Laporan CFD Bab 1 - 2

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah metode perhitungan 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 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 adalah aplikasi.

Kontrol-kontrol penghitungan ini beserta kontrol-kontrol penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebut 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 terkenal pada tahun 70-an awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia, namun seiring dengan perkembangannya industri ditahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain. Contoh sekarang ini banyak sekali paket-paket softwareCAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada desain yang dibuat. Pemakaian CFD secara umum dipakai untuk memprediksi :

a.       Aliran dan panas

b.      Transfer massa

c.       Perubahan fasa seperti pada proses melting, pengembunan dan pendidihan

d.      Reaksi kimia seperti pembakaran

e.       Gerakan mekanis seperti piston dan fan

f.       Tegangan dan tumpuan pada benda solid

g.      Gelembung elektromagnetik

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 dilakukian. Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan melibatkan dengan memanfaatkan persamaan- persamaan yang terlibat. Persaman-persamaan ini adalah persamaan yang membangkitkan dengan memasukan parameter apa saja yang terlibat dalam domain. Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisis melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi tersebut. Inisialisasi awal dari persaman adalah boundary condition. Boundary condition adalah kondisi di mana kontrol-kontrol perhitungan didefinisikan sebagai definisi awal yang akan dilibatkan kekontrol-kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persaman-persamaan yang terlibat.

Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama:

a.       Prepocessor

Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisian kondisi batas atau boundary condition. Ditahap ini juga sebuah benda atau ruangan yang akan dianalisis dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering juga disebut dengan meshing.

b.      Processor

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.

c.       Post processor

Tahap akhir merupakan tahap post processor di mana hasil perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar, grafik bahkan animasi dengan pola warna tertentu.

Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (softwareCFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisis terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut. Atau dalam proses design enggineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek. Hal ini yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakterisrik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik, vektor, kontur dan bahkan animasi.

Tata Cara Menjalankan Program CfdesignV.10

                                              

A. Membuka Program CFDesignV.10

1.      Langkah pertama buka program CfdesignV.10 melalui Desktop komputer anda klik/enter progam CFDesignV.10

                                                         

Gambar 1.1 CFD Pada Menu dekstop

 

Gambar 1.2 CFD Pada Menu all program

Atau bisa melalui klik start, all programs, CFdesign 10.0, klik program CFDesign10.0

2.      Langkah kedua dapat secara langsung melalui program PRO-E, perhatikan gambar di bawah ini,

Gambar 1.3 Progran CFD pada Pro-Engineering

B. Menjalankan progam CFDesignV.10

Setelah progam CFD terbuka,

Gambar 1.4 Logo CFD

Tata Cara Navigasi Menggunakan Mouse Dalam CFDesignV.10

Gambar 1.5 Perintah mouse

Perintah Kegunaan Scroll ke bawah pada roda tengah mouse tepat pada benda kerja Perbesar gambar Scroll ke atas pada roda tengah mouse tepat pada benda kerja Perkecil gambar Tekan Ctrl + Tekan scroll mouse kemudian digerakan Rotasi benda kerja Tekan Ctrl + Tekan kanan mouse lalu digerakan Memindahkan posisi benda kerja Klik kanan Mouse pada benda kerja Menghilangkan bagian dari benda kerja Klik kanan Mouse di luar benda kerja Mengembalikan bagian dari benda kerja Tekan Shift + Tekan scroll mouse kemudian digerakan Memutar benda kerja searah pada satu sumbu Klik kiri pada benda kerja Untuk menandai benda kerja

1.2 TUJUAN PENULISAN LAPORAN

Setelah melaksanakan praktek pembelajaran Pro Engineering di Laboratorium. Maka mahasiswa diwajibkan menuliskan laporan sebagai syarat untuk :

1. Sebagai tanda bukti mahasiswa, untuk melaksanakan UAS praktek CFD Design di Laboratorium praktikum.
2. Menunujukan bahwa mahasiswa telah mengikuti mata kuliah CFD Design dan mengetahui ilmu dari mata kuliah tersebut.
3. Sebagai bukti bahwa mahasiswa telah menuangkan pikiran kedalam bentuk tulisan yang dapat diuji kebenarannya.

1.3  METODE PENULISAN LAPORAN

            Adapun metode yang mahasiswa gunakan dalam penulisan laporan ini adalah sebagai berikut :

1.      Interview yaitu metode yang dilaksanakan mahasiswa pada saat praktek CFD Design di Laboratorium yang tujuannya untuk bertanya lebih banyak untuk memahami tentang mata kuliah CFD Design tersebut.

2.      Melaksanakan praktek secara langsung tentang apa yang telah di pelajari dalam mata kuliah CFD Design tersebut.

3.      Mengambil referensi dari sebuah buku pedoman mahasiswa dalam pembelajaran mata kuliah CFD Design.

1.4  SISTEMATIKA PENULISAN

 Sistematika penulisan laporan adalah:

1.      Bab I  (pertama) di kemukan dengan pendahuluan, latar belakang dan maksud & tujuan yaitu sistematika penulisan agar memudahkan para pembaca/pengguna untuk mengikuti dan memahami pembahasan laporan ini.

2.      Bab II (kedua) menguraikan tentang teori dasar  dari CFD

3.      Bab III (ketiga) berisi Analisa Latihan Praktikum

4.      Bab IV (keempat) berisi Analisa Ujian Praktikum

5.      Bab V (kelima) berisi Kesimpulan

6.      Daftar Pustaka

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1   CFD (Computational Fluid Dynamics)

CFD adalah analisa system yang mencakup aliran fluida, aliran kalor dan berhubungan dengan fenomena seperti reaksi kimia dengan menggunakan seperangkat simulasi komputer.

Pemakaian CFD ini sangat baik diterapkan untuk mencakup semua penggunaannya di dalam dunia industri diantaranya : Aerodinamik pada pesawat terbang dan kendaraan, menganalisa gaya angkat, pergerakan air yang dihasilkan oleh perahu, pembakaran dalam engine dan turbin gas pada power plan, aliran didalam putaran lubang pada mesin turbo, percampuran dan pemisahan polimer moulding dalam proses kimia dll.

Penggunaan CFD pada penelitian dimaksudkan untuk memvisualisasikan aliran di dalam sebuah vortex dan memberi informasi property aliran yang sulit diperoleh secara menyeluruh dalam sebuah eksperimen. Proses komputasi atau perhitungan-perhitungan yang digunakan dalam CFD berdasarkan hukum Navier-Stokes.

Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah sebuah analisis system yang melibatkan aliran fluida, perpindahan panas dan fenomena terkait seperti reaksi kimia dengan cara simulasi berbasis komputer. Teknik ini sangat handal dan meliputi cakupan luas dalam area industry dan non industry. Beberapa contohnya yaitu :

·         Aerodinamika pesawat dan kendaraan : lift dan drag

·         Hidrodinamika kapal

·         Pembangkit Tenaga : pembakaran dalam mesin IC dan turbin gas

·         Mesin turbo : aliran dalam laluan rotating, diffuser dsb.

·         Rekayasa electrical dan electronic : pendingin peralatan termasuk microchip

·         Rekayasa proses kimia : mixing dan separation, polymer moulding

·         Lingkungan internal dan eksternal gedung : beban angin dan pendinginan/ventilasi

·         Rekayasa kelautan : beban struktur off-shore

·         Rekayasa lingkungan : distribusi polutan dan anak sungai

· Oceanografi dan hidrologi : aliran sungai, muara, laut

· Meteorologi : prediksi cuaca

· Rekayasa biomedis : aliran darah melalui arteri dan vena

• Keunggulan/keuntungan teknik analisis ini dibandingkan dengan pendekatan eksperimen dalam sebuah desain system fluida yaitu :

a.       Reduksi substansial waktu dan biaya untuk desain baru.

b.      Kemampuan studi system yang tidak mampu dikontrol dengan eksperimen (misal   system yang sangat luas).

c.       Kemampuan studi system dalam kondisi berbahaya pada dan di luar batas kinerja normal (seperti pada studi keselamatan dan scenario kecelakaan)

d.      Detil hasil yang lebih banyak secara praktis

Sistem analisis CFD tersusun dari beberapa algoritma numeric (disebut Code), yang terbagi oleh 3 elemen sebagai berikut :

1. Pre-processor

Merupakan bagian input suatu problem fluida ke sebuah program CFD melalui interface dan tranformasi lanjut ke dalam sebuah bentuk yang sesuai untuk solver. Langkah-langkah pengguna dalam tahap pre-processing yaitu :

• Definisi geometri region analisa : domain komputasional
• Pembuatan grid : pemecahan domain menjadi beberapa sub domain yang lebih kecil dan non overlapping : sebuah grid (mesh) atau volume atur/elemen
• Pemilihan fenomena fisik dan kimia yang perlu dimodelkan
• Definisi properties fluida
• Spesikasikan kondisi batas yang sesuai pada sel-sel yang berhimpit dengan batas domain

Solusi sebuah problem fluida (kecepatan, tekanan, temperature dsb) didefinisikan di setiap nodal di dalam masing-masing sel. Akurasi sebuah solusi CFD ditentukan oleh jumlah sel dalam grid. Secara umum, semakin besar jumlah sel semakin baik akurasi solusi. Baik akurasi solusi dan biaya hardware computer serta lama kalkulasi tergantung kepada halusnya/rapatnya grid. Mesh-mesh optimal sering merupakan non-uniform : lebih rapat pada area di mana variasi-variasi banyak terjadi dari poin ke poin dan lebih jarang pada region dengan perubahan yang sedikit. Kemampuan teknik (self) adaptive meshing telah membantu pengembangan CFD guna otomatikal penghalusan grid untuk area dengan variasi yang padat. Sekitar 50% waktu proyek CFD di industry tercurah pada pendefinisian geometri domain dan penyusunan grid. Guna meningkatkan produktivitas pengguna code-code utama sekarang termasuk interface jenis CAD dan/atau fasilitas import data dari pemodelan surface dan meshing seperti PATRAN dan I-DEAS. Pre-prosesor hingga saat ini juga membantu user mengakses data library properties fluida umum dan fasilitas memasukkan model proses fisikal dan kimikal (model turbulence, perpindahan kalor radiatif, pembakaran) bersama persamaan aliran fluida utama.

2. Solver

Terdapat 3 macam teknik solusi numeric : beda hingga (finite difference), elemen hingga (finite element) dan metode spectral. Kerangka utama metode numeric untuk dasar sebuah solver terdiri dari langkah :

• Aproksimasi variable-variabel aliran yang tidak diketahui dengan fungsi-fungsi sederhana.
• Diskretisasi dengan substitusi aproksimasi ke dalam persamaan atur aliran dan manipulasi matematis lanjut.
• Solusi persamaan-persamaan aljabar. Perbedaan utama di antara ketiga macam teknik adalah pada cara aproksimasi variable-variabel aliran dan proses diskretisasi.

Metode Beda Hingga

Menggambarkan variable tidak diketahui Φ sebuah problem aliran dengan cara sampel-sampel titik pada titik-titik nodal sebuah grid dari garis koordinat. Ekspansi Deret Taylor terpotong sering dipakai untuk membangun aproksimasi-aproksimasi beda hingga derivative Φ dalam suku-suku sampel-sampel titik Φ di masing-masing titik grid dan tetangga terdekat. Derivatif tersebut muncul dalam persamaan atur digantikan oleh beda hingga menghasilkan persamaan aljabar untuk nilai-nilai Φ di setiap titik grid. Smith (1985) memberikan sebuah perhitungan komperhensif dari seluruh aspek metode beda hingga.

Metode Elemen Hingga

Menggunakan fungsi-fungsi potong (piecewise) sederhana (missal linier atau kuadratik) pada elemen-elemen untuk menggambarkan variasi-variasi local variable aliran yang tidak diketahui Φ. Persamaan atur terpenuhi secara tepat oleh solusi eksak Φ. Jika fungsi-fungsi aproksimasi potong untuk Φ disubstitusikan ke dalam persamaan, terdapat sebuah ketidak pastian hasil (residual) yang didefinisikan untuk mengukur kesalahan. Kemudian residual (kesalahan) diminimalkan melalui sebuah pengalian dengan sebuah set fungsi berbobot dan mengintegrasikannya. Hasilnya diperoleh sekumpulan persamaan aljabar untuk koefisien-koefisien tak diketahui dari fungsi-fungsi aproksimasi. Teori elemen hingga awalnya dikembangkan untuk analisis tegangan struktur. Untuk sebuah standar aplikasi fluida adalah Zienkiewics dan Taylor (1991).

Metode Spektral

Mengaproksimasikan variable Φ dengan deret Fourier terpotong atau deret Polinomial Chebyshev. Aproksimasi tidak secara local namun valid di semua domain komputasional, mengganti tak diketahui dalam persamaan atur dengan deret-deret terpotong. Batasan yang membawa ke persamaan aljabar untuk seluruh koefisien deret Fourier dan Chebyshev diberikan oleh konsep residual berbobot mirip dengan elemen hingga atau membuat fungsi aproksimasi serupa dengan solusi eksak pada sebuah nilai dari titik-titik grid. Informasi selebihnya dapat diperoleh dalam Gottlieb dan Orszag (1977).

Metode Volume Hingga (Finite Volume)

Awalnya dikembangkan untuk special formulasi beda hingga, algoritma numeric terdiri dari langkah :

· Intergrasi persamaan atur aliran fluida di seluruh volume atur (hingga) dari domain solusi

· Diskretisasi dengan substitusi beragam aproksimasi beda hingga untuk suku-suku persamaan terintegrasi proses aliran seperti konveksi, difusi dan sumber. Akan dikonversikan persamaan integral menjadi sebuah sistem persamaan aljabar.

· Solusi persamaan-persamaan aljabar dengan metode iterative

Langkah awal, integrasi volume atur, membedakan metode volume hingga dari seluruh teknik CFD. Hasilnya menggambarkan konservasi (eksak) properties relevan di setiap sel ukuran hingga. Relasi yang jelas antara algoritma numeric dan prinsip konservasi fisis dasar memberikan sebuah ketertarikan dan konsep yang lebih mudah bagi para enginer.

Konservasi variable umum aliran Φ contohnya sebuah komponen kecepatan atau entalpi, dalam sebuah volume hingga dapat digambarkan sebagai keseimbangan di antara bermacam proses berkecenderungan menambah atau mengurangi. Dengan kata lain :

3. Post-processor

Hasil perhitungan modul solver berupa nilai-nilai numerik (angka-angka) variabel-variabel dasar aliran seperti komponen-komponen kecepatan, tekanan, temperatur dan fraksi-fraksi masa. Dalam modul post-processor nilai-nilai numerik ini diolah agar pengguna dapat dengan mudah membaca dan menganalisis hasil-hasil perhitungan CFD. Hasil-hasil ini dapat disajikan dalam bentuk grafis-grafis ataupun kontur-kontur distribusi parameter-parameter aliran fluida. Selain itu juga, modul post-processor menghitung parameter-parameter desain seperti koefisien gesek, Cd, Cl, Fluks panas , Gaya-gaya yang dikembangkan aliran fluida, Torsi, Daya dan lain sebagainya.

2.2 EFD (Engineering Fluid Dynamics)

Perkembangan terbaru dari CFD untuk aplikasi enggineering adalah EFD (Enggineering Fluid Dynamics). EFD telah terkombinasi secara langsung dengan software permodelan 3 dimensi (3D CAD) yang telah umum digunakan, seperti: Inventor, NX, Solid Works, Catia dll. Kelebihan dengan adanya permodelan 3 dimensi ini adalah:

1. Waktu yang diperlukan untuk mendesain suatu system aliran fluida lebih cepat.
2. Mereduksi biaya yang diperlukan untuk membuat prototype secara fisik karena telah digantikan simulasi 3D.
3. Meminimalisasi kesalahan pada tahap design.

Beberapa aplikasi pengguaan EFD pada dunia industri :

1. Simulasi aerodinamis pada bodi mobil.
2. Simulasi semburan bahan bakar pada ruang bakar.
3. distribusi kecepatan pada pipa dan valve, dll.

EFD adalah resolusi terbaru dari CFD (Computational Fluid Dynamics) yang disebut Engineering Fluid Dynamics. EFD merupakan program CFD dengan fitur yang lebih lengkap dan canggih dibandingkan dengan CFD untuk pengguna AutoCAD, CATIA, Solid Works dan lain lain. EFD mengkombinasikan semua langkah-langkah simulasi dimulai dari penggunaan data 3D CAD untuk pemodelan ,pemecahan masalah dan hasil visualisasi dalam satu program yang mudah digunakan. Dengan kata lain EFD merupakan CFD yang mempunyai orientasi pada proses. EFD pada dasarnya sama dengan CFD pendahulunya.Akan tetapi ada 7 kelebihan utama yang membuat EFD lebih cepat dan mudah digunakan serta lebih akurat. Mengkombinasikan EFD dengan CAD memampukannya menjadi sebuah program simulasi yang sangat canggih yang bermanfaat untuk:

1. Mengimprove performa, functional dan reliability dari produk.
2. Mengurangi cost produksi
3. Meminimalisasi kesalahan dalam mendesain

Dengan kelebihan kelebihan yang dimiliki oleh EFD,maka para penggunanya dapat menghemat banyak waktu dan meningkatkan kinerja produktivitas karena dapat menekan biaya pembuatan prototype dan pengujiannya,yang dapat digantikan dengan membuat simulasinya pada EFD.

Tujuh kunci teknologi yang membuat EFD lebih maju dibandingkan dengan CFD (7Key Technologies):

 1. DC :Direct CAD to CFD Concept

2. EVI:Engineering vs Analysis User Interface

3. DVA :Design Variant Analysis

4. RAM :Intelligent Rectangular Adaptive Mesh

5. MWF :Modified Wall Functions

6. LTTM :Laminar Transitional Turbulent Modelling

7. ACC :Automatic Convergence Control

Contoh –contoh penerapan dari software EFD ini yaitu :

1. Di bidang Otomotif : penentuan sifat aerodinamik pada bagian kendaraan, aliran di katup dan silinder.
2. Di bidang proses industri : analisa blade pompa, proses terjadinya kavitasi pada pompa maupun pipa, Heat Exchanger. - Di bidang Elektronika : analisa aliran thermal di dalam assembli komputer, pada tata letak server database.
3. Di bidang HVAC (Heat Ventilating Air Conditioner) : distribusi aliran udara dan temperatur, parameter kenyaman tata letak ruangan.
4. Di bidang kesehatan : kontaminasi udara, air, atau fluida lainnya. Keuntungan dalam memakai EFD diantaranya :

·         Dengan mudah mengintegrasikan berbagai macam factor yang saling mempengaruhi aliran fluida.

·         Untuk mengoptimalkan disain perhitungan yang melelahkan yang membutuhkan tingkat ketelitian sangat tinggi.

·         Menghemat ongkos biaya pengujian eksperimental dan waktu.

·         Memberi kemudahan dan kecepatan dalam trouble-shooting dan pengambilan keputusan apabila terjadi permasalahan yang diakibatkan oleh human error.

·         Dapat menyelesaikan secara bersamaan pada proses perpindahan panas konveksi, konduksi dan radiasi.

·         Otomatisasi perubahan radiasi dengan menampilkan factor perhitungan.

·         Otomatisasi pemuatan kondisi syarat batas pada solar boundry.