LANGKAH-LANGKAH SIMULASI NUMERIK MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CFD - part2

Assalamu'alaikum wr wb, Sahabat.

Sahabat, pada artikel yang lalu kita telah mempelajari tahap pertama langkah-langkah simulasi numerik menggunakan perangkat lunak CFD. Sahabat bisa refresh kembali materi tersebut dengan klik di sini. Bagaimana, Sahabat? Apabila ada yang ingin dikomentari atau saran silakan tuliskan di dalam kolom komentar ya. Karena saran dan komentar dari Sahabat sangat berharga untuk perbaikan ke depannya. 

Artikel kali ini akan menyajikan sedikit informasi tentang langkah simulasi pada tahap processing. Pada tahap ini digunakan sebuah perangkat solver yaitu ANSYS Fluent 2021R1. Perangkat lunak ini juga terintegrasi di paket ANSYS Student dan bisa dijalankan langsung dari Workbench. Solver merupakan perangkat lunak yang akan menghitung atau kalkulasi persamaan diskrit hingga diperoleh solusi yang stabil dan konsisten sehingga dapat dicapai kondisi konvergen. Menurut Hoffman dan Chiang (2000), sebuah skema numerik disebut stabil (stabilitas) apabila error yang muncul pada solusi persamaan differensial hingga tidak bertambah besar. Namun, sebuah skema numerik disebut konsisten (konsistensi) apabila persamaan differensial hingga akan menjadi atau kembali menjadi bentuk persamaan diferensial parsial ketika ukuran grid mendekati nol. 

Sahabat, kita sebut saja tahap ini sebagai tahap solving. Pada tahap ini terdapat beberapa parameter solver yang harus diatur. Tentunya pengaturan disesuaikan dengan kebutuhan simulasi dan akan berbeda pada setiap simulasi dan bidang keilmuan ya. Artikel ini akan menyajikan sedikit informasi tentang pengaturan untuk simulasi CFD di bidang aerodinamika yaitu ailiran fluida udara di sekitar model sayap. Baik Sahabat, pengaturan kita awali dari Fluent Launcher. Pada Launcher diatur sebagai berikut 3D, Double Precision dan Display Mesh After Reading. Sebelum dilakukan pengaturan solver lebih lanjut, terlebih dulu dilakukan Mesh Check. Pengaturan umum solver adalah Pressure Based dan Transient. Data Gravity digunakan -9,81 m/s pada kolom y. Model viskos yang digunakan adalah 𝜅-omega SST (2 equations). Sedangkan pengaturan Solution Methods meliputi pengaturan pada PressureVelocity Coupling Scheme digunakan Coupled, pada Spatial Discretization digunakan Least Square Cell Base Gradient, Second Order Pressure, Second Order Upwind Momentum sedangkan pengaturan lainnya digunakan pengaturan standar. 

Monitor iterasi berupa Residual Monitors yang terdiri dari continuity, x-velocity, y-velocity, z-velocity, 𝜅 dan omega dengan absolute criteria masing-masing sebesar 0,00001 dan dapat diperkecil untuk menghindari autostop pada jumlah iterasi sedikit. Selain residual monitors, juga digunakan report plot lift coefficient dan report plot drag coefficient untuk mengetahui pengaruh iterasi terhadap perubahan koefisien lift dan drag.

Variasi sudut serang diatur dengan mengubah nilai flow direction pada x-component dan y-component pada velocity inlet sesuai dengan nilai cosine dan sine tiap sudut serang yang diteliti. Sedangkan pengaturan kecepatan inlet dengan mengubah velocity magnitude. Outlet menggunakan pressure-outlet dengan gauge-pressure 0 Pa. Perlu diingat Sahabat, ketika menghitung sudut menggunakan Ms. Office Excel maka angka sudut yang dibaca oleh Ms. Office Excel dalam satuan radian sehingga perlu diubah ke degree untuk inpu ke perangkat lunak Fluent.

Selanjutnya adalah Initialization. Standard Initialization dipilih dengan pengaturan Compute from inlet dan Reference Frame Relative to Cell Zone. Setelah Initialization selesai dilanjutkan pengaturan Calculation Activities. Pengaturan dilakukan dengan mengisikan 1 pada kolom Autosave Every (Time Steps) agar solver menyimpan data tiap selesai melakukan iterasi pada tiap time step. Pada kolom Automatic Export, dapat dibuat Solution Data Export baru dengan tipe CDAT for CFDPost & EnSight agar solver menyimpan seluruh data hasil simulasi untuk memudahkan analisis pada postprocessing. Tanpa pengaturan pada Automatic Export pun, perangkat lunak akan tetap menyimpan data simulasi.

Pada simulasi transient perlu diatur time management agar diperoleh perubahan hasil pada tiap perubahan time step. Apabila diasumsikan flow time 10 detik maka dapat diatur Number of Time Step sebanyak 100 dan Time Step Size selama 0,1 detik. Bisa juga diatur sebagai berikut Number of Time Step sebanyak 1000 dan Time Step Size selama 0,01 detik. Jadi flow time sama dengan hasil perkalian antara number of time step dan time step size. Maximum Iteration/Time Step diatur sesuai kebutuhan dan kemampuan sumber daya komputasi dengan tujuan untuk mendapatkan hasil yang stabil dan konsisten. Dalam artikel ini saya contohkan 20 kali iterasi tiap 1 time step. Pada pengaturan ini, Fluent akan melakukan iterasi total sebanyak 2000 kali atau 20.000 kali yaitu hasil perkalian antara number of time step dan max iteration/time step. Cara menghitungnya cukup mudah bukan? Pengaturan lainnya menggunakan pengaturan standar dari ANSYS Fluent 2021R1. Konvergen akan tercapai apabila Residual Monitors menunjukkan grafik telah mencapai nilai Absolute Criteria atau cenderung stabil pada nilai tertentu dan grafik pada report plot lift coefficient dan report plot drag coefficient juga cenderung stabil pada nilai  tertentu.  Kriteria konvergensi dan diskritisasi akan saya sajikan pada artikel selanjutnya. Selanjutnya untuk mempermudah pemahaman, rangkuman pengaturan solver saya tampilkan dalam bentuk tabel. Semoga dapat membantu.

Selama kalkulasi berlangsung hingga kalkulasi selesai, Fluent akan menampilkan grafik monitoring berupa grafik residual dan report plot. Contoh grafik monitoring seperti gambar di bawah ini, tampilan grafik bisa berbeda untuk setiap kalkulasi dengan pengaturan yang berbeda.

Setelah kalkulasi selesai, perlu dilakukan pengecekan kekekalan energi untuk memastikan bahwa simulasi berlangsung sesuai dengan persamaan atur. Salah satu cara memeriksa kekekalan energi adalah dengan memeriksa keseimbangan mass flow rate dan momentum. Keseimbangan mass flow rate diketahui dari Flux Report yang tersedia di perangkat lunak Fluent. Setelah dilakukan Compute, diperoleh data mass flow rate pada inlet dan outlet. Tanda positif menunjukkan mass flow rate masuk ke sistem sedangkan tanda negatif menunjukkan mass flow rate keluar dari sistem. Kemungkinan hasil pengecekannya tidak menghasilkan angka nol, tapi terdapat selisih yang sangat kecil antara input dan output sehingga dapat diabaikan dan dianggap seimbang. Contoh hasil cek keseimbangan mass flow rate seperti gambar di bawah ini.

Selain cek keseimbangan mass flow rate, juga dapat dilakukan cek keseimbangan momentum dengan menerapkan rumus momentum yaitu momentum didefinisikan sebagai hasil perkalian antara massa dan kecepatan benda dirumuskan sebagai berikut  P = m x V. Selisih yang cukup kecil dapat diabaikan karena dianggap tidak mempengaruhi simulasi. Mungkin sebagian Sahabat bertanya seperti apa contoh perhitungannya. Baik, contoh perhitungannya seperti di bawah ini. 

Sahabat, itulah tadi sekelumit informasi tentang tahap processing dalam simulasi CFD dengan Fluent. Untuk diketahui bahwa tahap processing ini juga sering disebut solving atau calculation. Selanjutnya kita akan masuk ke tahap postprocessing yaitu tahap olah data simulasi dan visualisasi. Pada tahap ini Run Calculation sudah selesai dilakukan dan diperoleh data hasil kalkulasi yang dapat ditampilkan dalam bentuk visualisasi grafik dan gambar kontur parameter yang diamati di sekitar object, dalam contoh kasus ini antara lain koefisien lift, koefisien drag, lift to drag ratio, velocity, density, pressure dan boundary layer. Pada contoh kasus aliran fluida di sekitar airfoil akan diperoleh hasil berupa gaya Fx dan Fy. Kedua gaya ini kita ubah dengan perhitungan rumus menggunakan Ms. Office Excel untuk mendapatkan nilai gaya Lift dan gaya Drag. Langkahnya cukup mudah, Sahabat. Namun, cukup panjang kalau saya tulis di halaman ini. Sahabat bisa baca online dari sini atau di postingan selanjutnya di sini.

Baiklah, Sahabat inilah akhir diskusi kita tentang langkah simulasi numerik part2. Kita lanjut lagi nanti di tahap POSTPROCESING di part-3 ya. Saya sangat terbuka terhadap saran, masukan dan kritik dari para Sahabat untuk kebaikan di masa yang akan datang. Silakan tuliskan di kolom komentar ya. Terima kasih. Semoga informasi ini bermanfaat dan sampai ketemu di artikel selanjutnya.

*Image used courtesy of Ansys Inc.