Definisi CFD
Computational fluid dynamics (CFD) adalah salah satu cabang dari mekanika fluida yang menggunakan metode numeric dan algoritma untuk menyelesaikan dan menganalisa masalah yang terjadi pada aliran fluida. Dalam CFD penggunaan computer sangat vital karena harus melakukan jutaan perhitungan untuk mengsimulasikan interaksi fluida dan gas yang digunakan pada bidang engineering. Ketika kita menggunakan CFD dengan dukungan perangkat keras yang canggih sekalipun maka yang didapatkan hanya berupa pendekatan. Inilah salah satu aspek yang terus dibenahi dalam pengembangan metode CFD. Secara ringkas CFD adalah memprediksi secara kuantitatif apa yang akan t erjadi ketika terjadi aliran fluida dan seringkali terjadi kombinasi dengan hal-hal berikut: aliran perpindahan kalor mass transfer perubahan fase benda, seperti : pe leburan, pembekuan, pendidihan reaksi kimia, seperti : pembakaran, pergerakan komponen mekanik, seperti : pergerakan piston, kipas mesin, dll. Tegangan dan perpindahan yang terjadi di dalam struktur benda solid atau yang terjadi t erjadi di sekitarnya. Latar Belakang dan Sejarah CFD
Dasar dari semua permasalahan pada CFD adalah persamaan Navier-Stokes? Navier-Stokes? yang mendefinisikan seluruh aliran fluida satu fasa. Persamaan ini bisa disederhanakan de ngan mengurangi suku persamaan yang mengandung variabel viskositas sehingga mendekati persamaan Euler. Penyederhanaan lebih lanjut dengan menghilangkan suku persamaan vorticity sehingga menghasilkan full potential equations. equat ions. Akhirnya, persamaan ini bisa disederhanakan menjadi linearized potential equations. Sejarah CFD berawal pada tahun 1960an: 1970an : Sistem S istem CFD pertama berhasil dibuat dan sukses dalam pemakaian t erjadi pada tahun 1980an : CFD sudah merambah ke industry. 1990an : penggunaan CFD dalam industry mengalami perkembangan yang signifikan. Millennium ke-2 : paket CFD terus dikembangkan dengan kemudahan penggunaan ke sistem lain seperti CAD dan solid-stress analysis. Perkembangan selanjutnya di masa depan adalah ketika pemakaian sistem CFD bisa dilakukan remote computing melalui internet. Kegunaan CFD
Kegunaan CFD adalah untuk mengetahui bagaimana fluida mengalir, dan memperkirakan apa yang akan tejadi pada benda yang mengalami kontak dengan aliran fluida. CFD bisa diterapkan dalam membantu berbagai aspek engineer eng ineer seperti dibawah ini: CFD membantu insinyur sipil dan arsitek untuk menyediakan lingkungan yang nyaman dan aman bagi manusia.
Membantu desainer power-plants untuk mendapatkan efisiensi maksimum, dan mengurangi polusi. Insinyur kimia untuk memaksimalkan hasil dari reacto r dan peralatan produksi. Perancang Kendaraan darat, laut, dan udara untuk mendapatkan performa yang maksimal dan minim biaya produksi. Analis resiko dan bahaya, serta safety engineer, untuk memperkirakan kerusakan yang terjadi pada bangunan, peralatan, manusia, flora dan fauna yang diakibatkan kebakaran, ledakan dan gelombang ledakan. CFD juga digunakan untuk mensimulasikan keadaan aliran fluida secara spesifik pada sebuah benda seperti dibawah ini: Aliran konveksi pada heat exchanger. Disini CFD menggambarkan distribusi temperature yang terjadi pada heatsink pada heat exchanger. Udara mengalir dari sisi kiri diantara dua plat. Udara yang masuk dan bagian bawah plat mempunyai termperatur yang sama ketika bagian atas plat mempunyai suhu yang lebih tinggi. Panas dialirkan dari plat bagian atas ke udara dan dialirkan keluar melalui sisi kanan dari kotak. ::
:: Peta kontur temperature pada heat exchanger Simulasi aliran udara pada silinder yang berputar. Silinder yang berputar bisa diperlakukan sebagai airfoil, dengan tekanan yang lebih tinggi di bagian bawah silinder dan tekanan yang lebih rendah di bagian atasnya. ::
:: Velocity Vector yang diwarnai dengan velocity magnitude (m/s) Cara kerja sistem CFD
CFD menggunakan computer untuk menyelesaikan persamaan matematik sesuai bidang sains yang diinginkan. Komponen dari CFD adalah: Manusia untuk menganalisa masalah yang ada. Pengetahuan sains yang dijabarkan secara matematik. Software yang sudah terkandung algoritma untuk menyelesaikan permasalahan tentang aliran fluida. Perangkat keras computer untuk melakukan perhitungan yang berdasarkan algoritma software yang digunakan, dan Manusia sebagai pengontrol dari proses yang dijalankan oleh software dan memberikan tanggapan dari hasil perhitungan yang dilakukan. Metodologi
Prosedur yang berjalan pada sistem CFD adalah sebagai berikut : Selama preprocessing - Mendefinisikan Geometri (bentuk fisik) dari masalah yang akan diselesaikan. - Ruang atau volume yang melingkupi fluida di pecah menjadi bagian yang terputus-putus atau diskrit (mesh). Proses mesh bisa uniform atau non uniform.
- Model fisik telah ditentukan, seperti persamaan gerak fluida + enthalpy + radiasi + dampak lingkungan. - Kondisi batas telah ditentukan. Hal ini termasuk perlakuan dan sifat fluida secara spesifik. Untuk aliran transien harus menentukan kondisi awal dari
Setelah semua dilakukan, simulasi dijalankan dan persamaan telah mendapatkan solusinya sebagai persamaan steady-state atau transien. S etelah selesai masuk ke tahap postprocessor digunakan untuk analisis dan visualisasi dari hasil yang t elah didapatkan. aliran.
Metode Diskretitasi Pada sistem CFD memakai metode diskret. Metode diskret lebih mudah digunakan dar ipada metode analitik karena karena metode diskret menggunakan pendekatan numeric (linier) dalam menyelesaikan suatu persamaan. Hal ini juga karena computer hanya bisa menjalankan operasi linier. Metode diskret yang digunakan pada CFD adalah: Finite volume method (FVM). Metode ini merupakan pendekatan standard yang paling umum digunakan pada software komersial dan riset. Persamaan yang ada memberikan hasil sebagai discrete control volume. FVM membentuk kembali Partial Differential Equation (PDE) menjadi bentuk umumnya lalu mendiskretkan persamaan tersebut. Persamaannya adalah :
Dengan Q adalah variabel vektor, F adalah fluks vektor (lihat persamaan Euler atau persamaan Navier-Stokes), V adalah volume ruang, dan A adalah daerah permukaan ruang. Finite element method (FEM). Metode ini banyak digunakan untuk analisa struktur pada benda solid. Formulasi FEM telah diadaptasi untuk penggunaan dengan persamaan Navier-Stokes?. Metode FEM lebih stabil di bandingkan metode FVM. Hal ini berpengaruh pada penggunaan memori yang lebih besar pada computer. Pada metode ini, dibentuk weighted residual equation :
Dimana Ri adalah persamaan residu pada elemen vertex i. Q adalah persamaan konservasi yang menyatakan basis elemen. Wi adalah faktor kali dan Ve adalah volume dari benda. Finite difference method. Metode ini mudah untuk di program. Saat ini metode Finite difference hanya digunakan untuk beberapa keperluan saja. Metode Finite difference yang mutakhir bisa menyelesaikan persamaan geometri yang rumit dan ini membuat menjadi lebih efisien dan akurat. Selain itu untuk menyelesaikan permasalahan geometri menggunakan overlapping-gr ids, maka persamaannya adalah.
Dengan
Q adalah variabel vektor, dan F, G, dan H adalah fluks pada koordinat
Boundary element method. Batasan yang melingkupi aliran fluida dipecah menjadi permukaan diskret. High-resolution schemes. Skema ini digunaka n ketika keadaan diskontinu terjadi. Untuk mendeteksi perubahan yang sangat cepat diperlukan persamaan kuadrat atau persamaan pangkat tinggi untuk menyelesaikannya. Oleh karena itu dibutuhkan pembatas fluks (flus limiters) untuk memastikan bahwa penyelesaiannya adalah tot al variation diminishing. x, y, z.
