LANDASAN TEORI
3.3 Computational Fluid Dynamic (CFD)
Merupakan sebuah perangkat lunak yang digunakan untuk mensimulasikan perilaku fluida dinamis dengan memakai metode numerik dan algoritma untuk menghitung serta
14 menganalisa suatu permasalahan yang ada. Komputer digunakan sebagai media untuk mengerjakan kalkulasi dalam bentuk iterasi.
Terdapat berbagai ragam jenis CFD yang beredar, FLUENT merupakan salah satu pilihan yang sering dipakai dikarenakan memiliki fitur yang lengkap serta mudah untuk dipahami. Dalam kajian analisa untuk topik Coanda Effect pada percobaan ini akan digunakan FLUENT sebagai acuan dalam menganalisa semua permasalahan yang ada.
Berikut merupakan langkah kerja yang harus dilakukan untuk mensimulasikan sesuatu menggunakan FLUENT.
- Pre processing
o Pembuatan geometri awal
o Meshing geometri, baik uniform mesh maupun non uniform mesh o Penentuan formula untuk simulasi
o Boundary layers - Simulasi
- Post processor menggunakan FLUENT atau CFX untuk visualisasi hasil simulasi
3.3.1 Pre processing
Rangkaian skematis Design Workbench dimulai dengan pembuatan geometri awal sebagai acuan untuk meshing pada langkah berikutnya. Solidworks 2009 merupakan perangkat lunak yang digunakan dalam pembuatan geometri untuk mensimulasikan fenomena Coanda. Dari Solidworks 2009, geometri diekspor untuk kemudian dilakukan penyederhanaan pada Design Modeller. Hal ini dikarenakan Design Modeller memiliki interface penting untuk memberikan tambahan detail pada model sebelum dapat dilanjutkan ke proses berikutnya
Beberapa hal yang harus diperhatikan dalam pembuatan geometri awal
1. Penentuan boundary layers berupa inlet, outlet, wall, symmetry dan lain - lain
2. Ukuran Geometri harus dipertimbangkan agar tidak terjadi eror maupun reversible flow yang dapat mengganggu hasil iterasi
3. Kontur Geometri dibentuk sedemikian rupa sehingga memudahkan saat akan melakukan meshing
15 4. Penyederhanaan geometri berupa merging maupun projection
Selanjutnya, geometri objek yang ingin dianalisa harus dimeshing terlebih dahulu menjadi bagian – bagian kecil yang dinamakan Cell Zone.
Berikut merupakan hal yang harus diperhatikan dalam meshing
1. Semakin besar jumlah cell yang ada maka hasil yang didapat akan semakin akurat 2. Penentuan jenis dari meshing baik itu Tri / Quad bergantung pada bentuk geometri 3. Pembentukan inflation layer
4. Penentuan Named Selection dari boundary layers
3.3.2 Simulasi dan Post Processor
Berikut merupakan interface yang disediakan oleh FLUENT
1. Orthogonal Quality check up
Untuk menunjukkan bahwa apakah meshing yang telah dilakukan memiliki tingkat orthogonalitas yang bagus sehingga hasil dari simulasi yang dilakukan akan menghasilkan nilai akurasi dan presisi yang tinggi
2. Mesh volume dan geometri check up
Mesh diharapkan tidak memiliki nilai volumetris yang negative karena akan menimbulkan error selama iterasi berlangsung. Nilai negatif menandakan bahwa terdapat node / face dari mesh yang mengalami skewness.
3. Menetapkan formula dari simulasi
Terdapat beberapa jenis formulasi aliran fluida yang dapat digunakan. Sesuai dengan kasus yang akan diteliti maka penggunaan formulasi yang tepat diharapkan dapat memberikan hasil yang lebih akurat.
- Spalart – Allmaras, formula yang biasanya digunakan untuk menentukan viskositas turbulensi. Cocok digunakan pada kasus aerodinamika yang melibatkan wall – bounded
16
flow dan dapat digunakan pada mesh yang kasar. Namun tidak cocok digunakan untuk simulasi permodelan 3D dan aliran dengan tingkat separasi yang tinggi
- Standard k – ε, umum dan dapat digunakan hampir pada semua kasus, namun tidak begitu bagus digunakan pada aliran yang kompleks. Cocok digunakan sebagai iterasi awal.
- Realizable k – ε, cocok untuk persoalan kompleks melibatkan aliran vorteks, swirl, dan aliran transisi seperti separasi pada boundary, vortex shedding, stall dan lainnya
- Standard k – ω, cocok untuk aliran dengan nilai Re yang kecil dan kasus – kasus berkaitan dengan aliran eksernal pada aerodinamika. Bisa digunakan pada aliran yang mengalami transisi.
4. Penentuan jenis material untuk Cell Zone
Terdapat berbagai jenis material yang tersedia pada library FLUENT baik itu fluida maupun solid dan dapat digunakan untuk simulasi.
5. Penentuan jenis Solver Settings
Terdapat 2 jenis solver yang dapat digunakan pada saat simulasi yaitu pressure based dan density based. Pressure based menggunakan persamaan momentum serta tekanan sebagai formula utama sementara density based menggunakan persamaan momentum, kontinuitas, energy dan spesies dalam proses perhitungan.
Pressure based solver dapat digunakan dalam regim aliran yang luas mulai dari aliran dengan kecepatan aliran rendah sampai tinggi, termasuk aliran incompressible maupun compressible. Sementara density based cenderung digunakan jika terdapat keterkaitan antara densitas, energy, momentum, dan spesies seperti contohnya dalam kasus combustion pada aliran compressible kecepatan tinggi, aliran hypersonic, interaksi shockwave dan lainnya.
Dalam FLUENT, variable dari solver yang telah dimasukkan akan tersimpan pada bagian tengah dari grid cells (control volumes). Untuk menghitung data tersebut, terdapat
17 beberapa metode yang dapat digunakan sebagai estimasi nilai pada masing – masing edge faces.
- First Order Upwind – konvergensi mudah terjadi
- Power Law – lebih akurat daripada First Order, digunakan untuk Re yang rendah
- Second Order Upwind – akurasi tinggi terlebih pada jenis mesh yang kurang bagus namun konvergensi membutuhkan waktu yang lebih lama
- MUSCL – akurat jika digunakan pada mesh yang tidak terstruktur - QUICK – digunakan pada hybrid mesh (quad / hex)
Terdapat beberapa metode interpolasi yang dapat digunakan untuk pressure based solver - Standard – opsi default, tidak dapat digunakan pada kasus yang mengalami perubahan
tekanan yang besar secara mendadak
- PRESTO! – dapat digunakan untuk kasus yang mengalami perubahan tekanan yang besar seperti fan model, combustion, aliran supersonic dan lainnya
- Linear – digunakan jika opsi lainnya mengalami kesulitan konvergensi - Second Order – digunakan untuk aliran compressible
6. Memasukkan data yang ada berdasarkan jenis boundary layer yang sudah ditetapkan Menentukan apakah kasus memeiliki moving boundaries, setting reference frame, multi fase dan penentuan material pada masing – masing boundary
7. Mengatur nilai dari URF
URF atau Under Relaxation Factor berupa angka yang digunakan untuk mengatur besar kecilnya toleransi untuk variable seperti energy, kecepatan, viskositas, momentum dan lain – lain. Fungsi mengatur URF adalah meminimalisir error dengan memperbesar toleransi saat hendak melakukan iterasi.
8. Menetapkan metode inisialisasi yang ingin digunakan
Terdapat 2 jenis metode yang tersedia yaitu Hybrid Initialization dan Standard Initialization.
18 9. Memasukkan jumlah iterasi yang akan dilakukan
Semakin rumit atau kompleks suatu model maka jumlah iterasi yang diperlukan akan semakin besar agar hasilnya konvergen..
10. Inisialisasi
Memberikan perintah pada FLUENT untuk segera melaksanakan iterasi sesuai dengan variable yang telah dimasukkan.
11. Post Processor
Hasil simulasi dapat ditampilkan berupa contour, vector, streamline, ribbons bahkan animasi menggunakan FLUENT atau CFX.
19 BAB 4