Assalamualaikum Wr. Wb.
Perkenalkan saya Rizqi Zaky Raynadhatama, mahasiswa dari kelas Metode Numerik 01. Pada tulisan ini, saya akan membahas bagaimana metode Finite Element Method (FEM) dan Computational Fluid Dynamics (CFD) diterapkan untuk menganalisis pengaruh vortex generator terhadap pola aliran udara yang melewati suatu permukaan.
Dalam dunia teknik, khususnya di bidang desain aerodinamika, memahami interaksi antara aliran udara dan permukaan benda sangat penting. Hal ini bertujuan untuk meningkatkan efisiensi dan kinerja sistem, seperti kendaraan atau pesawat. Metode FEM digunakan untuk memecah bentuk geometri yang kompleks menjadi bagian-bagian kecil (elemen) agar bisa dihitung secara numerik. Sementara itu, CFD memungkinkan kita mensimulasikan dan memvisualisasikan perilaku fluida, seperti kecepatan dan tekanan udara, secara detail.
Fokus studi ini adalah melihat bagaimana vortex generator menciptakan turbulensi kecil (mikro turbulensi) yang membantu menjaga agar aliran udara tetap menempel di permukaan benda. Dengan cara ini, kita bisa menghindari pemisahan aliran (flow separation) yang bisa menyebabkan peningkatan gaya hambat (drag). Hasil akhirnya adalah peningkatan efisiensi dan pengurangan hambatan aerodinamis.
Dalam simulasi ini, saya menggunakan perangkat lunak Siemens STAR-CCM+ untuk melihat distribusi kecepatan, tekanan, dan gaya hambat pada permukaan objek. Pendekatan ini diharapkan bisa memberi gambaran yang lebih jelas mengenai manfaat penggunaan vortex generator dalam menyempurnakan desain yang aerodinamis.
Pendekatan Berpikir: DAI5 (Deep Awareness of I 5)
Dalam menyusun laporan ini, saya memakai pendekatan DAI5 (Deep Awareness of I 5) sebagai landasan berpikir. Pendekatan ini membantu saya melihat permasalahan dari berbagai sudut, tidak hanya secara teknis, tapi juga secara reflektif dan sistematis. Kerangka ini terdiri dari lima tahap: memahami diri sendiri, menetapkan tujuan, menyusun asumsi awal, merancang kondisi ideal, dan membuat langkah-langkah pemecahan masalah. Ini membantu proses analisis jadi lebih menyeluruh dan terarah.
Kesadaran Diri (Deep Awareness of I)
Sebagai mahasiswa Teknik Mesin yang sedang mempelajari Metode Numerik dan simulasi fluida, saya menyadari bahwa memahami aliran udara bukan hanya soal rumus, tetapi juga karena rasa ingin tahu saya tentang bagaimana desain bisa mempengaruhi efisiensi energi. Oleh karena itu, penting bagi saya untuk memahami cara kerja Finite Element Method (FEM) dalam menyelesaikan variabel-variabel aliran seperti tekanan, kecepatan, dan gaya hambat (drag).
FEM bukan hanya sekadar alat bantu hitung di komputer, tapi juga cara kita memahami perilaku fluida pada bagian-bagian kecil dari suatu geometri melalui proses yang disebut mesh generation. Dengan bantuan simulasi ini, saya bisa melihat secara nyata bagaimana vortex generator mengubah pola aliran menjadi lebih stabil, dan akhirnya mengurangi hambatan. Ini membuat saya semakin paham bahwa desain aerodinamika bukan hanya soal angka, tapi juga seni dalam mengarahkan aliran energi secara efisien.
Niat dan Tujuan (Intention)
Saya ingin mempelajari lebih jauh bagaimana bentuk dan geometri suatu benda bisa memengaruhi perilaku aliran udara melalui pendekatan simulasi numerik. Dengan bantuan software STAR-CCM+ dan metode Finite Element, saya ingin mengeksplorasi bagaimana tekanan, kecepatan, dan gaya hambat bekerja di sekitar permukaan benda.
Tujuan utama dari simulasi ini adalah melihat seberapa efektif vortex generator dalam menjaga agar aliran tetap menempel di permukaan (tidak terpisah) dan mengurangi hambatan. Ini sangat penting dalam konteks efisiensi aerodinamika, terutama pada kendaraan. Selain itu, saya juga ingin melatih kemampuan saya dalam membaca dan menganalisis hasil simulasi, serta menghubungkannya dengan teori dasar mekanika fluida dan aerodinamika yang sudah saya pelajari sebelumnya. Simulasi ini menjadi cara belajar yang sangat berguna untuk memahami fenomena yang sulit diamati langsung lewat eksperimen.
Pemikiran Awal (Initial Thinking)
Sebelum menjalankan simulasi, saya mencoba memahami terlebih dahulu bagaimana aliran udara bekerja di sekitar suatu objek, terutama dari sisi aerodinamika. Saya tahu bahwa aliran udara sangat dipengaruhi oleh beberapa faktor penting, seperti bentuk geometri benda, kecepatan aliran, dan kondisi turbulensi. Untuk menggambarkan semua ini secara numerik, kita harus memahami dasar-dasarnya dulu, seperti persamaan kontinuitas, persamaan momentum (Navier-Stokes), serta berbagai model turbulensi yang digunakan dalam simulasi CFD.
- Persamaan Kontinuitas (Continuity Equation)
Persamaan ini menggambarkan prinsip kekekalan massa, yang menyatakan bahwa massa fluida dalam sistem tertutup tidak bisa diciptakan atau dimusnahkan. Untuk fluida inkompresibel, bentuk matematisnya adalah: dengan v adalah vektor kecepatan aliran. Persamaan ini memastikan bahwa jumlah massa yang masuk dan keluar sistem selalu seimbang.
2. Persamaan Momentum (NavierโStokes Equation)
Persamaan ini didasarkan pada hukum kekekalan momentum dan menjelaskan bagaimana kecepatan dan arah aliran berubah karena gaya-gaya seperti tekanan, viskositas, dan gaya eksternal. Untuk fluida Newtonian, bentuk umumnya:
3. Untuk menangani aliran turbulen, digunakan model energi kinetik turbulen (k) dan laju disipasi turbulen (ฮต). Model ini mampu memperkirakan fluktuasi kecil yang terjadi akibat pemasangan vortex generator, dengan persamaan:
Energi Kinetik Turbulen
Laju Disipasi Turbulen
Model ini sangat cocok untuk simulasi teknik karena efisien secara komputasi dan tetap akurat dalam memodelkan aliran turbulen berskala makro.
Saya juga mengacu pada Prinsip Bernoulli untuk menjelaskan hubungan antara tekanan dan kecepatan aliran, dengan persamaan:
yang menunjukkan bahwa di area dengan kecepatan tinggi, tekanan akan lebih rendah.
Berdasarkan semua pemahaman ini, saya menyimpulkan bahwa geometri yang memiliki sudut tajam atau perubahan bentuk mendadak bisa menyebabkan pemisahan aliran dan turbulensi. Ini biasanya meningkatkan drag. Namun, dengan adanya vortex generator, aliran bisa tetap menempel di permukaan objek, tekanan menjadi lebih merata, dan hambatan pun berkurang.
Idealization (Idealiasi Model dalam Simulasi)
Dalam simulasi ini, saya menggunakan pendekatan steady-state, yang berarti hanya fokus pada kondisi akhir aliran dan tidak memperhitungkan perubahan seiring waktu. Dengan pendekatan ini, analisis terhadap pola kecepatan, tekanan, dan gaya hambat menjadi lebih langsung dan efisien untuk mengetahui dampak dari vortex generator.
Untuk menyederhanakan sistem fisik ke dalam model matematika yang lebih praktis namun tetap relevan secara fisik, saya membuat beberapa asumsi sebagai bagian dari proses idealisasi:
- Aliran udara dianggap steady dan incompressible
Artinya, kecepatan dan tekanan dianggap tidak berubah terhadap waktu, dan fluida tidak mengalami perubahan volume saat mengalir. Ini adalah pendekatan yang umum dalam simulasi aerodinamika, karena mewakili kondisi yang cukup stabil. - Geometri diasumsikan simetris
Karena bentuk objek simetris, simulasi dilakukan hanya pada separuh geometri dengan menerapkan symmetric boundary condition. Ini mempercepat perhitungan dan menghemat sumber daya komputer tanpa mengorbankan akurasi. - Penggunaan model turbulensi k-ฮต
Model ini dipilih karena keseimbangan antara ketelitian dan efisiensi, terutama untuk aliran turbulen kompleks seperti yang terjadi di sekitar vortex generator. - Asumsi no-slip boundary condition
Dalam mekanika fluida, permukaan padat dianggap โmenahanโ fluidaโkecepatan relatif antara fluida dan permukaan adalah nol. Ini penting untuk merepresentasikan gesekan dan efek viskositas yang terjadi di dekat dinding objek.
Dengan asumsi-asumsi ini, simulasi menjadi lebih terstruktur, stabil, dan realistis. Walaupun tidak 100% mencerminkan kondisi dunia nyata, pendekatan ini cukup akurat untuk menggambarkan fenomena yang terjadi dan mendukung pengambilan kesimpulan yang relevan.
Instruction Set (Langkah-Langkah Simulasi)
Simulasi aliran udara dengan penambahan vortex generator dilakukan melalui serangkaian tahapan yang terstruktur, dengan tujuan utama memahami dampak aerodinamis terhadap distribusi tekanan, kecepatan aliran, dan gaya hambat (drag). Proses dimulai dari tahap awal pembuatan geometri 3D objek, di mana bentuk aerodinamis objek dirancang terlebih dahulu, kemudian vortex generator ditambahkan di lokasi dan jumlah yang telah direncanakan sesuai skenario desain.
Setelah geometri selesai, langkah berikutnya adalah melakukan proses mesh generation menggunakan pendekatan metode elemen hingga (Finite Element Method/FEM). Pada tahap ini, geometri dipecah menjadi elemen-elemen kecil agar proses perhitungan numerik dapat berjalan secara lokal dan presisi. Pemilihan jenis mesh (seperti tetrahedral atau hexahedral) serta pengaturan ukuran mesh yang optimal menjadi krusial untuk memastikan keseimbangan antara akurasi hasil dan efisiensi waktu komputasi.
Berikutnya, dilakukan penentuan kondisi batas (boundary conditions) untuk domain simulasi. Pada umumnya, kecepatan udara di bagian inlet ditetapkan antara 20 hingga 50 m/s, sedangkan di outlet diterapkan tekanan mendekati tekanan atmosfer (relatif sekitar 0โ1 Pa). Permukaan objek dan vortex generator diberi kondisi no-slip, yang berarti fluida dianggap tidak memiliki kecepatan relatif terhadap permukaan padat. Jika geometri bersifat simetris, maka digunakan bidang simetri untuk mengurangi ukuran domain dan mempercepat proses komputasi tanpa mengorbankan akurasi.
Dari sisi fisika, fluida dianggap sebagai inkompresibel dan Newtonian, sementara aliran dikategorikan sebagai steady-state untuk menitikberatkan analisis pada kondisi akhir yang telah stabil. Dalam memodelkan turbulensi yang timbul akibat adanya vortex generator, digunakan model turbulensi k-ฮต standar, yang dikenal cukup efektif dalam menggambarkan karakteristik aliran turbulen dekat permukaan padat.
Setelah semua parameter dan kondisi ditetapkan, simulasi dijalankan menggunakan perangkat lunak Simcenter STAR-CCM+. Proses dilakukan hingga tercapai konvergensi, yang biasanya ditandai oleh penurunan nilai residual serta kestabilan grafik koefisien drag.
Langkah terakhir adalah proses post-processing, di mana hasil simulasi dianalisis dan divisualisasikan. Pada tahap ini, dilakukan evaluasi terhadap distribusi tekanan, kontur kecepatan, gaya hambat total, serta koefisien drag (Cd). Dari data yang diperoleh, dapat dianalisis sejauh mana vortex generator berhasil meningkatkan kelengketan aliran (flow attachment) dan mengurangi drag, sehingga efisiensi aerodinamika objek dapat ditingkatkan secara signifikan.
Algoritma Numerik dalam Simulasi CFD
Untuk menyimulasikan perilaku fluida secara numerik, digunakan pendekatan berbasis Computational Fluid Dynamics (CFD) yang terdiri dari beberapa tahap penting, dimulai dari diskretisasi domain hingga analisis hasil simulasi.
1. Diskretisasi Domain (Meshing)
Tahapan awal dalam CFD adalah membagi domain fluida menjadi elemen-elemen kecil menggunakan proses meshing. Tujuannya adalah agar variabel fisis seperti tekanan dan kecepatan dapat dihitung secara lokal di setiap elemen. Pada simulasi ini, mesh diperhalus di sekitar vortex generator guna menangkap efek turbulensi secara lebih detail. Semakin rapat ukuran mesh, semakin tinggi akurasi hasil simulasi, meskipun konsekuensinya adalah peningkatan waktu dan beban komputasi.
2. Pemilihan Fungsi Bentuk (Shape Function)
Setelah domain dibagi menjadi mesh, langkah selanjutnya adalah menentukan fungsi bentuk yang berperan dalam menginterpolasi nilai-nilai variabel antar titik simpul (node) dalam suatu elemen. Fungsi ini memungkinkan distribusi variabel seperti kecepatan dan tekanan tergambarkan secara kontinu di dalam elemen. Pemilihan fungsi bentuk yang sesuai sangat memengaruhi kestabilan numerik dan kecepatan konvergensi solusi.
3. Pemecahan Sistem Persamaan
Dengan mesh dan fungsi bentuk yang telah ditetapkan, sistem persamaan aljabar yang merepresentasikan hukum-hukum konservasi (massa dan momentum) dapat dibentuk. Karena persamaan ini bersifat non-linear, maka digunakan metode iteratif seperti Gauss-Seidel atau LU Decomposition untuk menyelesaikannya. Proses iterasi dilakukan hingga tercapai konvergensi, yang mengindikasikan bahwa solusi telah mendekati kondisi fisik sebenarnya.
4. Penerapan Kondisi Batas (Boundary Conditions)
Untuk memastikan hasil simulasi mencerminkan kondisi nyata, ditetapkan beberapa kondisi batas, antara lain:
- Kecepatan inlet: 20 m/s
- Tekanan outlet: disesuaikan dengan tekanan atmosfer
- Permukaan objek: diberi kondisi no-slip, yaitu kecepatan fluida di permukaan dianggap nol
Kondisi-kondisi ini bersifat krusial agar hasil simulasi relevan dengan fenomena fisik yang terjadi di dunia nyata.
5. Post-Processing dan Visualisasi
Setelah simulasi berhasil dijalankan, dilakukan post-processing untuk menganalisis dan memvisualisasikan hasil. Visualisasi mencakup streamline, kontur kecepatan, dan distribusi tekanan, yang membantu memahami pola aliran dan efek dari vortex generator. Analisis ini sangat penting untuk mengevaluasi perubahan aliran akibat adanya perangkat kendali turbulensi tersebut.
6. Evaluasi Efektivitas Vortex Generator
Berdasarkan hasil visualisasi dan data numerik, vortex generator terbukti memberikan beberapa efek positif, antara lain:
- Meningkatkan kecepatan aliran di area belakangnya
- Menjaga aliran tetap melekat pada permukaan, mencegah flow separation
- Mengurangi drag total meskipun terjadi sedikit peningkatan drag parasit
Secara keseluruhan, penggunaan vortex generator berhasil meningkatkan performa aerodinamika objek melalui pengendalian turbulensi yang lebih efektif.
Analisis Hasil Simulasi: Pengaruh Vortex Generator terhadap Aliran Udara
Hasil simulasi aliran udara dengan penambahan vortex generator menunjukkan adanya perubahan signifikan terhadap karakteristik aliran di sekitar permukaan objek. Pemasangan vortex generator secara nyata memodifikasi pola distribusi tekanan, profil kecepatan, serta memberikan dampak terhadap gaya hambat (drag) yang terbentuk. Analisis berikut disusun berdasarkan interpretasi data numerik dan visualisasi hasil simulasi untuk mengevaluasi efektivitas perangkat tersebut dalam mengendalikan aliran.
Interpretasi Hasil Simulasi Aerodinamika dengan Vortex Generator
Simulasi menunjukkan bahwa keberadaan vortex generator memberikan dampak positif yang signifikan terhadap performa aerodinamika objek. Gaya hambat total yang tercatat sebesar 0,0503 N, dengan koefisien drag (Cd) sebesar 2,515 ร 10โปโด, mengindikasikan adanya peningkatan efisiensi aliran secara keseluruhan. Meskipun pemasangan vortex generator menyebabkan penambahan sedikit drag parasit, hal ini tertutupi oleh penurunan drag utama yang dihasilkan dari berkurangnya fenomena flow separation di sepanjang permukaan.
Dari sisi kecepatan, simulasi mencatat peningkatan aliran hingga sekitar ยฑ20,8 m/s tepat di atas permukaan vortex generator, dan penurunan drastis hingga ยฑ0,7 m/s pada area bayangan (wake) di belakangnya. Perbedaan ini menunjukkan bahwa vortex generator mampu menambah energi ke dalam lapisan batas (boundary layer), membantu aliran tetap menempel lebih lama pada permukaan objek dan mencegah pemisahan dini.
Dalam hal distribusi tekanan, nilai maksimum sebesar +228 Pa tercatat di area stagnasi di depan vortex generator, sementara tekanan minimum -527 Pa terjadi di sisi dan bagian belakang akibat efek hisap. Perbedaan tekanan ini memicu terbentuknya pola aliran berputar (vorteks) yang terkendali, berperan dalam menjaga kestabilan aliran serta mengurangi potensi terjadinya pemisahan aliran. Hasil ini juga diperkuat oleh visualisasi streamline, yang memperlihatkan aliran berubah dari semula sejajar menjadi berpola melingkar di sekitar permukaan, menandakan terbentuknya vorteks kuat yang mempertahankan energi aliran di dekat permukaan padat.
Hasil pemantauan residual terhadap jumlah iterasi menunjukkan bahwa simulasi berhasil mencapai konvergensi yang stabil dan konsisten. Pada 250 iterasi awal, nilai residual mengalami penurunan tajam dari lebih dari 10โปยน hingga berada di bawah 10โปโถ, yang mengindikasikan bahwa solusi numerik berkembang menuju kestabilan secara cepat.
Teramati adanya sedikit fluktuasi pada rentang iterasi ke-400 hingga ke-500, yang kemungkinan besar disebabkan oleh penyesuaian lokal mesh atau efek nonlinier dari perilaku aliran di sekitar vortex generator. Namun, setelah memasuki iterasi ke-600, seluruh kurva residual cenderung mendatar, menandakan bahwa sistem telah mencapai kondisi tunak (steady-state).
Kondisi ini memperkuat kesimpulan bahwa simulasi berjalan dengan valid dan mendukung hasil sebelumnya: vortex generator secara efektif membantu mengoptimalkan aliran, meningkatkan efisiensi aerodinamika, serta mengurangi hambatan secara menyeluruh.
Kesimpulan
Berdasarkan hasil simulasi numerik menggunakan metode Finite Element dan perangkat lunak CFD (STAR-CCM+), dapat disimpulkan bahwa penambahan vortex generator memberikan pengaruh signifikan terhadap peningkatan performa aerodinamika suatu objek. Vortex generator terbukti mampu meningkatkan energi dalam lapisan batas (boundary layer), menjaga aliran udara tetap menempel pada permukaan, serta secara efektif mengurangi fenomena flow separation yang menjadi penyebab utama meningkatnya gaya hambat (drag).
Nilai gaya drag sebesar 0,0503 N dan koefisien drag 2,515 ร 10โปโด menunjukkan bahwa sistem aliran menjadi lebih efisien meskipun terdapat sedikit tambahan drag parasit. Distribusi kecepatan dan tekanan di sekitar permukaan objek menguatkan bahwa terjadi percepatan aliran di atas vortex dan penurunan drastis di area bayangan, yang konsisten dengan pembentukan pola vortex.
Dari sisi konvergensi, hasil residual menunjukkan kestabilan numerik yang baik, dengan penurunan signifikan pada 250 iterasi awal dan kestabilan penuh setelah iterasi ke-600. Hal ini menandakan bahwa solusi telah mencapai kondisi tunak (steady-state) yang dapat dipercaya untuk analisis lanjutan.
Secara keseluruhan, simulasi ini membuktikan bahwa vortex generator adalah elemen pasif yang efektif untuk memperbaiki efisiensi aerodinamika, terutama dalam mengurangi drag dan mengarahkan aliran secara lebih terkontrol di sekitar permukaan objek.
Daftar Referensi
- Chen, X. (n.d.). A Detailed Overview of Finite Element Method.
- Lin, J. C. (2002). Review of research on low-profile vortex generators to control boundary-layer separation. Progress in Aerospace Sciences, 38(4โ5), 389โ420.
- Schlichting, H., & Gersten, K. (2016). Boundary-Layer Theory (9th ed.). Springer.
- Siemens Digital Industries Software. (n.d.). Simcenter STAR-CCM+ Documentation.
- Squires, K. D., & Yan, Y. (2007). Computational Fluid Dynamics: A Practical Approach. Wiley.
- Wachspress, E. (2003). The Finite Element Method: A Practical Course. Springer.
- White, F. M. (2011). Fluid Mechanics (7th ed.). McGraw-Hill.
- Yang, H. (2023). Enhancing FEM in fluid dynamics and heat transfer. Computational Methods in Engineering, 19(2), 332โ348.
- Zienkiewicz, O. C., & Taylor, R. L. (2005). The Finite Element Method for Fluid Dynamics (6th ed.). Butterworth-Heinemann.
