Dasar-dasar Computational Fluid Dynamics dengan FLUENT CFD F. V.’s Personal LATEX Book
Daftar Isi
1 Pendahuluan 1.1
1.2
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
FLUENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
1.2.1
7
Pemodelan dengan Fluent CFD . . . . . . . . . . . . . .
2 GAMBIT
10
1
Daftar Gambar 1.1
Evolusi Penggunaan CFD pada Airbus . . . . . . . . . . . . . .
2.1
Model Potongan Blok Mesin dengan Mesh . . . . . . . . . . . . 10
i
4
Bab 1 Pendahuluan Pengenalan sekilas tentang computational 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 dibangun prototipe, dianalisa, dievaluasi, serta dioptimasi suatu sistem semisal blok mesin, pesawat terbang, terowongan angin, sistem perpipaan, dan lain sebagainya.
Penggunaan CFD di dunia industri relatif baru, pertama kali digunakan sekitar tahun 1960an pada industri penerbangan. Karena kesuksesan CFD di industri penerbangan semenjak pertama kali digunakan, CFD secara cepat menjadi komponen vital di dalam dunia industri khususnya desain produk, manufaktur, 1
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 industri 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 diferensial yang merepresentasikan hukum-hukum kekekalan massa, momentum, dan energi.
CFD memprediksi aliran berdasarkan: • Model matematika (persamaan diferensial parsial), khususnya memecahkan persamaan Navier-Stokes. Dengan memecahkan persamaan diferensial, 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 kendaraan untuk memaksimalkan karakter aerodinamikanya. 2
• 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, yaitu insight, foresight, dan efficiency.
Insight - Pemahaman Mendalam. Ada banyak sistem yang prototipenya sulit untuk dibuat dan sulit untuk diuji coba, misalnya adalah organ pernafasan.
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.
Efficiency - Efisiensi. Dengan bantuan CFD, proses mendesain sistem akan menjadi lebih hemat dan efisien, baik dari segi biaya, tenaga, dan waktu. dengan CFD waktu riset dapat diperpendek dan biaya riset dapat dipangkas. 3
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 penting. Sebuah paper oleh Johnson et al (2003) dari perusahaan penerbangan raksasa Boeing dalam penggalan paper -nya menyatakan demikian:
The 777, being a new design, allowed designers substantial freedom to exploit the advances in CFD and aerodynamics. High-speed cruise wing design and propulsion/airframe integration consumed the bulk of the CFD applications. Many other features of the aircraft design were influenced by CFD. For example, CFD was instrumental in design of the fuselage. Once the body diameter was settled, CFD was used to design the cab. No further changes were necessary as a result of wind tunnel testing. In fact, the need for wind tunnel testing in future cab design was eliminated ... As a result of the use of CFD tools, the number of wings designed and wind tunnel tested for high-speed cruise lines definition during an airplane development program has steadily decreased. These
4
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 memberikan 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 membangun dan menganalisis model CFD. Pada tahapan ini, dilakukan pembuatan model geometri dengan paket CAD (Computer Aided Design), membuat mesh atau grid yang sesuai, dan menerapkan kondisi batas dan sifat-sifat fluidanya. Solving. Inti dari perhitungan solusi simulasi ada pada tahap solving. 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: 1. Pembuatan geometri dari model/problem 5
2. Meshing atau membuat grid pemodelan dengan metode diskritisasi tertentu (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 unsteady, kondisi awal (initial conditions) perlu didefinisikan. 5. Persamaan-persamaan matematika (berupa matriks) hasil diskritisasi diselesaikan secara iteratif, baik untuk kasus tunak (steady) maupun untuk kasus transien. 6. Analisis dan visualisasi (berupa kontur, vektor, kurva, histogram, animasi, dan lain sebagainya) dari solusi CFD.
1.2
FLUENT
Fluent CFD adalah software CFD komersial yang diproduksi oleh Fluent Inc. Fluent adalah provider software dan penyedia layanan CFD terbesar di dunia.
Fluent menawarkan software CFD yang bersifat general-purpose untuk dunia industri secara luas.
Software Fluent CFD yang disediakan oleh Fluent Inc. adalah software komputer berbasis teknologi canggih untuk melakukan modeling dan simulasi aliran fluida dan transfer panas pada suatu geometri dari yang sederhana hingga yang kompleks.
6
1.2.1
Pemodelan dengan Fluent CFD
Fluent CFD mempunyai kemampuan pemodelan berikut: • Aliran 2D planar, 2D axisymmetric, 2D axisymmetric with swirl (rotationally symmetric), dan 3D. • Pembuatan mesh quadrilateral, triangular, heksahedral (balok), tetrahedral, prisma (wedge), piramid, polihedral, dan mesh campuran. • Aliran tunak (steady-state) dan transien. • Aliran incompressible dan compressible, termasuk pula semua region kecepatan (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 pembakaran (combustion) homogen dan heterogen, serta model deposisi/reaksi permukaan. • Model free surface dan multifasa untuk aliran gas-liquid, gas-solid, dan liquid-solid. • Perhitungan Lagrangian trajectory untuk fasa dispersi (particles/droplets/bubbles), termasuk pula coupling dengan fasa kontinu dan spray modeling. • Model kavitasi • Model perubahan fasa untuk aplikasi melting/solidification. 7
• Media berpori (porous media) dengan permeabilitas non-isotropik, inertial resistance, solid heat conduction, dan porous-face pressure jump conditions. • model lumped parameter untuk fans, pompa, radiator, dan heat exchanger. • Model akustik untuk memprediksi flow-induced noise. • Kerangka acuan inersia (stationary) dan non-inersia (rotating or accelerating). • 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 berdeformasi. • Volumetric sources dari massa, momentum, panas (heat), dan spesies kimia. • Database sifat-sifat material • Penyesuaian secara luas dengan menggunakan user-defined functions (UDF). • Coupling dinamik (two-way) dengan GT-Power dan WAVE. • Modul magnetohydrodynamics (MHD). • Modul continuous fiber. • Modul fuel cell. • Modul population balance. 8
Dengan menggunakan software Fluent, dapat juga dilakukan komputasi paralel untuk menghitung solusi dari model dengan mesh yang sangat banyak dengan menggunakan beberapa prosesor komputer.
Software Fluent dibangun dengan menggunakan bahasa pemrograman C (dengan 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 menyediakan fitur yang sesuai dengan kasus yang dihadapi.
Produk Fluent CFD terdiri dari dua software terpisah, yaitu GAMBIT dan Fluent (Solver); tahapan pre-processing sebagian dilakukan pada software GAMBIT dan tahapan solving dan post-processing dilakukan pada software Fluent (Solver). Bahasan lebih detil tentang kedua software ini serta tutorialnya akan dibahas pada bab selanjutnya.
9
Bab 2 GAMBIT GAMBIT adalah akronim dari Geometry And Mesh Building Intellegent Toolkit. GAMBIT Diproduksi oleh Fluent Inc. sebagai software preprocessor yang berguna untuk membuat model geometri dan melakukan diskritisasi ruang (meshing) untuk analisis CFD.
GAMBIT merupakan software graphical user interface (GUI) dan mudah digunakan untuk membangun model geometri dan men-generasi mesh pada geometri yang dibuat tersebut. Dengan menggunakan GAMBIT, dapat dibuat model dan mesh seperti gambar 2.1
Gambar 2.1: Model Potongan Blok Mesin dengan Mesh 10
