Yusak Setiabudi Hendryatno
A. Djoko Istiadj
3. PROSES SIMULASI DENGAN CFD
Dewasa ini perkembangan CFD telah sangat maju dan semakin matang meskipun masih terus dikembangkan. Berdasar dari pembahasan diatas, nampak CFD merupakan teknologi kalkulasi yang kompleks, melibatkan banyak variable dan penyelesaian-penyelesaian secara iteratif. Sehingga menjalankan simulasi ini tentu akan menuntut pemakaian yang cermat dan hati-hati. Hal ini dapat dicapai dengan menjalankan simulasi berdasarkan suatu aturan dan prosedur yang tepat. Penerapan aturan simulasi akan mengendalikan keakuratan sehingga hasil yang diperoleh dapat dipercaya untuk mengambil keputusan. Terdapat dua tahapan yang perlu diperhatikan yaitu proses verifikasi dan vallidasi.
Verifikasi merupakan tindakan menilai dan menentukan apakah penerapan program komputasi telah dibuat dengan benar. Proses memeriksa kesalahan pemrograman komputer (computer programming errors). Hasil komputasi dapat dibandingkan dengan hasil eksak perhitungan analitis. Tindakan ini lazimnya telah dilakukan dan dipublikasikan oleh penyedia paket CFD, namun untuk menambah keyakinan, pemakai perlu untuk memeriksanya.
Validasi merupakan tindakan menilai dan menentukan apakah hasil simulasi komputer memiliki kesamaan dengan kondisi fisik nyata, meneliti hasil replikasinya. Untuk pengujian dapat dilakukan dengan membandingkan antar hasil simulasi dan hasil ekperimen (pengukuran) lapangan. Dewasa ini telah banyak penelitian yang menguji validasi CFD yang dapat dipakai untuk dasar pemakaian. Namun dalam kasus-kasus tertentu, para pemakai CFD sebaiknya melakukan sendiri proses validasi. Cara yang sering dilakukan adalah memodelkan suatu obyek kajian yang lebih kecil skalanya dan membandingkan hasil pengukuran variabel pada obyek tersebut dengan hasil simulasi model.
Kedua proses diatas akan menghasilkan pengetahuan mengenai kesalahan-kesalahan (errors) dan ketidak pastian (uncertainties) yang mungkin terjadi. Hasil kalkulasi dapat berbeda dengan nilai yang sesungguhnya benar. Untuk itu perlu, kemudian dilakukan analisa lanjutan yang menyangkut persamaan matematis kalkulasi (CFD code), daftar program komputasi, penciptaan grid, konvergensi dan stabilitas kalkulasi hingga hasil tabulasi dan visualisasi aliran. Apabila hasil simulasi telah dinyatakan signifikan baik meskipun ada suatu perbedaan (lazimnya kecil), perbedaan ini dapat dipakai sebagai alat kalibrasi. Metode kalibrasi dapat dibangun dengan menguji hubungan perbedaan kemudian membangun persamaan regresi linear atau non-linear mengunakan teknik statistik. Penerapan kalibrasi pada hasil simulasi akan memberi gambaran hasil yang lebih menyerupai hasil yang sesungguhnya harus ada (AIAA G- 077-1998).
Selanjutnya untuk memberi gambaran menjalankan CFD secara praktis, dibawah ini adalah tahapan-tahapan simulasi yang harus dilakukan:
107 1. Memformulakan permasalahan aliran. Pada tahap ini dapat diperoleh dengan menjawab beberapa pertanyaan seperti tujuan analisa, cara paling mudah apa untuk mencapai tujuan, geometri obyek seperti apa yang perlu dimodelkan, aliran seperti apa yang sekira akan terjadi, model temporal seperti apa yang dibutuhkan (steady atau unsteady), dan bagaimana bentuk aliran laminar ataukah turbulen. Hasil pemahaman pada tahap ini menentukan keberhasilkan proses simulasi. Pada tahap ini hipotesa dan asumsi-asumsi ikut dibangun.
2. Membangun geometri model dan domain aliran, baik dengan model computer aided desain (mcad) yang tersedia pada paket program CFD atau mengunakan mcad diluar program. Paket CFD moderen telah dikembang memiliki fasilitas import yang lebih baik sehingga pembangunan model geometri menjadi lebih mudah dilakukan. Pemodelan dibuat sedetail mungkin menyerupai obyek yang dikaji baik secara 2 dimensi atau 3 dimensi, namun juga memperhatikan apakah tingkat detail yang ditentukan memiliki efek ke aliran secara signifikan. Apabila tidak, detail tersebut dapat diabaikan. Besar domain juga perlu dilihatkan untuk menjaga kealamiahan aliran dan mengurangi beban komputasi. Semakin besar domain semakin banyak sel yang harus dihitung.
3. Membuat grid dari domain dan obyek (meshing). Topologi grid dapat berupa bentuk sel structure (kotak) atau unstruture (triangle, quadrilateral, tetrahedron, prism dan hexahedron). Tahap ini cukup kritis menentukan keberhasilan kalkulasi. Bentuk dan dimensi sel akan menentukan kecepatan kalkulasi bahkan menghentikannya. Kerapatan sel (resolusi) menentukan detail analisis yang dapat dideteksi. Kesalahan meshing yang sering terjadi adalah gagalnya hubungan antar sel, yang membentuk kesalahan sudut. Untuk menyelesaikan permasalahan ini perlu dilakukan perbaikan grid dengan cara memperkecil atau memperbesar volumenya sehingga antar keduanya terjadi hubungan yang kontinu. Berbagai paket CFD telah dilengkapi alat untuk memperbaiki yang dapat mendeteksi dan merevisi secara ‘otomatis’ (Blue Ridge Numerics, 2009)
4. Menetapkan nilai-nilai kondisi batas dan awal yang merupakan titik awal kalkulasi. Hasil analisa tahap pertama akan menentukan variable apa saja yang perlu ditetapkan dan diisi pada tahap ini. Variabel kecepatan, tekanan dan temperature merupakan variable yang biasanya perlu disesuaikan, sedangkan angka grafitasi, angka turbulen, properti fluida merupakan variable yang relative konstan dan telah disiapkan.
5. Menetapkan strategi kalkulasi untuk menjalankan simulasi. Kegiatan ini mengatur parameter-parameter yang berkaitan kalkulasi seperti menetapkan angka relaksasi, angka iterasi, model temporal dll. Dari langkah pertama hingga langkah kelima ini merupakan bagian yang disebut pre-processor.
6. Melaksanakan simulasi atau menjalankan solver. Dalam tahan ini berbagai data kalkulasi dianalisis dan apabila tidak ada kesalahan akan terus dikalkulasi. Dikarenakan kalkulasi berlangsung secara iteratif maka prosesnya akan memakan waktu. Lama waktu yang dibutuhkan bergantung pada besar kecil domain, besar kecil grid dan banyaknya variabel aliran yang ikut dihitung. Untuk melihat apakah proses kalkulasi berjalan dengan baik dan dapat menghasilkan nilai yang konvergen serta stabil, proses dapat dipantau dengan mengamati nilai residual yang terjadi, melalui fasilitas table maupun grafik yang disediakan. Apabila proses kalkulasi menunjukan tanda kurang baik maka kalkulasi dapat dihentikan dan beberapa parameternya dapat diatur kembali kemudian simulasi dapat diulang atau dilanjutkan. Tahap ini disebut tahap Solver.
108 7. Saat setelah kalkulasi mencapai nilai residual yang ditetapkan atau akhir iterasi, maka kalkulasi akan berhenti dan hasil kalkulasi kemudian dapat dibaca untuk dianalisa. Pada paket CFD telah disediakan fasilitas untuk membaca data seperti dengan teknik vektor, kontur maupun table. Bahkan pada saat ini program telah dilengkapi dengan fasilitas animasi pergerakan aliran domain maupun obyek didalamnya seperti menganimasikan gerakan kipas angain. Warna dan angka dipakai untuk memperlihatkan besar variable aliran. Selanjutnya tahap analisa terhadap hasil dapat dilakukan sesuai prosedur yang telah dijelaskan diatas. Hasil simulasi dapat dipakai untuk menguji hipotesa yang dibangun saat tahap pertama. Adanya perbedaan yang cukup signifikan mengindikasikan adanya kesalahan dalam simulasi.
8. Apabila hasil menunjukan nilai yang kurang sesuai maka prosedur, verifikasi perlu diulang dan setelah dilakukan perbaikkan, simulasi dapat dijalankan kembali sehingga menghasilkan nilai yang baik. Paparan diatas menunjukkan kelebihan dari pemakaian CFD yaitu fleksibiltas dan kemudahan dalam membangun model dan menjalankan simulasi. Model mudah dan cepat diubah dan diperbaiki karena dilakukan secara virtual.
Gambar 4.:Tahapan menjalankan CFD