Dinamika fluida komputasi
Dinamika fluida komputasi (CFD) adalah cabang mekanika fluida yang menggunakan analisis numerik dan struktur data untuk menganalisis dan memecahkan masalah yang melibatkan aliran fluida. Komputer digunakan untuk melakukan perhitungan yang diperlukan untuk mensimulasikan aliran fluida aliran bebas, dan interaksi fluida (cairan dan gas) dengan permukaan yang ditentukan oleh kondisi batas. Dengan superkomputer berkecepatan tinggi, solusi yang lebih baik dapat dicapai, dan sering kali diperlukan untuk memecahkan masalah terbesar dan paling kompleks. Penelitian yang sedang berlangsung menghasilkan perangkat lunak yang meningkatkan akurasi dan kecepatan skenario simulasi yang kompleks seperti aliran transonik atau turbulen. Validasi awal perangkat lunak tersebut biasanya dilakukan dengan menggunakan peralatan eksperimental seperti terowongan angin. Selain itu, analisis analitis atau empiris yang telah dilakukan sebelumnya untuk masalah tertentu dapat digunakan sebagai perbandingan. Validasi akhir sering kali dilakukan dengan menggunakan pengujian skala penuh, seperti uji terbang.
CFD diterapkan pada berbagai masalah penelitian dan teknik di banyak bidang studi dan industri, termasuk aerodinamika dan analisis kedirgantaraan, hipersonik, simulasi cuaca, ilmu pengetahuan alam dan teknik lingkungan, desain dan analisis sistem industri, teknik biologi, aliran fluida dan perpindahan panas, analisis mesin dan pembakaran, serta efek visual untuk film dan game.
Latar belakang dan sejarah
Dasar fundamental dari hampir semua masalah CFD adalah persamaan Navier-Stokes, yang mendefinisikan banyak aliran fluida satu fase (gas atau cairan, tetapi tidak keduanya). Persamaan-persamaan ini dapat disederhanakan dengan menghilangkan istilah yang menggambarkan aksi viskos untuk menghasilkan persamaan Euler. Penyederhanaan lebih lanjut, dengan menghilangkan istilah yang menggambarkan vortisitas menghasilkan persamaan potensial penuh. Terakhir, untuk gangguan kecil pada aliran subsonik dan supersonik (bukan transonik atau hipersonik), persamaan-persamaan ini dapat dilinearisasi untuk menghasilkan persamaan potensial yang dilinearisasi.
Secara historis, metode pertama kali dikembangkan untuk menyelesaikan persamaan potensial terlinearisasi. Metode dua dimensi (2D), menggunakan transformasi konformal dari aliran di sekitar silinder ke aliran di sekitar airfoil dikembangkan pada tahun 1930-an.
Salah satu jenis perhitungan paling awal yang menyerupai CFD modern adalah yang dilakukan oleh Lewis Fry Richardson, dalam artian bahwa perhitungan ini menggunakan beda hingga dan membagi ruang fisik dalam sel. Meskipun gagal secara dramatis, perhitungan ini, bersama dengan buku Richardson yang berjudul Weather Prediction by Numerical Process, menjadi dasar bagi CFD modern dan meteorologi numerik. Faktanya, perhitungan CFD awal selama tahun 1940-an menggunakan ENIAC menggunakan metode yang hampir sama dengan yang ada di buku Richardson tahun 1922.
Daya komputer yang tersedia mempercepat pengembangan metode tiga dimensi. Mungkin pekerjaan pertama yang menggunakan komputer untuk memodelkan aliran fluida, seperti yang diatur oleh persamaan Navier-Stokes, dilakukan di Los Alamos National Lab, dalam kelompok T3. Kelompok ini dipimpin oleh Francis H. Harlow, yang secara luas dianggap sebagai salah satu pionir CFD. Dari tahun 1957 hingga akhir 1960-an, kelompok ini mengembangkan berbagai metode numerik untuk mensimulasikan aliran fluida dua dimensi transien, seperti metode partikel-dalam-sel, metode fluida-dalam-sel, metode fungsi aliran vortisitas, dan metode penanda-dan-sel. Metode fungsi aliran vortisitas Fromm untuk aliran 2D, transien, dan tak mampu mampat merupakan perlakuan pertama untuk aliran tak mampu mampat yang berkontur kuat di dunia.
Makalah pertama dengan model tiga dimensi diterbitkan oleh John Hess dan A.M.O. Smith dari Douglas Aircraft pada tahun. Metode ini mendiskritkan permukaan geometri dengan panel-panel, yang menyebabkan kelas program ini disebut sebagai Metode Panel. Metode mereka sendiri disederhanakan, karena tidak menyertakan aliran pengangkatan dan oleh karena itu terutama diterapkan pada lambung kapal dan badan pesawat. Kode Panel pengangkatan pertama (A230) dijelaskan dalam sebuah makalah yang ditulis oleh Paul Rubbert dan Gary Saaris dari Boeing Aircraft pada tahun. Seiring berjalannya waktu, Kode Panel tiga dimensi yang lebih canggih dikembangkan di Boeing (PANAIR, A502), Lockheed (Quadpan), Douglas (HESS), McDonnell Aircraft (MACAERO), NASA (PMARC) dan Metode Analitik (WBAERO, USAERO dan VSAERO).
Beberapa (PANAIR, HESS, dan MACAERO) merupakan kode dengan orde yang lebih tinggi, menggunakan distribusi singularitas permukaan dengan orde yang lebih tinggi, sementara yang lain (Quadpan, PMARC, USAERO, dan VSAERO) menggunakan singularitas tunggal pada setiap panel permukaan. Keuntungan dari kode-kode dengan orde yang lebih rendah adalah bahwa kode-kode tersebut berjalan lebih cepat pada komputer-komputer pada masa itu. Saat ini, VSAERO telah berkembang menjadi kode multi-orde dan merupakan program yang paling banyak digunakan di kelas ini. Kode ini telah digunakan dalam pengembangan banyak kapal selam, kapal permukaan, mobil, helikopter, pesawat terbang, dan baru-baru ini turbin angin. Kode kembarannya, USAERO adalah metode panel tidak stabil yang juga telah digunakan untuk memodelkan hal-hal seperti kereta api berkecepatan tinggi dan kapal pesiar balap. Kode PMARC NASA dari versi awal VSAERO dan turunan dari PMARC, yang dinamai CMARC, juga tersedia secara komersial.
Dalam ranah dua dimensi, sejumlah Kode Panel telah dikembangkan untuk analisis dan desain airfoil. Kode-kode tersebut biasanya memiliki analisis lapisan batas yang disertakan, sehingga efek viskos dapat dimodelkan. Richard Eppler mengembangkan kode PROFILE, sebagian dengan dana NASA, yang mulai tersedia pada awal tahun 1980-an. Ini segera diikuti oleh kode XFOIL dari Mark Drela. Baik PROFILE maupun XFOIL menggabungkan kode panel dua dimensi, dengan kode lapisan batas yang digabungkan untuk pekerjaan analisis airfoil. PROFILE menggunakan metode transformasi konformal untuk desain airfoil inversi, sedangkan XFOIL memiliki transformasi konformal dan metode panel inversi untuk desain airfoil.
Langkah peralihan antara Kode Panel dan kode Full Potential adalah kode yang menggunakan persamaan Transonic Small Disturbance. Secara khusus, kode WIBCO tiga dimensi, yang dikembangkan oleh Charlie Boppe dari Grumman Aircraft pada awal tahun 1980-an telah banyak digunakan.
Langkah selanjutnya adalah persamaan Euler, yang menjanjikan solusi yang lebih akurat untuk aliran transonik. Metodologi yang digunakan oleh Jameson dalam kode FLO57 tiga dimensi (1981) digunakan oleh orang lain untuk menghasilkan program-program seperti program TEAM dari Lockheed dan program MGAERO dari IAI / Analytical Methods. MGAERO memiliki keunikan karena merupakan kode mesh kartesian yang terstruktur, sementara kebanyakan kode lainnya menggunakan kisi-kisi yang dipasang pada tubuh yang terstruktur (dengan pengecualian kode CART3D NASA yang sangat sukses, kode SPLITFLOW Lockheed, dan NASCART-GT dari Georgia Tech). Antony Jameson juga mengembangkan kode AIRPLANE tiga dimensi yang menggunakan kisi-misi tetrahedral yang tidak terstruktur.
Dalam ranah dua dimensi, Mark Drela dan Michael Giles, yang saat itu merupakan mahasiswa pascasarjana di MIT, mengembangkan program ISES Euler (sebenarnya sebuah rangkaian program) untuk desain dan analisis airfoil. Kode ini pertama kali tersedia pada tahun 1986 dan telah dikembangkan lebih lanjut untuk mendesain, menganalisis, dan mengoptimalkan airfoil tunggal atau multi-elemen, sebagai program MSES. MSES telah digunakan secara luas di seluruh dunia. Turunan dari MSES, untuk desain dan analisis airfoil dalam sebuah kaskade, adalah MISES, yang dikembangkan oleh Harold Youngren ketika ia menjadi mahasiswa pascasarjana di MIT.
Metodologi
Dalam semua pendekatan ini, prosedur dasar yang sama diikuti.
- Selama pemrosesan awal
- Geometri dan batas-batas fisik dari masalah dapat ditentukan dengan menggunakan desain berbantuan komputer (CAD). Dari sana, data dapat diproses (dibersihkan) dan volume fluida (atau domain fluida) diekstraksi.
- Volume yang ditempati oleh fluida dibagi menjadi sel-sel diskrit (mesh). Mesh dapat seragam atau tidak seragam, terstruktur atau tidak terstruktur, yang terdiri dari kombinasi elemen heksahedral, tetrahedral, prismatik, piramida, atau polihedral.
- Pemodelan fisik didefinisikan - misalnya, persamaan gerak fluida + entalpi + radiasi + konservasi spesies
- Kondisi batas ditentukan. Hal ini melibatkan penentuan perilaku dan sifat fluida pada semua permukaan yang membatasi domain fluida. Untuk masalah transien, kondisi awal juga ditentukan.
- Simulasi dimulai dan persamaan-persamaan diselesaikan secara iteratif sebagai kondisi tunak atau transien.
- Terakhir, postprocessor digunakan untuk analisis dan visualisasi solusi yang dihasilkan.
Disadur dari: en.wikipedia.org