaya yang timbul akibat benturan partikel semprotan bahan bakar dengan udara kompresi.
• Kekekalan Energi: Prinsip ini menghitung keseimbangan panas. Perubahan energi dalam fluida sangat bergantung pada proses perpindahan panas (konduksi pada dinding mesin), pergerakan partikel gas pembawa panas, serta penambahan energi dari sumber panas utama, yaitu Laju Pelepasan Panas (Heat Release Rate) akibat reaksi kimia pembakaran.

d. Idealisasi Model Turbulensi dan Kinetika Kimia Turbulensi diidealisasikan menggunakan model Renormalization Group (RNG) k-epsilon. Model ini sangat unggul dan direkomendasikan secara teoretis untuk menangani aliran dengan regangan tinggi dan pusaran (swirl) yang kuat di dalam silinder mesin. Untuk kinetika kimia, komposisi bahan bakar disederhanakan menggunakan mekanisme reaksi kimia yang direduksi (reduced chemical mechanism). Diesel diwakili oleh senyawa N-Heptana (C7H16) untuk memicu penyalaan otomatis (auto-ignition), dan Gas Alam diwakili secara dominan oleh senyawa Metana (CH4).

2. Instruksi (Set)

Langkah-langkah instruksi prosedural disusun dengan runut untuk memastikan replikabilitas simulasi, meminimalisasi galat numerik, dan memastikan validitas dari hasil komputasional. Instruksi ini memandu pengaturan parameter dari tahap pra-pemrosesan hingga eksekusi program.

Langkah 1: Persiapan Domain dan Meshing

1. Memasukkan geometri profil mangkuk piston (piston bowl) ke dalam perangkat lunak simulasi.
2. Membuat jaring dasar (base mesh) berukuran heksahedral.
3. Menerapkan fitur penghalusan jaring adaptif (Adaptive Mesh Refinement). Perangkat lunak diinstruksikan untuk secara otomatis membelah elemen jaring menjadi lebih kecil pada area yang memiliki perbedaan suhu dan kecepatan yang tajam (seperti pada lintasan semprotan injektor dan pergerakan api). Hal ini bertujuan untuk menangkap perubahan fisik secara presisi tanpa membebani memori komputer secara berlebihan.

Langkah 2: Pendefinisian Syarat Batas (Boundary Conditions) dan Kondisi Awal (Initial Conditions)

1. Kondisi Awal (pada saat IVC): Memasukkan nilai tekanan silinder awal, suhu campuran awal, dan persentase massa gas metana serta oksigen berdasarkan rasio campuran (equivalence ratio) bahan bakar udara yang diinginkan.
2. Kondisi Batas Termal:

• Menetapkan suhu Kepala Silinder (Cylinder Head) pada kisaran 500 Kelvin.
• Menetapkan suhu Dinding Silinder (Cylinder Liner) pada kisaran 450 Kelvin.
• Menetapkan suhu Permukaan Piston (Piston Crown) pada kisaran 550 Kelvin. (Suhu batas ini diatur konstan dengan asumsi bahwa perpindahan panas pada dinding logam mesin telah mencapai kondisi tunak atau steady-state).

Langkah 3: Konfigurasi Model Injeksi Semprotan (Spray Model)

1. Mendefinisikan koordinat titik pusat lubang nosel (X, Y, Z), ukuran diameter lubang, dan sudut sebaran semprotan (spray angle).
2. Menerapkan model perpecahan tetesan bahan bakar (droplet breakup) menggunakan pendekatan Kelvin-Helmholtz dan Rayleigh-Taylor (KH-RT). Pendekatan ini menyimulasikan bagaimana cairan diesel bertekanan tinggi terpecah menjadi butiran halus akibat gesekan aerodinamis saat berbenturan dengan udara padat di dalam ruang bakar.
3. Menetapkan total massa bahan bakar diesel pilot yang diinjeksikan per satu siklus mesin.
4. Variasi Desain: Mengatur skenario simulasi untuk serangkaian variasi Waktu Injeksi (Injection Timing). Sebagai contoh: Simulasi pertama dijalankan dengan awal injeksi pada 15 derajat Sebelum Titik Mati Atas (BTDC), simulasi kedua pada 10 derajat BTDC, dan simulasi ketiga pada 5 derajat BTDC.

Langkah 4: Pengaturan Penyelesai Numerik (Solver) dan Langkah Waktu (Time-Step)

1. Menginstruksikan solver untuk berjalan menggunakan integrasi waktu transien, di mana perhitungan berubah seiring bergeraknya sudut engkol.
2. Mengatur ukuran langkah waktu adaptif (adaptive time-step) yang dibatasi oleh nilai batas bilangan Courant (CFL). Nilai CFL diatur secara ketat agar kurang dari angka 1. Hal ini memastikan bahwa pergerakan aliran fluida tidak pernah melompati lebih dari satu elemen jaring komputasi dalam satu langkah waktu, sehingga mencegah terjadinya kegagalan konvergensi atau eror perhitungan (floating point exception).

Langkah 5: Verifikasi dan Validasi Solusi

1. Verifikasi Numerik: Melakukan Uji Kemandirian Jaring (Grid Independence Test). Satu simulasi dasar dijalankan berulang menggunakan tiga tingkat kepadatan jaring yang berbeda (kasar, sedang, halus). Jika penggunaan jaring yang sangat halus tidak lagi mengubah hasil kurva tekanan silinder, maka hasil simulasi telah terbebas dari kesalahan yang diakibatkan oleh ukuran elemen komputasi.
2. Validasi Fisik: Membandingkan kurva Tekanan Silinder terhadap Derajat Sudut Engkol dari hasil komputasi dengan data eksperimen fisik dari literatur yang relevan atau dokumen uji pabrikan (shop test data). Apabila bentuk kurva dan nilai tekanan puncak berkesesuaian dengan margin selisih di bawah 5 persen, maka model komputasi ini dinyatakan valid dan sah untuk digunakan dalam menganalisis data yang lebih kompleks seperti profil pembentukan emisi gas buang.

Langkah 6: Eksekusi Iteratif Menjalankan simulasi secara iteratif untuk seluruh variasi skenario waktu injeksi. Selama proses berjalan, nilai toleransi galat (residual) untuk massa, momentum, energi kinetik turbulensi, dan entalpi dipantau secara langsung. Proses dianggap berhasil dan konvergen apabila garis residual tersebut turun secara konsisten di bawah nilai toleransi 0.0001, mencerminkan akurasi dan stabilitas tertinggi dari prosedur penyelesaian numerik yang dilakukan.