Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah metode perhitungan dengan
sebuah kontrol dimensi, luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap-tiap elemen pembaginya. Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi menjadi beberapa bagian, hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing. Bagian-bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan adalah aplikasi.
Kontrol-kontrol penghitungan ini beserta kontrol-kontrol penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebut tadi atau meshing. Nantinya, pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan. Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan dengan menggunakan bantuan komputasi komputer. Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid.
Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia, namun seiring dengan perkembangannya industri ditahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain. Contoh sekarang ini banyak sekali paket-paket softwareCAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada desain yang dibuat. Pemakaian CFD secara umum dipakai untuk memprediksi :
a. Aliran dan panas b. Transfer massa
c. Perubahan fasa seperti pada proses melting, pengembunan dan pendidihan d. Reaksi kimia seperti pembakaran
e. Gerakan mekanis seperti piston dan fan f. Tegangan dan tumpuan pada benda solid g. Gelembung elektromagnetik
CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida. Mulai dari aliran fluida, heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida. Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida, konservasi energi, momentum, massa, serta species, penghitungan dengan CFD dapat dilakukian. Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan melibatkan dengan memanfaatkan persamaan- persamaan yang terlibat. Persaman-persamaan ini adalah persamaan yang membangkitkan dengan memasukan parameter apa saja yang terlibat dalam domain. Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisis melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi tersebut. Inisialisasi awal dari persaman adalah boundary condition. Boundary condition adalah kondisi di mana kontrol-kontrol perhitungan didefinisikan sebagai definisi awal yang akan dilibatkan kekontrol-kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persaman-persamaan yang terlibat.
Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama: a. Prepocessor
Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisian kondisi batas atau boundary condition. Ditahap ini juga sebuah benda atau ruangan yang akan dianalisis dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering juga disebut dengan meshing.
b. Processor
Tahap selanjutnya adalah processor, pada tahap ini dilakukan proses penghitungan data-data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif. Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen. Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit.
c. Post processor
Tahap akhir merupakan tahap post processor di mana hasil perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar, grafik bahkan animasi dengan pola warna tertentu.
Masalah aliran fluida didasarkan pada hukum kekekalan massa, momentum dan energi. Hukum-hukum ini dituliskan didalam istilah persamaan turunan parsial dan diselesaikan dengan teknik metode elemen hingga.
1. Persamaan Kontinuitas
Dari persamaan hukum kekekalan massa, hukum kontinuitas menjadi :
+ + + = 0 (2.129)
dimana : Vx, Vy dan Vz = Komponen vektor kecepatan pada sumbu x, y dan z ρ = massa jenis
x, y, z = Kordinat Kartesius global t = Waktu
2. Persamaan Momentum
Dalam fluida Newtonian, hubungan antara tegangan dengan laju deformasi pada fluida adalah :
τij = -Pδij+ μ + δijλ
(2.130)
dimana : τij = tensor tegangan
ui = kecepatan ortogonal (u1 = Vx, u2 = Vy,u3 = Vz) μ = Viskositas dinamis
λ = koefisien kedua dari kecepatan
Istilah final, produk dari koefisien kedua viskositas dan divergensi, adalah nol untuk rapat massa fluida yang konstan dan dianggap cukup kecil untuk diabaikan pada cairan tekan.
Persamaan momentum, tanpa melakukan asumsi yang lebih jauh dengan memperhatikan sifat-sifat fluida adalah sebagai berikut :
+ + + = ρgx - + Rx +
+ + + Tx (2.131)
+ + + Ty (2.132)
+ + + = ρgz - + Rz +
+ + + Tz (2.133)
dimana : gx, gy, gz = komponen percepatan saat terjadi gravitasi ρ = Rapat massa
μe = Viskositas efektif
Rx, Ry, Rz = Tahanan yang terdistribusi Tx, Ty, Tz = Kerugian viskositas
Istilah Tx, Ty, Tz adalah kerugian viskositas yang dieliminasi pada fluida inkompresibel, pada sifat-sifat fluida yang konstan. Dengan mengubah menjadi bentuk turunan hukum kontinuitas, yang bernilai nol.
Tx = + + (2.134)
Ty = + + (2.135)
Tz = + + (2.136)
Kekekalan energi dapat dituliskan dalam artian temperatur total/temperatur statis, sering digunakan dalam aliran yang bertekanan tinggi, atau pada temperatur statis, dapat digunakan pada analisis kecepatan aliran yang rendah pada fluida inkompresibel.
3. Persamaan energi kompresibel
Persamaan energi yang lengkap diselesaikan dengan masalah kompresibel dengan perpindahan panas. Dalam hal temperatur total/temperatur statis, persamaan energi adalah :
(ρCpTo) + (ρVxCpTo) + (ρVyCpTo) + (ρVzCpTo) =
dimana : Cp = Panas jenis
To = Temperatur total/temperatur statis K = konduktivitas termal
Wv = Kerja kekentalan
Qv = Sumber panas volumetrik Φ = pembangkitan panas kekentalan Ek = Energi kinetik
Temperatur statis dihitung dari temperatur total yang berasal dari energi kinetik yakni :
T = To –
(2.138)
dimana V = Besarnya vektor kecepatan fluida
Temperatur total dan statis akan sama untuk non-fluida. Wv, Ek, dan Φ akan dideskripsikan berikutnya.
Persamaan kerja kekentalan adalah : Wv = Vxμ
+ Vyμ
+ Vzμ
(2.139)
Pada literatur lain sering dituliskan dalam notasi tensor yang lebih lengkap yaitu sebagai berikut :
Wv = ujμ
(2.140)
Persamaan energi kinetik yaitu :
Ek = - -
-
(2.141)
Sehingga persamaan Kehilangan kekentalan adalah :
+ μ
(2.142) Pada literatur lain persamaan diatas biasanya dituliskan dalam bentuk notasi tensor :
Φ = μ
(2.143)
4.Persamaan Enrgi Inkompresibel
Persamaan energi untuk persoalan inkompresibel dapat diturunkan dari persamaan kompresibel sebelumnya dengan mengabaikan kerja kekentalan (Wv), tekanan, kehilangan kekentalan (Φ), dan energi kinetik (Ek
). Karena energi kinetik diabaikan temperatur statis (T) dan temperatur total (To) adalah sama. Persamaan energi sekarang berbentuk persamaan persamaan transport untuk statis temperatur.
(ρCpT) + (ρVxCpT) + (ρVyCpT) + (ρVzCpT)