AkademikKontak

Analisis Cyclone Separator Menggunakan CFD

JASA SIMULASI CFD CYCLONE SEPARATOR

Cyclone separator adalah perangkat penting dalam industri untuk pemisahan partikel dari aliran gas atau udara. Teknologi ini memiliki peran vital dalam berbagai aplikasi seperti pengolahan limbah, industri semen, pemurnian gas, dan banyak lagi. Dalam artikel ini, kita akan melakukan analisis menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk memahami kinerja cyclone separator berdasarkan standar industri yang ada.

1. Pengantar tentang Cyclone Separator

Cyclone separator bekerja berdasarkan prinsip gaya sentrifugal yang memisahkan partikel dari aliran gas berdasarkan perbedaan massa jenis dan gaya sentrifugal. Aliran masuk diputar secara spiral di dalam separator, memaksa partikel-partikel yang lebih berat bergerak ke arah luar, sementara gas yang lebih bersih keluar dari bagian atas.

2. Standar Industri yang Relevan

Standar industri seperti American Society of Mechanical Engineers (ASME) dan European Standard (EN) sering digunakan sebagai panduan untuk desain dan analisis cyclone separator. Parameter-parameter seperti efisiensi pemisahan, tekanan drop, dan distribusi kecepatan dianggap kritis dalam mengevaluasi kinerja separator.

3. Metode Analisis Menggunakan CFD

CFD memungkinkan simulasi numerik dari aliran fluida di dalam cyclone separator dengan memecah domain menjadi elemen-elemen kecil untuk menghitung variabel-variabel seperti kecepatan, tekanan, dan distribusi partikel dalam aliran. Dalam analisis ini, langkah-langkah umum meliputi:

• Modeling Geometri: Memodelkan geometri fisik dari cyclone separator, termasuk inlet, outlet, dan chamber internal.
• Pengaturan Simulasi: Menentukan kondisi batas (boundary conditions) seperti laju aliran inlet, jenis fluida (gas atau campuran), dan sifat-sifat fluida (viskositas, densitas).
• Simulasi dan Analisis: Menjalankan simulasi CFD untuk memvisualisasikan pola aliran, distribusi kecepatan, dan akumulasi partikel di dalam cyclone separator.

Salah satu software standar industri yang umum digunakan untuk analisis cyclone separator ini adalah Cradle CFD, karena kemampuan meshing nya dalam membentuk geometri yang kompleks secara efisien, serta penggunaan solver Lagrangian ataupun Eulerian untuk permodelan per partikel ataupun debu secara kolektif sebagai “aliran fluida”.

Atau OpenFOAM yang merupakan software free opensource yang banyak juga digunakan di industri.

https://youtube.com/watch?v=6iRk7yTPP3A%3Fsi%3DjwilPiMa–uQ0qTo%26wmode%3Dopaque%26rel%3D0

4. Parameter Kinerja yang Dievaluasi

Dalam analisis ini, parameter-parameter berikut ini dievaluasi berdasarkan hasil simulasi CFD:

• Efisiensi Pemisahan: Persentase partikel yang berhasil dipisahkan dari aliran gas.
• Tekanan Drop: Penurunan tekanan dari inlet hingga outlet yang mempengaruhi konsumsi energi dan efisiensi operasional.
• Distribusi Partikel: Pola distribusi partikel di dalam separator untuk memastikan tidak ada partikel yang terlewat.

5. Keuntungan Penggunaan CFD dalam Analisis Cyclone Separator

Penggunaan CFD memberikan beberapa keuntungan signifikan dalam analisis cyclone separator:

• Visualisasi yang Jelas: Memungkinkan visualisasi aliran fluida dan distribusi partikel yang sulit didapatkan secara eksperimental.
• Optimasi Desain: Memungkinkan untuk mengoptimalkan desain separator untuk meningkatkan efisiensi dan mengurangi konsumsi energi.
• Evaluasi Kondisi Operasional: Menentukan kondisi operasional yang optimal dan menanggulangi masalah potensial seperti malfungsi partikel.

6. Studi Kasus dan Implementasi Industri

Studi kasus dari aplikasi industri yang berbeda, seperti pengolahan limbah atau pemurnian gas, dapat memperkuat hasil analisis ini. Implementasi praktis dari temuan CFD dapat membantu industri dalam meningkatkan efisiensi operasional dan keandalan separator dalam berbagai lingkungan operasional.

Kesimpulan

Dengan menggunakan teknologi Computational Fluid Dynamics (CFD), analisis cyclone separator dapat dilakukan dengan detail yang tinggi sesuai dengan standar industri yang berlaku. Dengan memahami aliran fluida di dalam separator, kita dapat meningkatkan efisiensi, mengoptimalkan desain, dan meningkatkan performa keseluruhan dari perangkat ini dalam berbagai aplikasi industri yang kritis.

Ruang bakar atau sering disebut combustor sering kali dijumpai pada berbagai aplikasi; yang paling umum adalah pada turbin gas baik untuk pembangkit listrik maupun propulsi jet pesawat terbang. Terkadang combustor juga digunakan untuk proses kimia yang membutuhkan bantuan pembakaran atau suhu yang sangat tinggi.

rinsip pembakaran secara sederhana adalah reaksi kimia antara karbon atau hidrogen, dan oksigen. Kalor muncul saat reaksi berlangsung. Hasil dari pembakaran secara ideal adalah karbon dioksida dan air (H2O). Secara rumus stoikiometri dapat ditulis menjadi:

CH4 (Metana) + 4O (Oksigen) -> 2H2O (air) + CO2 (Karbon dioksida) + Heat (kalor)

4 mol oksigen diperlukan untuk membakar 1 mol metana. Hasil pembakaran adalah 1 mol karbon dioksida dan 2 mol air.

Prinsip kerja ruang bakar pada turbin gas hampir mirip seperti ruang bakar pada engine kendaraan bermotor. Saluran bahan bakar akan disemprotkan menuju ruang bakar bersamaan dengan udara bertekanan dari kompressor. Kemudian percikan api dari spark plug dinyalakan sehingga campuran bahan bakar, udara, dan percikan api spark plug terbakar dan menghasilkan udara panas bertekanan sangat tinggi. Lalu udara panas bertekanan ini akan diteruskan ke turbin untuk menghasilkan buangan udara jet dan memutar kompressor.

Karena kompleksitas fenomena yang terjadi di dalam ruang bakar, baik untuk interaksi fluida, kalor, bahkan kimia yang terjadi di dalamnya, membuat desain ruang bakar menjadi sangat sulit dilakukan secara presisi bahkan tidak mungkin dengan analitis matematika murni.

Salah satu metode yang sudah cukup well-established adalah menggunakan metode komputasi untuk memodelkan aliran fluida dan reaksi kimia yang dikenal juga dengan istilah Computational Fluid Dynamics (CFD).

Tidak hanya memperhitungkan aliran karena tekanan yang terjadi dalam ruang bakar, menggunakan CFD kita memungkinkan untuk memodelkan semua proses kimia yang terjadi dan juga kalor yang dihasilkan oleh reaksi tersebut.

Selain parameter-parameter seperti kecepatan, tekanan, dan temperature, menggunakan CFD kita dapat membuat plot masing-masing spesies misalkan O2, CO2, H20, dan juga berbagai macam emisinya.

Meskipun memiliki kapabilitas dan hasil yang cukup detail dan komprehensif, namun bagi operator yang belum terbiasa menggunakan CFD dapat menjadi kesulitan tersendiri dalam mempelajari nya. Kami memberikan solusi berupa project support serta konsultasi simulasi pada ruang bakar.

(PT. Mitsubishi Chemical Indonesia)

PT. Mitsubishi Chemical Indonesia (MCCI) memproduksi berbagai macam produk kimia, tentu saja dalam proses produksinya terdapat berbagai macam unit peralatan fluida dan proses. Salah satu komponen untuk mengontrol proses produksi tersebut adalah menggunakan valve dengan plug yang dapat diatur pergerakanya maju dan mundur, sehingga kontrol mass flow rate dari proses dapat dilakukan dengan mudah.

Untuk menghalangi terjadinya kebocoran pada sistem pergerakan maju-mundur dari plug, maka dialirkan fluida dengan tekanan yang tinggi sehingga menghindari terjadinya aliran balik (seperti diilustrasikan pada gambar di bawah). Namun, seiring dengan waktu operasional, terjadilah proses erosi pada daerah transisi antara plug dan fluida seal tersebut, yang hingga membuat stuck pergerakan dari plug.ilustrasi lokasi erosi pada sistem valve

Karena banyaknya interaksi-interaksi yang terjadi pada sistem ini, membuat penyebab dari erosi ini sulit untuk diketahui, sehingga solusi dari permasalahan ini juga menjadi sulit untuk dianalisis.

Kemudian, PT. MCCI bekerja sama dengan tim AE Services menganalisis root cause dari erosi tersebut dengan menggunakan metode Computational Fluid Dynamics (CFD), dalam hal ini software openFOAM digunakan karena kapabilitasnya yang sudah terbukti untuk berbagai aplikasi industri.

Hasil dari simulasi menunjukkan detail dari pola aliran yang terjadi, sehingga dapat dengan mudah divisualisasikan penyebab dari erosi tersebut. Bahkan, dengan bantuan software CFD tersebut dapat divariasikan berbagai macam kondisi operasional; misal mass flow rate dari inlet, tekanan fluida seal, pergerakan plug dan lain-lain sehingga dapat diprediksi kondisi dengan akibat abrasi terendah dengan mempertimbangkan produktivitas dari sistem.ilustrasi aliran pada valve

PT Tensor memberikan jasa konsultasi Finite Element Analysis (FEA) dan Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk desain engineering. Kami juga memberikan tutorial-tutorial gratis penggunaan software nya di kanal youtube kami. Hubungi kami sekarang juga!

(PT. Pertamina)

Studi yang dilakukan bertujuan untuk menganalisis adanya erosi pada aliran masuk dari inlet shell and tube heat exchanger, yang memiliki kecepatan yang relatif tinggi dan langsung “menghantam” tube yang paling dekat dengan lokasi inlet.

Dalam kasus ini, para engineer dari PT. Pertamina mengamati terjadinya erosi yang terjadi pada unit heat exchanger shell and tube pada titik yang hampir serupa. Salah satu solusi yang ingin dicoba adalah menggunakan impengement plate, yaitu sebuah plat yang ditempelkan (dilas) pada tube serta baffle heat exchanger seperti terlihat pada gambar berikut.

Solusi penggunaan impingement plat dipiliha karena sangat sederhana pada proses instalasinya. Namun, kendala yang ditemui setelah impingement plate ini dipasang adalah tetap terjadinya erosi yang awalnya terjadi pada titik kecepatan tertinggi tube, berpindah pada daerah transisi antara impingement plate dengan tube. Hal ini terjadi karena berpindahnya lokasi kecepatan tertinggi akibat kehadiran impingement plate.

Maka dari itu timbul lah sebuah permasalahan yang cukup detail dan melibatkan pola aliran 3D yang cukup rumit, yang mana sangat sulit untuk diperhitungkan menggunakan kalkulasi manual atau hanya dengan intuisi. Sehingga, solusi yang paling ideal dari permasalahan ini adalah permodelan menggunakan simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD). Dalam kasus ini, software CFD yang digunakan adalah openFOAM.

Dengan metode Computational Fluid Dynamics (CFD), kita dapat memodelkan pola aliran dengan detail dan melakukan trial and error berbagai bentuk, ukuran, dan lokasi penempatan impingement plate yang menghasilkan efek abrasi paling rendah, di sisi lain juga tetap mempertahankan performa perpindahan kalor dari sistem: karena jika semua aliran tertutup impingement plate, maka efisiensi termal juga akan menjadi rendah.ilustrasi distribusi kecepatan pada sekitar impingement plate

Dapat kita bayangkan bagaimana proses trial and error ini jika dilakukan secara langsung pada unit. Selain mengkonsumsi cukup banyak biaya material dan tenaga, waktu yang dibutuhkan juga akan lama. Terlebih lagi waktu maintenance untuk penghentian unit ini akan berdampak pada keseluruhan sistem yang ada.

PT Tensor memberikan jasa konsultasi Finite Element Analysis (FEA) dan Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk desain engineering. Kami juga memberikan tutorial-tutorial gratis penggunaan software nya di kanal youtube kami. Hubungi kami sekarang juga!

Penggunaan cold storage atau shipping container sudah cukup intensif pada berbagai industri, salah satunya yang paling mendominasi adalah pada industri makanan, yaitu untuk mengirimkan bahan-bahan makanan yang cepat membusuk pada suhu ruangan seperti ikan atau buah-buahan.

Pendinginan/pemanasan menggunakan refrigerated/heated container akan memiliki efektivitas dan efisiensi yang berbeda-beda tergantung muatan yang ada di dalam kontainer tersebut, mulai dari karakteristik kalor serta bentuk dan penataan muatan tersebut. Standar/kode dari shipping container tersebut tidak mungkin mencakup semuanya satu persatu, melainkan user sendiri yang harus menentukan konfigurasi dari kontainer berdasarkan kebutuhanya.

Dari penjelasan di atas, diperlukan suatu metode yang lebih komprehensif yang dapat mengakomodasi berbagai kemungkinan kondisi operasional dan desain dari shipping container. Metode yang umum digunakan adalah menggunakan computational fluid dynamics (CFD).

CFD adalah alat yang sangat powerfull untuk memodelkan berbagai kondisi penataan bahkan desain dari shipping container (misalkan menentukan ukuran penataan muatan, seting refrigerator, blower, insulasi, hingga ukuran T-grating dan lain-lain)

Simulasi di atas dibuat menggunakan software openFOAM. dapat dilihat dari hasil simulasi di atas, tidak hanya menentukan distribusi temperatur, kita juga dapat melihat pola aliran udara di dalamnya.

Meskipun memiliki kapabilitas dan hasil yang cukup detail dan komprehensif, namun bagi operator yang belum terbiasa menggunakan CFD dapat menjadi kesulitan tersendiri dalam mempelajari nya. Kami memberikan solusi berupa project support serta konsultasi simulasi pada cold storage.

Turbomachinery pada dasarnya adalah mesin yang mentransfer energi antara fluida dan rotor. Untuk fan, blower dan kompresor, energi mekanik dari putaran rotor (yang digerakkan oleh motor listrik atau bahan bakar) akan menggerakkan fluida yang ada di sekitarnya sehingga menghasilkan kecepatan aliran yang tinggi (untuk blower dan fan) atau meningkatkan energi fluida dalam bentuk tekanan yang tinggi yang disertai kenaikan temperatur (untuk kompresor). Sedangkan pompa biasanya mengacu pada sistem penambah tekanan fluida yang incompressible seperti air atau bahan kimia.

CFD memegang peranan yang sangat penting dalam desain turbomachinery, keunggulan utamanya adalah mengurangi siklus desain dalam meningkatkan performa, mengurangi berat dan biaya. sebagai contoh, gambar dibawah ini mengilustrasikan variasi sudut blade saat masuk kompresor dan jumlah blade pada kompresor sentrifugal. Menggunakan bantuan komputer, kita dapat dengan sangat cepat dan mudah mengedit model tersebut kemudian langsung disimulasikan menggunakan CFD dan dalam waktu singkat memperoleh prediksi performa yang kita inginkan. Bayangkan ketika kita harus “mengedit” model tersebut secara fisik, mungkin akan memakan cukup banyak waktu dan biaya untuk membuat satu model saja.

ilustrasi variasi sudu impeller

Salah satu fitur yang cukup penting yang dimiliki oleh CFD adalah kemampuanya untuk melihat secara detail parameter-parameter aliran (kecepatan, tekanan, temperatur dll) disetiap lokasi dan di setiap waktu untuk analisis transient. Kita dapat dengan sangat mudah “menunjuk” lokasi tersebut untuk dianalisis tanpa harus menginstal probe atau sejenisnya, dan kita dapat melakukan “zoom” dalam dimensi waktu dengan mengatur step waktu yang kita inginkan tanpa harus menggunakan kamera super cepat.

simulasi distribusi tekanan pada turbin sentrifugal denganopenFOAM

Pada era yang sudah serba canggih dan cepat ini, teknologi komputasi paralel memungkinkan perhitungan yang jauh lebih cepat dibantu dengan high performance computer yang menyokong kemampuan CFD ini.

simulasi streamline pompa sentrifugal denganopenFOAM

Kami menyediakan solusi berupa jasa project support bagi anda yang sedang mendesain sistem valve dengan CFD serta konsultasi dari pembuatan simulasi, penjelasan setingan yang digunakan, hingga pembahasan hasilnya. Tim kami terdiri dari para engineer yang sudah berpengalaman menghandle project simulasi baik untuk kasus yang berorientasi praktis lapangan maupun akademis yang sangat teoritis sejak tahun 2013.

(PT. Indonesia power)

Unit coal fired boiler merupakan salah satu jenis boiler dengan bahan bakar batu bara (coal) yang cukup umum digunakan pada pembangkit listrik batu-bara di Indonesia.

Pada kasus ini, salah satu unit coal fired boiler milik PT. Indonesia Power mengalami overheat pada bagian tubing di dalam boiler (water-wall), sehingga mengakibatkan tube gagal saat beroperasi.

Fenomena ini mungkin terjadi karena banyak faktor, mulai dari perubahan fasa steam di dalam tube yang terlalu dini, sehingga penyerapan kalor yang harusnya terjadi untuk perubahan fasa air menjadi steam justru digunakan untuk memanaskan dinding tube dan pada akhirnya membuat tube menjadi overheat dan gagal. Atau mungkin juga karena setingan orientasi arah masuknya coal ke dalam boiler yang tidak sesuai dengan kondisi operasional yang membuat pola aliran api berubah dan memanaskan tubes tidak sesuai dengan yang diharapkan.

Karena melibatkan fenomena aliran fluida dan perpindahan panas yang cukup kompleks, serta proses reaksi kimia: dalam hal ini pembakaran, maka analisis secara manual atau intuisi menjadi tidak cukup. Salah satu cara yang paling pas digunakan dalam situasi ini adalah menggunakan bantuan metode numerik, Computational Fluid Dyamics (CFD), yaitu permodelan dengan komputer sesuai dengan kondisi operasional dengan detail, sehingga parameter-parameter seperti temperature, tekanan, kecepatan aliran, atau bahkan perubahan fasa dan reaksi pembakaran dapat “dilihat” dan digunakan untuk menganalisa root cause dari permasalahan di atas.

Dalam kasus ini, PT. Indonesia Power bersama dengan tim AE Services melakukan studi CFD menggunakan software openFOAM, yaitu salah satu software CFD yang cukup powerfull untuk menghandle kasus seperti ini.

Dari simulasi yang dilakukan, diperoleh data-data dan pola aliran yang detail serta komprehensif, sehingga proses menemukan root cause menjadi lebih mudah. Di samping itu, dengan mengubah-ubah parameter seeperti sudut input coal, laju aliran coal atau udara, dan lain-lain kita dapat melihat perubahan dari performa yang dihasilkan, atau bahkan komposisi dari emisi gas buangnya.

PT Tensor memberikan jasa konsultasi Finite Element Analysis (FEA) dan Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk desain engineering. Kami juga memberikan tutorial-tutorial gratis penggunaan software nya di kanal youtube kami. Hubungi kami sekarang juga!

Boiler yang menggunakan batubara (coal fired boiler) merupakan salah satu teknologi yang umum digunakan dalam industri untuk menghasilkan uap yang digunakan dalam proses produksi, pemanas, dan keperluan lainnya. Dalam artikel ini, kita akan melakukan analisis menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk memahami kinerja boiler batubara berdasarkan standar industri yang ada.

1. Pengantar tentang Coal Fired Boiler

Boiler batubara digunakan untuk menghasilkan energi panas dengan membakar batubara di dalam tungku. Proses ini menghasilkan panas yang digunakan untuk mengubah air menjadi uap, yang selanjutnya dapat digunakan untuk berbagai aplikasi dalam industri seperti pembangkit listrik, pemanas proses, dan pendingin.

2. Standar Industri yang Relevan

Dalam desain dan operasi boiler batubara, berbagai standar industri diakui secara internasional dan nasional. Contoh standar ini meliputi ASME Boiler and Pressure Vessel Code (ASME BPVC), European Standard (EN), dan standar nasional seperti yang dikeluarkan oleh Badan Standardisasi Nasional (BSN) di negara masing-masing. Parameter-parameter kunci yang dievaluasi termasuk efisiensi termal, emisi gas buang, dan distribusi panas di dalam boiler.

3. Metode Analisis Menggunakan CFD

CFD memungkinkan simulasi numerik dari aliran fluida, panas, dan reaksi kimia di dalam boiler batubara. Proses analisis melibatkan beberapa langkah kunci:

• Modeling Geometri: Memodelkan geometri boiler secara detail, termasuk furnace, tubes, economizer, superheater, dan bagian lainnya.
• Pengaturan Simulasi: Menentukan kondisi batas seperti laju pembakaran batubara, distribusi udara primer dan sekunder, dan karakteristik bahan bakar serta properti fluida (densitas, viskositas).
• Simulasi dan Analisis: Menjalankan simulasi CFD untuk memperoleh distribusi temperatur, kecepatan aliran gas, dan konsentrasi gas buang di dalam boiler.

Software yang umum digunakan di industri untuk simulasi coal fired boiler adalah Cradle CFD, karena kemampuanya dalam menghandle mesh yang detail namun juga luas seperti boiler. Kemudian, proses simulasi pembakaran yang bisa di-couple juga dengan eulerian fluid jika terdapat fluidized bed. Permodelan pembakaran dapat dilakukan secara detail dengan reaksi kimia yang spesifik, sehingga proses seperti co-firing dapat dimodelkan dengan mudah.

https://youtube.com/watch?v=FZjav4hiIRs%3Fsi%3Domt3cf67FHQHRdrt%26wmode%3Dopaque%26rel%3D0

4. Parameter Kinerja yang Dievaluasi

Berikut adalah beberapa parameter kinerja kunci yang dievaluasi dalam analisis CFD boiler batubara:

• Efisiensi Termal: Kemampuan boiler untuk mengubah panas yang dihasilkan dari pembakaran batubara menjadi uap dengan efisien.
• Emisi Gas Buang: Konsentrasi dan distribusi emisi gas buang seperti CO, NOx, dan partikulat yang mempengaruhi kepatuhan terhadap regulasi lingkungan.
• Distribusi Panas: Pola distribusi panas di dalam furnace, tubes, dan bagian lainnya untuk memastikan penggunaan panas secara optimal dan mengurangi kerusakan termal.

5. Keuntungan Penggunaan CFD dalam Analisis Boiler Batubara

Penggunaan CFD dalam analisis boiler batubara memberikan sejumlah keuntungan penting:

• Optimasi Desain: Memungkinkan untuk mengoptimalkan desain boiler untuk meningkatkan efisiensi dan mengurangi emisi.
• Prediksi Performa: Menyediakan prediksi yang akurat tentang efisiensi dan emisi boiler di bawah berbagai kondisi operasional.
• Penyelidikan Berbagai Skenario: Memungkinkan penyelidikan skenario operasional yang berbeda untuk mengevaluasi dampaknya terhadap performa boiler.

6. Studi Kasus dan Implementasi Industri

Studi kasus nyata dari implementasi CFD dalam analisis boiler batubara dapat memberikan wawasan yang berharga tentang bagaimana teknologi ini dapat menghasilkan perbaikan dalam efisiensi energi dan pengurangan emisi. Implementasi hasil analisis CFD dapat membantu industri untuk mematuhi regulasi lingkungan yang ketat dan meningkatkan efisiensi operasional secara keseluruhan.

Kesimpulan

Dengan menggunakan teknologi Computational Fluid Dynamics (CFD), analisis boiler batubara dapat dilakukan dengan detail yang tinggi sesuai dengan standar industri yang berlaku. Dengan memahami distribusi panas, aliran fluida, dan karakteristik pembakaran di dalam boiler, kita dapat mengoptimalkan desain, meningkatkan efisiensi, dan mengurangi dampak lingkungan dari operasi boiler batubara dalam industri modern.

Desain pesawat terbang dimulai dengan desain konseptual, yaitu desainer memiliki kebebasan dalam menentukan peletakan-peletakan atau konfigurasi sayap, ekor, fuselage dan lain-lain. Tentunya pemilihan konfigurasi yang tepat harus disertai dengan pertimbangan yang matang baik dari segi teknis maupun aerodinamika. Memang terdapat buku dengan berbagai teori dan data empiris yang dapat dimanfaatkan untuk memperhitungkan desain konseptual dari pesawat terbang ini, namun sering sekali ditemui kerumitan maupun penyederhanaan yang berlebihan pada buku, misalkan hanya berlaku pada sayap tanpa fuselage, oleh karena itu perlu digunakan metode pendekatan secara numeris (bukan analitis) untuk masalah aerodinamika yaitu dengan software CFD.

      CFD adalah kepanjangan dari Computational Fluid Dynamics, yaitu menyelesaikan permasalahan dinamika fluida dengan pendekatan komputer. Dengan CFD, desainer dapat sangat bebas mengatur konfigurasi pesawat dan mensimulasikan apa yang akan terjadi di lapangan nantinya tanpa harus membuat model fisiknya terlebih dahulu, yang tentu saja menghemat biaya dan minimalisir resiko. Adapun secara umum, CFD dapat dimanfaatkan untuk menghitung gaya angkat (Lift), gaya hambat (Drag) dan moment beserta koefisien-koefisienya secara kuantitatif bahkan dapat memprediksi
terjadinya stall yang sangat rumit jika diselesaikan dengan teori. Selain itu CFD juga dapat memvisualisasikan distribusi tekanan, distribusi kecepatan hingga garis-garis streamline sehingga sangat mudah diamati apakah aliran udara di sekitar pesawat tersebut sesuai keinginan kita atau tidak. Tentu saja jika aliran udara tidak sesuai dengan keinginan kita, kita dapat mengubah desain dengan sangat fleksibel di komputer (dibandingkan dengan model fisik yang harus mengeluarkan tenaga dan biaya yang lebih). Berikut ini adalah contoh simulasi CFD yang kami lakukan :

Dari hasil simulasi dapat ditemukan titik-titik yang menghasilkan distribusi tekanan maupun kecepatan yang tidak menguntungkan atau menghasilkan drag yang besar, Dengan mudah desainer dapat merubah bentuk-bentuk tersebut.

     Tidak hanya pesawat terbang, software CFD juga sering sekali dimanfaatkan untuk analisis aliran pada propeller, desain kapal, turbin angin, aliran sungai bahkan simulasi perkotaan yang diterpa angin maupun gelombang sunami. Tentunya CFD memiliki keterbatasan dalam melakukan perhitungan, oleh karena itu pengalaman dan pengetahuan operator CFD sangat menentukan validitas data hasil simulasi, tak jarang hasil simulasi CFD melenceng jauh dari data di lapangan karena kesalahan seting maupun kurangnya pengetahuan operator.

     Secara ilmiah, biasanya data dari CFD di bandingkan dengan data hasil wind tunnel, jika sample data tersebut mendekati maka dapat disimpulkan bahwa seluruh data hasil simulasi CFD tersebut valid atau dapat digunakan untuk desain. Berikut adalah contoh pengujian sayap melalui CFD yang dibandingkan dengan data uji wind tunnel yang dilakukan oleh aeroengineering bersama dengan peneliti dari reza research company di wind tunnel AAU :

Dapat diamati bahwa data hasil simulasi CFD dan hasil uji wind tunnel sangatlah mendekati, sehingga data dari CFD dapat dianggap valid.

Dunia dirgantara sangat identik dengan standar desain yang tinggi, dalam kasus ini kita akan membahas desain airfoil sebuah pesawat terbang. Untuk menghasilkan gaya angkat sayap pesawat terbang, kita dapat dengan mudah membuat desain papan yang dimiringkan dan mendapatkan gaya angkat yang cukup tinggi, namun, kita harus ingat bahwa papan tersebut akan menghasilkan gaya hambat yang tinggi juga (atau dikenal dengan istilah induced drag).

Oleh karena itu, diperlukan metode yang memungkinkan menghasilkan gaya angkat tanpa menambah gaya hambat yang besar, salah satunya adalah dengan menerapkan prinsip bernoulli yang pada intinya menjelaskan bahwa semakin tinggi kecepatan, maka tekanan semakin rendah. Hal ini dapat kita aplikasikan untuk menghasilkan gaya angkat, yaitu menghasilkan tekanan yang rendah pada bagian atas sayap dan tekanan yang tinggi pada bagian bawah sayap.

Berdasarkan prinsip bernoulli di atas, kita harus membuat kecepatan di atas sayap menjadi lebih tinggi. Hal ini dapat dibuat dengan cara membuat lintasan bagian atas sayap lebih jauh, dengan membuatnya melengkung. Bentuk unik potongan melintang sayap ini dikenal juga dengan istilah airfoil.

Tentu saja kita dapat menghitung besarnya tekanan jika diketahui kecepatan pada sekitar airfoil atau sebaliknya untuk menghitung gayanya, namun yang menjadi masalah adalah kita tidak dapat menghitung kecepatan dan tekanan secara bersamaan dengan geometri airfoil yang membuat pola aliran menjadi kompleks, mengingat persamaan dasar fluida (Navier-Stokes) tidak dapat diselesaikan pada sembarang geometri secara analitis. Hal ini dapat kita selesaikan dengan metode numerik yang dikalkulasi menggunakan komputer, atau kita kenal juga dengan Computational Fluid Dynamics (CFD).

Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD), kita dapat dengan mudah merubah-rubah bentuk airfoil, misal merubah ukuran kelengkungan, jari-jari ujungnya, ketebalanya dan lain-lain sehingga diperoleh gaya angkat yang sebesar-besarnya dan gaya hambat yang sekecil-kecilnya. Percobaan dengan wind tunnel bisa saja dilakukan, namun akan makan cukup banyak biaya dan waktu untuk pembuatan model nya.

Kembali lagi pada masalah penambahan gaya angkat dengan menambahkan sudut antara sayap dengan udara, atau kita kenal juga dengan istilah angle of attack. Dengan menambahkan angle of attack, gaya angkat sayap akan semakin tinggi, namun pada suatu kondisi tertentu, udara yang tadinya dapat mengikuti kontur airfoil dengan baik dan menghasilkan kecepatan tinggi dan tekanan rendah, akan terlepas dan tidak bisa mengikuti kontur airfoil karena jalan yang terlalu “curam” akibat sudut yang terlalu tinggi, sehingga aliran menjadi kehilanan energinya di sekitar airfoil dan hal ini akan berdampak pada menurunya gaya angkat secara signifikan. Hal ini disebut juga dengan fenomena stall.

Di sini, CFD juga sangat berperan dalam memprediksi fenomena stall tersebut, hal yang tidak mungkin dilakukan secara analitis (saat ini) karena kondisi stall yang sangatlah turbulen dan random. Pada akhirnya kita akan mendapatkan grafik hubungan gaya angkat, gaya hambat, atau mungkin gaya angkat dibagi dengan gaya hambat (L/D) untuk mengetahui performa dari airfoil atau sayap tersebut.

Grafik di atas sangatlah krusial untuk mengoptimalkan pemilihan airfoil yang kita gunakan, baik untuk menentukan kondisi sudut serang sayap pesawat, kapan pesawat akan stall, ketebalan sayap dan lain sebagainya.