Studi Pengaruh Grid / meshing pada CFD : contoh kasus pada aliran antara dua pelat

Setelah pada beberapa posting sebelumnya saya memposting tentang komputasi teknik, untuk kali ini saya mulai untuk memposting simulasi dan konsepnya menggunakan CFD, seperti yang pernah saya bahas sebelumnya, grid / meshing sangat berpengaruh terhadap kualitas dari simulasi yang kita hasilkan, check posting saya sebelumnya disini http://bloghasnan.blogspot.com/2012/03/studi-pengaruh-kualitas-grid-terhadap.html

sebagai contoh pengujian pengaruh jumlah/keratapan grid terhadap hasil simulasi, digunakan permasalah seperti berikut :

Konstrain untuk kasus diatas adalah :
- dua plat yang sejajar dengan jarak H=0,1 m  dan panjang L=1m,
- udara dialirkan secara laminer dengan densitas r=1,2 kg/m³
Dua jenis kasus yang dipakai dalam simulasi kali ini adalah :
- viskositas m=4x10-5 kg/m.s dan m= 10-5 kg/m.s dengan menetapkan kecepatan inlet uinlet=0,01m/s.
- kecepatan inlet uinlet=0,01m/s dan uinlet=0,04m/s dengan menetapkan viskositas m=4x10-5 kg/m.s

Langkah-per Langkah Simulasi Menggunakan CFDSOF
Variabel viskositas m=4x10^-5 kg/m.s dan u_inlet=0,01m/s
1. Buka CFDSOF anda,tentunya setelah login, lalu buat alokasi memori
- file input
2. tentukan  domain dengan p x l x t = 1 x 0.1 x 1. Pada arah i = 50 cell, dan arah j = 30, seperti pada gambar dibawah berikut

3.  Bangun grid, ketikkan perintah seperti berikut
Bangung Grid
- Bg
- x (arah grid)
- is
- 2
- segmen 2 titik mulai masukkan 0.5
- segmen 2 titik akhir mulai 1

segmen 1 berisi 28 cell, segmen 2 berisi 20 cell
4. mengatur kerapatan grid, hal ini ditujukan karena pada bagian contact membutuhkan grid yang lebih banyak agar perbedaan kondisi fisik yang terjadi dapat ditangkap, sehingga hasil simulasi semakin maksimal.
yaitu dengan cara menentukan factor pemberat
- masukkan 28 pada jumlah cell pada segmen 1
- masukkan 20 pada jumlah cell pada segmen 2
- ketikkan ns
- titik mulai adalah 0 titik akhir bawaan dipakai
- pada waktu factor pemberat muncul, masukkan 3

5. Langkah selanjutnya adalah membuat grid untuk arah Y, yaitu dengan membagi seperti yang diutarakan pada langkah nomer 4. pembagian segmen arah Y disesuikan dengan letak, pada bagian yang mendekati layer diberi segmen lebih banyak. untuk arah Y, segmen dibagi menjadi tiga bagian
- Y=0.0 sampai Y=0.025 berisi 10 cell
- Y=0.025 sampai Y = 0.075 berisi 8 cell
- Y=0.075 sampai Y = 0.1 berisi 10 cell
sehingga total cell arah y = 28, sesuai ketentuan sebelumnya

Langkahnya adalah

- IS = inisial

- 3 = jumlah segmen

- segmen titik 1, bawaan dipakai (nilai dari 0,0)

- 0.025 segmen kedua dimuali dari 0.025

- 0.075 segmen ketiga dimulai

- enter, segmen tiga akhir bawaan dipakai

- masukkan 8, bila jumlah cell pada segmen 2 ditanyakan

- masukkan 10, bila jumlah cell pada segmen 3 ditanyakan

6. Langkah selanjutnya adalah memberikan factor pemberat, yaitu pada segmen yang dekat dengan batas permukaan, segmen 1 dan segmen 3, untuk segmen 1 berikan pemberat di titik awalnya, sedang pada pada segmen 3 pada titik akhir yang diberi pemberat

7. mengatur inlet, inlet 1 pada i1,j2 - j29 dan inlet 2 i50,j2-j29.
8. mengatur konstanta fiskal

9. mengatur kondisi sempadan, yaitu mengatur inlet 1 dan 2, inlet 1 kecepatan u sebesar 0.01 m/s

jangan lupa untuk mengubah sempadan untuk inlet 2 berdasarkan pressure

10. lakukan iterasi, hasilnya adalah sebagai berikut

Kasus 1 dengan m=1x10^-5 kg/m.s dan inlet u_inlet=0,01m/s

untuk mengganti nilai viskositas, ketikkan kf, lalu ganti viskositas dengan 0.00001 kg/m.s, tekan enter bila sudah, selanjutnya lakukan iterasi lagi untuk mengetahui hasilnya

Kasus 2 dengan viskositas 4x10^-5 kg/m.s dan inlet u_inlet=0,04m/s
seperti cara sebelumnya, untuk merubah nilai viskositas, dapat dilakukan dengan mengetikkan kf pada baris perintah, lalu masukkan nilai viskositasnya, ketik esc ketika sudah selesai, untuk mengubah nilai U masuk ke kondisi sempadan (ks) paling gampang dengan tampilan GUI, ubah nilai U nya menjadi 0.04, bila sudah lakukan iterasi kembali, hasilnya adalah seperti berikut

Ukuran Grid/Cell Beberbeda 200 X 20

langkah yang digunakan sama persis dengan langkah pertama, hanya saja untuk kali ini digunakan jumlah grid berbeda yaitu 200x20, sedangkan kasus yang disimulasikan terdapat dua jenis, seperti diatas, nilai densitas yang digunakan tetap 1,2

Kasus 1 dengan viskositas 4x10^-5 kg/m.s dan inlet u_inlet=0,01m/s

sama seperti pada grid sebelumnya, kali ini jumlah cell yang dipakai diperbanyak, letak inlet masih sama, untuk memasukkan nilai viskositas, ketik kf lalu masukkan nilai viskositas, sendangkan untuk memasukkan nilai u, masuk ke kondisi sempadan, lalu ubah nilai U. setelah selesai, lakukan iterasi. hasilnya seperti gambar berikut

Kasus 1 dengan viskositas=1x10^-5 kg/m.s dan inlet u_inlet=0,01m/s

sama seperti sebelumnya dengan mengubah nilai viskositas pada kf, dan u inlet pada kondisi sempadan, lalu dilakukan iterasi ulang, hasilnya seperti gambar berikut

Kesimpulan

1. Pengaruh Viskositas

pada saat kasus dengan kecepatan inlet sama dan viskositas berubah-ubah, maka sesuai dengan rumusan renold number, antara viskositas berbanding terbalik dengan reynold number, 

sehingga dapat kita lihat aliran lebih cepat mencapai fully developed region, selain itu viskositas dengan nilai besar akan menyebabkan tegangan antar permukaan semakin besar, hal ini menyebabkan kebutuhan energi untuk melepaskan ikatan antar molekul juga besar, sehingga aliran cenderung laminer dengan kecepatan yang rendah. 

sebaliknya, bila viskositas rendah, maka bilangan reynold tinggi, dan tegangan permukaan rendah, bisa kita misalkan seperti air, maka sangat dimungkinkan terjadinya turbulensi, tergantung dari kecepatan yang digunakan, sehingga untuk mencapai fully developed region, diperlukan jarak yang lebih jauh.

2. Pengaruh Kecepatan

dengan membuat viskositas tetap, namun merubah nilai kecepatan, juga merubah kondisi aliran dalam lapisan, hal ini dikarenakan pada kecepatan rendah mengakibatkan reynold number rendah, selain itu kecepatan rendah membuat aliran cenderung laminer, sehingga fully develop region mudah terbentuk

3. Pengaruh grid

pada saat jumlah grid diperbanyak kecepatan pada kontur juga ikut berubah, hal ini menandakan bila cell/grid masih kurang, sehingga penambahan grid mempenaruhi hasil interprestrasi. untuk mencegah hal itu, jumlah grid harus lebih diperbanyak lagi, terutama pada bagian yang mendekati batas, agar perubahan kondisi fisik dapat disimulasikan.

Read More

Studi Pengaruh Kualitas Grid Terhadap Hasil Simulasi

Tidak semua grid atau mesh yang rapat, kecil-kecil berdampak bagus pada proses simulasi CFD, salah penempatan grid, ujung-ujungnya tambah lama proses iterasi berlangsung, apalagi kalau kita berkeja dengan komputer yang resourcenya terbatas, namun perlu diingat kualitas mesh/grid berpengaruh besar terhadap kualitas dari hasil simulasi CFD, tapi tidak semua tempat membutuhkan kerapatan grid yang kecil.
meshing dengan kualitas bagus dapat meningkatkan akurasi dari hasil simulasi, dan hasil konvergensi saat iterasi berlangsung,

ilustrasi sederhana diatas memperlihatkan perbedaan maksud grid pada kondisi fisik dan grid pada kondisi perhitungan komputer, dalam kondisi fisik, kita dapat mengatur daerah mana yang harus mempunyai grid banyak, rapat dan daerah mana yang renggang, sedangkan pada kondisi perhitungan komputer, grid tersebut dihitung berdasar kan jumlah i dan j nya, jadi semakin banyak jumlah cell tentunya semakin besar beban kerja komputer. oleh karena itu dengan pemahaman fisika yang benar, kita dapat memperkirakan daerah mana yang terjadi perubahan besar, misalnya contact surface, daerah belokan dsb, sedangkan daerah luar dimana diperkirakan perubahan tidak terjadi significant, besar gridnya dapat dibuat lebih besar dan jarang, namun perlu diingat perpindahan perubahan grid harus smooth, agar proses perhitungan dapat konvergen dan tidak terjadi error

gambar diatas memperlihatkan struktur grid yang berbeda di tiap titiknya,  pada daerah yang diperkirakan terjadi perubahan aliran, terutama daerah kontak, free surface dibuat grid yang kecil dan rapat, sehingga setiap perubahan yang terjadi di daerah itu dapat divisualisasikan dengan baik.

Jenis Mesh
secara garis besar dibagi menjadi dua bagian, 2D dan 3D
untuk 2D yang paling sering digunakan adalah quad dan triangle, beberapa jenis mesh yang digunakan dapat dilihat pada gambar berikut

Mesh Design Guidelines
berikut beberapa aturan yang harus diperhatikan untuk mendapatkan hasil simulasi CFD yang bagus
1. dekat dengan boundary layer, kontak layer, gunakan grid yang rapat, misalnya pada contoh di bawah ini

2. Check apakah jumlah grid berpengaruh besar terhadap hasil simulasi, bila ya, gunakan jumlah grid yang lebih kecil, agar perubahan kecil pun dapat terdeteksi, bila jumlah grid tidak berpengaruh besar terhadap hasil simulasi, berarti jumlah grid sudah sesuai.
3. perubahan cell dari yang rapat/kecil ke cell yang besar, diusahakan smooth, kalau perubahan mesh terlalu besar, hal ini akan menyebabkan proses iterasi berlangsung lama, dan hasilnya simulasi kurang bagus.
4. hindari mesh yang membentuk skew, atau tipis panjang dan kurang teratur, misalnya segi empat namun satu sudutnya di dalam, karena hal ini akan menyebabkan error pada proses iterasi, selain itu waktu yang dibutuhkan juga semakin lama.

Read More