Menurut Anderson (1995), komputasi dinamika fluida merupakan seni untuk mengganti bentuk integral atau persamaan diferensial parsial suatu kasus menjadi bentuk aljabar yang terdiskritisasi. Kemudian bentuk aljabar tersebut diselesaikan untuk mendapatkan angka yang menunjukkan nilai medan aliran pada titik diskrit dalam ruang dan waktu tertentu. Hasil akhir komputasi dinamika fluida berupa kumpulan angka yang mendekati hasil dari analisis secara analitik. Komputasi dinamika fluida dapat digunakan untuk memecahkan permasalahan medan aliran aerodinamika yang komplek dengan menyelesaikan persamaan nonlinier kontinuitas, momentum (persamaan Navier-Stokes) dan energi.
Kundu (2010) menjelaskan bahwa permasalahan aliran fluida diselesaikan dengan komputasi dinamika fluida melalui tiga tahapan antara lain, sebagai berikut :
a. Preprocessing. Tahap ini merupakan awal untuk melakukan analisis dengan membuat model geometri tiga dimensi (3D) pesawat menggunakan perangkat lunak Computer Aided Design. Setelah gambar model 3D siap, maka dilanjutkan pembuatan grid atau meshing. Grid dibuat pada permukaan gambar model dan domain komputasi serta disesuaikan dengan boundary condition yang digunakan.
b. Flow solving. Geometri model 3D yang telah dibuat pada tahap preprocessing akan dipindahkan ke perangkat lunak solver. Proses dilanjutkan dengan mengatur boundary condition dan initial condition. Perangkat lunak solver diatur sedemikian rupa untuk mendapatkan kondisi simulasi fluida yang paling mendekati kondisi fluida sebenarnya. Setelah pengaturan selesai dilanjutkan inisialisasi dan menjalankan komputasi pada perangkat lunak solver. Hasil yang optimal akan diperoleh setelah komputasi selesai melakukan iterasi sesuai pengaturan. Apabila dibutuhkan hasil yang lebih baik, dapat dilakukan komputasi ulang dengan memperbaiki pengaturan pada solver maupun grid pattern pada model 3D.
c. Postprocessing. Setelah perangkat lunak solver selesai melakukan komputasi maka hasil komputasi dapat diproses lebih lanjut dan dianalisis. Hasil komputasi dapat divisualisasikan ke dalam bentuk gambar, kurva maupun animasi sesuai kebutuhan analisis. Pada tahap ini bisa diketahui berbagai parameter antara lain Cp distribution, pressure contours, streamlines, velocity patterns, CL, CD, CL/CD atau parameter lain yang ditentukan oleh pengguna.
Chapman (1979) menyimpulkan tiga hal tentang komputasi dinamika fluida antara lain :
a. Eksperimen tidak dapat merepresentasikan kondisi tebang yang sebenarnya karena adanya keterbatasan sifat aliran fluida yang digunakan.
b. Semakin besar terowongan angin maka akan membutuhkan energi yang semakin besar pula.
c. Komputasi dinamika fluida lebih cepat dan lebih murah daripada eksperimen untuk mendapat hasil penelitian yang diharapkan.
Perangkat lunak ANSYS Student 2021R1 akan digunakan dalam beberapa tahap antara lain tahap preprocessing, flow solving dan postprocessing. Perangkat lunak ini dipilih karena sesuai dengan yang diberitakan dalam website resminya bahwa perangkat lunak ANSYS Student 2021R1 sudah dilengkapi dengan perangkat lunak ANSYS Workbench 2021R1 yang mengintegrasikan beberapa perangkat lunak antara lain ANSYS DesignModeler, ANSYS SpaceClaim dan ANSYS Meshing untuk preprocessing, ANSYS Fluent untuk flow solving dan ANSYS CFD-Post untuk postprocessing. Perangkat lunak yang terintegrasi sudah mencukupi untuk melakukan analisis komputasi. Perangkat lunak ini juga layak digunakan untuk komputasi menggunakan komputer atau laptop dengan sumber daya perangkat keras minimal Processor(s): Workstation class, 4 GB RAM, 25 GB hard drive space, Computer must have a physical C:/” drive present, Graphics card and driver: Professional workstation class 3-D dan OpenGL-capable. Namun, perangkat lunak ANSYS Student 2021R1 memiliki keterbatasan analisis untuk komputasi fluida yaitu hanya mampu menganalisis hasil meshing maksimum 512.000 cells (elements) atau nodes.
PREPROCESSING
Tahap preprocessing meliputi penyiapan geometri domain komputasi dan pembuatan mesh. Domain komputasi terdiri dari domain solid berupa objek (sayap) dan domain fluida berupa enclosure dibuat menggunakan perangkat lunak CAD. Domain sayap dibuat dengan menggambar model 3D airfoil dari data titik koordinat airfoil yang diperoleh dari airfoil NACA 4 digits generator menggunakan perangkat lunak ANSYS DesignModeller 2021R1. Enclosure dibuat dengan menggunakan perangkat lunak yang sama setelah model sayap 3D selesai. Enclosure merupakan domain fluida untuk mengkondisikan lingkungan sekitar model sayap saat dilakukan simulasi atau komputasi. Setelah enclosure selesai, dilanjutkan proses Boolean. Proses boolean meliputi unite, substract, intersect, imprint face. Unite merupakan perintah untuk menggabungkan beberapa objek menjadi satu objek. Substract berfungsi memotong objek dengan objek lainnya. Urutan pemilihan objek akan sangat mempengaruhi hasil substract. Intersect digunakan untuk membuat irisan dari dua objek. Urutan pilihan objek pada intersect tidak mempengaruhi hasil. Imprint face berfungsi untuk membuat tanda di permukaan bodi yang sedang aktif.
Tahap preprocessing selanjutnya adalah pembuatan mesh sering disebut meshing atau gridding. Perangkat lunak yang digunakan adalah ANSYS Meshing 2021R1. Meshing merupakan proses membagi domain komputasi menjadi bagian-bagian kecil berupa elements dan nodes atau diskritisasi agar dapat diselesaikan secara numerik oleh perangkat lunak solver. Semakin kecil ukuran elemen mesh maka hasil komputasi akan semakin akurat. Namun akan memperberat beban kerja komputer dan butuh waktu lebih lama sehingga dibutuhkan sumber daya perangkat keras yang lebih tinggi dibandingkan menganalisis elemen mesh berukuran lebih besar.
Beberapa tipe mesh antara lain mesh volume, mesh bidang dan mesh garis. Mesh volume digunakan untuk diskritisasi pada volume model 3D. Mesh bidang digunakan untuk diskritisasi pada bidang 2D sedangkan mesh garis untuk diskritisasi pada garis. Guna mendapatkan mesh yang tepat, terlebih dulu perlu dipahami tujuan simulasi dan parameter yang diteliti. Pada simulasi yang melibatkan pengamatan lapis batas dan pemisahan aliran maka pembuatan mesh dioptimalkan pada lokasi domain yang dekat dengan permukaan objek. Berdasarkan User’s Guide ANSYS Meshing 2021R1, beberapa teknik meshing yang dapat digunakan antara lain Multizone, Body Sizing, Face Sizing dan Inflation. Metode Multizone dapat membentuk mesh heksagonal dan mengubah bentuk mesh tetragonal menjadi heksagonal pada daerah-daerah tertentu sehingga mesh heksagonal atau swept mesh akan terbentuk pada daerah structured sedangkan free mesh akan terbentuk pada daerah unstructured. Body sizing digunakan untuk mendefinisikan ukuran mesh secara global sedangkan Face Sizing mendefinisikan ukuran mesh secara lokal misalnya pada sayap yang merupakan domain solid pada suatu domain kompuasi. Inflation berguna untuk meningkatkan resolusi boundary layer pada komputasi dinamika fluida. Pada proses Inflation terdapat beberapa pilihan, salah satunya adalah First Layer Thickness dan dapat diatur First Layer Height untuk mendefinisikan tinggi lapisan inflasi pertama.
Tahap selanjutnya adalah pendefinisian bidang. Definisi yang utama diberikan pada bidang enclosure antara lain inlet, outlet, symmetry dan object. Inlet didefinisikan sebagai arah datangnya aliran fluida yaitu enclosure face yang berada di depan leading edge, bagian bawah dan samping (wing tip) model sayap. Outlet didefinisikan sebagai arah keluarnya aliran yaitu pada enclosure face yang berada di bagian atas model sayap dan belakang trailing edge model sayap, symmetry didefinisikan pada enclosure face yang menempel pada bagian penampang airfoil model sayap sebagai wing root dan object didefinisikan pada model 3D sayap.
Sebelum masuk ke perangkat lunak solver, kualitas hasil mesh harus diperiksa terlebih dulu untuk mengetahui apakah hasil meshing sudah memenuhi standar kualitas dari ANSYS. Pemeriksaan hasil mesh mengacu pada kualitas skewness dan orthogonal quaility. Mesh yang tidak direkomendasikan adalah mesh yang memiliki orthogonal quality rendah dan skewness yang tinggi.
FLOW SOLVING
Pada tahap flow solving, sebelum dilakukan inisialisasi dan run calculation akan diatur terlebih dulu kondisi lingkungan simulasi agar mendekati kondisi lingkungan sebenarnya menggunakan ANSYS Fluent 2021R1 . Tahap flow solving terdiri dari menentukan tipe solver, menentukan formulasi solver, menentukan model dan persamaan dasar.
a. Tipe solver.
Terdapat dua pilihan solver pada ANSYS Fluent 2021R1 yaitu single precision dan double precision. Secara umum pilihan single precision untuk solver sudah cukup akurat dalam menyelesaikan berbagai kasus. Double precision digunakan untuk menyelesaikan kasus yang lebih komplek dengan melibatkan beberapa macam objek. Apabila sumber daya perangkat keras mendukung maka dapat digunakan double precision untuk menyelesaikan semua kasus.
b. Formulasi solver.
Formulasi solver berguna untuk menghasilkan solusi yang akurat. Pemilihan solver yang tepat akan mempercepat proses memperoleh hasil komputasi. Formulasi solver segregated dan coupled di dalam perangkat lunak ANSYS Fluent 2021R1 mempunyai perbedaan cara penyelesaian persamaan kontinyuitas, momentum dan energi. Solver segregated menghitung solusi persamaan secara bertahap dan terpisah antara persamaan satu dengan yang lainnya. Kasus dengan fluida inkompresibel dan kompresibel dengan kecepatan rendah Mach < 1 dapat diselesaikan dengan solver segregated.
Berbeda dengan solver segregated, solver coupled menghitung solusi semua persamaan secara bersamaan dan didesain untuk menyelesaikan kasus fluida kompresibel dengan dengan kecepatan tinggi Mach ≥ 1. Solver coupled terdiri dari dua jenis antara lain coupled explicit dan coupled implicit. Perbedaan kedua solver coupled ini terletak pada cara melinierkan persamaan-persamaan yang akan diselesaikan.
c. Model aliran dan persamaan dasar.
Pilihan model aliran dan persamaan dasar yang digunakan ANSYS Fluent 2021R1 antara lain model persamaan energi dan model viskos.
i. Model persamaan energi.
Model ini digunakan untuk menyelesaikan kasus yang melibatkan analisis temperatur, perpindahan panas dan radiasi.
ii. Model viskos.
Model viskos ditentukan berdasarkan jenis aliran fluida yang disimulasikan berupa aliran laminar atau turbulen dengan menghitung bilangan Reynolds. Kasus aliran laminar dapat diselesaikan dengan model viskos inviscid dan laminar. Kasus aliran turbulen ditandai dengan adanya fluktuasi medan kecepatan yang menyebabkan fluktuasi pada besaran momentum, energi dan konsentrasi partikel. Menurut Tuakia (2008) terdapat beberapa pilihan model viskos untuk kasus aliran turbulen antara lain :
a) Model Detached Eddy Simulation.
Model ini merupakan modifikasi model Spalart-Allmaras sekaligus menjadi alternatif untuk model Large Eddy Simulation dalam memprediksi aliran dengan bilangan Reynolds yang besar.
b) Model Spalart-Allmaras.
Model ini hanya menggunakan satu persamaan untuk menyelesaikan persamaan transport untuk viskositas kinematik turbulen. Meskipun didesain khusus untuk aplikasi dunia penerbangan, model ini belum teruji untuk semua jenis aliran kompleks.
c) Model κ-omega (κ-ω).
Model ini disebut juga κ-ω standard. Model κ-ω standard berusaha memprediksi turbulensi dengan dua persamaan diferensial parsial menggunakan dua variabel yaitu energi kinetik turbulensi (κ) dan tingkat disipasi spesifik (ω). Dibuat berdasarkan model Wilcox κ-omega yang memasukkan beberapa modifikasi untuk menghitung efek aliran pada bilangan Reynolds rendah, kompresibilitas dan penyebaran aliran geser (shear flow). Model ini dapat digunakan pada simulasi aliran dalam saluran maupun aliran bebas geseran (free shear flow).
d) Model κ-omega SST (κ-ω SST ).
SST merupakan singkatan dari shear stress transport. Model ini dikembangkan oleh Menter dengan menggabungkan formulasi κ-ω standard yang akurat dan stabil pada daerah di dekat dinding dengan formulasi κ-ε yang memiliki kelebihan menyelesaikan kasus free stream. Model κ-ω SST memiliki kelebihan dibandingkan dengan κ-ω standard, antara lain :
i) Model κ-omega standar dan κ-epsilon yang telah diubah dikalikan dengan suatu fungsi percampuran dan kedua model digunakan bersama-sama, sehingga lebih akurat untuk daerah di dekat dinding maupun aliran yang jauh dari dinding dan free stream flow.
ii) Definisi viskositas turbulen dimodifikasi untuk menghitung transport dari tegangan geser turbulen.
iii) Konstanta model berbeda dengan model κ-omega standar dan melibatkan sebuah besaran dari penurunan damped coss diffusion pada persamaan omega.
e) Model κ-epsilon (κ-ε).
Model ini sering digunakan pada simulasi aliran fluida dan perpindahan kalor karena menggunakan dua persamaan yang memungkinkan length scales dan turbulent velocity ditentukan secara terpisah. Model κ-epsilon dikembangkan oleh Launder dan Spalding sebagai model semi empiris.
f) Model Reynolds Stress (RSM).
Model yang paling teliti adalah RSM karena melakukan pendekatan terhadap persamaan Navier-Stokes (Reynolds-averaged) dengan menyelesaikan persamaan transport untuk tegangan Reynolds bersama-sama dengan persamaan laju disipasi. RSM dapat memberikan prediksi yang lebih akurat untuk aliran kompleks karena RSM menghitung efek dari kurva streamline, swirl, rotation dan perubahan yang tiba-tiba dengan lebih teliti dibandingkan model lainnya. Namun, RSM tidak selalu memberikan hasil yang lebih baik daripada model lainnya yang menggunakan satu atau dua persamaan pada semua jenis aliran dengan proses komputasi yang berat.
POSTPROCESSING
Komputasi Dinamika Fluida tidak berhenti pada tahap solving atau simulasi aliran fluida saja. Namun, hasil simulasi dari solver perlu ditampilkan ke dalam bentuk visualisasi tertentu agar memudahkan proses analisis penelitian. Pada tahap postprocessing inilah hasil simulasi dari solver akan divisualisasikan dan dianalisis. Hasil simulasi solver akan ditampilkan melalui visualisasi interaksi aliran fluida dengan media yang dilaluinya. Dari visualisasi vector plots dan streamlines hingga visualisasi vortex cores dan animasi aliran dapat ditampilkan ke dalam bentuk dua dimensi maupun tiga dimensi berupa gambar, grafik dan animasi sehingga dapat dianalisis secara kualitatif maupun kuantitatif.
Demikian tulisan ini saya akhiri, Sahabat. Saya sangat terbuka terhadap masukan, saran dan kritik dari Sahabat demi kebaikan di masa mendatang. Sampai ketemu di artikel selanjutnya, Sahabat. Semoga sehat selalu.
