Assalamualaikum Warahmatullahi Wabarakatuh, Semoga semua dalam keadaan sehat dan dalam lindungan Tuhan.
Saya Ghina Khairani dengan NPM 2306215274, mahasiswa kelas Metode Numerik 03 akan memberikan sharing mengenai penugasan pemahaman mengenai CFD menggunakan software Siemens untuk analisis FEM (Finite Element Method). Pada kesempatan kali ini saya mengambil objek uji berupa vortex generator yang nanti akan dievaluasi dari sisi desain yang berpengaruh kepada aliran yang mengalir melalui serta di sekitar objek tersebut.
Deep Awareness of I
Sebagai seorang mahasiswi teknik mesin, saya menyadari bahwa memahami dinamika fluida dan struktur bukan hanya bagian dari kurikulum tetapi juga sebuah jembatan menuju masa depan saya sebagai engineer dan peneliti yang berkontribusi nyata dalam memecahkan persoalan teknik dan kemanusiaan. Ketertarikan saya pada dunia simulasi numerik, khususnya Finite Element Method (FEM) dan Computational Fluid Dynamics (CFD), muncul dari kesadaran bahwa dunia teknik modern menuntut lebih dari sekadar teori, ia membutuhkan kemampuan untuk mengabstraksikan fenomena nyata ke dalam model numerik yang dapat disimulasikan, dianalisis, dan dimaknai ulang.
Intention
Saya meniatkan diri untuk mempelajari FEM dan CFD bukan hanya untuk menyelesaikan proyek tetapi saya juga ingin menguasai perangkat lunak rekayasa seperti Siemens Simcenter STAR-CCM+ agar kelak saya bisa terlibat dalam riset-riset strategis di bidang aerodinamika, efisiensi energi, atau desain kendaraan masa depan. Saya ingin bisa menjelaskan fenomena fisis secara matematis dan numerik.
Initial Thinking
Pada awal saya akan membahas ulang mengenai apa itu FEM serta CFD.
FEM?
FEM adalah metode numerik yang digunakan untuk menyelesaikan persamaan diferensial parsial (PDEs), terutama dalam analisis struktural, perpindahan panas, getaran, dan medan elektromagnetik
Persamaan Diferensial Parsial (PDE)?
Membagi suatu objek kompleks menjadi elemen elemen kecil atau disebut sebagai meshing. Karena ketika masih berbentuk objek utuh akan sangat kompleks untuk dianalisis langsung dengan rumus biasa
FEM dapat menganalisis tegangan dan deformasi struktur (pesawat, jembatan, mesin), Mengoptimasi desain teknik sebelum prototipe fisik dibuat, serta Mengetahui titik-titik lemah (stress concentration) pada struktur.
Pemanfaatannya untuk menganalisis kekuatan struktur sayap pesawat saat mengalami tekanan udara, Menentukan distribusi gaya akibat tekanan aerodinamis pada permukaan pesawat, serta Digunakan pada simulasi vibrasi turbin, brake disk mobil balap, dan kerangka drone.
CFD?
CFD adalah metode numerik untuk memecahkan dan menganalisis aliran fluida (gas dan cairan) serta interaksinya dengan permukaan padat. CFD menyelesaikan persamaan konservasi massa, momentum (Navier-Stokes), dan energi. Dengan CFD ini dapat disimulasikan bagaimana fluida mengalir di sekitar objek.
Persamaan Navier Stokes
Analisis gaya, tegangan, perpindahan pada suatu struktur
Cara kerjanya CFD dengan membagi objek menjadi elemen mesh, setiap elemen dihitung perubahannya (kecepatan, tekanan, dll) kemudian dilakukan komputasi secara iteratif hingga mencapai kondisi steady state ataupun transient, sehingga bisa divisualisasikan dalam bentuk streamline/kontur kecepatan, vortex
Fungsi & Kegunaannya untuk Memprediksi pola aliran fluida dan distribusi tekanan, Menghitung drag (gaya hambat), lift (gaya angkat), dan gaya lainnya.
Pemanfaatan saat perlu Menganalisis aliran udara di sekitar bodi pesawat untuk mengurangi drag dan meningkatkan efisiensi bahan bakar.
Merancang bentuk mobil agar lebih streamline (mobil F1 atau mobil listrik).
Optimasi bentuk baling-baling turbin angin.
Simulasi aliran udara di ruang kabin pesawat (kenyamanan & sirkulasi udara).
Saya akan menganalisis vortex generator beserta aliran yang melaluinya dengan boundary condition tertentu menggunakan Siemens Star-CCM.
Idealization
Disini saya menganalisis vertex generator yang mana komponen pada permukaan sayap untuk menghasilkan voteks (pusaran kecil), menjaga aliran tetap attached, serta mencegah separation yang dapat meningkatkan efisiensi aerodinamika.
Terdapat beberapa tantangan saat melakukan simulasi CFD seperti simulasi tidak konvergen disebabkan mesh kasar, aliran tidak realistis karena boundary condition yang salah, ataupun simulasi menjadi sangat lambat karena elemen mesh terlalu rapat
Instruction Set
Langkah umum dalam melakukan simulasi CFD menggunakan siemens yang saya rangkum sebagai berikut :
- Geometry Preparation → Mengimpor model 3D yang sudah ada dalam bentuk stl, kemudian membuat domain fluida
- Mesh Generation → Buat elemen mesh kemudian menggunakan local refinement di area wake & leading edge
- Physics Continuum Setup → Pilih model (Gas, Segregated Flow, Steady/Transient, Turbulence)
- Boundary Condition → tetapkan boundary condition, saya menetapkan inlet (20m/s), 0 Pa, no slip
- Solvers & Monitors
- Post Processing → Visualisasi streamlines, pressure contour, velocity magnitude. Kemudian hitung drag dan lift force
Berikut hasilnya
Pada hasil diatas dapat dilihat, warna garis biru dan hijau melambangkan velocity, semakin tinggi velocity nya maka warna gais semakin biru. Pada aliran terdapat wake (pembelokan aliran di belakang objek), terdapat area dengan tekanan tinggi di depan permukaan leading edge, serta tekanan rendah diatas permukaan dan trailing edge sehingga menghasilkan gaya angkat (lift).
Vertex generator berhasil mengarahkan aliran tetap attacher, vortks kecil berhasil dihasilkan, kemudian distribusi tekanan menunjukkan area stagnasi dan suction zone.
