Validasi dan verifikasi dalam CFD
Salah satu metode dalam desain atau riset permasalahan terkait mekanika fluida dan perpindahan kalor selain formulasi analitis dan eksperimental adalah menggunakan metode numerik atau dikenal juga dengan istilah Computational Fluid Dynamics (CFD).
Metode ini sudah cukup lama digunakan untuk memecahkan permasalahan engineering dari berbagai bidang, mulai dari dirgantara, maritim, otomotif, manufaktur, energi dan anergi terbarukan bahkan hingga bioengineering.
Karena metode ini memanfaatkan komputer (tidak menggunakan model fisik), maka proses keseluruhan dapat dilakukan dengan sangat cepat, fleksibel, murah, mendalam dan tidak beresiko untuk kasus yang berhubungan dengan interaksi manusia.
Meskipun demikian, kebanyakan peneliti atau engineer masih skeptis atau ragu dengan hasil dari simulasi CFD ini karena kurangnya pengetahuan akan operasionalnya (terdapat cukup banyak teori untuk dipelajari untuk membuat setingan simulasi yang benar), serta kekhawatiran akan hasilnya yang tidak akurat. Oleh karena itu, dalam artikel ini akah dibahas secara khusus terkait verifikasi dan validasi dari metode CFD.
Pertama-tama, untuk memahami verifikasi dan validasi permodelan dan simulasi menggunakan CFD, operator perlu memahami apa yang dimaksud dengan (1) code, (2) simulasi, dan (3) model. berikut definisi dari masing-masing terminilogi tersebut:
(1) Code : Code adalah sekumpulan instruksi komputer yang digunakan untuk input dan definisi. code ini memiliki hubungan yang erat dengan software yang kita gunakan, maka software yang berbeda mungkin dapat memiliki karakteristik yang berbeda.
(2) Simulasi : Simulasi adalah penggunaan dari model, dalam kasus CFD untuk memperoleh hasil-lasih berupa aliran fluida, tekanan, kecepatan, dll berdasarkan input yang dimasukkan ke model.
(3) Model : Model adalah representasi dari sistem fisik (dalam kasus ini aliran fluida atau perpindahan panas) yang digunakan untuk memprediksi sistem. Misalkan ukuran geometri yang kita gunakan, kecepatan pada inlet, temperatur dan lain-lain sesuai dengan karakteristik sistem fisik yang akan kita “tiru”.
Kredibitilas dari suatu kode, model dan simulasi CFD diperoleh berdasarkan taraf ketidakpastian dan error. Nilai dari ketidakpastian dan error ini diperoleh menggunakan penilaian verifikasi dan validasi. Penilaian verifikasi sendiri menentukan apakah program dan komputasi yang digunakan untuk model yang kita buat sudah benar secara mendasar. Sedangkan validasi, menentukan apakah simulasi sudah sama dengan relitas dari kasus fisik yang dimodelkan. Pada umumnya validasi dilakukan menggunakan metode eksperimental.
Terdapat beberapa ketidaksepakatan dari kalangan profesional tentang prosedur baku verifikasi dan validasi dari simulasi CFD ini. Meskipun CFD merupakan subject yang sudah cukup matang secara teknologi, namun metode ini tergolong masih baru muncul. CFD merupakan teknologi yang kompleks yang melibatkan persamaan diferensial non-linear secara kuat yang digunakan untuk memodelkan teori maupun eksperimen secara komputasi pada domain yang diskrit dengan geometri yang kompleks. Penilaian error dari CFD didasarkan pada tiga akar utamanya yaitu: (1) teori, (2) eksperimen dan (3) komputasi.
MENGGUNAKAN HASIL CFD
TIngkat akurasi yang dibutuhkan dalam analisis CFD tergantung dari penggunaan dari hasil itu sendiri. Suatu proses desain konseptual mungkin tidak memerlukan hasil simulasi yang terlalu akurat, sedangkan pada proses detail design mungkin diperlukan hasil yang lebih akurat. Setiap kuantitas secara umum membutuhkan kebutuhan akurasi yang berbeda-beda. Penggunaan CFD dalam desain dan analisis dikategorikan menjadi tiga kategori berdasarkan tingkat akurasinya 1) simulasi untuk mendapatkan informasi kualitatif, 2) simulasi untuk mendapatkan perubahan nilai tertentu dan 3) simulasi untuk memperoleh nilai absolut dari kuantitas tertentu:
1) Simulasi untuk memperoleh informasi kualitatif: Dalam kasus ini biasanya data eksperimen tidak dapat diperoleh sehingga tidak ada data pembangding, dan informasi yang dibutuhkan oleh peneliti hanyalah penjelasan bagaimana fenomena yang terjadi secara kualitatif. Dalam kasus ini, tidak diperlukan tingkat akurasi yang tinggi. Misalkan desainer valve model terbaru pada proses awal (inisial) desain tidak membutuhkan nilai-nilai dari sistem, melainkan hanya membutuhkan informasi karakteristik aliranya, apakah sudah sesuai harapan atau perlu diubah.
2) Simulasi untuk memperoleh perubahan kuantitas: Skenario ini biasanya digunakan untuk membandingkan dua kasus yang berbeda namun memiliki sifat yang sama, misalkan modifikasi impeller suatu kompresor secara inkremental (misalkan merubah sudutnya atau jumlah blade nya saja). Kita dapat memperoleh hasil perbedaan tekanan yang dihasilkan tanpa harus memperdulikan nilai tekanan absolut dari masing-masing sistem tersebut.
3) Simulasi untuk memperoleh nilai absolut dari suatu kuantitas: Dalam kasus ini, akurasi yang tinggi diperlukan karena pada umumnya hasil akan dibandingkan dengan hasil eksperimen dan data-data hasil simulasi akan digunakan kembali untuk tujuan yang membutuhkan input berupa data hasil CFD.
KARAKTERISTIK ALIRAN
Dalam melakukan validasi model, kita perlu memahami juga karakteristik dari aliran untuk membandingkan hasil simulasi dengan fenomena aliran yang seharusnya terjadi. Misalkan untuk aliran dengan kecepatan supersonic (diatas kecepatan suara) haruslah terjadi fenomena shock wave, aliran dengan reynold number tertentu haruslah menghasilkan transisi dari aliran laminar ke turbulen, adverse pressure gradient menghasilkan separasi aliran dan lain sebagainya. Setiap simulasi aliran yang berbeda mungkin memiliki detail setting yang berbeda karena perbedaan karakteristik masing-masing aliran ini.
MODEL FISIK
Permodelan fisik tidak hanya meliputi bentuk fisik dari kasus yang akan kita uji. Terdapat beberapa permodelan fisik yang perlu dipertimbangkan dalam simulasi CFD antara lain
(1) Dimensi spasial, atau secara mudah adalah bentuk dari model itu sendiri, terkadang dimensi spasial ini dimodelkan dalam bentuk simetri atau bahkan 2D jika tidak terdapat fitur aliran yang berperan secara 3D utuh.
(2) Dimensi temporal, yaitu dimensi waktu dari simulasi, biasanya kita perlu melakukan seting delta waktu, atau perubahan waktu untuk memodelkan “gerakan” dari aliran. Sebagai contoh, misalkan suatu sistem berputar membutuhkan waktu selama 1 detik, jika kita set delta waktu adalah 0,1 detik maka akan terdapat 10 gerakan untuk mengakomodasi putaran tersebut. Namun, jika kita set delta waktu sebesar 2 detik, akan terjadi error komputasi karena gerakan 1 detik tidak terakomodasi dengan baik.
(3) Persamaan Navier-stokes : Persamaan ini merupakan persamaan dasar mekanika fluida, dengan persamaan ini analisis aliran viskos dapat dilakukan,
(4) Persamaan turbulen: Merupakan persamaan yang dirancang khusus untuk memodelkan aliran turbulen yang tidak dapat dihitung secara langsung menggunakan persamaan Navier-Stokes. Perbedaan pemilihan persamaan turbulen dapat menghasilkan solusi CFD yang berbeda.
(5) Persamaan energi dan termodinamika: digunakan untuk mengakomodasi perubahan temperatur dan perpindahan kalor suatu sistem aliran.
(6) Flow boundary conditions: adalah input-input yang kita gunakan untuk membatasi parameter-parameter aliran, misalkan kecepatan atau tekanan pada inlet aliran.
PENUTUP
Dewasa ini, telah cukup banyak peneliti-peneliti yang menerbitkan jurnal ilmiah dengan berbagai variasi simulasi CFD, baik dengan perbandingan analitis maupun eksperimen yang dapat kita jadikan acuan pembanding validasi simulasi CFD kita, baik dengan hasil eksperimen yang mereka gunakan atau dengan hasil simulasi CFD yang mereka lakukan.
Banyaknya penggunaan CFD dalam jurnal-jurnal ilmiah ini juga membuktikan bahwa metode CFD ini sudah tidak perlu diragukan lagi validitasnya selama operator pengguna CFD memahami kasus yang dihadapinya. Perlu diingat bahwa CFD hanyalah sebuah “kalkulator”, operator lah penentunya.
>>BACA SELENGKAPNYA TEORI CFD DI SINI!
>>UNTUK ARTIKEL LAINYA TERKAIT CFD KLIK DI SINI!
aeroengineering services merupakan layanan dibawah CV. Markom dengan solusi terutama CFD/FEA.
Terima Kasih bang,