BAB 1
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Dinamika fluida adalah salah satu disiplin ilmu yang mengkaji perilaku dari zat cair dan gas dalam keadaan diam ataupun bergerak dan interaksinya dengan benda padat. Dinamika fluida sering dikatakan sebagai persoalan fisika klasik terbesar yang belum terpecahkan. Upaya untuk mengungkapkan fenomena dinamika fluida tercatat sejak Da Vinci melakukan observasi aliran pada abad ke-16, diikuti Newton pada akhir abad ke-17 dengan konsep viskositis Newtonian, lalu beberapa ilmuan besar seperti Bernoulli, Euler, Navier, Cauchy, Poisson, Saint Venant, dan Stokes. Dua konstribusi penting diberikan secara terpisah oleh Navier pada tahun 1823 dan Stokes pada tahun 1845 yang menurunkan persamaan diferensial parsial fluida viskos, persamaan ini membahas tentang persamaan gerak fluida viskos, persamaan ini dikenal dengan persamaan Navier-Stokes, dan persamaan inilah yang menjadi dasar kajian dinamika fluida saat ini.
Dalam kajian dinamika fluida ini kita akan menangani bebagai karakteristik fluida, maka kita perlu menggambarkan karakteristik – karakteristik ini secara kualitatif dan kuantitatif. Aspek kualitatif berfungsi untuk mengidentifikasikan sifat dasar atau jenis dari karakteristik tersebut (seperti panjang, waktu, tegangan dan kecepatan), sementara aspek kuantitatif memberikan ukuran numerik dari karakterisik tersebut. Tiga pendekatan kajian (teori, eksperimen, dan komputasi) dilakukan orang dari berbagai disiplin ilmu termasuk fisika untuk memahami karakteristik karakteristik tersebut.
Untuk mempermudah pemahaman kita mengenai dinamika fluida ini, telah dihasilkan metode-metode numerik dengan menggunakan komputer. Di mana metode
Universitas Sumatera Utara
numerik ini digunakan untuk menyelesaikan berbagai jenis persoalan dan dalam berbagai variasi keadaan.
Kasus-kasus dinamika fluida yang membutuhkan penyelesaian bantuan komputer dipelajari dalam bidang ilmu tersendiri yaitu dinamika fluida komputasional (CFD). Komputasi dinamika fluida (CFD) adalah suatu cabang dinamika fluida yang menggunakan metode numerik dan algoritma untuk memecahkan dan menganalisa masalah-masalah yang melibatkan aliran fluida. Komputer digunakan untuk melakukan jutaan penghitungan yang diperlukan untuk mensimulasikan interkasi antara cairan dan gas dengan benda padat. Dasar fundamental hampir semua masalah CFD adalah persamaan Navier-Stokes, yang menenentukan setiap fase tunggal aliran fluida.
Setelah hampir 200 tahun sejak persamaan lengkap mengenai fluida atau hampir 500 tahun sejak bidang ini tercatat, kita memang telah memiliki banyak pemahaman praktis mengenai fenomena dinamika fluida, tetapi masih sangat minim. Oleh sebab itu, peneliti tertarik untuk membuat simulasi dengan Comsol Multiphysics 3.5a untuk persamaan Navier – Stokes pada aliran fluida tak mampat untuk aliran tunak laminar di antara plat sejajar tetap dengan menggunakan metode elemen hingga.
1.2. Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah : 1. Mengetahui simulasi aliran yang terjadi pada dua buah plat sejajar. Simulasinya berupa distribusi kecepatan dan tekanan pada daerah di antara 2 plat tipis sejajar yang dilalui aliran laminar. 2. Untuk mempelajari dan menganalisa aliran yang berada pada dua buah plat sejajar. 3. Untuk mengaplikasikan sebuah metode CFD yakni incompressible Navier Stokes (aliran fluida) untuk memodelkan aliran laminar. 4. Untuk mengetahui efek aliran yang mengalir pada dua plat sejajar.
Universitas Sumatera Utara
1.3. Batasan Masalah
Penelitian mengenai aliran fluida di antara plat sejajar dibatasi pada : 1.
Persamaan Navier - Stokes sebagai persamaan dasar, dan disederhanakan dengan persamaan kontinuitas,
2.
Materi yang diamati berada pada fase cair,
3.
Membahas masalah viskositas,
4.
Hanya membahas tentang fluida tak mampu mampat,
5.
Hanya membahas tentang fluida Newtonian,
6.
Hanya membahas tentang aliran laminar yang mana kecepatan tidak tergantung waktu (aliran tunak),
7.
Hanya membahas tentang fluida yang mengalir di antara plat sejajar tetap,
8.
Simulasi menggunakan perangkat lunak Comsol Multiphysics 3.5a dan Matlab 7.9 dengan metode elemen hingga (finite element method).
1.4. Manfaat Penelitian
Memberikan analisa serta rancangan program untuk lebih memahami prinsip dinamika aliran fluida tak mampat dan mendapatkan penyelesaian numerik perkiraan terhadap persamaan Navier-Stokes untuk aliran laminar di antara plat sejajar.
1.5. Metodologi Penelitian
1.
Studi literatur Merupakan tahap pengumpulan literatur mengenai: Mekanika dan dinamika fluida Simulasi aliran fluida Persamaan Navier-Stokes Studi literatur mengenai teknik dan program Comsol Multiphysics dan Matlab dengan menggunakan metode elemen hingga.
Universitas Sumatera Utara
2.
Perancangan model Merupakan tahap menentukan persamaan dengan variabel-varibel yang telah ditentukan.
3.
Pembuatan algoritma Merupakan metode terstruktur yang berisi tahapan-tahapan penyelesaian masalah aliran fluida.
4.
Pembuatan program komputer Tahap ini merupakan implementasi dari model dan algoritma yang telah dibuat ke dalam program komputer dengan menggunakan bahasa pemrograman Comsol Multiphysics 3.5a dan Matlab 7.9.
5.
Analisa hasil simulasi Memberikan analisa hasil uji coba simulasi dan simulasi persamaan Navier-Stokes pada aliran fluida di antara dua plat sejajar yang telah diperoleh.
6.
Penulisan laporan.
1.6. Sistematika Pembahasan
Laporan tugas akhir ini disusun dalam lima bab yaitu sebagai berikut:
Bab 1
Pendahuluan Bab ini menjelaskan latar belakang penelitian, tujuan penelitian, batasan masalah, dan sistematika pembahasan.
Universitas Sumatera Utara
Bab 2
Tinjauan Pustaka Bab ini menjelaskan landasan teori yang digunakan dalam penelitian, yaitu mekanika fluida, sifat-sifat fluida, aliran fluida, bilangan Reynolds, persamaan kontinuitas, persamaan Navier-Stokes, metode elemen hingga yang digunakan untuk mengolah informasi yang akan diimplementasikan dalam simulasi.
Bab 3
Analisis Perancangan Simulasi Bab ini membahas tentang implementasi fisis yang telah diperoleh ke dalam perangkat lunak. Perancangan perangkat lunak ini menggunakan bahasa pemrograman CFD Comsol Multiphysics 3.5a dan Matlab 7.9.
Bab 4
Hasil dan Pembahasan Bab ini memberikan hasil uji coba simulasi dinamika molekul yang telah dilakukan pada bab III untuk melihat kesesuaian spesifikasi metode yang digunakan sehingga dapat dianalisa hasil yang telah diperoleh.
Bab 5
Kesimpulan dan saran Bab ini memberikan kesimpulan dari hasil perancangan program yang telah dilakukan dan juga memberikan saran-saran untuk penelitian selanjutnya.
Universitas Sumatera Utara
