Desain bilah (blade) turbin angin

/0 Comments/in , /by

DAFTAR ISI TERKAIT TURBIN ANGIN

  1. Karakteristik distribusi angin untuk pembangkit listrik tenaga bayu (PLTB)
  2. Jenis-jenis turbin angin
  3. Desain airfoil untuk HAWT
  4. Vortex generator pada turbin angin
  5. Riset turbin angin dengan Computational Fluid Dynamics (CFD)

APA ITU TURBIN ANGIN?

Penggunaan angin sebagai sumber energi telah digunakan selama ratusan tahun untuk memompa air atau menggiling jagung, peralatan ini disebut juga dengan istilah windmill. Pada abad ke 19, bahan bakar fosil menggantikan penggunaan windmill yang besar, berat yang tidak efisien tersebut. Kemudian, pengetahuan tetang aerodinamika dan material yang ringan telah membawa kembali teknologi turbin angin pada sekitar abad ke 20.

Berdasarkan orientasi arah putaran porosnya, turbin angin ini dibagi menjadi dua kategori yaitu Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) dan Vertical Axis Wind Turbine (VAWT).

Masing-masing konfigurasi memiliki keunggulan dan kelemahan. Pengembangan VAWT secara umum mulai berkurang karena keterbatasan VAWT pada kondisi operasional kecepatan yang rendah dan sulitnya mengendalikan kecepatan rotor, desain ini juga memiliki keulitan dalam starting nya. Tetapi VAWT memiliki keunggulan tidak diperlukanya mekanisme tambahan serta generator yang besar dapat digunakan karena tidak dibatasi oleh penggunaan tower yang tinggi. Adapun pengembangan HAWT semakin populer karena peningkatan performa dan kontrol dapat dilakukan dengan kontrol pitch dan yaw.

EFISIENSI MAKSIMUM SECARA TEORI

Efisiensi rotor yang tinggi tentu saja diinginkan untuk meningkatkan konversi energi aliran angin menjadi energi mekanik rotor tentunya dengan biaya produksi yang masih terjangkau. Untuk menghitung efisiensi ini, pertama-tama perlu didefinisikan terlebih dahulu daya angin yang datang (energi potensial):

dengan P = Daya (watt), rho = massa jenis (kg/m3), A = luas penampang turbin (m2), dan V = kecepatan (m/2). Aliran udara melalui turbin angin akan mengalami penurunan kecepatan karena terjadinya interaksi antara udara dengan turbin, penurunan kecepatan ini juga mengindikasikan terjadinya perubahan energi angin menjadi energi mekanik rotor. Jika kita menghendaki terjadinya efisiensi 100%, kecepatan angin setelah melewati turbin haruslah bernilai nol, atau berhenti sama sekali, tentu saja hal ini tidak mungkin terjadi; adapun dapat dihitung menggunakan teori rotor disc bahwa efisiensi maksimum yang dapat dicapai secara teori adalah sebesar 59,3%, parameter efisiensi ini disebut dengan power coefficient Cp, maksimum Cp = 0,593 dikenal juga dengan istilah Betz limit dalam desain turbin angin. 

Efisiensi real dari turbin angin akan berkurang karena beberapa faktor seperti munculnya aliran wake pada blade yang mengurangi gaya angkat pada airfoil, pemilihan airfoil yang memiliki efisiensi rendah dan munculkan “kebocoran” aliran pada bagian tip yang mengakibatkan munculnya aliran vortex yang tidak diinginakan.

Untuk menghasilkan putaran (torsi) pada rotor turbin angin, digunakan dua metode yaitu memanfaatkan gaya hambat (drag) ataupun memanfaatkan gaya angkat (lift) dari bentuk aerodinamika blade. Berikut adalah tabel perbandingan kedua model tersebut:

Untuk model Drag, bilah turbin angin sengaja dibuat menghambat aliran udara dan diberi lengan momen tertentu terhadap sumbu putar, sehingga menghasilkan torsi untuk memutar turbin. alternatif lain lain adalah menggunakan gaya angkat aerodinamik yang terjadi pada airfoil rotor kemudian gaya angkat tersebut diarahkan searah dengan berputarnya rotor dan diberikan lengan momen terhadap sumbu putar sehingga menghasilkan torsi. Metode lift cenderung lebih efisien karena tidak banyak merubah pola aliran udara atau banyak menghasilkan wake. Berikut adalah beberapa jenis tipe turbin angin beserta beberapa deskripsinya:

DESAIN BLADE HAWT

Fokus pembahasan pada artikel ini adalah HAWT karena popularitasnya dalam industri turbin angin, turbin tipe ini sangatlah sensitif terhadap desain dari profil blade dan desainya. Hal pertama kali yang harus kita perhatikan dalam desain turbin angin adalah parameter Tip Speed Ratio (TSR), parameter ini merupakan perbandingan antara kecepatan tangensial pada tip blade terhadap kecepatan angin yang datang (free stream) yang secara matematis dituliskan sebagai berikut:

dengan lambda = TSR, omega = kecepatan rotasi (rad/s), r = radius (m), Vw = kecepatan angin (m/s). Aspek-aspek seperti efisiensi, torsi, tegangan mekanik pada blade dan noise harus dipertimbangkan dalam perhitungan TSR ini. Turbin angin modern cenderung didesain menggunakan nilai TSR sekitar 6-9 karena pertimbangan-pertimbangan diatas, pada umumnya peak efisiensi terdapat pada TSR = 7.

PERHITUNGAN BENTUK BLADE

berdasarkan teori Blade Element Momentum (BEM) yaitu perhitungan performa turbin angin berdasarkan potongan melintang atau bentuk airfoil dari tiap section blade dihitung dengan membaginya menjadi elemen-elemen yang kecil secara 2D. Untuk blade dengan desain TSR sekitar 6-9,  Betz’s momentum theory memberikan pendekatan yang cukup baik untuk menhitung bentuk profil blade dengan persamaan berikut:

dengan r = radius (m), n = jumlah blade, CL = lift coefficient dari airfoil, lambda = TSR lokal, Vr = kecepatan angin resultan (m/s), U = kecepatan angin (m/s), Uwd = kecepatan angin desain (m/s), Copt = panjang chord optimum (m). Adapun Copt dapat diplot terhadap r untuk menghasilkan “bentuk” blade yang optimal.

Dari persamaan diatas dapat dilihat bahwa semakin besar TSR, maka ukuran blade akan semakin kecil, kemudian semakin banyak jumlah blade, maka ukuran blade juga akan semakin kecil (terlihat perubahan dilakukan pada bagian root dan tip untuk menyesuaikan kondisi aktual baik untuk pemasangan pada hub maupun karena alasan struktural, hal ini juga dapat dilakukan karena kontrobusi daya dari root juga relatif rendah):

Ukuran blade yang semakin kecil akan menguntungkan dari segi cost, karena bahan yang dibutuhkan akan semakin sedikit, tapi di sisi lain struktur blade juga akan semakin lemah. Pada umumnya pilihan blade yang paling optimal adalah 3 buah.

Pendekatan ini cukup baik untuk desain awal, namun ini adalah pendekatan secara 2D sehingga tidak terlalu akurat dalam mempertimbangkan munculnya fenomena-fenomena 3D ataupun kemunculan wake, tip loses dan lain sebagainya. Untuk hasil yang lebih akurat dan komprehensif digunakan analisis menggunakan simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD).

simulasi CFD turbin angin menggunakan openFOAM

Pada akhirnya, untuk menganalisis performa aerodinamika secara 3D dan menyeluruh, kita tidak bisa hanya mengandalkan perhitungan-perhitungan pendekatan di atas. Salah satu metode yang sudah cukup dikenal dalam desain turbin angin adalah menggunakan computational fluid dynamics (CFD) (baca selengkapnya pada pengenalan CFD). Metode ini dilakukan menggunakan bantuan komputer untuk menaganalisis aliran fluida pada blade turbin angin secara detail hingga memperlihatkan interaksi aliran 3D serta fitur-fitur lainya seperti tip vortex, wake dan lain-lain tanpa penyederhanaan.

Dari simulasi CFD juga kita dapat memprediksi performa dari turbin angin seperti perhitungan power coefficient dan torsi pada berbagai kondisi variasi TSR maupun perubahan sudut twist, jumlah blade, variasi airfoil, variasi model tip dan lain sebagainya.

Adapun untuk menghitung kekuatan struktur dari bilah turbin angin, persamaan analitis saja tidak cukup, karena adanya variasi material dan bentuk-bentuk yang tidak kontinyu dari rangka bilah maupun tower turbin angin ini. Metode yang sering digunakan untuk analisis ini adalah menggunakan Finite Element Analysis (FEA)

simulasi struktur blade turbin angin menggunakan code aster

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL LAINNYA SEPUTAR ENERGI TERBARUKAN !

>> KLIK DI SINI UNTUK DESAIN TURBIN ANGIN DENGAN CFD !

By Caesar Wiratama

aeroengineering.co.id merupakan jasa layanan dibawah CV. Markom dengan berbagai jenis solusi, mulai dari drafting CAD, pembuatan animasi, simulasi aliran dengan CFD dan simulasi struktur dengan FEA. Pelajari selengkapnya di sini.

REFERENSI DAN SEBAGIAN GAMBAR: Peter J. Schubel * and Richard J. Crossley, “Wind turbine blade design“. Energies 2012, 5, 3425-3449; doi:10.3390/en5093425

Peran Computational Fluid Dynamics (CFD) pada desain Heating Ventilation and Air-conditioning (HVAC)

/0 Comments/in , /by

Computational fluid dynamics atau lebih terkenal dengan singkatan CFD merupakan tekonolgi simulasi aliran fluida menggunakan komputer yang sudah cukup lama ada dan secara luas digunakan dalam dunia engineering. CFD memungkinkan saintis dan engineer untuk memodelkan dan memprediksi performa aliran dari berbagai macam aplikasi dan kebutuhan selama beberapa dekade. Dan, batasan-batasan dari penggunaan CFD ini sudah mulai bergeser dan semakin cepat seiring dengan berkembangnya kemampuan koputasi. Sebagai contoh, trend terakhir dari cloud computing memberikan akses untuk perusahaan-perusahaan kecil dan konsultan untuk melakukan simulasi CFD ini tanpa biaya hardware dan software yang terkenal cukup mahal untuk CFD ini.

Ventilasi (dikenal demham pergerakan udara memasuki ruangan tertutup) adalah salah satu mekanisme utama dari sistem heating, ventialtion and air conditioning atau HVAC untuk mencapai tujuan dari sistem tersebut yaitu menyediakan kenyamanan termal atau kondisi indoor tertentu. Secara tradisional, peraturan-peraturan intuitif serta pendekatan menggunakan hitungan manual sudah sering digunakan, namun cara-cara ini tidak memiliki margin keamanan hasil perhitungan yang cukup tinggi, bahkan tidak dapat diterapkan sama sekali untuk kasus-kasus dengan model yang unik.

Hasil-hasil yang umumnya diperoleh dari perhitungan tradisional ini adalah pendekatan yang terlalu konservatif, yaitu ukuran atau spesifikasi yang terlalu besar dan mahal, sehingga pada akhirnya meningkatkan biaya investasi pengadaan awal serta konsumsi energi. Sebagai gambaran, fan mengkonsumsi sekitar 13% dari konsumsi energi di Amerika serikat pada ranah komersial dan 6% pada ranah permukiman residensial. CFD hadir untuk menyelamatkan situasi yang rumit ini, memungkinkan untuk memprediksi dari performa ventilasi dengan presisi dengan memodelkan fenomena fisiknya secara langsung, baik kondisi sekitar sistem maupun detail geometri dari sistem.

Pada artikel ini, kita akan membahas sistem ventilasi secara umum dan keuntungan yang dapat diperoleh dengan analisis CFD.

Passive Ventilation

Atau sering dikenal dengan ventilasi natural memanfaatkan fenomena natural, seperti aliran udara dan gaya apung udara, untuk menghasilkan perbedaan tekanan yang menggerakkan air masuk kedalam bangunan. Untuk memungkinkan hal ini, fitur spesial diimplementasikan dalam desain, seperti pembukaan, akumulasi kotak kalor serta exhaust ducts.

Metode CFD merupakan alat yang sangat powerfull untuk memprediksi karakteristik dari sistem ventilasi terbuka, karena dapat secara presisi memodelkan fenomena spesial, seperti misalkan gaya apung udara akibat perbedaan temperatur maupun kelembaban udara. CFD juga dapat digunakan untuk berbagai model geometri dan fitur, sehingga solusi inovatif dapat dianalisis dan divalidasi sebelum pembuatan prototype fisik maupun pembangunan.

Pada contoh kasus di bawah, ventilasi natural pada bangunan mall tiga tingkat disimulasikan menggunakan CFD. Hasil kemudian dibandingkan berdasarkan kode desain standar, pada kasus ini ditemukan bahwa desain ini tidak memenuhi standar tersebut.

CFD HVAC

Sumber: SimScale blog

PERALATAN VENTILASI

Ketika skema ventilasi pasif tidak dapat memenuhi performa yang diinginkan, ventilasi paksa diperlukan untuk memenuhinya. Ventilasi paksa dapat dilakukan dengan pemasangan kipas, blower atau kompresor untuk menghasilkan perbedaan tekanan dan mendorong udara untuk mencapai ruangan yang ditargetkan.

CFD memungkinkan untuk membantu proses dengan dari peralatan rekayasa aliran udara tersebut. CFD dapat digunakan untuk memprediksi performa seperti distribusi tekanan, pola aliran serta kecepatan. Variasi densan dabat kemudian diuji coba dan dibandingkan dengan waktu yang sangat singkat semuanya sesuai dengan cara virtual.

Pada contoh kasus di bawah, performa aerodinamik dari kipas sentrifugal diinvestigasi menggunakan CFD. kurva performa kemudian diplot sehingga area yang dapat ditingkatkan dapat diidentivikasi.

Source: SimScale Blog

Displacement Ventilation

Pada metode ventilasi trandisional, udara masuk yang dikondisikan diletakkan pada puncak ruangan pada kecepatan yang tinggi. Sebaliknnya, pada ventilasi displacement, udara masuk diletakkan dekat dengan lantai dan menggunakan kecepatan yang relatif rendah. Udara panas yang dihasilkan dari penghuni ruangan atau peralatan naik ke atas langit-langit karena gaya apung (thermal plumes), dimana udara ini dikonsolidasikan dan dibuang langsung dari ruangan tanpa sirkulasi.

Aplikasi umum dari cara ini biasa ditemukan pada ruang kelas maupun perkantoran karene meningkatkan kualitas udara. Pada kasus dibawah ini, simulasi CFD digunakan untuk membandingkan ventilasi campuran dan displacement pada bangunan kantor. Hasil berupa distribusi temperatur dan kenyamanan thermal secara lokal divisualisasikan, membuktikan bahwa strategi ventilasi displacement memiliki keunggulan yaitu konsumsi daya yang lebih sedikit dan meningkatkan kualitas udara.

Sumber : SimScale Blog

Jet Fans

Jet fans digunakan untuk mengarahkan dan memperkuat aliran dalam ruangan yang luas. Digunakan dengan mempertimbangkan lokasi udara masuk dan keluar, karakteristik aliran optimal dapat diperoleh pada kondisi yang sulit. Pada kasus di bawah ini, strategi ventilasi digunakan untuk mendorong tingkat kontaminasi pada tempat parkir indoor yang luas serta bertujuan untuk mengeliminasi daerah dengan konsentrasi yang tinggi. Dengan menggunakan CFD, peletakan fan dan performa yang dihasilkan dievaluasi dengan waktu yang sangat singkat dan efisien. Hasil dari simulasi ini membuktikan penurunan kontaminasi hingga 55,1%.

Sumber: SimScale Blog

KODE STANDAR KENYAMANAN TERMAL

Area analisis dengan simulasi CFD yang cukup berguna adalah analisis untuk pemenuhan kode standar tertentu. CFD memungkinkan engineer untuk mengukur variabel-variabel seperti temperatur serta kecepatan aliran pada titik-titik tertentu yang ingin dianalisis pada ruang geometri. Kode kriteria ini dapat diperoleh dengan mudah menggunakan simulasi CFD dan direpresentasikan dan area yang dapat dilakukan peningkatan dapat dengan mudah diidentifikasi. Pada kasus di bawah ini, menggunakan simulasi CFD, kenyamanan thermal pada ruang theater dinilai berdasarkan dua kode standar sebagai berikut

EPBD dan EN 15251

Energy performance of buildings Directive (EPBD) dicanangkan sejak tahun 2002 untuk meningkatkan efisiensi energi dari bangunan. Sebagai bagian dari arahan tersebut, standar EN-15251 dibuat untuk menentukan spesifikasi thermal comfort dari bangunan indoor. Pada kasus dibawah ini, thermal comfort dari bangunan theater dinilai berdasarkan standar EN 15251. Ditemukan bahwa sistem ventilasi bekerja dibawah performa yang dibutuhkan dan beberapa area yang dapat ditingkatkan performanya diindentifikasi.

Sumber: SimScale Blog

ASHRAE 55

The American Society of Heating , Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) mempublikasikan standard 55 “Thermal envoriment conditions for human occupancy (kondisi termal lingkungan untuk penduduk manusia)” sejak tahun 1966. standar ini juga diadopsi oleh badan internasional seperti ISO serta beberapa negera lainya. Pada kasus dibawah ini metrik ASHARAR 55 digunakan untuk membandingkan performa kenyamanan thermal antara dua strategi ventilasi dalam ruangan theater, yang disimulasikan menggunakan CFD.

Desain sistem HVAC anda dengan optimal bersama kami, untuk informasi selengkapnya klik di sini.

>>KLIK DI SINI UNTUK JASA SIMULASI CFD PADA HVAC !

By Caesar Wiratama

aeroengineering.co.id merupakan jasa layanan dibawah PT Markom Teknologi Engineering dengan berbagai jenis solusi, mulai dari drafting CAD, pembuatan animasi, simulasi aliran dengan CFD dan simulasi struktur dengan FEA. Pelajari selengkapnya di sini.

Sumber: SimScale Blog

SUMBER: https://www.hpac.com/fire-smoke/role-cfd-simulation-hvac-system-design

Digital Prototyping

/0 Comments/in , /by

Dalam dunia industri, untuk membuat atau mendesain suatu produk (baik produk baru atau peningkatan performa produk yang sudah ada), sering kali dibuat model tiruan produk yang akan dibuat untuk melihat performa produk tersebut kemudian dapat dilakukan penilaian dan perbaikan dari kekurangan yang diamati. Hal ini tentunya dilakukan untuk mengantisipasi kerugian yang dapat diderita oleh perusahaan ketika produk tersebut sudah di produksi secara massal dan baru ditemukan cacat desain.

Prototype yang paling umum digunakan adalah menggunakan model fisik skala penuh. Misalkan suatu perusahaan akan memproduksi komponen mesin yaitu baut. Pembuatan prototype fisik baut ini tidaklah terlalu mahal dibandingkan dengan biaya produksi massal yang akan dilakukan perusahaan, sehingga pemilihan prototype fisik merupakan pilihan yang realistis dalam kasus ini:

failed bolt

Namun, bagaimana jika yang akan diproduksi perusahaan tersebut adalah sebuah mesin yang sangat besar yang membutuhkan biaya sangat besar untuk membuat modelnya? atau bagaimana jika perusahaan tersebut akan memproduksi sebuah pesawat terbang atau mobil balap? Tentu saja pembuatan prototype fisik langsung sangatlah memakan biaya bahkan sangat beresiko bagi nyawa jika terjadi kecelakaan. Solusi dari kasus seperti ini yang menjadi trend adalah menggunakan model skala (Untuk kasus pesawat terbang baca Wind tunnel) atau menggunakan pengujian komputer.

Metode pengujian model produk menggunakan bantuan program komputer inilah yang dikenal dengan istilah digital prototyping. Pada kasus diatas, dengan bantuan program komputer kita dapat menganilis setiap detail fenomena (baik aerodinamika, struktur, gerakan dll.) dengan mudah dan tentu saja sangat murah dibandingkan dengan membuat model skala penuh maupun model wind tunnel. Perhatikan contoh gambar hasil CFD (Computational Fluid Dynamics) dibawah ini:

Gambar diatas adalah contoh proses digital prototyping yang dilakukan untuk menganallisa desain pesawat tempur. Dengan program komputer, dapat dihitung dengan mudah gaya angkat (lift), drag dan moment yang dihasilkan oleh suatu object. Kemudahan dalam menghitung gaya-gaya ini tentu saja membuat kita dengan mudah mengetahui faktor-faktor yang mempengaruhi gaya-gaya tersebut, misalkan dengan merubah bentuk atau ukuran body maupun spoiler. Hal ini sangat mudah dan tentu saja ekonomis jika dilakukan menggunakan program komputer. untuk mempelajari selengkapnya tentang CFD klik di sini.

Namun, coba anda bayangkan jika membandingkan variasi bentuk sayap, ekor, canard maupun fuselage tersebut dilakukan dengan membuat model fisik masing-masing satu unit, pasti biayanya akan sangat besar !

Kembali lagi ke gambar diatas. Dapat diamati bahwa terjadi pusaran aliran udara yang melilit diatas sayap hingga pada suatu panjang tertentu lilitan pusaran udara tersebut menjadi pecah. Fenomena lilitan pusaran udara ini disebut garis vortex core. Menggunakan pengujian fisik, fenomena ini akan sulit untuk diamati karena sangat sensitif dan pengambilan data dari fenomena ini (misalkan melihat kecepatan atau tekanan pada pusaran tersebut) sangatlah sulit atau bahkan tidak mungkin dilakukan. Namun hal ini dapat dilakukan dengan mudah menggunakan metode digital prototyping.

Contoh kasus lain yang cukup penting adalah melakukan analisis produk yang sudah ada. Misalkan suatu perusahaan membuat mesin dengan komponen crankshaft. Desainer memprediksi bahwa komponn tersebut tidak akan patah, namun yang terjadi di lapangan komponen tersebut patah dan tidak dapat diketahui penyebabnya dengan jelas. Solusi dari kasus seperti ini salah satunya adalah menggunakan bantuan komputer. Berikut ini adalah hasil simulasi menggunakan sotfware FEA (Finite Element Analysis) untuk kasus diatas:

Dari hasil simulasi di atas, dapat terlihat daerah-daerah mana yang memiliki tegangan yang tinggi pada kondisi beban-beban tertentu, sehingga proses pengambilan keputusan desain menjadi lebih terarah.

Selain analisa-analisa fisik diatas, kelebihan yang sangat terasa manfaatnya dari digital prototyping dalam dunia industri adalah fleksibilitasnya dalam melakukan penyesuaian ukuran dan hal ini sangatlah krusial untuk desain yang terdiri dari banyak komponen dan perlu dirakit menjadi satu. Dengan bantuan komputer, kita dapat dengan mudah membuat model 3D dan merubah-rubah ukuran dan tata letaknya tanpa kerugian biaya sedikitpun sekaligus mendesain tampilan atau estetika dari model yang akan kita buat. Contoh kasus adalah desain mesin conveyor dibawah ini:

gambar2

Mesin diatas terdiri dari komponen yang sangat banyak (conveyor, motor, gear, rantai, bearing, poros, mur, baut dll.) dan saling terkait ukuranya satu sama lain. Perencanaan menggunakan sketsa kertas dan pensil akan cukup sulit dan lama dilakukan karena interaksi antar komponen tersebut adalah 3 dimensi. Selain membantu proses penentuan tata letak, software-software digital prototyping saat ini dilengkapi fitur untuk membuat gambar teknik (gambar produksi) dari gambar 3D yang sudah dibuat sehingga mempermudah proses produksi.

drawing_1

Untuk mempelajari selengkapnya tentang digital prototyping dan industri 4.0, klik di sini

By Caesar Wiratama

aeroengineering.co.id merupakan jasa layanan dibawah CV. Markom dengan berbagai jenis solusi, mulai dari drafting CAD, pembuatan animasi, simulasi aliran dengan CFD dan simulasi struktur dengan FEA. Pelajari selengkapnya di sini.

Pendahuluan CFD : Mekanika Fluida

/3 Comments/in /by

Sebelum membahas tentang apa itu CFD (Computational Fluid Dynamics), ada baiknya kita memahami dulu secara singkat dasar mekanika fluida. Karena CFD sendiri merupakan solusi numerik dari persamaan -persamaan yang ada pada mekanika fluida.Oh iya, Ketika berbicara tentang fluida, maka yang dibahas adalah gas dan air. Monggo di simak gan…

Setiap hari kita pasti melihat peristiwa alam yang berkaitan dengan aliran. Hujan, angin, aliran sungai, tornado, banjir, dsb merupakan peristiwa alam yang berkaitan dengan “aliran”. Dulu kita diajarkan bahwa aliran muncul ketika ada perbedaan tekanan. Misalkan di kota A tekanannya 1,2 atm dan kota B bertekanan 1 atm. Maka dapat dipastikan bahwa angin akan mengalir dari kota A ke kota B. Semua pergerakan aliran fluida dan variabel-variabelnya (kecepatan, suhu, tekanan, dsb) diatur oleh alam sedemikian rupa setidaknya oleh 3 buah persamaan. Persamaan-persamaan tersebut menggambarkan bagaimana alam mengatur aliran. Oleh karena itu, persamaan-persamaan ini biasa disebut dengan governing equation (persamaan atur). Berikut ini merupakan persamaan atur:

1. Persamaan Continuitas (Continuity Equation) = Kekekalan Massa

Capture

Persamaan continuitas berbicara tentang hukum kekekalan massa fluida sepanjang aliran. Untuk dapat memahami lebih mudah tentang ini, kita ambil contoh sehari-hari. Pernahkah kalian mainan selang waktu kecil?. Adakalanya dulu kita sering iseng  menutupi sebagian ujung selang agar airnya ngalirnya “kenceng”. Nah, sederhananya seperti itu. Alam akan “memaksa” agar massa yang mengalir sepanjang pipa konstan. Supaya massa alirannya konstan, maka kecepatan aliran pada penampang pipa kecil harus lebih cepat, dan kecepatan aliran pada penampang besar harus lebih lambat. Biar lebih paham, kalian bisa lihat gambar dibawah ini:

Capture1

Kalau ditanya, kenapa massa sepanjang aliran harus konstan?. Jawabannya adalah karena alam memang bekerja seperti itu.

2. Persamaan Momentum (Momentum Equation) = Kekekalan Momentum

Capture2

Wah, panjang bener persamaanya, keliatannya rumit. Ya, memang rumit gan. Beginilah gambaran alam semesta bekerja, padahal ini baru persamaan untuk aliran doang, belum yang lainnya . Subhanallah, betapa besarnya Sang Pencipta. Oke, kembali ke topik. Hukum kekekalan momentum berbicara tentang kekalnya momentum di sepanjang aliran dan dapat berubah ke dalam bentuk lain, yakni gaya (force) begitu pula sebaliknya. Persamaan momentum ini dicetuskan oleh 2 ilmuan bernama Navier dan Stokes. Jadi, nama resminya adalah persamaan navier-stokes. Sebenernya hukum navier-stokes ini turunan dari hukum newton ke-2 ∑F=ma. Bedanya adalah hukum ini diimplementasikan pada fluida. Alhasil, jadi lebih rumit. Ringkasnya begini, persamaan navier-stokes adalah hukum newton yang terjadi pada aliran fluida. Biar lebih jelas, bisa lihat gambar dibawah:

Capture3

Dari persamaan diatas dapat kita ketahui bahwa ada 3 gaya yang memengaruhi gerakan fluida:

  1. Gaya akibat Perbedaan Tekanan
  2. Gaya akibat gravitasi
  3. Gaya akibat gesekan fluida

Walaupun gambar dan rumusnya terlihat rumit, pada kenyataannya beberapa parameter akan diabaikan sehingga perhitungan akan menjadi lebih sederhana.

3. Persamaan Energi (Energy Equation) = Kekekalan Energi

Capture4

Nah, ini persamaan terakhir dari 3 persamaan pengatur aliran. Namanya persamaan energi, diambil dari hukum kekekalan energi. Jadi, energi disepanjang aliran adalah kekal. Hanya saja, energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Dari persamaan diatas kita dapat simpulkan ada setidaknya 5 jenis energi yang dibawa oleh aliran fluida:

  1. Total Energi (ET), total energi terdiri dari energi dalam (u) dan energi kinetik (KE)
  2. Energi tekan
  3. Energi potensial (gravitasi)
  4. Energi viscous (energi yang hilang akibak gesekan)
  5. Energi kalor

Kelima bentuk energi tersebut akan mengalami perubahan bentuk pada sepanjang aliran. Misalkan saja aliran sungai : Suatu sumber mata air berada pada ketinggian tertentu dan menyimpan energi potensial sebesar 100 Joule. Maka, ketika air tersebut mulai turun, Energi potensial secara bertahap akan berubah menjadi energi kinetic (kecepatan). Katakanlah energi kinetik yang dihasilkan dibawah adalah 80 joule. Maka 20 joule-nya hilang bersama dengan gesekan antara air dan dasar sungai. Jadi jumlah eneginya tetap 100.

Itulah 3 persamaan pokok yang mengatur hukum aliran. Jadi, fluida akan manut (patuh) sesuai dengan persamaan-persamaan diatas. Pembahasan berikutnya akan membahas tentang pengenalan CFD secara umum.

By : Djatmiko Erlambang

aeroengineering.co.id merupakan jasa layanan dibawah PT Markom Teknologi Engineering dengan berbagai jenis solusi, mulai dari drafting CAD, pembuatan animasi, simulasi aliran dengan CFD dan simulasi struktur dengan FEA. Pelajari selengkapnya di sini.