Pengenalan Computational Fluid Dynamics (CFD)

SCROLL KE BAWAH UNTUK MELIHAT DAFTAR ISI TERKAIT CFD

Apa yang pertama kali terbayang di benak anda ketika pertama kali mendengar istilah CFD? Car free day? 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 presentasi dan muncul anekdot CFD = Colorfull Fluid Dynamics.

Sumber gambar: http://www.ccsenet.org/journal/index.php/mas/article/view/72420 [2]

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.

Tiga hukum dasar fluida (kekekalan massa, momentum dan energi) secara umum di ekspresikan dalam bentuk persamaan yang berbentuk persamaan integral atau diferensial parsial yang rumit dan sulit untuk diselesaikan secara analitis. 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.

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]

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

Namun apakah dengan menguraikan persamaan tersebut menjadi persamaan aljabar akan mempermudah untuk menuju ke solusi? Jawabanya tidak, bahkan hal tersebut menjadi hal yang lebih mengintimidasi bagi “manusia”, persamaan akan menjadi sangat panjang dan berupa matriks yang kompleks. 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 penghubung 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. Dengan bantuan software, hal diatas dapat dilakukan dengan hanya duduk di depan komputer.

Keunggulan lain adalah pengambilan data pada lokasi dan waktu tertentu tanpa instrumen yang mengganggu pola aliran. Anda dapat perhatikan gambar pesawat tempur pada ilustrasi awal artikel ini. Pada bagian sayapnya muncul pola aliran yang membentuk pusaran (vortex core). Fakta eksperimen sulitnya “memunculkan” vortex core tersebut menggunakan wind/water tunnel karena sangat sensitif. 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.