Dasar-dasar Computational Fluid Dynamics

dengan FLUENT CFD

F. V.’s

Personal LATEX Book

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

2 GAMBIT 10

1

Daftar Gambar

1.1 Evolusi Penggunaan CFD pada Airbus . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1 Model Potongan Blok Mesin dengan Mesh . . . . . . . . . . . . 10

i

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 di-

bangun 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 indus-

tri 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 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 memecahkan 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 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 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.

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 pen-

ting. 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 exam-

ple, 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 neces-

sary 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 def-

inition 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 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), 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 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 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 kom-

puter berbasis teknologi canggih untuk melakukan modeling dan simulasi ali-

ran 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 (rota-

tionally symmetric), dan 3D.

• Pembuatan mesh 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.

• 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, 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 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 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.

Produk Fluent CFD terdiri dari dua software terpisah, yaitu GAMBIT dan

Fluent (Solver); tahapan pre-processing sebagian dilakukan pada software GAM-

BIT 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 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-generasi mesh pada geo-

metri 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