Kelebihan dan kelemahan metode CFD

Metode computational fluid dynamics (CFD) adalah salah satu metode dalam ilmu mekanika fluida yang menyelesaikan parameter-parameter aliran seperti kecepatan, tekanan, temperature dan lain-lain secara numerik; atau dalam bahasa yang lebih formal adalah seni untuk memodelkan persamaan integral-diferensial menjadi persamaan aljabar diskrit, untuk mendapatkan solusi berupa parameter-parameter aliran fluida.

Dari definisi di atas, metode CFD ini adalah penghubung antara metode analitis (menyelesaikan persamaan matematika secara analitis), dengan metode eksperimen (murni menggunakan object fisik yang diuji di laboratorium). Oleh karena itu, sebelum membahas lebih lanjut tentang kelebihan dan kekurangan CFD, ada baiknya kita mengetahui kelebihan dan kekuarangan dari metode analitis dan eksperimen.

METODE ANALITIS

Persamaan mekanika fluida yang sangat praktis digunakan dalam permasalahan sederhana, yang bahkan sudah kita pelajari di bangku sekolah menengah adalah persamaan Bernoulli. Dengan persamaan Bernoulli, kita dapat melihat hubungan antara tekanan dengan kecepatan dengan sangat sederhana:

Persamaan di atas merupakan persamaan yang sangat sederhana, yang terdiri dari operator perkalian, pembagian, dan penjumlahan. Kita dapat dengan mudah menyelesaikan persamaan di atas secara analitis jika kita memiliki cukup informasi untuk tekanan, kecepatan, dan ketinggianya.

Namun, perlu diketahui bahwa persamaan di atas tidak berlaku secara universal. Persamaan tersebut sangat terbatas untuk aliran non-viskos, tidak ada turbulensi, tidak ada separasi aliran, pada satu garis streamline dan masih banyak lagi batasan lainya. Persamaan yang paling umum dari mekanika fluida adalah persamaan Navier-Stokes sebagai berikut:

Anda dapat melihat dalam persamaan di atas terdapat cukup banyak operator diferensial dan vektor, yang membentuk suatu persamaan differensial non-linear orde tinggi. Jika kita belajar tentang persamaan differensial, kita akan paham bahwa persamaan-persamaan sejenis ini akan memiliki solusi yang sangat khusus, dan faktanya, sampai sekarang bentuk persamaan di atas belum diselesaikan oleh ahli matematika (hingga tulisan ini ditulis).

Dari penjabaran di atas, kita akan tahu bahwa permodelan analitis sangatlah terbatas pada aliran-aliran yang sangat sederhana, misalkan tabung venturi yang ideal, atau aliran pada diameter pipa dan plat yang sederhana.

Meskipun demikian, persamaan analitis memiliki keunggulan yaitu cepat dan sangat fleksibel untuk diubah-ubah pada kasus yang sederhana seperti perhitungan pressure drop pada pipa yang lurus.

METODE EKSPERIMEN

Karena effort dan waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan persamaan analitis pada kasus-kasus mekanika fluida seperti misalkan desain fan, pompa, sayap pesawat, belokan atau fitting pada perpipaan sangatlah tidak worthed, maka kebanyakan engineer atau saintis lebih memilih untuk mengujinya langsung di laboratorium atau mungkin di lapangan, atau disebut juga dengan metode empiris/eksperimen.

Menggunakan metode ini, peneliti dapat dengan mudah memperoleh data-data yang penting, seperti kecepatan, tekanan, suhu, atau visualisasi aliran secara detail dan komprehensif dengan membuat langsung model yang dibutuhkan datanya.

Namun, tentu saja untuk membuat model-model tersebut dibutuhkan biaya tertentu yang relatif lebih tinggi dibandingkan dengan analitis, bahkan bisa sangat tinggi untuk prototype-prototype seperti pesawat terbang atau mobil balap.

Selain biaya yang tinggi, proses pembuatan dari prototype fisik pada umumnya relatif lama. Seperti misalkan kita ingin menguji beberapa model impeller dengan sedikit saja perubahan geometrinya, maka akan membutuhkan proses yang lamanya sama dengan proses pembuatan geometri sebelumnya.

Kemudian, isu lain yang cukup serius adalah safety dari operator penguji eksperimen tersebut. Misalkan pengujian turbin gas, akan beresiko ledakan dan emisi gas buang yang beracun jika pengoperasian pengujianya tidak benar, atau desain yang diuji memiliki kesalahan.

Resiko safety juga menjadi isu yang cukup penting untuk desain pesawat terbang, roket, atau mungkin mobil balap yang jika diuji dengan mengendarainya langsung akan sangat beresiko jika belum diketahui karakteristiknya pada berbagai kondisi operasional.

METODE COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

Menjawab persoalan penyelesaian metode analitis yang cukup rumit, namun tetap bisa mengakomodasi kompleksitas model eksperimen, maka dibuatlah metode numerik untuk menyelesaikan persamaan analitis diferensial menjadi persamaan aljabar diskrit yang bisa diselesaikan dengan mudah menggunakan perkalian, pembagian, dan penjumlahan.

Terlihat cukup menjanjikan, namun kita harus ingat beberapa puluh tahun lalu, komputer merupakan alat yang sangat mahal dan sangat pelan dibandingkan dengan era saat ini. Hingga pada tahun 1970an, NACA membuat “eksperimen numerik” untuk mendesain pesawat supersonic yang awalnya diuji menggunakan wind tunnel full-scale dengan reduksi biaya dari $150.000 menjadi $6.000 dan membuktikan bahwa metode ini worthed.

Hingga perkembangan teknologi hardware dan program komputer yang sangatlah pesat sehingga hampir setiap individu mampu membeli komputer dengan kapabilitas yang jauh lebih baik, maka permasalahan biaya komputasi ini sudah tidak menjadi isu yang cukup signifikan lagi saat ini.

Kemudian, salah satu keunggulan penggunaan software dibandingkan dengan eksperimen dengan benda fisik adalah kemampuanya untuk “melihat” lebih detail pada ruang dan waktu, seperti misalkan pada kasus permodelan pembakaran dengan CFD; kita dapat dengan mudah melihat distribusi temperature pada setiap titik yang spesifik pada waktu tertentu yang dapat dengan mudah kita atur.

Namun, salah satu kekurangan dari metode CFD adalah setingan-setinganya yang cukup banyak, yang memerlukan operator yang memiliki pengetahuan komputasi dan fluida, sehingga permodelan yang dilakukan dapat merepresentasikan fenomena yang sesuai dengan fenomena fisik aslinya.

Meskipun demikian, cukup banyak referensi-referensi yang menjelaskan setup simulasi yang hasilnya dibandingkan dengan hasil eksperimen dan analitis dengan hasil yang sangat dekat, bahkan tidak jarang juga permodelan dari CFD dijadikan acuan untuk pembuatan setingan eksperimen, atau digunakan untuk parameter input pada persamaan analitis semi-empiris. Selain itu, anda dapat menggunakan jasa profesional seperti aeroengineering services untuk melakukan pengujian CFD untuk anda.

Salah satu software CFD yang cukup populer digunakan sebagai standar industri adalah Cradle CFD, karena selain kapabilitasnya yang lengkap, user interface serta workflow yang sangat produktif untuk penggunaan sehari-hari. Cradle CFD merupakan salah satu produk dari MSC Software.