Tentang Computational Fluid Dynamics (CFD)

Computational fluid dynamics atau sekarang yang lebih dikenal sebagai CFD adalah sekumpulan metodologi yang menggunakan komputer untuk melakukan simulasi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena aliran lainnya dengan memecahkan persamaan Navier-Stokes secara numerik.

Persamaan Navier-Stokes adalah persamaan umum untuk fenomena aliran fluida yang notabene adalah persamaan mekanika klasik yang solusi analitiknya sampai saat ini belum terpecahkan. Masalah persamaan Navier Stokes ini selain di dunia fisika & terapannya, menjadi  masalah tersendiri pula bagi matematikawan dan diangkat menjadi salah satu dari tujuh masalah milenium (seven millenium problems); dihadiahkan 1 juta US$ bagi siapa saja yang dapat memecahkan setiap masalah pada seven millenium problems tersebut oleh Clay Mathematics Institute, Harvard University. Dalam CFD, kita menyelesaikan persamaan Navier-Stokes secara numerik alih-alih menyelesaikan Persamaan Navier-Stokes secara analitik.

Computational fluid dynamics (CFD) atau dalam bahasa Indonesia disebut juga sebagai dinamika fluida komputasi dapat dibagi menjadi dua istilah, yaitu computational dan fluid dynamics. Fluid dynamics mengartikan bahwa kita membahas dinamika fluida (sifat-sifat aliran fluida dan transfer panas) itu sendiri, sedangkan istilah computational mengartikan bahwa bahasan kita tentang dinamika fluida dihitung dan disimulasikan dengan seperangkat metode numerik dengan bantuan komputer. 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 dengan bantuan komputer.  Dengan CFD, dapat dibangun 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 1990-an pada industri penerbangan. Karena kesuksesan CFD di dunia industri penerbangan semenjak pertama kali digunakannya, CFD secara cepat menjadi komponen vital di dalam dunia industri khususnya desain produk, manufaktur, proses, serta optimasi; sejak itu pula CFD digunakan tidak hanya pada industri penerbangan. Karena sekarang telah tersedia komputer dan tampilan software yang ramah pengguna (user-friendly interfaces), CFD secara luas memasuki komunitas industri pada tahun 1990-an dan tetap dikembangkan serta digunakan sampai saat ini.

Penggunaan CFD

Penggunaan CFD di antaranya:

• Desain ruang atau lingkungan yang aman dan nyaman.

• Desain kendaraan untuk memaksimalkan karakter aerodinamikanya.

• Desain blok mesin untuk mengoptimalkan pembakarannya.

• Analisis petrokimia untuk strategi 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.

Manfaat CFD

Ada tiga manfaat umum CFD yang dikenal secara luas, yaitu insight, foresight dan efficiency.

Insight – Pemahaman Mendalam. Ada banyak sistem yang ingin kita pelajari, namun sulit untuk dibuat prototipenya atau sulit untuk diuji coba, misalnya adalah organ pernafasan dan sistem arterial. Dengan CFD, dapat dibuat prototipe virtual yang mana dapat menambah permahaman 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 parameter, geometri, serta kondisi batasnya 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.

Posisi CFD di dunia Industri dan Teknologi

Di dunia industri dan teknologi, CFD memainkan peranan yang sangat penting. 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 inuenced by CFD. For example, 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 necessary 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 definition during an airplane development program has steadily decreased. These: 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, contoh di atas hanyalah salah satu dari banyak keuntungan CFD di dunia industri.

Gambar 1. Evolusi Penggunaan CFD pada Airbus

Tahapan-tahapan Simulasi dengan CFD

Secara umum ada tiga tahapan yang harus dilalui dalam simulasi CFD:

Pre-processing. Pada tahap ini dibangun model geometri dengan paket CAD (Computer Aided Design), dibangun mesh atau grid yang sesuai, dan diterapkan kondisi batas serta sifat-sifat fluida serta solidnya.

Solving. Ini adalah tahap inti dari CFD, pada tahap ini, solusi dihitung berdasarkan kondisi-kondisi yang diterapkan pada tahap pre-processing.

Post-processing. Tahapan terakhir dalam CFD. Pada tahapan ini, dilakukan interpretasi dari data hasil simulasi yang dapat berupa visualisasi kontur, vektor, kurva, histogram, dan lain sebagainya.

Beberapa Contoh Hasil Simulasi CFD pada Fisika Veritas

• Simulasi Pendinginan Ruangan oleh AC

• Simulasi Transien Mixing Elbow

• Simulasi Aliran Vortex

• Simulasi Gelembung dalam Air

• Simulasi Pengisian Air ke dalam Botol, Galon, dan Tangki

Sumber:

• Hirsch, Charles. 2007. Numerical Computation of Internal &External Flows, the Fundamental of Computational Fluid Dynamics, Second Edition. John Wiley & Sons. USA

• Versteeg, Malalasekera. 2007. An Introduction of Computational Fluid Dynamics, the Finite Volume Method, Second Editions. Prentice Hall. USA

Download bukunya di menu Download Fisika Veritas

TRIVIA:

Klik Gambar di bawah ini untuk download Dasar-dasar CFD dengan Fluent CFD (versi awal, terus di-update)