Performa aerodinamika dari masing-masing konfigurasi heatsink dievaluasi melalui simulasi transien tiga dimensi menggunakan model turbulensi k-ฯ SST. Analisis terhadap perilaku aliran udara ini menjadi parameter yang sangat krusial, mengingat nilai koefisien perpindahan panas konvektif (h) secara langsung dikontrol oleh gradien kecepatan dan gangguan mekanis pada lapisan batas termal (thermal boundary layer) di sekitar permukaan sirip.
1. Distribusi Spasial Aliran dan Analisis Pola Kontur Kecepatan
Gambar 1. Velocity Contour
Karakteristik medan aliran lokal yang terbentuk di sela-sela sirip heatsink dapat diamati melalui visualisasi kontur kecepatan pada Gambar 1. Berdasarkan visualisasi tersebut, perilaku aliran pada ketiga geometri memiliki perbedaan fisis yang signifikan:
- Sirip Sejajar / Parallel Fins (PAR): Konfigurasi PAR menunjukkan medan aliran yang sangat terstratifikasi. Inti aliran berkecepatan tinggi hanya terkonsentrasi pada saluran utama bagian bawah. Sebaliknya, pergerakan udara di dalam celah longitudinal antar-sirip cenderung sangat lambat. Hal ini mengindikasikan bahwa orientasi sirip yang lurus vertikal menciptakan zona momentum rendah yang stabil, sehingga kurang efektif untuk pembuangan panas secara agresif.
- Sirip Tulang Daun / Leaf Vein Fins (LV): Pola biomimikri herringbone pada konfigurasi LV terbukti menginduksi penetrasi aliran utama yang lebih efektif ke dalam susunan sirip. Zona aliran aktif terlihat bergeser lebih tinggi masuk ke dalam struktur heatsink jika dibandingkan dengan desain PAR. Pola cabang miring ini berhasil memperkecil volume udara yang tertahan (stagnant air) dan menciptakan interaksi fluida-ke-permukaan yang lebih dinamis.
- Sirip Tulang Daun Berbentuk T / Leaf Vein T-Shaped Fins (LVT): Konfigurasi LVT menampilkan profil kecepatan yang paling dinamis. Integrasi penampang sayap horizontal (T-caps) menciptakan penyempitan geometris (geometric constriction) yang memperkecil celah kelonggaran keluar udara. Penyempitan ini memicu akselerasi lokal yang masif pada udara apung (buoyant air), menghasilkan titik-titik aliran berkecepatan tinggi di sekitar bodi T-caps. Aliran yang terakselerasi di bawah dan di sekitar struktur T ini memberikan energi kinetik yang besar untuk melakukan pengelupasan lapisan termal (heat stripping) pada ujung terjauh sirip.
2. Karakteristik Kualitatif Medan Aliran dan Dinamika Streamline
Gambar 2. Streamlines
Visualisasi garis aliran (streamlines) pada Gambar 2 memperlihatkan lintasan fluida dan pembentukan struktur turbulensi yang berperan penting dalam merusak lapisan batas:
Streamlines PAR
Medan aliran pada sirip PAR didominasi oleh zona sirkulasi balik (recirculation zones) atau vorteks primer yang besar dan stabil di dalam ruang antar-sirip. Meskipun vorteks ini memicu pencampuran internal, pusaran yang statis tersebut justru menjebak udara yang telah panas di dalam celah, sehingga mempertebal lapisan batas termal dan menurunkan bilangan Nusselt (Nu) lokal.
Streamlines LV
Konfigurasi LV menunjukkan tingkat pencampuran lateral (lateral mixing) yang lebih tinggi. Sekat miring pada sirip memaksa udara yang bergerak ke atas untuk berputar dan berbelok secara lateral. Gangguan arah ini memotong kontinuitas pertumbuhan lapisan batas termal yang biasanya berkembang bebas pada saluran lurus. Perturbasi lateral ini memfasilitasi pertukaran massa udara secara kontinu antara udara dingin di pusat celah dan udara yang berkontak langsung dengan permukaan logam sirip.
Streamlines LVT
Garis aliran pada model LVT memperlihatkan kompleksitas dan intensitas turbulensi tertinggi. Lengan horizontal T-caps bertindak sebagai penghalang fisik mikro (miniature physical obstacles) yang menginduksi pemisahan aliran skala kecil (micro-scale flow separation) dan pelepasan pusaran (vortex shedding) di ujung sirip. Saat fluida dipaksa melewati celah yang menyempit, streamlines membentuk pusaran-pusaran turbulen lokal (turbulent eddies) yang intens di sekeliling struktur T-cap. Eddies ini secara aktif “mengupas” lapisan isolasi termal pada ujung disipasi sirip, yang umumnya menjadi area yang paling sulit didinginkan pada arsitektur heatsink standar.
3. Sintesis Aerodinamika dan Korelasi Perpindahan Panas
Secara keseluruhan, sintesis terhadap performa aerodinamika ini mengungkap bahwa meskipun konfigurasi paralel (PAR) memberikan hambatan gesek terendah terhadap aliran fluida, sistem tersebut terhambat oleh masalah stagnasi udara yang masif. Desain Leaf Vein (LV) mampu memperbaiki pencampuran udara melalui pengalihan arah aliran secara lateral.
Namun, hanya konfigurasi Leaf Vein T-Shaped (LVT) yang sukses memanfaatkan kombinasi percabangan biomimikri dan bifurkasi berbentuk T untuk mengubah lingkungan pendinginan pasif yang lambat menjadi mekanisme pengelupasan panas yang dinamis.
Munculnya lonjakan kecepatan lokal yang ekstrem berkombinasi dengan pelepasan vorteks (vortex shedding) yang intens pada struktur T-caps mengonfirmasi hipotesis utama penelitian. Geometri LVT berhasil memaksimalkan nilai koefisien perpindahan panas konvektif (h) dengan memastikan bahwa aliran udara turbulen berkecepatan tinggi secara konsisten menyapu zona disipasi paling kritis pada sisi belakang panel PV. Konfigurasi LVT diproyeksikan akan menghasilkan distribusi temperatur yang paling seragam serta penguatan efisiensi elektrikal tertinggi di antara seluruh model yang diuji.
