Dasar-dasar Computational Fluid Dynamics
dengan FLUENT CFD
F. V.’s
Daftar Isi
1 Pendahuluan 1
1.1 Computational Fluid Dynamics (CFD) . . . 1
1.1.1 Penggunaan CFD . . . 2
1.1.2 Manfaat CFD . . . 3
1.1.3 Posisi CFD di dunia Industri dan Teknologi . . . 4
1.1.4 Tahapan-tahapan Simulasi CFD . . . 5
1.2 FLUENT . . . 6
1.2.1 Pemodelan dengan Fluent CFD . . . 7
Daftar Gambar
Bab 1
Pendahuluan
Pengenalan sekilas tentangcomputational fluid dynamics (CFD) dan software
komersial ANSYS FLUENT CFD
1.1
Computational Fluid Dynamics
(CFD)
Computational fluid dynamics atau yang sekarang lebih dikenal sebagai CFD adalah sekumpulan metodologi yang menggunakan komputer untuk melakukan simulasi numerik aliran fluida. Kata ’simulasi’ di sini mengindikasikan bahwa kita menggunakan komputer untuk menyelesaikan sekumpulan hukum (atau persamaan-persamaan fisis) yang mengatur peristiwa pergerakan fluida di mana geometrinya telah dimodelkan pula oleh komputer. Dengan CFD, dapat di-bangun prototipe, dianalisa, dievaluasi, serta dioptimasi suatu sistem semisal blok mesin, pesawat terbang, terowongan angin, sistem perpipaan, dan lain sebagainya.
proses, evaluasi, serta optimasi; sejak itu pula CFD digunakan tidak hanya di industri penerbangan. Karena tersedianya komputer dan tampilan yang ramah pengguna (user-friendy interfaces), CFD secara luas memasuki komunitas in-dustri pada tahun 1990an dan tetap dikembangkan serta digunakan sampai saat ini.
Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena aliran lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika).
Pada dasarnya, persamaan-persamaan fisis yang mengatur peristiwa aliran fluida (fluid flow governing equations) adalah persamaan-persamaan diferen-sial yang merepresentasikan hukum-hukum kekekalan massa, momentum, dan energi.
CFD memprediksi aliran berdasarkan:
• Model matematika (persamaan diferensial parsial), khususnya
memecah-kan persamaan Navier-Stokes. Dengan memecahmemecah-kan persamaan diferen-sial, dapat diketahui nilai di seluruh titik domain simulasi.
• Metode numerik (teknik solusi dan diskritisasi).
• tools perangkat lunak (solvers, tools pre-dan post-processing).
1.1.1
Penggunaan CFD
Penggunaan CFD di antaranya:
• Desain ruang atau lingkungan yang aman dan nyaman.
• Desain blok mesin untuk memaksimalkan pembakaran. • Analisis Petrokimia untuk srategi optimasi oil recovery.
• Mempelajari sistem arterial (computational hemodynamics) bagi dokter
dan ahli bedah.
• Analisis kegagalan (failure) untuk mencari sumber-sumber kegagalan
misalnya pada sistem pembakaran, aliran uap panas, dan perpipaan.
• mempelajari reaksi pembakaran dan pendinginan. • dan lain sebagainya.
1.1.2
Manfaat CFD
Ada tiga manfaat umum CFD yang dikenal secara luas, yaituinsight,foresight, dan efficiency.
Insight - Pemahaman Mendalam. Ada banyak sistem yang prototipenya sulit untuk dibuat dan sulit untuk diuji coba, misalnya adalah organ per-nafasan. Dengan CFD, dapat dibuat prototipe virtual yang mana dapat menambah pemahaman kita tentang suatu peristiwa yang melibatkan aliran fluida.
Foresight - Prediksi. Pada dasarnya, CFD digunakan untuk memprediksi, dengan CFD kita dapat dengan mudah menjawab pertanyaan tipikal ’bagaimana jika?’ (how if questions) dengan mengubah-ubah parameter, kondisi batas, atau geometri sehingga didapatkan desain yang optimal.
Gambar 1.1: Evolusi Penggunaan CFD pada Airbus
1.1.3
Posisi CFD di dunia Industri dan Teknologi
Di dunia industri dan teknologi, CFD memainkan peranan yang sangat pen-ting. Sebuah paper oleh Johnson et al (2003) dari perusahaan penerbangan raksasa Boeing dalam penggalan paper-nya menyatakan demikian:
advances in developing and using CFD tools for commercial airplane development have saved Boeing tens of millions of dollars over the
past 20 years.
Penggunaan CFD sangatlah luas, tidak terbatas pada industri penerbangan saja (gambar 1.1), penggalan paper di atas hanyalah salah satu dari sekian banyak contoh penggunaan CFD pada dunia industri. CFD juga dapat mem-berikan pemahaman yang lebih lengkap tentang sifat aliran fluida.
1.1.4
Tahapan-tahapan Simulasi CFD
Pada umumnya, ketika melakukan simulasi dengan CFD, ada tiga tahapan yang harus dilalui:
Pre-processing. Pre-processing adalah tahapan pertama dalam memba-ngun dan menganalisis model CFD. Pada tahapan ini, dilakukan pembuatan model geometri dengan paket CAD (Computer Aided Design), membuatmesh
atau grid yang sesuai, dan menerapkan kondisi batas dan sifat-sifat fluidanya.
Solving. Inti dari perhitungan solusi simulasi ada pada tahapsolving. Pada tahap ini, solusi dihitung berdasarkan kondisi-kondisi yang diterapkan pada tahap pre-processing.
Post-processing. Post-processing adalah tahap terakhir dalam CFD. Pada tahap ini, dilakukan interpretasi dari data hasil simulasi yang dapat berupa visualisasi kontur, animasi, vektor, kurva, histogram, dan lain sebagainya.
Adapun prosedur umum pada semua pendekatan simulasi CFD adalah sebagai berikut:
2. Meshing atau membuat grid pemodelan dengan metode diskritisasi ter-tentu (Fluent CFD menggunakan finite volume method).
3. Pendefinisian model fisik, persamaan kekekalan massa, momentum, energi, dan spesies atau zat-zat kimia.
4. Pendefinisian kondisi batas (boundary conditions) termasuk sifat-sifat fluida, solid, dan perilaku fluida. Untuk kasus aliran transien atau un-steady, kondisi awal (initial conditions) perlu didefinisikan.
5. Persamaan-persamaan matematika (berupa matriks) hasil diskritisasi diselesaikan secara iteratif, baik untuk kasus tunak (steady) maupun un-tuk kasus transien.
6. Analisis dan visualisasi (berupa kontur, vektor, kurva, histogram, ani-masi, dan lain sebagainya) dari solusi CFD.
1.2
FLUENT
Fluent CFD adalah software CFD komersial yang diproduksi oleh Fluent Inc. Fluent adalahprovider software dan penyedia layanan CFD terbesar di dunia. Fluent menawarkan software CFD yang bersifat general-purpose untuk dunia industri secara luas.
1.2.1
Pemodelan dengan Fluent CFD
Fluent CFD mempunyaikemampuan pemodelan berikut:
• Aliran 2D planar, 2D axisymmetric, 2D axisymmetric with swirl (
rota-tionally symmetric), dan 3D.
• Pembuatanmesh quadrilateral, triangular, heksahedral (balok),
tetrahe-dral, prisma (wedge), piramid, polihedral, dan mesh campuran.
• Aliran tunak (steady-state) dan transien.
• Aliran incompressible dan compressible, termasuk pula semua region
ke-cepatan (aliran low subsonic, transonic,supersonic, dan hypersonic).
• Aliran Inviscid, laminar, dan turbulen. • Aliran Newtonian dan non-Newtonian.
• Transfer panas (heat transfer), termasuk pula yang paksa (forced), alami
(natural), dan mixed convection, conjugate (solid/fluida) heat transfer, serta radiasi.
• Campuran spesies kimiawi dan reaksi kimia, termasuk pula model
pem-bakaran (combustion) homogen dan heterogen, serta model deposisi/reaksi permukaan.
• Model free surface dan multifasa untuk aliran gas-liquid, gas-solid, dan
liquid-solid.
• PerhitunganLagrangian trajectory untuk fasa dispersi (particles/droplets/bubbles),
termasuk pula coupling dengan fasa kontinu dan spray modeling.
• Model kavitasi
• Media berpori (porous media) dengan permeabilitas non-isotropik,
in-ertial resistance, solid heat conduction, dan porous-face pressure jump conditions.
• model lumped parameter untuk fans, pompa, radiator, dan heat
ex-changer.
• Model akustik untuk memprediksi flow-induced noise.
• Kerangka acuan inersia (stationary) dan non-inersia (rotating or
accele-rating).
• Kerangka acuan ganda (multiple reference frame / MRF) dan pilihan
sliding mesh untuk pemodelan multiple moving frames.
• Model mixing-plane pada interaksi rotor-stator, torque converters, dan
aplikasi turbomachinery.
• Mesh dinamik untuk memodelkan domain yag bergerak dan
berdefor-masi.
• Volumetric sources dari massa, momentum, panas (heat), dan spesies
kimia.
• Database sifat-sifat material
• Penyesuaian secara luas dengan menggunakanuser-defined functions(UDF). • Coupling dinamik (two-way) dengan GT-Power dan WAVE.
• Modul magnetohydrodynamics (MHD). • Modul continuous fiber.
• Modul fuel cell.
Dengan menggunakan software Fluent, dapat juga dilakukan komputasi pa-ralel untuk menghitung solusi dari model dengan mesh yang sangat banyak dengan menggunakan beberapa prosesor komputer.
Software Fluent dibangun dengan menggunakan bahasa pemrograman C (de-ngan sedikit modifikasi) sehingga sangat fleksibel dalam hal alokasi memori dan daya komputasi. Software Fluent juga dapat diperkaya oleh pengguna dengan menambahkan makro atau user-defined function (UDF) yang ditulis dalam bahasa pemrograman C jika modul standar pada Fluent tidak menye-diakan fitur yang sesuai dengan kasus yang dihadapi.
Bab 2
GAMBIT
GAMBIT adalah akronim dari Geometry And Mesh Building Intellegent
Toolkit. GAMBIT Diproduksi oleh Fluent Inc. sebagai software preproces-sor yang berguna untuk membuat model geometri dan melakukan diskritisasi ruang (meshing) untuk analisis CFD.
GAMBIT merupakan software graphical user interface (GUI) dan mudah di-gunakan untuk membangun model geometri dan men-generasimesh pada geo-metri yang dibuat tersebut. Dengan menggunakan GAMBIT, dapat dibuat model dan mesh seperti gambar 2.1
