Pengenalan Computational Fluid Dynamics (CFD)

Apa yang pertama kali terbayang di benak anda ketika pertama kali mendengar istilah Computational Fluid Dynamics (CFD)? bagi yang baru mulai mempelajari ilmu ini, yang terbayang pertama pada umumnya adalah distribusi tekanan, kecepatan atau pola aliran yang colorfull sehingga keren untuk dijadikan bahan riset/desain/presentasi.

Anggapan tersebut tidak sepenuhnya salah, namun hal itu hanyalah sebagian kecil dari dunia CFD yaitu pada saat pengambilan data akhir (post processing). Pada artikel ini kita akan membahas secara lebih mendalam “seni” computational fluid dynamics.

Sebelum membahas hal tersebut, pertama-tama kita harus memahami prinsip dasar dari fenomena aliran fluida itu sendiri. Aliran fluida diatur oleh tiga hukum dasar yaitu:

(1) Hukum kekekalan massa

(2) Hukum kedua newton (gaya = massa x percepatan), atau kekekalan momentum

(3) Hukum kekekalan energi

Tiga hukum dasar fluida (atau alam semesta secara umum) tersebut secara umum di ekspresikan dalam bentuk persamaan matematika, yang mana berbentuk persamaan integral atau diferensial parsial yang cenderung rumit dan sulit untuk diselesaikan secara analitis bahkan oleh komputer canggih sekalipun. Faktanya, algoritma komputer hanya dapat menyelesaikan persamaan-persamaan aljabar seperti pertambahan dan pengurangan.

Dari masalah tersebutlah muncul ide untuk menguraikan persamaan-persamaan integral dan diferensial parsial tersebut menjadi persamaan-persamaan disktrit yang bisa diselesaikan oleh komputer.

Secara definisi, Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah seni untuk menggantikan persamaan-persamaan integral dan diferensial parsial menjadi persamaan aljabar diskrit, yang mana untuk kemudian dapat diselesaikan untuk memperoleh solusi berupa angka-angka nilai aliran pada titik-titik diskrit ruang dan waktu [1].

Gambar dibawah ini mengilustrasikan persamaan-persamaan dasar (governing equations) fluida dalam bentuk integral dan diferensial diuraikan menjadi bentuk aljabar diskrit (tambah, kurang, kali, bagi) yang memungkinkan untuk diselesaikan komputer.

Bagi yang sudah sering “bermain” dengan persamaan-persamaan integral dan diferensial, pasti akan memahami betul bagaimana persamaan-persamaan ini sangat “mengintimidasi” bahkan untuk kasus yang sederhana sekalipun, misalkan aliran dalam pipa atau aliran diatas plat sederhana. Bisa anda bayangkan ketika aliran sederhana tersebut diberikan gangguan misalkan diberikan sebuah object di tengahnya. Persamaan diferensial parsial dan integral akan menjadi sangat panjang untuk dijabarkan bahkan tidak mungkin untuk ditemukan solusinya.

Namun apakah dengan menguraikan persamaan integral dan diferensial parsial tersebut menjadi persamaan aljabar akan mempermudah untuk menuju ke solusi? Jawabanya adalah tidak, bahkan hal tersebut menjadi hal yang lebih mengintimidasi bagi “manusia”, persamaan akan menjadi sangat panjang dan berupa matriks-matriks yang kompleks bahkan untuk kasus sederhana. Namun kita harus ingat, meskipun komputer hanya dapat menyelesaikan persamaan aljabar, namun komputer memiliki kelebihan dibandingkan manusia, yaitu kecepatanya dalam menghitung sangatlah tinggi menjadikan kita mudah untuk memperoleh solusi aliran yang kompleks sekalipun dengan bantuan komputer.

Saat ini, perkembangan teknologi CFD banyak dimanfaatkan sebagai pelengkap data eksperimen murni dan teori murni, atau dengan kata lain menghubungkan dunia eksperimen dan teori. CFD biasa digunakan untuk membantu mengintepretasikan dan memahami hasil teori dan eksperimen, begitu juga sebaliknya. Selain fungsi riset, alat CFD juga menjadi trend dalam dunia desain engineering karena kemudahan dan fleksibilitasnya untuk menemukan trend hubungan parameter satu dengan parameter lainya, sebagai contoh kasus desain impeller dengan variasi sudut dibawah ini:

bisa anda bayangkan jika proses riset diatas dilakukan menggunakan metode eksperimen murni? akan sangat memakan biaya tentunya. Dengan bantuan software CAD dan CFD, hal diatas dapat dilakukan dengan hanya duduk di depan komputer.

Keunggulan lain dari metode CFD adalah pengambilan data pada lokasi tertentu dan waktu tertentu tanpa instrumen yang rumit dan mengganggu pola aliran. Anda dapat perhatikan gambar pesawat tempur Chengdu J-10 pada ilustrasi awal artikel ini. Pada bagian sayapnya muncul pola aliran yang unik dan membentuk pusaran yang dikenal dengan istilah vortex core. Fakta dilapangan menunjukkan sulitnya “memunculkan” vortex core tersebut menggunakan wind tunnel atau water tunnel karena sifatnya yang sangat sensitif, sehingga akan sangat sulit untuk diukur bahkan diamati. Menggunakan CFD, fenomena tersebut dapat dengan sangat mudah kita amati bahkan kita bisa dengan mudah membuat grafik kecepatan atau tekanan didalam garis vortex core tersebut tanpa mengganggu pola aliran bahkan pada kejadian dengan waktu yang sangat singkat.

[1] Anderson, J.D. Jr. 1995. Computational Fluid Dynamics: The basics with applications. McGraw-Hill International editions. ISBN 0-07-113210-4.

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: Caesar Wiratama

caesar@aeroengineering.co.id
0815-4806-5205

Leave a Reply

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