Computational fluid dynamics (CFD) adalah ilmu yang menggunakan struktur data untuk memecahkan masalah aliran fluida -- seperti kecepatan, densitas, dan komposisi kimia.
Teknologi ini digunakan di berbagai bidang seperti pencegahan kavitasi, teknik kedirgantaraan, teknik HVAC, manufaktur elektronik, dan banyak lagi.
Di bawah ini adalah daftar aplikasi simulasi CFD yang paling umum digunakan saat ini.
Kavitasi adalah pembentukan gelembung uap di dalam cairan, dan terjadi ketika suatu benda (seperti baling-baling) bergerak melalui cairan. Kavitasi dapat menyebabkan kerusakan pada baling-baling, nozel, turbin, pelimpah, dan katup.
Kavitasi adalah masalah dinamika fluida kritis yang berdampak luas pada domain teknik.
Masalah terbesar?
Sangat sulit untuk mendeteksi kerusakan yang disebabkan kavitasi pada komponen selama pengujian stres fisik — karena kerusakannya bertahap, dan tidak menunjukkan efek yang jelas hingga mencapai ambang kritis.
Misalnya, salah satu cara untuk mengukur kerusakan kavitasi pada baling-baling adalah dengan menggunakan instrumen untuk mengukur getaran dan kebisingan. Namun sebagian besar instrumen tidak cukup sensitif untuk mengukur jenis kerusakan ini secara akurat.
Simulasi kavitasi melalui CFD, bagaimanapun, dapat membantu para insinyur menetapkan ambang batas kecil yang akan sulit diukur di dunia fisik. Mereka dapat mengukur pada tingkat yang sangat terperinci untuk membandingkan produk dan desain alternatif untuk meningkatkan fleksibilitas, daya tahan, dan keamanan proyek mereka.
Mesin berputar seperti kompresor, pompa uap, turbin gas, dan turbo-ekspander memiliki satu kesamaan:beban siklik yang bekerja pada struktur.
Segel labirin digunakan di berbagai jenis mesin yang berputar untuk mengurangi aliran kebocoran. Gas yang melewati seal sering kali menciptakan kekuatan pendorong yang menyebabkan getaran rotor tidak stabil.
Yang penting di sini adalah untuk dapat menentukan gaya dinamis rotor yang menciptakan ketidakstabilan.
Sekali lagi, daripada berinvestasi dalam pembuatan prototipe konstan dan pengujian tegangan fisik, simulasi CFD dapat digunakan untuk menguji berbagai variabel desain untuk menemukan konstruksi mesin berputar yang paling ideal.
Turbulensi adalah gerakan tiba-tiba dari udara, air, atau cairan lainnya. Ini adalah salah satu fenomena cuaca paling berbahaya dan tak terduga yang dihadapi oleh pilot. Faktanya, turbulensi ekstrem dapat membuat pilot maskapai penerbangan tidak dapat mengendalikan pesawat mereka, dan bahkan dapat menyebabkan cedera serius pada penumpang.
Simulasi CFD menggunakan model turbulensi untuk memprediksi efek turbulensi pada desain rekayasa CAD.
Salah satu model paling umum untuk mensimulasikan turbulensi adalah Generalized k-omega (GEKO) di ANSYS. GEKO membantu menyesuaikan model turbulensi ke berbagai aplikasi dengan memungkinkan pengguna menyesuaikan parameter individual simulasi sambil mempertahankan kalibrasi model
Meskipun merupakan perlengkapan yang diabaikan dalam kehidupan kita sehari-hari, sistem HVAC yang memompa dan mengkondisikan udara ke dalam rumah dan kantor kita memerlukan teknik dan perencanaan yang intensif.
Untuk mengkondisikan udara ruang secara efektif, menjaga aliran udara melalui ruangan, dan memastikan kualitas udara dalam ruangan (IAQ) yang tinggi, produk HVAC harus memanfaatkan fisika dinamika fluida.
Membuat diffuser HVAC, unit penanganan udara, dan FTU biasanya memerlukan pengujian yang ketat untuk memastikan mereka dapat bersirkulasi dan mengkondisikan udara secara efektif, serta memenuhi standar IAQ.
Dengan demikian, banyak produsen peralatan HVAC telah beralih ke simulasi CFD untuk mempercepat pembuatan prototipe dan memvalidasi desain baru. Simulasi CFD memungkinkan para insinyur untuk menganalisis potensi kinerja produk mereka di ruang yang berbeda, dan dalam konfigurasi yang berbeda.
Pada nilai nominal, proses desain baterai tampaknya memiliki sedikit kesamaan dengan desain ruang angkasa dan HVAC — di mana aliran udara memainkan peran penting (dan jelas) dalam fungsi inti suatu produk.
Tetapi desain baterai adalah proses multidisiplin yang memerlukan beberapa praktik teknik — termasuk teknik kimia, listrik, termal, dan fluidic. Dan dengan demikian, simulasi CFD dapat memainkan peran penting dalam mengoptimalkan kinerja dan keamanan baterai (sambil menggunakan lebih sedikit waktu dan sumber daya pada pengujian fisik).
Software CFD seperti Simulia dapat membantu produsen baterai memvisualisasikan dengan 3D dan memecahkan masalah yang terkait dengan pengosongan daya yang cepat, pemanasan sekitar yang berlebihan, dan pengisian daya yang berlebihan — yang tidak hanya memengaruhi masa pakai baterai, tetapi juga keselamatan konsumen.
Aerodinamika adalah studi tentang bagaimana udara mengalir di sekitar objek (seperti pesawat terbang atau mobil).
Ini mungkin aplikasi CFD yang paling terkenal — karena desainer mobil, insinyur luar angkasa, dan produsen peralatan olahraga semuanya menggunakan perangkat lunak simulasi untuk mengurangi hambatan dan gesekan udara sambil meningkatkan efisiensi produk mereka.
Selain mampu merancang produk aerodinamis tanpa berinvestasi dalam banyak prototipe fisik, simulasi memungkinkan para insinyur menguji perubahan yang sangat kecil pada desain mereka untuk memaksimalkan kinerja — puluhan atau ratusan kali sebelum mereka mulai berproduksi.
Perpindahan panas dan manajemen termal adalah disiplin mengukur bagaimana panas bergerak melalui desain padat-cairan (misalnya pipa yang mentransfer cairan panas) — dan bagaimana mengoptimalkan desain menggunakan prinsip konduksi panas, konveksi, atau radiasi.
Manajemen termal sangat penting untuk memastikan integritas dan keamanan struktural dari setiap desain yang memerlukan panas atau dingin sedang. Ini juga dapat digunakan untuk mengoptimalkan kinerja dan efisiensi desain yang menggunakan panas atau pembakaran untuk menghasilkan tenaga.
Sebagian besar paket perangkat lunak CAD profesional (seperti SolidWorks) memiliki dukungan asli untuk mensimulasikan model perpindahan panas.
Simulasi CFD digunakan untuk mengoptimalkan perpindahan panas dalam segala hal mulai dari desain mesin mobil hingga desain mesin kopi. Ini juga penting untuk berbagai jenis simulasi lain yang disebutkan dalam daftar ini (seperti HVAC) — di mana perpindahan panas merupakan komponen integral dari fungsi inti produk.
Aliran fluida dapat memberikan tekanan besar pada pipa dan katup — dan dapat menyebabkan deformasi kritis dan kegagalan jika tidak diperhitungkan dengan benar.
Dengan demikian, kilang minyak, pipa gas alam, dan pipa perumahan semua harus dioptimalkan untuk aliran fluida untuk mencapai keselamatan dan mencegah kerusakan jangka panjang pada peralatan mahal.
Sebelum munculnya simulasi CFD, optimasi semacam ini membutuhkan trial and error. Sistem perpipaan dibangun dengan perkiraan perkiraan terbaik, dan disempurnakan atau direvisi setelah kegagalan.
Dengan simulasi CFD, para insinyur dapat memodelkan kinerja seluruh sistem pipa atau mengisolasi satu komponen (seperti katup) untuk mengurangi kemungkinan kegagalan. Simulasi CFD juga dapat digunakan untuk menyelidiki kegagalan infrastruktur yang menua setelah kejadian, memberikan gambaran yang lebih akurat kepada para insinyur tentang apa yang terjadi.
Semua elektronik yang digunakan saat ini memerlukan beberapa bentuk manajemen panas (baik itu heatsink, ventilasi, kipas, komponen termal, atau kombinasi). Ini karena chip seperti GPU dan CPU mulai tidak berfungsi karena terlalu panas. Komponen-komponen ini perlu dijaga agar relatif dingin untuk mempertahankan kinerja (biasanya di bawah 85°C).
Tanpa simulasi atau pengujian ekstensif, produsen elektronik akan sering merilis produk ke pasar (seperti ponsel, mainan, chip komputer, dll.) yang gagal karena terlalu panas.
Simulasi CFD dapat digunakan untuk menguji dan mengatur penempatan komponen yang paling ideal (heatsink, kipas, dll.) untuk memastikan chip sensitif tidak terlalu panas.
Turbomachinery adalah konsep teknik mesin yang menjelaskan mesin yang menyalurkan energi dari rotor ke fluida (seperti kompresor atau turbin).
Mesin jet pesawat adalah contoh umum dari turbomachinery, karena merupakan turbin gas yang menghasilkan daya dorong dari gas buang.
Perangkat lunak CFD digunakan secara luas dalam desain dan optimalisasi mesin turbo, mulai dari pra-pemrosesan, pemodelan, penyambungan, hingga pasca-pemrosesan.
Bahan reologi tinggi adalah padatan yang dapat berperilaku sebagai cairan ketika gaya dan tekanan diterapkan padanya. Contoh materi tersebut meliputi:
Dengan menggunakan teknik seperti blow moulding, thermoforming, dan ekstrusi — pabrikan dapat membentuk padatan ini menjadi produk akhir.
Melalui penerapan simulasi CFD, produsen dapat mempercepat proses desain material reologi mereka sambil meminimalkan permintaan energi dan bahan baku. Mereka dapat mengidentifikasi penghematan biaya dengan mengubah bentuk cetakan manufaktur, mengurangi kelebihan bahan, dan dengan cepat membuat prototipe desain reologi.
Cairan yang mengalir yang secara kimiawi reaktif (dalam kasus mesin pembakaran, misalnya), disebut sebagai "aliran reaksi" dalam simulasi.
Jenis aliran ini mewakili masalah fisika yang sulit bagi para insinyur.
Memprediksi perilaku cairan yang bereaksi pada skala bangku kimia (milimeter) adalah satu hal — tetapi melakukannya pada tingkat larutan (pada liter kubik) sambil memperhitungkan turbulensi sangatlah sulit.
Namun, ini adalah masalah penting.
Mampu memahami kimia dan fisika yang mendasari aliran reaksi sangat penting dalam meningkatkan efisiensi energi, fleksibilitas bahan bakar, dan pengurangan emisi di sektor otomotif, kedirgantaraan, dan energi.
Ini adalah area di mana simulasi CFD unggul. Ini dapat menangani masalah multi-fisika yang kompleks seperti aliran reaksi — memberikan wawasan kepada produsen tentang produk mereka yang hampir tidak mungkin dihitung secara manual — tanpa memerlukan pengujian fisik yang mahal.
(Sumber:SimScale)
Aliran kompresibel mengacu pada aliran fluida di mana kepadatan tidak konstan.
Dengan kata lain, cairan seperti oksigen, yang kerapatannya dapat dikompresi atau didekompresi dengan perubahan tekanan — memiliki aliran yang dapat dimampatkan.
Aliran inkompresibel mengacu pada fluida yang perubahan densitasnya dapat diabaikan, terlepas dari tekanan.
Air yang mengalir melalui pipa memiliki aliran yang tidak dapat dimampatkan, karena tekanan akan memiliki dampak yang sangat kecil pada kerapatannya.
Kedua jenis aliran ini menghadirkan tantangan unik bagi produsen dan insinyur. Insinyur yang bekerja pada aerodinamika, misalnya, harus memperhitungkan kompresibilitas oksigen (dengan objek yang bergerak dengan kecepatan berbeda) dalam analisis mereka. Sebaliknya, industri yang bekerja dengan fluida yang tidak dapat dimampatkan harus memperhitungkan aliran turbulen yang keras, kuat, dan kacau dalam perhitungannya.
Dan dalam kasus dirgantara — di mana kedua jenis perhitungan mungkin perlu digabungkan dalam satu analisis — pengujian dan perencanaan bisa menjadi sangat rumit.
Inilah sebabnya mengapa simulasi CFD merupakan kebutuhan mutlak bagi banyak produsen modern. Perangkat lunak seperti SimScale memungkinkan para insinyur untuk menganalisis aliran yang tidak dapat dimampatkan dan yang dapat dimampatkan dalam satu simulasi dengan menetapkan sifat unik untuk cairan yang berbeda.
Sebelum munculnya simulasi, banyak masalah fisika praktis di dunia diselesaikan dengan pengujian fisik yang mahal (dan memakan waktu). Perusahaan yang produknya telah melewati pengujian yang ketat membayar jauh lebih banyak dengan kegagalan dan penarikan produk (dan kerusakan reputasi) dalam jangka panjang.
Tetapi dengan munculnya pemodelan simulasi, para insinyur dan perancang di semua industri telah memperoleh akses ke cara yang murah untuk menguji produk mereka di hampir semua kondisi.
Dinamika fluida komputasi khususnya memungkinkan para insinyur untuk menguji dan meningkatkan desain produk di mana aliran fluida, turbulensi, dan perpindahan panas adalah perhitungan penting.
Tetapi pengujian hanyalah bagian dari persamaan.
Mampu memperbarui desain CAD dengan cepat dan efisien untuk memperbaiki masalah yang ditandai oleh analisis CFD masih menjadi masalah bagi desainer — karena seringkali membutuhkan banyak pengerjaan ulang manual.
Untuk memungkinkan adopsi simulasi skala besar di seluruh industri, aplikasi simulasi perlu menjadi lebih mudah digunakan.
Jika Anda seorang desainer atau insinyur yang bekerja dengan CAD dan simulasi, Anda sangat akrab dengan jumlah pekerjaan yang diperlukan untuk mendesain ulang produk berdasarkan hasil simulasi. Sebagian besar perangkat lunak CFD tidak akan memperbarui model CAD Anda. Sebagai gantinya, mereka memberi Anda "bidang vektor" untuk menunjukkan deformasi yang diperlukan untuk mengoptimalkan model Anda. Maka tanggung jawab desainer untuk mengubah desain secara manual.
Proses desain ulang manual ini dapat diotomatisasi dengan menggunakan toolset morphing BRep Spatial. Mengingat bidang deformasi vektor (satu set poin sebelum dan sesudah), perangkat ini memungkinkan Anda mengubah geometri BRep apa pun secara otomatis. Dengan demikian, para insinyur dapat mengakomodasi kembali hasil simulasi ke dalam desain mereka dengan mudah.
pencetakan 3D
Apa itu kecerdasan? Sebelumnya, mari kita pahami arti kecerdasan. Kecerdasan memiliki banyak arti, tetapi kita dapat menganggap bahwa dengan mengatakan adalah serangkaian proses yang ditemukan dalam sistem, untuk memahami, belajar, dan beradaptasi dengan situasi baru dalam kehidupan. Apa itu Kecerd
Kami telah menulis tentang meningkatnya peran pemodelan dan pencetakan 3D dalam aplikasi medis sebelumnya, dan dampaknya terhadap peningkatan kehidupan masyarakat. Namun, teknologi ini semakin menjanjikan dalam memungkinkan prosedur penyelamatan jiwa. Di blog sebelumnya, kami telah membahas prosthe
Pernahkah Anda bertanya-tanya bagaimana AC, makhluk manis yang selalu menjaga kamar kita pada suhu yang sesuai, membuat keajaiban terjadi? Nah, motor DC brushless magnet permanen, dengan pengaturan kecepatan yang sangat baik dan semua, akan melakukannya. Apa lagi yang bisa dilakukan motor DC? Mari k
Pencetakan resin 3D telah berevolusi dengan cara yang sama seperti pencetakan FDM 3D, hingga tersedia untuk semua jenis pengguna. Pergerakan baru ini melalui penggunaan printer resin 3D telah menyebabkan pengembangan berbagai macam resin, dengan properti dan aplikasi yang sangat bervariasi. Pada ar
