Penerapan Computational Fluid Dynamics (CFD) dalam industri

Perkembangan ilmu dan teknologi analisis mekanika fluida menggunakan metode Computational Fluid Dynamics (CFD) yang begitu pesat membuat metode ini menjadi trend di berbagai industri, baik untuk riset teoritis, desain ataupun kepentingan presentasi ide baru pada klien. (untuk mengenal apa itu CFD secara umum, klik disini).

Dilihat dari sejarahnya, CFD lahir dan berkembang pada dunia industri dirgantara, seperti dikutip dari MIT press tahun 1989 sebagai berikut:

“Pada akhir tahun 1970an, pendekatan ini (penggunaan superkomputer untuk menyelesaikan persamaan aerodinamika) mulai terbayarkan. Kesuksesan awal ditunjukkan oleh eksperimen yang dilakukan oleh NASA pada pesawatnya yang dinamai HiMAT (highly manuverable Aircraft Technology), yang didesain dan diuji untuk manuverabilitas yang tinggi untuk pesawat tempur generasi selanjutnya. Pengujian wind tunnel sebagai alat untuk desain mula (preliminary design) dari HiMAT menunjukkan bahwa desain tersebut memiliki gaya hambat yang melebihi batas pada kecepatan mendekati kecepatan suara; jika dilakukan pembuatan prototipe, pesawat tersebut tidak akan menghasilkan data yang berguna. Biaya untuk redesign-nya pada uji wind tunnel selanjutnya membutuhkan sekitar $150.000 dan akan membuat proyek tersebut tertunda sangat lama. Alih-alih menggunakan wind tunnel, sayap pesawat tersebut didesain ulang menggunakan bantuan komputer (CFD) dengan biaya sekitar $6.000″ [1].

Dapat anda bayangkan pengurangan biaya yang sangat luar biasa pada saat itu. Terlebih lagi, sebagaimana kita ketahui, biaya dari komputer dan komputasi pada masa itu dan masa kini sangatlah signifikan sehingga seberapa banyak penghematan yang dapat dilakukan menggunakan metode CFD. Hal inilah yang melatarbelakangi trend penggunaan software-software CFD pada berbagai industri. Berikut adalah beberapa contoh bidang industri yang memanfaatkan bantuan software CFD:

  1. Industri dirgantara

Analisa CFD pada dunia dirgantara tidak melulu masalah performa sayap untuk menentukan gaya angkat dan gaya hambar. Berikut adalah salah satu contoh project analisis udara pendingin pada sekitar mesin pada pesawat UAV wulung milik PT. Dirgantara Indonesia untuk mengetahui desain penutup engine (nacele). Penggunaan nacele akan membuat gaya hambat berkurang, namun disisi lain akan mengurangi performa pendinginan dan mengurangi kapasitas udara yang masuk untuk proses pembakaran. Metode CFD adalah metode yang ideal untuk membuat desain nacele yang optimal tanpa harus uji lapangan berkali-kali.

Kemudian, untuk rezim aliran berkecepatan sangat tinggi jauh diatas kecepatan suara, misalkan untuk desain roket atau proyektil, pemanasan pada dinding akan sangat mendominasi aliran, sehingga pengujian menggunakan wind tunnel akan membutuhkan perangkat yang sangat kuat dan daya fan yang sangat besar. Menggunakan CFD hal tersebut dapat diatasi.

2. Maritim

Salah satu ilmu yang sudah sangat tua di bidang mekanika fluida adalah maritim, namun masih cukup banyak topik-topik yang menjadi misteri dalam industri ini karena kompleksitas interaksi air dan udara serta ombak (free surface) yang tentu saja hal ini dapat dimodelkan menggunakan metode CFD.

Contoh analisis CFD yang cukup sering dilakukan adalah analisis performa propeller. Analisis performa propeller tidak hanya menghitung gaya dorong yang dihasilkan, namun dapat juga digunakan untuk menganalisis kavitasi (munculnya gelembung karena tekanan yang rendah). Hal ini sangatlah penting, tidak hanya akan menurunkan gaya dorong, kavitasi juga meninmbulkan kebisingan yang sangat merugikan pada penggunaan kapal selam.

 

3. Otomotif

Industri otomotif adalah industri yang sangat kompetitif untuk menghasilkan produk-produk dengan produksi semurah mungkin (untuk produk-produk massal) namun tetap mempertahankan performanya. Oleh karena itu, analisis performa produk sebelum proses manufaktur merupakan hal yang sangat vital dalam industri ini. Berikut adalah contoh analisis impeller turbocharger dan interaksinya dengan volute untuk memperoleh konfigurasi yang paling optimal.

Selain untuk analisa performa, CFD juga dapat digunakan untuk analisis kebisingan misalkan untuk desain mufler (knalpot) .

4. Proses

Dalam industri proses, misalkan pembuatan bahan kimia, desain mula dari suatu sistem haruslah terencana dengan baik sebelum eksekusi dilakukan. Tidak hanya interaksi aliran fluida, dalam industri ini sering kali ditemui interaksi partikel-partikel padat atau reaksi kimia. Software-software CFD yang berkembang pesat belakangan ini sudah mampu memodelkan reaksi kimia bahkan pembakaran untuk mengoptimalkan sistem yang akan anda rancang.

Desain ejektor menggunakan CFD juga merupakan kasus yang umum dalam dunia industri proses. perhitungan yang salah akan mengakibatkan kerugian redesign yang cukup besar.

5. Konstruksi

Tidak hanya berkutat pada analisis kekuatan dan defleksi struktur, beban angin yang menghempas pada suatu struktur juga penting untuk dipertimbangkan. Seperti kasus yang terjadi pada tachoma bridge yang bergoyang hebat hingga runtuh diakibatkan oleh hembusan angin yang dianggap pelan namun ternyata memiliki karakteristik frekuensi yang sama dengan jembatan sehingga dampak yang diakibatkan luar biasa.

Analisa aliran sekitar bangunan juga sering kali dilakukan untuk keperluan perancanaan wilayah.

6. Energi 

Salah satu sektor industri yang sangat kental dengan analisis mekanika fluida adalah konversi energi. mulai dari turbin gas, turbin angin, turbin angin dan lain sebagainya. Riset menggunakan CFD sangat sering dilakukan untuk menentukan konfigurasi yang optimal berdasarkan interaksi fluida dengan turbin.

Kapabilitas lain yang dimiliki oleh CFD adalah input energi radiasi seperti pada contoh kasus solar collector berikut ini. Tidak hanya mampu diinput energi radiasi, CFD juga memfasilitasi perpindahan kalor antara udara, plat dan pipa logam kemudian ke fluida didalam pipa.

Tentunya masih sangat banyak aplikasi dari CFD bahkan hingga dunia kedokteran dan forensik menggunakan software ini untuk menganalisa fenomena-fenomena yang terjadi.

[1] Paul E. Ceruzzi, National Air and Space Museum, in Beyond the Limits, The MIT Press, 1989.

By: caesar wiratama

Anda membutuhkan konsultasi terkait permasalahan CFD atau FEA? klik disini.

Kami juga memberikan solusi berupa training by-case untuk meningkatkan skill engineer perusahaan anda menggunakan software CFD atau FEA. Selengkapnya klik disini.

Author: admin

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *