Fauzanahmad's Blog

COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)

Introduction

CFD adalah metode penghitungan, memprediksi, dan pendekatan aliran fluida secara numerik dengan bantuan komputer. Aliran fluida dalam kehidupan nyata memiliki banyak sekali jenis dan karakteristik tertentu yang begitu kompleks, CFD melakukan pendekatan dengan metode numerasi serta menggunakan persamaan-persamaan fluida. Berikut ini beberapa contoh aliran fluida yang sring kita temui sehari-hari:
•    Bernafas, minum, pencernaan, mencuci, berenang merokok.
•    Laundry pakaian dan mengeringkannya.
•    Pemanas ruangan, ventilasi ruangan, memadamkan api dengan air.
•    Pembakaran bensin pada engine dan tentunya juga polusi.
•    Membuat sup, campuran minyak pada pembuatan plastik
•    Pesawat, parasut, berselancar, berlayar
•    Menyolder, pembuatan besi atau baja, eleltrolisis air dll.

CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi, luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap-tiap elemen pembaginya. Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi-bagi menjadi beberapa bagian, hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing. Bagian-bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software. Kontrol-kontrol penghitungan ini beserta kontrol-kontrol penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing. Nantinya, pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan. Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan dengan menggunakan bantuan komputasi komputer. Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid.

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an, awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia, namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain. Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat. Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi:
•    Aliran dan panas.
•    Transfer massa.
•    Perubahan fasa  seperti pada proses melting, pengembunan dan pendidihan.
•    Reaksi kimia seperti pembakaran.
•    Gerakan mekanis seperti piston dan fan.
•    Tegangan dan tumpuan pada benda solid.
•    Gelombang elektromagnet
CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida, mulai dari aliran fluida, heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida. Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida, konservasi energi, momentum, massa, serta species, penghitungan dengan CFD dapat dilakukan. Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat. Persamaan-persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain. Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi tersebut. Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition. Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol-kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke kontrol-kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat. Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD:

Gambaran Umum Proses CFD

Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi. Akhirnya, hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna, vektor dan nilai yang mudah untuk dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil.
Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama:
1.      Preposessor
2.      Processor
3.      Post processor
Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition. Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing. Tahap selanjutnya adalah processor, pada tahap ini dilakukan proses penghitungan data-data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif. Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen. Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit. Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar, grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu.
Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut. Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek. Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik, vektor, kontur dan bahkan animasi.

Persamaan-persamaan Konservasi

Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri, apakah model tersebut memepertimbangkan faktor reaksi kimia, mass transfer, heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar. Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD. Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real. Subhanallah, jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturan-aturan tesebut, bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata, karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya. Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi, lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan, tanpa terjadi kesalahan, dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi. SUBHANALLAH, mungkin hanya itu yang bisa saya katakan.

Kita kembali ke CFD, berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies.

Persamaan Konservasi Massa

Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah:

Persamaan konservasi massa

Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible.

Persamaan Konservasi Momentum

Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD. Untuk lebih  jelasnya lihat gambar di bawah ini:

Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida

Persamaan konservasi momentum

Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida. Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam.

Boundary Conditions

Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan, yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x, y, z) pada setiap titik atau yang kedua, mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efek-efek yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti: gaya atau perubahan energi). Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume. Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut. Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail, seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini, dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions. Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam, inlet dan oulet. Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki  domain (control volume) yang ditentukan. Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan, komposisi, temperatur, tekanan, laju aliran. Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya. Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions.

Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid

Solusi dari persamaan

Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan dan diselesaikan menggunakan operasi numerik. Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel. Disinilah peran komputer yang sebenarnya. Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan.

Prosedur penyelesaian dari salah satu software CFD (FLuent)

Mengapa CFD

Mengapa harus menggunakan CFD?, pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD. Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu. Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan, lebih efisien, lebih canggih, lebih murah, dan lebih lainnya. Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD.

1. Pengetahuan mendalam

Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam, misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset, maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang tepat. Artinya, dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk. Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien, parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe.

Dengan analisa CFD melihat fenomena2 yang terjadi

2. Pengambilan keputusan

Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu, maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan “WHAT IF” dengan sangat cepat. Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya, mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik. Jadi, dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat, melihat hasilnya, dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal, dalam waktu yang singkat, dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety.

Merubah parameter dan melihat hasilnya dengan cepat

3. Efisiensi

Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat, biaya yang murah, waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market, pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime. CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk.

Design cylcle sebuah produk menjadi lebih singkat

Penerapan Aplikasi CFD di Industri

Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri.

1. Aerospace

Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsen/manufaktur pesawat militer, penumpang dan pesawat luar angkasa. Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi. Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics, avionics cooling, fire supression, the icing, engine performance, life support, climate control, etc.

2. Automotive

Di bidang otomotif, aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia. Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics, cooling, heating, engine performance dan pada dunia balap. Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen / sistem penunjang otomotif, seperti pompa, rem, compressor, manifold, ban, headlamp dll.

aplikasi di industri otomotif - fluent

3. Biomedical

Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD. Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia. Tapi, lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini. Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja. Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya. Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata, aliran darah pada nadi, masuknya udara pada hidung, pengembangan pompa jantung, sistem penyaluran obat internal, spinal needle, dll.

==aplikasi di bidang biomedis – fluent==

4. Chemical Processing

Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain. Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia, kinetis, sifat fisika, dinamik, karakteristik fluida dsb. Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank, dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair, gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan oleh engineer berpengalaman di bidang ini. Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing, separation, reaction, combustion, filtration dan drying.

==aplikasi di industri proses – fluent==

5. Equipment Manufacturing

Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat, minimum downtime serta safety. Dengan memodelkan suatu produk, kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah, sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien. Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan, impeller, turbin, fan, propeller, vanes, ducting, valve, piping, seal bahkan sebuah sistem.

==aplikasi di industri manufaktur – fluent==

6. Semikonduktor

Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation, air handling, wafer processing, optimisasi furnace. Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien. Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma.

Aplikasi di industri semikonduktor - fluent

7. Industri makanan dan minuman

Di industri makanan sama seperti industri kimia, hampir semuanya mengalir, terjadi perpindahan panas, dan proses kimia. Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting, karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan. Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien. Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi, pemanasan, pendinginan, pencampuran.