Memahami Dinamika Fluida Komputasi (CFD)

Dinamika fluida komputasi (sering disingkat CFD) digunakan di berbagai industri dan aplikasi.

Dari teknik yang efisien untuk menjaga SoC (System on a Chip) cukup dingin agar berfungsi dengan baik hingga membantu mobil balap mengurangi waktu beberapa detik lagi, dinamika fluida komputasional tetap menjadi alat yang ampuh untuk simulasi dan pengoptimalan.

Gambar 1. CFD sering dikaitkan dengan dirgantara dan desain otomotif, tetapi ini berlaku untuk berbagai industri, termasuk motor listrik, robotika, baterai, dan manajemen termal. Gambar digunakan atas izin Siemens

Apa itu Dinamika Fluida Komputasi (CFD)?

CFD adalah alat simulasi numerik dan pemodelan berdasarkan prinsip dinamika fluida. Ini memanfaatkan metode numerik dan algoritma untuk memecahkan masalah yang melibatkan aliran cairan.

Sebagai bagian dari penjelasan ini, penting untuk mempertimbangkan bahwa cairan tidak terbatas pada cairan. Fluida juga termasuk gas seperti udara. CFD dapat mensimulasikan aliran fluida, reaksi kimia, perubahan fasa, perpindahan panas dan massa, dan cairan, gas, dan padatan saat mengalir melalui suatu sistem.

Cara Kerja Dinamika Fluida Komputasi (CFD):Dasar-dasarnya

Persamaan pengatur utama yang terlibat adalah persamaan kontinuitas (kekekalan massa), Hukum Kedua Newton (kekekalan momentum), dan Hukum Pertama Termodinamika (kekekalan energi). Variabel kuncinya adalah kecepatan, tekanan, dan suhu absolut, bersama dengan densitas, konduktivitas termal, entalpi, dan viskositas.

Gambar 2. Simulasi aliran menggambarkan aliran partikel fluida melalui suatu sistem saat mereka berinteraksi dengan padatan, cairan lain, dan panas. Gambar yang digunakan atas izin Autodesk

Simulasi CFD bertujuan untuk memahami kecepatan, tekanan, dan suhu pada setiap titik dalam rezim aliran.

Hasil Pemodelan CFD

Hasil pemodelan CFD dapat diproses pasca untuk memberikan visualisasi informatif yang dapat mencakup arus yang mewakili kecepatan (kecepatan dan arah) aliran fluida, peta yang menunjukkan distribusi suhu, dan penelusuran partikel yang menunjukkan pergerakan partikel fluida tunggal (untuk beberapa nama). ).

Dengan peningkatan daya komputasi dan kemampuan grafis yang berkelanjutan, visualisasi dapat dimanipulasi dalam 3D dan menghasilkan gambar, video, dan animasi yang menarik untuk membantu pengguna menafsirkan data dan membagikannya dengan audiens non-teknis.

Apakah Model Dinamika Fluida Komputasi yang Paling Banyak Digunakan?

Model yang paling banyak digunakan dalam CFD adalah FVM, yang merupakan singkatan dari Finite Volume Model. Sebenarnya, ini adalah metode diskritisasi di mana volume fluida dibagi menjadi volume kontrol yang terbatas. Volume kontrol individu ini dipusatkan di sekitar simpul yang terletak di pusat volume.

Bentuk diferensial dari persamaan yang mengatur model terintegrasi, dan variabel yang menarik antara centroid diperoleh dengan menggunakan profil interpolasi. Persamaan yang dihasilkan, dikenal sebagai diskritisasi atau persamaan terdiskritisasi , kemudian menyatakan prinsip konservasi untuk variabel di dalam volume atur.

FVM cukup populer karena keserbagunaannya dan karena solusinya akan memenuhi kekekalan besaran seperti energi, spesies, momentum, atau massa. Konservasi benar-benar terpenuhi untuk volume kontrol individu dan seluruh domain komputasi.

Gambar 3. CFD menemukan aplikasi ekstensif dalam manajemen termal elektronik, seperti dalam contoh sasis modular yang digunakan untuk aplikasi mission-critical. Gambar yang digunakan atas izin ANSYS

Metode lain yang juga dapat digunakan dengan CFD termasuk Metode Elemen Hingga (FEM), biasanya terkait dengan mekanika padat, dan Analisis Elemen Hingga (FEA).

Ada juga Metode FDM atau Finite-Different; metode khusus ini tidak banyak digunakan untuk CFD seperti FVM dan FEM, tetapi menemukan aplikasi yang luas dalam perhitungan cuaca, seismologi, dan efek khusus untuk film dan televisi.

Untuk Apa Dinamika Fluida Komputasi?

Secara umum, CFD mengoptimalkan, menganalisis, dan memverifikasi desain yang melibatkan aliran fluida sebelum prototipe mahal diproduksi. Tes fisik yang mahal dilakukan pada prototipe tersebut.

Secara umum, CFD dapat digunakan untuk:

• Simulasi baterai
• Pendingin motor listrik
• Reologi
• Efisiensi energi
• Manajemen termal
• Interaksi struktur fluida
• Pengoptimalan bentuk
• Pemodelan turbulensi
• HVAC
• Optimasi blade turbin
• Desain Pesawat / Dirgantara
• Desain otomotif

Lebih khusus lagi, CFD digunakan untuk:

• Optimasi manajemen termal yang efektif untuk SoC
• Kembangkan penggerak untuk robot bawah air yang terinspirasi dari bio
• Desain manipulator robot lunak
• Rekayasa motor listrik berpendingin air
• Studi tentang permukaan perpindahan panas yang mengotori minyak mentah
• Manajemen termal sasis modular kokoh untuk elektronik komunikasi militer
• Optimalisasi performa mobil balap

Selain itu, CFD dapat digunakan dengan FEA untuk menangkap interaksi kompleks antara fluida, termodinamika, panas, listrik, magnet, dan analisis struktural.

Gambar 4. CFD dapat mengoptimalkan efisiensi energi pusat data, memberikan informasi tentang karakteristik utama seperti aliran udara pendinginan yang diperlukan untuk menjaga suhu tetap terkendali. Gambar yang digunakan atas izin Autodesk

Perangkat Lunak Dinamika Fluida Komputasi

Ada berbagai macam paket perangkat lunak CFD di pasaran. Misalnya, ANSYS Fluent dan CFX adalah dua paket perangkat lunak CFD yang terkenal. Ada juga PTC Creo Simulation, Siemens Simcenter STAR-CCM+, Flotherm, dan Autodesk CFD.

Namun, tidak semua paket CFD komersial:OpenFOAM adalah paket CFD sumber terbuka gratis yang berjalan di Linux, macOS, dan Windows 10. Selain itu, ada sistem CFD berbasis browser seperti SimScale, yang kebetulan berbasis pada Buka FOAM. Ada juga alat pasca-pemrosesan yang andal seperti Ceetron Desktop Components yang menghidupkan data solusi CFD.

Ketika dieksekusi dengan benar, itu dapat mengungkapkan perilaku cairan dan bagaimana mereka berinteraksi dengan padatan, panas, perubahan fase, dan reaksi kimia. CFD digunakan di banyak industri yang berbeda, membantu mengoptimalkan desain dan menghemat waktu dan uang untuk pembuatan prototipe dan pengujian fisik. Dari nozel bahan bakar di mesin jet dan bodi mobil balap hingga robotika lunak dan sistem pendingin udara pusat data, CFD telah terbukti berkali-kali tak ternilai selama proses rekayasa.