Computational Fluid Dinamycs CFD

Sebagai catatan, semua persamaan yang ditampilkan pada bagian ini menggunakan sifat-sifat fisik fluida yang dievaluasi pada temperatur film, 2 r s f T T T + = , kecuali untuk gas nilai koefisien ekspansi dihitung pada temperatur fluidu referensi r T 1 = β . Pada water heater pemanasannya berlangsung secara konveksi natural dari koil ke air.Pada water heater bentuk koilnya terdiri dari beberapa gabungan elbow, vertikal, dan horizontal.Sementara untuk persamaan-persamaan dari bentuk koil elbow, vertikal, dan horizontal tidak ada tersedia secara teori.Oleh karena itu, maka diperlukan penyelesaian dengan simulasi menggunakan perangkat lunak Computational Fluid Dinamycs CFD.

2.5. Computational Fluid Dinamycs CFD

Dalam aplikasinya, aliran fluida baik cair maupun gas adalah suatu zat yang sangat kentara dengan kehidupan sehari – hari. Misalnya pengondisian udara bagi bangunan dan mobil, pembakaran di motor bakar dan sistem propulsi, interaksi berbagai objek dengan udara atau air, aliran kompleks pada penukar panas dan reactor kimia, dan lain sebagainya, yang mana cukup menarik untuk diteliti, diselidiki dan dianalisis. Untuk kebutuhan penelitian tersebut bahkan sampai dengan tingkat desain, perlu dibutuhkan suatu alat yang mampu menganalisis atau memprediksi dengan cepat dan akurat. Maka berkembanglah suatu ilmu yang dinamakan Computational Fluid Dynamics CFD yang dalam bahasa Indonesia dikenal dengan Komputasi Aliran Fluida Dinamik. Universitas Sumatera Utara

2.5.1. Penggunaan CFD

Dalam aplikasinya CFD dapat dipergunakan bagi : - Insinyur, khususnya dalam hal teknik refrigerasi dan Water heater untuk mendesain tempat atau ruangan sesuai kebutuhan seperti refrigerator, Air- Conditioner, Cold Storage, dll - Arsitek untuk mendesain ruang atau lingkungan yang aman dan nyaman. - Desainer kendaraan untuk meningkatkan karakter aerodinamiknya. - Analisis kimia untuk memaksimalkan hasil dari reaksi kimia dalam peralatan. - Bidang petrokimia untuk strategi optimal dari oil recovery. - Bidang kedokteran untuk mengobati penyakit arterial computational hemodynamics - Metereologis untuk meramalkan cuaca dan memperingatkan akan terjadinya bencana alam. - Analis failure untuk mencari sumber – sumber kegagalan misalnya pada suatu sistem pembakaran atau aliran uap panas. - Organisasi militer untuk mengembangkan senjata dan mengestimasi seberapa besar kerusakan yang diakibatkannya. Penggunaan CFD umumnya berhubungan dengan keempat hal berikut : 1. Studi konsep dari desain baru 2. Pengembangan produk secara detail 3. Analisis kegagalan atau troubleshooting dan Desain ulang re – design Universitas Sumatera Utara

2.5.2. Proses Simulasi CFD

Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika melakukan simulasi pada solver CFD, yaitu sebagai berikut : 1 Preprocessing Hal ini merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat membuat model dalam paket CAD Computer Aided Design, membuat mesh yang sesuai, kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat – sifat fluidanya. 2 Solving Solvers program inti pencari solusi CFD menghitung kondisi-kondisi yang diterapkan pada saat preprocessing. 3 Postprocessing Hal ini adalah langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan pada langkah ini adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data hasil simulasi CFD yang biasa berupa gambar, kurva , dan animasi. Beberapa prosedur yang digunakan pada semua pendekatan program CFD, yaitu sebagai berikut : 1 Pembuatan geometri dari modelproblem 2 Bidang atau volume yang diisi fluida dibagi menjadi sel – sel kecil meshing 3 Pendefinisian model fisiknya, misalnya : persamaan – persamaan gerak + entalpi + konversi species zat – zat yang kita definisikan, biasanya berupa komponen dari suatu reaktan Universitas Sumatera Utara 4 Pendefinisian kondisi – kondisi batas, termasuk didalamnya sifat – sifat dan perilaku dari batas – batas modelproblem. Untuk kasus transient, kondisi awal juga didefinisikan. 5 Persamaan – persamaan matematika yang membangun CFD diselesaikan secara iteratif, bisa dalam kondisi tunak steady state atau transient. 6 Analisis dan visualisasi dari solusi CFD.

2.5.3. Metode Diskritisasi CFD

Secara matematis CFD mengganti persamaan – persamaan diferensial parsial dari kontinuitas, momentum dan energy dengan persamaan – persamaan aljabar linear. CFD merupakan pendekatan dari persoalan yang asalnya kontinum memiliki jumlah sel tak terhingga menjadi model yang diskrit jumlah sel terhingga. Perhitungankomputasi aljabar untuk memecahkan persamaan – persamaan diferensial parsial ini ada beberapa metode metode diskritisasi, diantaranya adalah : - Metode beda hingga finite difference method - Metode elemen hingga finite elements method - Metode volume hingga finite volume method - Metode elemen batas boundary element method - Metode skema resolusi tinggi high resolution scheme method Metode diskritisasi yang dipilih umumnya menentukan kestabilan dari program numerikCFD yang dibuat atau program software yang ada. Oleh Universitas Sumatera Utara karenanya diperlukan kehati – hatian dalam cara mendiskritkan model khususnya cara mengatasi bagian yang kosong atau diskontinyu.

2.5.4. Langkah Penyelesain Masalah dan Perencanaan Analisis CFD

Ada beberapa hal yang harus diperhatikan ketika akan meyelesaikan suatu kasus dengan menggunakan solver CFD, yaitu : 1 Menentukan tujuan pemodelan 2 Pembuatan model geometri dan gridnya 3 Pengaturan solver dan model fisik 4 Komputasi dan monitoring hasil 5 Pengujian dan penyimpanan hasil 6 Peninjauan ulang model fisik, jika dirasa perlu Universitas Sumatera Utara Secara umum diagram alir penyelesaian masalah dalam software CFD dapat dilihat pada gambar 2.14 berikut. Gambar 2.14 Alur Penyelesaian Masalah Problem Solving Fluids Engineering Preliminary Decision what to model? Build the model Input to CFD SOLVER Decided governing Chose Discreatization Methods Impose boundary conditions Chose the coupling algorithm Run Analyze and present the results Universitas Sumatera Utara

2.6. Pendekatan Numerik pada CFD