LANGKAH-LANGKAH SIMULASI NUMERIK MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CFD - part1

 Assalamualaikum wr wb, Sahabat.

Computational Fluid Dynamic atau dikenal dengan istilah CFD tentu sudah tidak asing lagi di telinga kita. Utamanya bagi Sahabat yang berminat meneliti di bidang simulasi dan analisis numerik. Sejatinya CFD mengubah bentuk persamaan intergral atau differensial parsial yang rumit menjadi bentuk persamaan aljabar yang lebih sederhana. Persamaan aljabar yang diperoleh akan diselesaikan hingga mendapatkan solusi berupa nilai medan aliran pada titik diskrit dalam ruang dan waktu tertentu. Sebelum membaca tulisan ini lebih lanjut, ada baiknya Sahabat membaca artikel sebelumnya yaitu selayang pandang tentang CFD di sini. 

Sahabat, tulisan kali ini akan berbagi informasi tentang bagaimana langkah-langkah melakukan simulasi CFD khususnya menggunakan perangkat lunak ANSYS Student 2021R1. Tentu Sahabat sudah mengenal perangkat lunak yang powerfull ini kan. Meskipun hanya versi student/academic, perangkat lunak ini sudah cukup lengkap dan layak digunakan untuk simulasi. Perangkat lunak ANSYS Student telah mengintegrasikan berbagai jenis perangkat lunak untuk simulasi di berbagai bidang keilmuan antara lain Mechanical, CFD, Fisika, Kimia dan lain-lain. Pengguna akan dimudahkan dengan adanya integrasi tersebut. Sebagai contohnya pada analisis numerik di bidang CFD, pengguna dapat menggunakan Workbench untuk menyusun skema simulasi yang dibutuhkan mulai dari desain geometri objek penelitian, proses meshing, solving hingga pengolahan data hasil penelitian berupa gambar dan angka. Dari Workbench, pengguna dapat langsung memilih dan membuka perangkat lunak yang dibutuhkan untuk simulasi dari awal (preprocessing) hingga akhir proses (postprocessing). Menurut informasi dari halaman website resmi ANSYS, perangkat ini sudah digunakan untuk keperluan pendidikan dan penelitian oleh banyak universitas atau akademi di berbagai negara di dunia. Sudah cukup terpercaya bukan? Namun, tidak dapat dipungkiri bahwa terdapat keterbatasan dalam versi student ini yaitu perangkat lunak Fluent yang terintegarsi hanya mampu memproses simulasi objek dengan maksimum jumlah elemen mesh sebanyak 512.000 elemen saja. Selain itu, minimum hardware requirement atau spesifikasi komputer untuk menjalankan perangkat lunak ANSYS Student cukup tinggi yaitu membutuhkan Processor(s): Workstation class, 4 GB RAM, 25 GB hard drive space dan lain-lain. Sahabat bisa membaca data lengkapnya di website resmi ANSYS di sini. Pengalaman saya menggunakan minimum hardware requirement, perangkat lunak dapat dijalankan namun saya merasa kurang nyaman. Demi meningkatkan kenyamanan saat simulasi saya upgrade RAM dan Alhamdulillah perangkat lunak bisa dijalankan dengan mulus dan lancar jaya. :)

Seperti layaknya penelitian ekperimental, variabel-variabel yang akan diteliti harus ditentukan terlebih dulu sebelum melakukan simulasi. Variabel-variabel inilah yang akan menjadi parameter masukan dan parameter hasil pada simulasi. Kita ambil satu contoh kasus pada sebuah studi numerik tentang pengaruh vortex generator terhadap performa aerodinamika sayap pesawat terbang. 

Sebelum melangkah lebih jauh dalam tahap simulasi, kita harus tentukan dulu variabel-variabel yang digunakan. Variabel-variabel simulasi dapat ditentukan sebagai berikut:

Variabel Bebas

Penggunaan variabel bebas bertujuan untuk membatasi ruang lingkup penelitian sehingga penelitian dapat dilakukan dengan lebih terkonsentrasi pada tujuan penelitian dan memperoleh hasil yang tepat untuk menjawab rumusan masalah. Pada contoh kasus ini, variabel bebas dapat berupa variasi pada sudut serang sayap dan variasi kecepatan aliran fluida pada inlet.

Variabel Terikat

Variabel terikat merupakan variabel yang diamati dan diukur dalam penelitian untuk mengetahui ada atau tidaknya pengaruh dari variabel bebas dan merupakan jawaban dari rumusan masalah penelitian. Pada contoh kasus ini dapat ditentukan variabel terikat antara lain koefisien lift (CL), koefisien drag (CD), lift-drag ratio (CL/ CD) dan visualisasi aliran fluida di sekitar model sayap.

Variabel Kendali

Variabel kendali merupakan variabel yang dijaga selama penelitian agar selalu tetap sehingga pengaruh variabel bebas terhadap variabel terikat tetap konstan atau stabil. Variabel kendali yang dapat digunakan pada contoh kasus ini antara lain environmental condition meliputi model viskos dan kondisi operasional simulasi, geometri objek, physical properties dan pengkondisian pada objek (asumsi karakter material objek)

Setelah kita tentukan variabel simulasi, perlu diperiksa spesifikasi perangkat keras dan perangkat lunak (sumber daya komputasi) agar memenuhi minimum rerquirement dan simulasi dapat berjalan dengan lancar. Berikut ini saya tampilkan spesifikasi umum perangkat lunak dan perangkat keras yang pernah saya gunakan untuk simulasi. Simulasi saya lakukan pada awal hingga pertengahan tahun 2021. Silakan diamati pada tabel berikut ini, Sahabat. 

Perangkat Lunak

NO	TAHAPAN		PERANGKAT LUNAK
1.	Operating System		Windows 10 Pro 64bit
2.	Preprocessing	CAD 3D Technical Drawing	ANSYS Workbench 2021R1 ANSYS Design Modeller 2021R1 ANSYS Space Claim 2021R1
		Meshing	ANSYS Meshing 2021R1
3.	Processing	Komputasi	ANSYS Fluent 2021R1
4.	Postprocessing	Data dan Visualisasi	ANSYS CFD-Post 2021R1
5.	Word Processing		Microsoft Office 2019

 

Perangkat Keras

c	JENIS PERANGKAT	NAMA PERANGKAT
1.	Jenis Komputer	Laptop HP model 14- bs007TX
2.	Processor	Intel(R) Core(TM) i5-7200U CPU @ 2.50GHz, 2712 Mhz, 2 Core(s), 4 Logical Processor(s)
3.	Motherboard	HP 831F 17,42
4.	RAM	4,00 GB + 8,00 GB DDR4
5.	Render	AMD Radeon (TM) R5 M330 4GB
6.	Storage	HDD 1TB
7.	Cooling System	Casing Fan
8.	Power Supply Unit	HP 65W AC Adapter Unit

Sahabat, spesifikasi perangkat keras pada tabel tersebut sebagai referensi saja. Semakin tinggi spesifikasi perangkat keras maka perangkat lunak ANSYS akan semakin lancar dan nyaman pada saat digunakan simulasi. Tentunya proses diskritasi, solving dan akurasi hasil simulasi dapat dicapai dengan lebih optimal.

Objek simulasi berupa sayap dan vortex generator dapat dibentuk dari koordinat airfoil yang diunduh dari website www.airfoiltools.com. Setelah terbentuk geometri 2D airfoil dapat dilanjutkan dengan menggambar 3D sayap dan vortex generator. Perangkat lunak Design Modeller yang terintegrasi dengan ANYS Student bisa digunakan menggambar geometri 2D dan 3D. Pada contoh kasus ini akan ditampilkan airfoil NACA2412 (sebagai sayap) dan airfoil NACA0012 (sebagai vortex generator). Setelah geometri terbentuk, dapat dibuat gambar teknik menggunakan perangkat lunak SpaceClaim.

Selanjutnya dibentuk domain komputasi yang terdiri dari domain solid (objek) dan domain fluid (udara). Domain komputasi dikondisikan dalam bentuk box sebagai simulasi ruangan di dalam wind tunnel.

Baiklah Sahabat. Setelah menggambar geometri hingga terbentuk domain komputasi, langkah selanjutnya adalah diskritisasi atau lebih dikenal dengan meshing. Pada contoh kasus ini, digunakan perangkat lunak ANSYS Meshing 2021R1 untuk mengatur mesh atau diskritisasi pada domain komputasi. Perangkat lunak ini dijalankan melalui cell pada project schematic ANSYS Workbench 2021R1. Selanjutnya diperiksa terlebih dulu pengaturan default mesh. Pada penelitian ini, domain komputasi memiliki fitur-fitur yang sederhana sehingga dipilih mesh tipe hexahedral pada geometri yang mudah dibentuk dengan mesh tersebut. Guna meningkatkan kualitas mesh maka diatur ukuran elemen mesh secara global. Kemudian, mesh diubah menjadi jenis polyhedral untuk mempercepat proses iterasi. 

Pengaturan mesh dilanjutkan dengan mendefinisikan bidang boundary condition. Inlet, outlet, symmetry dan wall didefinisikan pada domain komputasi. Pada simulasi dengan sudut serang positif, bidang inlet didefinisikan pada bidang domain komputasi yang berada di depan leading edge, bagian bawah dan samping (bagian tip sayap). Outlet didefinisikan pada bidang domain komputasi yang berada di bagian atas model sayap dan belakang model sayap. Apabila sudut serang bernilai negatif, bidang inlet didefinisikan pada bidang domain komputasi yang berada di depan leading edge, bagian atas dan samping, sedangkan outlet didefinisikan pada bidang domain komputasi yang berada di bagian bawah model sayap dan belakang trailing edge model sayap. Berbeda halnya pada saat sudut serang 0°, inlet adalah permukaan domain fluida di depan leading edge sayap, atas sayap, bawah sayap dan di samping wingtip sedangkan outlet adalah permukaan domain fluda di belakang trailing edge. Adapun bidang symmetry didefinisikan pada bidang domain komputasi sebagai wing root dan wall didefinisikan pada model sayap dan dinding domain fluida dengan no-slip condition.

Langkah selanjutnya adalah memeriksa kualitas mesh. Hasil pengaturan mesh dapat diperiksa sedikitnya berdasarkan dua standar yang telah ditentukan oleh ANSYS Inc. yaitu skewness dan orthogonal quality. Sahabat bisa mengacu pada tabel kualitas mesh yang direkomendasikan ANSYS seperti yang dijelaskan pada artikel sebelumnya. Sebaiknya nilai skewness dan orthogonal quality masuk kategori acceptable agar dapat diproses oleh perangkat lunak dan diperoleh hasil simulasi yang mendekati kondisi sebenarnya. Sebelum masuk tahap solving, terlebih dulu dilakukan mesh independency test untuk memeriksa pengaruh jumlah mesh terhadap deviasi hasil simulasi. Pada contoh kasus ini digunakan mesh dengan kualitas nilai skewness maksimum 0,84851 sehingga masuk kategori acceptable dan standar nilai orthogonal quality minimum 0,15149 sehingga masuk kategori acceptable. Hasil mesh independency test menunjukkan bahwa pada jumlah elemen sebanyak 458.909 telah menghasilkan nilai drag dan lift yang relatif konstan. Berikut ini hasil mesh independency test yang dilakukan pada contoh kasus ini:

Sahabat, inilah akhir dari sekelumit tulisan tentang langkah simulasi CFD part-1 yang menceritakan tentang tahap awal simulasi yaitu PREPROCESSING. Kita sambung lagi cerita tentang CFD khususnya tahap PROCESSING di part-2. Sahabat bisa klik link ini untuk langsung menuju tahap PROCESSING di part-2. Saya sangat terbuka terhadap masukan, saran dan kritik  dari Sahabat demi kebaikan di masa mendatang. Sampai ketemu. Semoga sehat selalu.

*Image used courtesy of Ansys Inc.